一、光环形器的基本特性

光环形器是一种基于磁光非互易效应的单向传输光学器件，核心功能是实现光信号沿端口 1→2→3→… 的定向循环传输，同时隔离反向光。光信号由任一端口输入时，按数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，从1端口输入信号，信号只能从2端口输出，同样，从2端口输入的信号只能从3端口输出（如图1）。

它就像光网络中的“单向立交桥”，确保交通（光信号）只能按预设方向行驶，防止对向拥堵和事故。

图1：光环形器原理示意图

光纤环形器是一种正向导通、反向隔离的多端口(≥3个端)非互易无源器件。端口顺序为1、2、…，n。

对于完整环环行器由端口1→2、2→3、…，i→i+1,…，n-1→n、n→l传递光功率是非互易的。对于非完整环环行器由端口1→2、…,n-l→n传递光功率是非互易的。

二、光环形器耦合核心逻辑：非互易性 + 偏振定向匹配

光环形器的耦合不依赖传统的互易耦合（如光纤耦合器），而是基于 “偏振分离 - 非互易旋转 - 合束输出” 的三步协同机制，核心是利用法拉第磁光效应打破对称性，确保耦合的单向性（如图2）：

1、光纤准直器：（Collimator）将来自光纤的发散光转换为准直光束，以便后续光学元件处理。

2、偏振分离：通过双折射晶体将入射光会分解为两束偏振方向正交的线偏振光，实现空间光路分离；

3、非互易旋转：法拉第旋转器（FR）在外加磁场下，使两偏振分量的偏振面发生固定角度（通常 45°）的旋转，且旋转方向与光传播方向无关（非互易性关键）；

4、定向合束：配合波片调整偏振态，使两分量在合束器处相位匹配、偏振方向与目标端口耦合条件一致，最终高效耦合输出，反向光因偏振失配被隔离。

1. 光纤准直器（Collimator）
将来自光纤的发散光转换为准直光束，以便后续光学元件处理。

2. 非互易性元件（如法拉第旋转器）
依靠磁光效应使光偏振方向旋转，实现单向传输特性。

3. 双折射晶体
将入射光会分解为两束偏振方向正交的线偏振光，实现空间光路分离。

4. 波片或偏振旋转器（Waveplate/Rotator）
用于控制光信号的偏振状态，使其能够正确导向下一个端口。

5.反射镜/棱镜

实现路径转折或反射，实现更紧凑的封装设计。

图2：光环形器光路示意图

（1）、核心组件的作用

a、双折射晶体 1/2：利用双折射效应分离 / 合束正交偏振分量（o 光、e 光），光轴方向决定偏振分量的传输路径；

b、45° 法拉第旋转器：基于磁光非互易性，使光的偏振面固定旋转 45°（旋转方向与光传播方向无关，是单向性的核心）；

C、λ/2 波片：快轴与水平方向呈 22.5°，对偏振分量进行 90° 等效旋转，配合法拉第旋转器实现偏振态的定向调整。

耦合结构以 “双折射晶体+FR + 波片 + 双折射晶体” 的分立组件组合为主，耦合过程具有明确的空间光路：

a、正向传输（端口 1→端口 2）的耦合过程

1、偏振分离（双折射晶体 1）端口 1 输入的任意偏振光，进入双折射晶体 1 后，被分解为沿 “光轴” 的 e 光和垂直光轴的 o 光（正交偏振分量），两束光沿平行光路分离传输。

2、非互易偏振旋转（法拉第旋转器）分离后的 e 光、o 光通过45° 法拉第旋转器：由于磁光效应，两束光的偏振面均固定旋转 45°（旋转方向与光传播方向无关，是 “非互易性” 的核心）。

3、偏振态调整（λ/2 波片）经法拉第旋转器的光，再通过快轴呈 22.5° 的 λ/2 波片：波片对两偏振分量附加 π 相位差，使偏振面再旋转 45°，最终两分量的偏振面相对初始状态共旋转 90°。

4、定向合束（双折射晶体 2）旋转后的 e 光、o 光进入双折射晶体 2，此时偏振态与晶体 2 的光轴匹配，两分量重新相干合束，高效耦合至端口 2 输出。

b、反向传输（端口 2→端口 3）的隔离过程

1、偏振分离（双折射晶体 2）端口 2 输入的反向光，进入双折射晶体 2 后，同样被分解为 e 光、o 光，但传输方向与正向相反。

2、非互易偏振旋转（法拉第旋转器 +λ/2 波片）反向光通过法拉第旋转器（仍固定旋转 45°）和 λ/2 波片后，偏振面的旋转结果与正向传输不同（因传输方向反向，但法拉第旋转方向不变），最终偏振态与双折射晶体 1 的 “端口 1 耦合条件” 失配。

3、定向合束（双折射晶体 1）失配的偏振分量进入双折射晶体 1 后，无法耦合回端口 1，只能沿光轴方向合束，最终定向耦合至端口 3 输出。

步骤	具体操作与目的
1. 元件预装	将双折射晶体、法拉第旋转器、波片、反射镜等微型光学元件，初步固定于精密夹具中。
2. 光波导耦合系统（六维主动对准，如图3）	在实时监测输入/输出光功率的条件下，用纳米级位移台调整每个元件的空间位姿（X/Y/Z/俯仰/偏摆/旋转），寻找插入损耗最低、隔离度最高的“甜点”。
3. 永久固定	找到最佳位置后，使用紫外固化胶或激光焊接技术，将元件与基座或管壳永久性固定，确保长期稳定性。
4. 封装与测试	装入金属管壳，焊接输入/输出光纤（通常是保偏光纤），并进行全面的性能测试（插入损耗、隔离度、回波损耗等）。