AI光通信时代，环形器成为解锁算力传输的“隐形密钥”

     AI光通信的核心诉求的是“高速传输+高效调度”，而环形器正是实现这一目标的关键器件。在AI数据中心互联场景中，OCS（光电路交换机）凭借无光电转换、低时延、低功耗的优势，成为智算集群的核心支撑，而环形器作为OCS系统的核心组件，可实现单纤双向传输，直接让OCS系统的端口数与光纤数减半，大幅降低部署成本，这也是谷歌TPU集群引入OCS后，能够实现功耗降低40%、资本开支减少30%的关键支撑之一。

    不仅如此，环形器还在AI赋能的超高速光传输中发挥着不可替代的作用。近日，行业内已实现基于AI迁移学习的神经网络均衡技术，在200公里单模光纤上突破254.7Tb/s的超高速传输，而这一突破的背后，离不开环形器的精准信号隔离与支撑。环形器的低插损（典型值在1.0dB以内）特性，为AI驱动的多波段协同传输（S+C+L）保留了足够的链路预算，配合AI算法的误差修正，让传输系统的总吞吐量提升11.7%，完美适配AI大模型对高带宽、低时延的极致需求。

1. 环形器的核心组成

光环形器是光通信中实现单向循环传输的核心无源器件，核心是利用法拉第磁光效应实现非互易性，让光只能按 1→2→3→1 的固定方向传输，反向被隔离。

一、核心组成成分（三端口典型结构）

光环形器由以下关键光学元件精密组合而成：

• 光纤准直器（Collimator）

功能：将光纤中发散的光转换为平行准直光，降低后续光学元件的耦合损耗。

位置：每个输入 / 输出端口前端均配置。

偏振分束 / 合束器（PBS/PBC）

功能：把输入光分解为 水平（o 光）与垂直（e 光）两束正交偏振光；反向则将两束光合为一束输出。

作用：实现偏振态的空间分离与重组，是光路切换的基础。

• 法拉第旋转器（Faraday Rotator，核心）

材料：钇铁石榴石（YIG）等磁光晶体。

原理：在外加恒定磁场作用下，使通过的线偏振光偏振面固定旋转 45°。

关键特性：旋转方向与光传播方向无关（非互易性），这是单向传输的物理根源。

•  半波片（λ/2 Waveplate）

功能：对偏振态进行互易性 45° 旋转（旋转方向随光传播方向改变）。

作用：与法拉第旋转器配合，实现正向导通、反向隔离。

• 反射镜 / 棱镜

功能：改变光束传播方向，实现多端口间的空间光路连接。

二、工作原理（以三端口环形器为例）

光环形器的工作过程可概括为：偏振分离 → 非互易旋转 → 偏振合束 → 定向输出。

1. 正向传输（1→2）

光从端口 1输入，经准直器变为平行光。

入射到PBS，被分解为水平（o）与垂直（e）两束正交偏振光，沿不同路径传播。

两束光同时通过法拉第旋转器，各自偏振面被非互易地旋转 45°。

随后通过半波片，偏振面被互易地再旋转 45°。

总效果：两束光的偏振态各自累计旋转90°（o→e，e→o）。

旋转后的两束光到达第二个PBC，被重新合成为一束光，从端口 2输出。

2. 反向隔离（2→1）

光从端口 2输入，经准直、PBS 分解为 o 光与 e 光。

两束光反向通过半波片，偏振面被互易地旋转 45°（方向与正向相反）。

再通过法拉第旋转器，偏振面被非互易地旋转 45°（方向与正向相同）。

总效果：两束光的偏振态相互抵消，累计旋转 0°，恢复为原始偏振态。

当这两束光试图通过第一个PBS时，因偏振态不匹配，无法耦合进入端口 1，而是被导向端口 3输出。

循环特性

端口 1 输入 → 端口 2 输出

