光隔離器實(shí)驗(yàn)

1、廿一、光隔離器 實(shí)驗(yàn)人： 合作人:（物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，光信息科學(xué)與技術(shù) 2011 級(jí) 1 班，學(xué)號(hào)11343026）一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 學(xué)習(xí)光隔離器的原理2 了解光準(zhǔn)直器的原理及其應(yīng)用3 學(xué)習(xí)測(cè)量光隔離器的主要技術(shù)參數(shù)二、實(shí)驗(yàn)原理與器件：光隔離器是一種只允許光沿光路正向傳輸?shù)幕ヒ仔怨鉄o(wú)源器件，主要用于抑制光通信網(wǎng)絡(luò)中的反射波。光隔離器廣泛應(yīng)用于光信號(hào)的發(fā)射、放大、傳輸?shù)冗^(guò)程中。因?yàn)樵S多光器件對(duì)來(lái)自連接器、熔接點(diǎn)、濾波器等的反射光非常敏感，若不消除這些反射光將導(dǎo)致器件性能的急劇惡化。這時(shí)就需要用光隔離器來(lái)阻止反射光返回系統(tǒng)。1. 法拉第磁光效應(yīng)光隔離器的工作原理需要是利用磁光晶體的法拉第效

2、應(yīng)。典型的光隔離器采用法拉第旋轉(zhuǎn)器，轉(zhuǎn)光轉(zhuǎn)角為45度，其材料主要為釔鐵石榴石（YIG），現(xiàn)在多采用高性能磁光晶體。高性能磁光晶體是一種采用液相外延技術(shù)在石榴石單晶上生成摻鐿、鎵、鈥或鋱等元素的薄膜材料，如：(YbTbBi)3Fe5O12石榴石單晶薄膜，其單位長(zhǎng)度的法拉第旋轉(zhuǎn)角是傳統(tǒng)YIG晶體的5倍以上，而所需磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻僅為傳統(tǒng)材料的一半或者1/3。法拉第效應(yīng)（1945年）：對(duì)于給定的磁光晶體材料，光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度q與光在該物質(zhì)中通過(guò)的距離L和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比（為光線(xiàn)與磁場(chǎng)的夾角，）：cos（21.1）式中，V是比例系數(shù)，它是材料的特性常數(shù)，稱(chēng)維爾德(Verdet)常數(shù)，單位是：分/高斯

3、×厘米。進(jìn)一步研究表明，法拉第效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角是材料的介電常數(shù)、旋磁比和飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度以及光波頻率、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)。值得注意的事，磁致旋光效應(yīng)和材料的固有磁光效應(yīng)不同。固有磁光效應(yīng)的方向受光的傳播方向影響，而與外加磁場(chǎng)的方向無(wú)關(guān)，無(wú)論外界磁場(chǎng)如何變化，迎著光看去，光的偏振面總是朝同一方向旋轉(zhuǎn)。因此，在材料的固有旋光效應(yīng)中，如果光束沿著原光路返回時(shí)，其偏振面將轉(zhuǎn)回到初始位置。而在法拉第磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)中，磁場(chǎng)對(duì)此光材料產(chǎn)生作用，是導(dǎo)致磁致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)的方向取決于外加磁場(chǎng)的方向，與光的傳播方向無(wú)關(guān)。迎著光看去，當(dāng)線(xiàn)偏振光方向沿磁力線(xiàn)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)面向

4、右旋轉(zhuǎn)；當(dāng)線(xiàn)偏振光方向沿磁力線(xiàn)反方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)面向左旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角q的大小受磁光材料的旋磁特性、長(zhǎng)度、工作波長(zhǎng)及磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。材料介質(zhì)越長(zhǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)、工作波長(zhǎng)越短，旋轉(zhuǎn)角度將越大。不同介質(zhì)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向不同。順著磁場(chǎng)方向看，使振動(dòng)面向右旋的，稱(chēng)為右旋或正旋介質(zhì)，V為正值。反之，則稱(chēng)為左旋或負(fù)旋介質(zhì)，V為負(fù)值。對(duì)于給定的磁光介質(zhì)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向只決定于磁場(chǎng)方向，與光線(xiàn)的傳播方向無(wú)關(guān)。這點(diǎn)是磁光介質(zhì)和天然旋光介質(zhì)之間的重要區(qū)別。就是說(shuō)，天然旋光性物質(zhì)，它的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)方向不只是與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而且還與光的傳播方向有關(guān)。例如，光線(xiàn)兩次通過(guò)天然性的旋光物質(zhì)，一次是沿著某個(gè)方向，另一次是

