1磁光效應
1846年，法拉第發現原來不具有旋光性的物質，在磁場的作用下，偏振光通過該物質時其振動面將發生旋轉。這種現象叫磁致旋光效應，也稱法拉第效應。
實現研究表明，在給定的磁光材料，光振動面旋轉的角度θ與光在該物質中通過的距離L和磁感應強度B成正比，
θ=VLB （1）
式中，V是比例系數，它是材料的特性常數，稱維爾德常數，單位：deg/(Gs?cm)。在法拉第旋轉效應中，磁場對磁光材料產生作用，是導致磁光現象發生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋轉方向取決于外加磁場的方向，與光的傳播方向無關。迎著光看去，當線偏振光沿磁力線方向通過介質時，其振動面向右旋轉（順時針旋轉），這種物質叫正旋體；當偏振光沿磁力線反方向通過磁光介質時，其振動面則向左旋轉（逆時針旋轉），這種物質叫負旋體。
圖1 法拉第磁旋光效應
進一步研究，根據電磁波在磁光材料中的傳播規律，線偏振光通過一定厚度的磁光晶體，其旋轉角度為
w 為光的頻率，ε為材料的特性常數，C為光速，γ為材料的旋磁比，H 為外加磁場強度，μs為飽和磁場強度。
由（2）式子可看到旋轉角θ的大小受磁光材料的旋磁特性，長度，工作波長及磁場強度的影響。材料越長，磁場強度越大，旋轉角將越大。另外，旋轉角θ的大小還受環境溫度的影響，對大多數晶體來說，溫度增加將導致旋轉角減小。
法拉第效應也有旋光色散，即維爾德常數隨波長而變，一束白色的線偏振光穿過磁致旋光介質，則紫光的偏振面要比紅光的偏振面轉過的角度大，這就是旋光色散。實驗表明，磁致旋光物質的維爾德常數V隨波長的增加而減少，如圖2所示，旋光色散曲線又稱為法拉第旋轉譜。
圖2 旋光色散現象維爾德常數V隨波長的變化關系
表1 為一些旋磁材料的維爾德常數V參數表
表1維爾德常數V參數表
2 光隔離器
光隔離器的基本功能是實現光信號的正向傳輸，同時擬制反向光，具有不可逆性。通常情況下，光在介質中的傳播光路是可逆的，光隔離器的設計就是實現光路的不可逆性。目前是利用磁光材料對其偏振態調整的非互易性實現光的不可逆傳輸。
由于磁致旋光性產生的振動面旋轉與光線傳播方向無關，利用這一點來實現隔離器的非互易性。因此一個隔離器的構成主要有：起偏器或者偏振分束器，由偏振片或者雙折射晶體構成，實現由自然光得到偏振光；磁光晶體制成的法拉第旋轉器，完成對光偏振態的非互易調整；檢偏器或者偏振合束器，實現將光纖會聚平行出射。
根據光隔離器的偏振特性可將隔離器分為偏振相關型和偏振無關型兩種。
2.1偏振相關型
如下圖所示，沿光傳播方向設一平行磁場，磁場方向由磁光晶體的磁致旋光特性決定，磁光晶體材料放置與磁場中，磁光材料前后分別放置偏振器。
圖3 偏振相關隔離器
偏振器置于法拉第旋轉器前后兩邊，其透光軸方向彼此呈現β=45°關系，當入射平行光經過第一個起偏器P1時，變為線偏振光，然后經過法拉第旋轉器，其偏振面被旋轉45°，剛好與第二個檢偏器P2的透光軸方向一致。于是光信號順利通過而進入光路中。
設磁光晶體沿光軸向長度為L，產生的法拉第旋轉角度為θ=VBL。略去磁光材料及起偏器偏振片表面的反射損耗，假設通過偏振片光衰減為零，磁光材料光吸收系數為α。那么，入射強度為I0，偏振器相同的入射光，透射過磁光材料后的投射強度為
其中β是檢偏器的偏振軸與起偏器偏振軸之間的夾角。
對于反射光，設其偏振方向與檢偏器偏振軸同向，光強度為
，反向傳輸最終投射過起偏器的光強度為
當β=θ=45°，則當正向光通過時，它的投射強度
當發射光反向通過時，透射光的強度
即實現了反向隔離功能。
如下圖為商用的偏振相關型隔離器的基本結構
圖4偏振相關型隔離器的基本結構
2.2偏振無關型
偏振無關型光隔離器是一種對輸入光偏振態依賴很小（典型值小于0.2dB）的光隔離器。與偏振相關隔離器相比，它采用有角度地分離光束的原理來制成，可以達到偏振無關的目的。由于其輸出不為偏振光，所以更具實用型。主要有以下幾種結構。
1） Wedge 型
如下圖所示，它包括兩個雙折射晶體楔角片和中間的一片法拉第旋光晶體，一個永磁性磁環。
圖5 Wedge 型隔離器結構與光路圖
首先分析光信號正向傳輸的情況。經過斜面透鏡射出的準直光束，進入雙折射晶體P1 后，光束被分為o光和e光，其偏振方向相互垂直，傳播方向呈現一個夾角，當它們經過45°法拉第旋轉器時，出射的o光和e光的偏振面各自向同一個防線旋轉45°，由于第2個雙折射晶體P2的晶軸相對于第1個晶體正好呈45°夾角，所以o光和e光被P2 折射到一起，合成兩束間距很小的平行光。如圖5 所示光路。