端口 2 输入 → 端口 3 输出

端口 3 输入 → 端口 1 输出

任何反向路径均被隔离，实现单向循环。

三、核心物理效应：法拉第磁光效应

法拉第效应（磁致旋光）：线偏振光沿磁场方向通过磁光介质时，偏振面发生旋转，且旋转方向与光传播方向无关（非互易）。

物理机制：线偏振光可分解为左旋、右旋圆偏振光；磁场使介质对二者折射率不同（圆双折射），传播速度产生差异，出射后相位差导致合成偏振面旋转。

旋转角公式：θ = V·B·L

θ：偏振面旋转角

V：维尔德常数（材料属性，YIG、TGG 等磁光晶体 V 值大）

B：沿光轴的磁感应强度

L：光在介质中传播长度

关键特性：非互易性—— 光正向 / 反向通过时，偏振面旋转方向相同、角度叠加（天然旋光则相反）。

进一步研究，根据电磁波在磁光材料中的传播规律，线偏振光通过一定厚度的磁光晶体，其旋转角度为：

w 为光的频率，ε为材料的特性常数，C为光速，γ为材料的旋磁比，H 为外加磁场强度，μs为饱和磁场强度。

由（2）式子可看到旋转角θ的大小受磁光材料的旋磁特性，长度，工作波长及磁场强度的影响。材料越长，磁场强度越大，旋转角将越大。另外，旋转角θ的大小还受环境温度的影响，对大多数晶体来说，温度增加将导致旋转角减小。

法拉第效应也有旋光色散，即维尔德常数随波长而变，一束白色的线偏振光穿过磁致旋光介质，则紫光的偏振面要比红光的偏振面转过的角度大，这就是旋光色散。实验表明，磁致旋光物质的维尔德常数V随波长的增加而减少，如图2所示，旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱。

四、光通信中的核心价值

单纤双向通信：在一根光纤中同时传输上下行信号，互不干扰。

WDM 系统：用于光分插复用（OADM），实现波长信号的上下路。

光放大器：配合 EDFA，实现信号的双向放大与隔离。

色散补偿：在色散补偿模块中，引导光信号单向通过补偿光纤。

华瑞高可提供的环形器：

影响因素

环形器的参数表现（如隔离度、插损、带宽等）受多种因素影响，核心可分为四大类：

1. 核心材料特性（最关键因素）

微波铁氧体材料：其旋磁特性（如饱和磁化强度、磁导率）直接决定环形器的非互易传输能力，材料纯度、均匀性不足会导致隔离度下降、插损增大。

衬底与导体材料：衬底的介电常数、损耗角正切影响信号传输效率，导体材料（如铜、金）的导电性能的好坏，会直接影响插损和功率容量。

2. 结构设计参数

端口结构：三端 / 多端设计、微带 / 同轴 / 波导结构的差异，会影响带宽和功率容量（如波导环形器适配高功率场景，微带环形器更适合小型化）。

尺寸精度：器件内部导体间距、铁氧体芯片尺寸的加工精度，会导致信号串扰，降低隔离度，影响参数稳定性。

3. 工艺制造水平

装配工艺：铁氧体芯片与衬底的贴合精度、端口焊接质量，若存在缝隙或虚焊，会引入额外损耗，破坏信号单向传输特性。

镀膜工艺：导体表面镀膜的厚度、均匀性，会影响导电效率，进而影响插损和器件寿命。

特殊工艺：如 LTCC 工艺的应用的好坏，会影响环形器的小型化程度和参数一致性。

4. 外部工作环境

温度：极端温度（如车规场景的 - 40℃至 + 125℃）会改变铁氧体材料的磁特性，导致参数漂移，影响稳定性。

频率范围：环形器的参数（如隔离度、插损）会随工作频率变化，超出设计频段会导致性能大幅下降。

外部干扰：强电磁环境会干扰信号传输，间接影响环形器的参数表现，需搭配屏蔽结构优化。