5、與這個(gè)方向相反，觀(guān)察結(jié)果，振動(dòng)面并沒(méi)旋轉(zhuǎn)。可是磁光物質(zhì)則不同，光線(xiàn)以相反的兩個(gè)方向兩次通過(guò)磁光物質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角是疊加的。因此，在磁致旋光的情況下，使光線(xiàn)多次通過(guò)磁光物質(zhì)可得到旋轉(zhuǎn)角累加。圖21.1、磁光介質(zhì)旋轉(zhuǎn)角的累加效應(yīng)在強(qiáng)磁場(chǎng)中放一塊磁光物質(zhì)ab，ab呈平行六面體狀。其相對(duì)的兩表面除留有一個(gè)很窄的縫隙外皆涂以銀（圖21.1中的斜線(xiàn)）。光線(xiàn)從狹縫進(jìn)入磁光介質(zhì)，然后經(jīng)過(guò)在鍍銀表面上的多次反射，從另一個(gè)狹縫射出。這時(shí)，出射的偏振光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角，將與光線(xiàn)在介質(zhì)中多次反射的總光程成正比例。2. 光隔離器的工作原理圖21.2 隔離器工作原理（1）入射光透過(guò)偏振鏡之后，只讓偏振角為90度(y軸

6、)方向的光通過(guò)，在經(jīng)一順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45度的法拉第回旋器(45°Faraday Rotator)將原本偏振角為90度順時(shí)針調(diào)整成為45度輸出，如圖21.2(a)、圖21.2(b)。（2）入射光經(jīng)調(diào)整后為90度，而輸出的光偏振角則為45度，如圖21.2(c)。 （3)此時(shí)如果有一反射光循原路徑返回經(jīng)過(guò)輸出端偏振鏡后，只讓偏振角為45度角的光通過(guò)，經(jīng)過(guò)法拉第回旋器，將反射回來(lái)的光偏振角再調(diào)整成0度(x軸)到了輸入端的偏振鏡時(shí)，原本輸入端的偏振鏡角度為90度，會(huì)將偏振角度為0度的反射光濾除。這時(shí)輸入端便不會(huì)有自系統(tǒng)反射回來(lái)的光了，如圖21.2(d)。 或者見(jiàn)示意圖（圖21.3和圖21.4所

7、示）圖21.3、光隔離器正向?qū)ㄕ騻鬏敃r(shí)，光可順利通過(guò)第二個(gè)偏振器（導(dǎo)通）：反向傳輸時(shí)，光偏振面再轉(zhuǎn)45度，與第二個(gè)偏振器成90度，光被隔離：圖21.4、光隔離器反向截止3. 偏振無(wú)關(guān)隔離器其光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖21.5所示圖21.5、光隔離器內(nèi)部光學(xué)結(jié)構(gòu)Wedge是楔形雙折射晶體，作為偏振器使用，兩個(gè)偏振器成45度。法拉第旋轉(zhuǎn)器放置在中間。4. 光纖準(zhǔn)直器光纖準(zhǔn)直器是光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)中的基本光學(xué)元件，它是由光纖和長(zhǎng)度為0.25節(jié)距的具有合適鍍層的自聚焦透鏡組成，如圖21.6所示。 圖21.6 光纖準(zhǔn)直器自聚焦透鏡的焦距為： （21.2）其中，z為自聚焦透鏡的長(zhǎng)度。由此可見(jiàn)，因?yàn)锳是波長(zhǎng)的

8、函數(shù)，所以f也是波長(zhǎng)的函數(shù)，在給定的波長(zhǎng)條件下如果z過(guò)長(zhǎng)，則焦點(diǎn)在透鏡的端面內(nèi)；反之，z過(guò)短，則焦點(diǎn)在透鏡端面外。因此，透鏡長(zhǎng)度的誤差必然會(huì)影響光耦合的效果，這是造成準(zhǔn)直器損耗的主要原因之一。光纖和自聚焦透鏡之間的耦合原理同普通透鏡的耦合原理相似，所以用自聚焦透鏡的長(zhǎng)度為： （21.3）式中，P為自聚焦透鏡的節(jié)距。因?yàn)樽跃劢雇哥R的四分之一節(jié)距P是在近軸近似的條件下，子午光線(xiàn)遵循正弦路徑傳播而確定的。同時(shí)，GRIN的折射率分布在離軸心0.8mm半徑處有一拐點(diǎn)。所以，由（21.1）式算出的z值還不夠精確，帶來(lái)了耦合時(shí)的損耗；另外，GRIN 的像差也會(huì)使光束的耦合效率下降，增加了器件的損耗。光準(zhǔn)直器

9、的用途是對(duì)高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直，兩個(gè)光準(zhǔn)直器放在圖21.5所示光學(xué)結(jié)構(gòu)的兩端，以提高光纖與光纖間的耦合效率?；炯夹g(shù)參數(shù)1. 插入損耗（Insert Loss）在光路中增加了光隔離器而產(chǎn)生的額外損耗，稱(chēng)為插入損耗，定義隔離器輸入和輸出端口之間的光功率之比（dB）， （21.4）其中Pin為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pout為從輸出端口接收到的功率。2. 隔離度它是指光隔離器反方向的傳輸損耗，所以，也稱(chēng)作反向隔離度： （21.5）所以，光隔離器的插入損耗與隔離度的測(cè)量方法是一樣的，只是一個(gè)測(cè)量正向、另一個(gè)測(cè)量反向。3. 回波損耗光 源光功率計(jì)定向耦合器匹配液待測(cè)器件圖21.6 光纖準(zhǔn)直器器件的回波損耗

10、是指入射到器件中的光能量和沿入射光路反射回的光能量之比?；夭〒p耗由各元件和空氣折射率失配造成的反射引起，主要包括晶體元件和光準(zhǔn)直器引起的回波損耗?；夭〒p耗的測(cè)試原理如下圖：這是CCITT和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中建議的方法。測(cè)試時(shí)，選擇一個(gè)插入損耗小，分光比為1：1帶連接器端口的定向耦合器進(jìn)行測(cè)試。先將耦合器的第三端口用匹配劑匹配起來(lái)，用光功率計(jì)測(cè)得耦合器第二端的光功率P0，再將待測(cè)器件接上，并在待測(cè)器件的尾端涂好匹配液，測(cè)得耦合器第三端的回返光功率Pr，即得到待測(cè)器件的回波損耗：（21.6）其中，T23為定向耦合器的傳輸系數(shù)，對(duì)于1：1均勻分光定向耦合器，其值一般設(shè)為0.5。三、實(shí)驗(yàn)用具與裝置圖：實(shí)驗(yàn)用具

11、：穩(wěn)定光源、光功率計(jì)（武郵）、單模標(biāo)準(zhǔn)跳線(xiàn)（用于測(cè)量器件的輸入功率）、光隔離器（OISS1310ASO1111） 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如下所示： 實(shí)驗(yàn)步驟需要同學(xué)自行擬定。1550nm隔離器功率計(jì)圖21.7實(shí)驗(yàn)示意圖4、 實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)記錄1、測(cè)量跳線(xiàn)的輸出光功率。(1）用鏡頭紙擦拭跳線(xiàn)兩端的光纖界面，避免塵土影響光波入射。(2）跳線(xiàn)的一段連接穩(wěn)定化光源，另一端連接光功率計(jì)。(3）調(diào)節(jié)穩(wěn)定化光源，使其穩(wěn)定輸出1310nm和1550nm光波。(4）選擇光功率計(jì)的1310nm和1550nm檔，待其穩(wěn)定后讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)。(5）以上操作需在下面每個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量前重復(fù)進(jìn)行一次。2、測(cè)量光隔離器1310nm和1

12、550nm的插入損耗I.L(1）用鏡頭紙擦拭光隔離器的光纖的每端界面。(2）把光隔離器正、反向分別接入1310nm穩(wěn)定化光源和光功率計(jì)。(3）接入后即開(kāi)始讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)。(4）隔幾分鐘讀數(shù)一次，重復(fù)四次，共記錄5個(gè)數(shù)據(jù)。（5）換上1550nm穩(wěn)定化光源，重復(fù)上述步驟。1.測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)跳線(xiàn)當(dāng)?shù)墓夤β蕿椋?310nm: 76.5W , -11.15dBm1550nm： 409W ， -3.89dBm2(1).對(duì)于1310nm光源，隔離器輸出端功率為：12345(W)47.347.447.547.547.547.44(dBm)-13.24-13.24-13.23-13.23-13.23-13.243插入

13、損耗為：I.L.12345(W)2.0882.0792.072.072.072.075(dBm)2.092.092.082.082.082.084用W表示，插入損耗為 得到插入損耗的平均值為2.075 dB，其誤差為：用dBm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算 其誤差為： （2） 對(duì)于1550nm光源，隔離器輸出端功率為：12345(W)365.7365.9365.8366366.2365.92(dBm)-4.36-4.36-4.36-4.36-4.36-4.36插入損耗為：I.L.12345(W)0.4860.4840.4850.4820.480.4834(dBm)0.470.470.470.470.470.

14、47用W表示，插入損耗為 得到插入損耗的平均值為0.4834 dB，其誤差為： 用dBm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，插入損耗為： 其誤差為： 對(duì)于1310nm光源，插入損耗約為2.075±0.0072dB,對(duì)于1550nm光源，插入損耗約為0.4834±0.002dB?？梢?jiàn)兩種計(jì)算方法得出的結(jié)果基本一致，這是由于兩種單位制之間存在的關(guān)系，但顯然，用單位來(lái)的更簡(jiǎn)單方便。并且相對(duì)于1550nm的輸入功率來(lái)說(shuō)，插入損耗值比較小，約為輸入功率的0.5%左右，可看出光隔離器并不是對(duì)于每個(gè)波長(zhǎng)都起隔離作用，而是對(duì)應(yīng)與特定的波長(zhǎng)工作的。本實(shí)驗(yàn)的隔離器對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1550nm。3·求光隔離器

15、1310nm和1550nm的反向隔離度(1）用鏡頭紙擦拭光隔離器的光纖的每端界面。(2）把光隔離器反、正向分別接入1310nm穩(wěn)定化光源和光功率計(jì)。(3）接入后即開(kāi)始讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)。(4）隔幾分鐘讀數(shù)一次，重復(fù)四次，共記錄5個(gè)數(shù)據(jù)。（5）換上1550nm穩(wěn)定化光源，重復(fù)上述步驟。12345（W)7.927.937.947.967.977.9440.018(dBm)-21.01-21.00-21.00-20.99-20.98-20.996 0.01對(duì)于1310nm光源，輸入光功率為： 78.6W ， -11.04dBm用W表示，反向隔離度為: 其誤差為: 則其反向隔離度為: 用dBm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)

16、計(jì)算,反向隔離度為： 其誤差為：則其反向隔離度為: 對(duì)于1550nm光源，輸入光功率為： 375.9 W ，-4.24dBm12345（nW)32.1332.1232.1032.0832.0432.090.032(dBm)-44.93-44.92-44.93-44.93-44.94-44.93 0.006用W表示，反向隔離度為:其誤差為:則其反向隔離度為:用dBm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算,反向隔離度為：其誤差為：可見(jiàn)兩種計(jì)算方法得出的結(jié)果基本一致，其中隔離度較大表明分波性能越好，可看出一種光隔離器是對(duì)應(yīng)與特定的波長(zhǎng)工作的。表明該光隔離器對(duì)于1550nm波長(zhǎng)起著隔離作用，對(duì)于1310nm波長(zhǎng)隔離性能較差

17、?？偨Y(jié)，可得兩種波長(zhǎng)下光隔離器的參數(shù)：輸入波長(zhǎng)單位制I.L.1（dB）C2(1)（dB）1310nmW制2.075±0.0072dB9.96±0.01dBm制2.084±0.0049dB9.96±0.0021550nmW制0.4834±0.002dB40.69±0.004dBm制0.4740.69±0.00064·測(cè)量光隔離器1550nm的偏振相關(guān)損耗(1）用鏡頭紙擦拭光隔離器和偏振控制器的光纖的每端界面。(2）把光隔離器正向接入偏振控制器和光功率計(jì)。(3）把偏振控制器的另一端接入1550nm穩(wěn)定化光源。(4）手動(dòng)

18、調(diào)節(jié)偏振控制器，改變光波的偏振。(5）調(diào)整一段時(shí)間后，記錄這段時(shí)間內(nèi)光功率的最大值和最小值。自身?yè)p耗相關(guān)損耗WdBmWdBmWdBmWdBm276.1-5.58269.3-5.69244.0-6.12237.7-6.23 偏振相關(guān)損耗為： P.D.L= -4.24-（-6.12）=1.88dB所得偏振相關(guān)損耗值均很小，這可推測(cè)本實(shí)驗(yàn)所用的單模光纖為偏振非相關(guān)的，其偏振相關(guān)損耗應(yīng)與偏振方向無(wú)關(guān)。對(duì)于光隔離器，有一定程度的偏振非相關(guān)的，其偏振相關(guān)損耗應(yīng)與比自身偏振損耗要大一點(diǎn)。5、光隔離器回波損耗測(cè)量（1）用鏡頭紙擦拭光隔離器和光耦合器(如圖)的光纖的每端界面。（2）把光耦合器的光纖1接入1550

19、nm穩(wěn)定化光源。（3）把光耦合器的光纖3正向接入光隔離器。（4）把光耦合器的光纖2接入光功率計(jì)。（5）接入后即開(kāi)始讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)。（6）隔幾分鐘讀數(shù)一次，重復(fù)四次，共記錄5個(gè)數(shù)據(jù)。輸入功率=187.4 W , -7.27dBm12345nW6.806.826.816.776.716.780.04dBm-51.66-51.68-51.68-51.72-51.76-51.700.036(1）以W單位制進(jìn)行計(jì)算誤差為：因此， （2）以dBm單位制進(jìn)行計(jì)算誤差為：因此， 五、思考題：1 法拉第磁光效應(yīng)與克爾磁光效應(yīng)的差異及其應(yīng)用？答：克爾磁光效應(yīng)的方向受光的傳播方向影響，與外加磁場(chǎng)的方向無(wú)關(guān)，無(wú)論外界

20、磁場(chǎng)如何變化，迎著光看去光的偏振總是朝同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。而在法拉第磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)中，磁場(chǎng)對(duì)光材料產(chǎn)生作用是導(dǎo)致磁致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)的方向取決于外加磁場(chǎng)的方向，與光的傳播方向無(wú)關(guān)。因此，在磁致旋光的情況下使光線(xiàn)多次通過(guò)磁光物質(zhì)可得到旋轉(zhuǎn)角的疊加。2 光隔離器工作原理。答：（1）入射光透過(guò)偏振鏡之后，只讓偏振角為90度(y軸)方向的光通過(guò)，在經(jīng)一順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45度的法拉第回旋器(45°Faraday Rotator)將原本偏振角為90度順時(shí)針調(diào)整成為45度輸出。（2）入射光經(jīng)調(diào)整后為90度，而輸出的光偏振角則為45度。 （3)此時(shí)如果有一反射光循原路徑返回經(jīng)過(guò)輸出端偏振鏡后，只讓偏振角為45度角的光通過(guò)，經(jīng)過(guò)法拉第回旋器，將反射回來(lái)的光偏振角再調(diào)整成0度(x軸)到了輸入端的偏振鏡時(shí)，原本輸入端的偏振鏡角度為90度，會(huì)將偏振角度為0度的反射光濾除。這時(shí)輸入端便不會(huì)有自系統(tǒng)反射回來(lái)的光了。 正向傳輸時(shí)，光能順利通過(guò)第二個(gè)偏振器（導(dǎo)通）；反向傳輸時(shí)，光偏振面