當光束反向傳輸時，首先經過晶體P2，分為偏振面與P1晶軸成45°角的o光和e光，由于這兩束線偏振光經45°法拉第旋轉器后，相對于第一個晶體P1的晶軸共旋轉了90°，整個逆光路相當于經過一個渥拉斯頓棱鏡，出射的兩束線偏振光被P2進一步分開一個較大的角度。
圖6 Wedge 型光纖隔離器結構
這種結構的光隔離器制作簡單，插入損耗小，整個器件體積小，但卻會因斜面和雙折射冷靜的使用，帶來一定的偏振相關損耗（PLD）和偏折模色散（PMD）
2） Walk-off 型結構
這種結構的偏振無關光隔離器的結構如圖7所示。隔離器主體部分由3個平行偏振分束器。P1，P2，P3和一個45°法拉第旋轉器FR構成，且P1，P2，P3的L厚度滿足
圖7 Walk-off 型光纖隔離器結構
P1與P2的光軸夾角為45°，P2與P3的光軸夾角為90°。輸入光信號經自聚焦透鏡準直成平行光束，入射到P1，入射光被分解為o光和e光，o光不發生偏折，以原來的方向出射，e光走離，以兩束平行線偏振光初涉，這兩束線偏振光進入法拉第旋轉器FR，振動面被順時針旋轉45°，由于P2與P1的廣州方向相差45°，所以P1中的o光和e光進入P2后仍為o光和e光，e光進一步走離，只是走離方向與P1中的走離方向不同。進入P3后，由于P3與P2的光軸垂直，所以P2中的o光和e光在P3中分別為e光和o光，P3中的e光走離。從P3出射時，兩束線偏振光重新匯聚，平行出射，被聚焦透鏡耦合進入輸出光纖。
反向光入射時，經過將入射光分解為兩束線偏振光，再經P2，由于P2和P3的光軸垂直，兩束線偏振光分別在P3和P2中走離原來的方向，進入FR。由于它的非互易性，它們的振動面被順時針旋轉45°，這樣P2中的o光和e光在P1中分別為e光和o光，e光進一步走離，出射光分光距離進一步增加，而不會匯聚在一起，故不會被自聚焦透鏡耦合進輸入光纖，從而實現反向隔離。
這種結構中的偏振器采用平面結構，所以不會增加偏振相關損耗。但由于偏振元件的增加，體積較大，光路較長，因而制成的器件整體體積大，同時因為增加了光學元件，所以帶來了插入損耗的增加和組裝工藝的困難。主要存在的缺陷是由于采用平行板型偏振分束器，其反向光的分光距離取決于雙折射晶體的厚度，如果分光距離有限，則反向光會重新耦合進光纖，直接影響隔離度。
3 隔離器光學指標
光隔離器的主要技術指標有插入損耗IL，隔離度ISO，偏振相關損耗PDL，回波損耗RL，偏振模色散PMD等
3.1 插入損耗
光隔離器的插入損耗IL，是指信號光沿傳輸方向順利通過光隔離器時光功率降低值，定義為
其中，P1為隔離器從輸入端的光功率，P2為從接收端的光功率。
影響插入損耗的因素有材料的固有吸收，各端面的回波損耗，雙折射晶體和法拉第旋轉器的角度誤差，消光比及透鏡的耦合損耗等。
3.2 隔離度
隔離器ISO，是信號光反向通過光隔離器時的光功率衰減能力，是隔離器的重要指標之一，定義為
其中，P1為隔離器從從反向端輸入的光功率，P2為從正向端接收的光功率。影響隔離度的主要因素有磁光晶體的旋光角度誤差，晶體的消光比和各表面的反射影響等。
3.3 偏振相關損耗（PDL）
PDL 與插損不同，它是指當輸入光偏振態發生變化而其它參數不變時，器件插入損耗的最大變化量，是衡量器件插入損耗受偏振態影響程度的指標。對于偏振無關光隔離器，由于器件中存在著一些可能引起偏振的元件，不可能實現 PDL 為零，一般可接受 PDL 小于 0.2dB。
3.4 偏振模色散 PMD
偏振 模色散 PMD 是指通過器件的信號光不同偏振態之間的相位延遲 。在光無源器件中，不同偏振模式具有不同的傳播軌跡和不同的傳播速度， 產生相應的偏振模色散。同時，由于光源譜線有一定帶寬，也會引起一定色散。在高速光通訊系統中，PMD 就非常重要了。在偏振無關光隔離器 中，雙折射晶體產生的兩束線偏振光以不同的相速和群速傳輸，即是PMD，其主要來源是用以分離和會聚o 光、 e 光的雙折射晶體。它可由兩束線偏振光的光程差Δ L 近似得到。
偏振模色散 ：在偏振無關隔離器 中：顯然可以通過求分立元件的光程來求整個的器件的 PMD 。PMD 主要受 e 光和 o 光折射率差的影響，因此與波長也有較大的關系。
3.5 回波損耗 RL
光隔離器的回波損耗 RL 是指正向入射到隔離器中的光功率P1和沿輸入路徑返回隔離器輸入端口光功率Pr之比， 這是一個重要的指標 ,因為 回波強，隔離度將受到很大的影響 。
隔離器的回波損耗由各元件和空氣折射率失配并形成反射引起。通常平面元件引起的回波損耗在 14dB左右，通過增透膜和斜面拋光等可以使回波損耗到 60dB 以上。光隔離器的回波損耗主要來自它的準直光路（即準直器部分）， 經理論計算當斜面傾角在 8°時，回波損耗大于65dB
