實(shí)驗(yàn)報(bào)告光隔離器(中大)

1、光隔離器相關(guān)參數(shù)測(cè)量中山大學(xué)理工學(xué)院光信息專(zhuān)業(yè)摘要：本文通過(guò)測(cè)量光隔離器的插入損耗、隔離度等相關(guān)參數(shù)，并對(duì)相關(guān)數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析,得出結(jié)論,以進(jìn)一步了解光隔離器的原理、功能。關(guān)鍵詞：光隔離器 光功率 插入損耗 隔離度 偏振相關(guān)損耗 回波損耗measurement of the parameters of an optoisolatormajor of optical informatio n scie nee and tech no logy, sysu, guangzhouabstract: in this experiment, we measured several important pa

2、rameters of an optoisolator, then analyzed the data and draw some useful conclusions after that, we got a further comprehension about the principles, the functions of the optoisolator.key words: optoisolator, optical power, insertion loss(il), isolation, polarization dependent loss(pdl), return loss

3、(rl);一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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)用具及裝置圖實(shí)驗(yàn)用具：穩(wěn)定光遠(yuǎn)、光功率計(jì)(武郵)、單模標(biāo)準(zhǔn)跳線(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：三、實(shí)驗(yàn)原理與器件熟悉foraday磁光效應(yīng)、光隔離器的光學(xué)結(jié)構(gòu)、工作原理和主要技術(shù)參數(shù)。光隔離器室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)眾的反射波。光隔離器廣泛應(yīng)用與光信號(hào)的發(fā)射、放大、傳輸?shù)冗^(guò) 程中。因?yàn)樵S多光器件（如激光二極管及光放大器等）對(duì)來(lái)自連接器、熔接點(diǎn)、 濾波器等的反射光

4、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)。下面簡(jiǎn)要介紹光準(zhǔn)直器。光纖準(zhǔn)直器室由光纖和長(zhǎng)度為0.25節(jié)距的具有合適鍍層的自聚焦透鏡組 成。自聚焦透鏡的焦距為：f = wo vx sin（vxz） j其中z為自聚焦透鏡的長(zhǎng)度。由此可見(jiàn)，因?yàn)閍是波長(zhǎng)的函數(shù)，所以f也是 波長(zhǎng)的函數(shù)。另外透鏡的長(zhǎng)度的誤差也會(huì)影響到光耦合的效果，這是造成準(zhǔn)直器 損耗的主要原因。光纖和自聚焦透鏡之間的耦合原理和普通透鏡間的耦合原理相似，所以用自 聚焦透鏡的長(zhǎng)度為:）式中，p為自聚焦透鏡的節(jié)距。因?yàn)閜是在近軸近似的條件下由子午光線遵 循正弦傳播而確定的。同時(shí)grin的折

5、射率分布在離軸心0.8mm半徑處有一拐 點(diǎn)。所以，由（21）式算出的z值不夠精確，帶來(lái)了耦合時(shí)的損耗。光準(zhǔn)直器的用途是對(duì)光纖中傳輸?shù)母咚构馐M(jìn)行準(zhǔn)直，以提高光纖與光纖間 的耦合效率。光隔離器的工作原理是利用磁光晶體的法拉第效應(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，現(xiàn)在多采用高性能磁光晶體。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& 與光在該物質(zhì)中通過(guò)的距離l和磁感應(yīng)強(qiáng)度b成正比為光線與磁場(chǎng)的夾角）： e = vlb cos a（21.2）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/高斯厘米。進(jìn)一步研究表明

6、，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)。值得注意的是磁致旋光效應(yīng)和材料的固有選光效應(yīng)不同。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)。迎著 光看，當(dāng)線偏振光沿磁力線方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)面向右旋轉(zhuǎn)；反之則向左。 旋轉(zhuǎn)角的大小受磁光材料的旋轉(zhuǎn)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。對(duì)于給定的磁光介 質(zhì)，光線以不同方向兩次通過(guò)介質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向是疊加的。因此，在 磁致旋光

7、的情況下使光線多次通過(guò)磁光物質(zhì)可得到旋轉(zhuǎn)角的疊加。磁光介質(zhì)旋轉(zhuǎn) 角的累加效應(yīng)圖示如下：b出射偏振光在強(qiáng)磁場(chǎng)中放一塊 磁光物質(zhì)ob, 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 縫隙外都涂了銀。光纖從 狹逢進(jìn)入磁光介質(zhì)，然后經(jīng)過(guò)在鍍銀表面的多次反射，從另外一個(gè)狹逢射出。這 時(shí)出射的偏振光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角，將與光纖在介質(zhì)中多次反射的總光程差成正 比。光隔離器的光學(xué)結(jié)構(gòu)如下圖：wedge是楔形雙折射晶體，做偏振器使用，兩個(gè)偏振器成45度。法 拉第旋轉(zhuǎn)器放置在中間。兩個(gè)光準(zhǔn)直放在最外面起光耦合作用。光隔離器工作原理：1. 入射光透過(guò)偏振鏡之后，只讓偏振角為90度（y軸）方向的光通 過(guò)，在經(jīng)過(guò)

8、一順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45度的法拉第回旋器將原本偏振角為90度順時(shí)針調(diào)整為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返回經(jīng)過(guò)輸出端偏振鏡后，只讓偏振角為45度的光通過(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)角偏振角為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)，光可順利通過(guò)第二個(gè)偏振器;反向傳輸時(shí)，光被隔離。polarizer45°faradayrotatorpolarizeryno output光隔離器的主要技術(shù)參數(shù)：插入損耗：在光

9、路中增加了光無(wú)源器件而產(chǎn)生的額外損耗。定義為該器件所指定的通道的輸入和輸出端口之間的光功率之比(db),/.l=-101g隔離度:器件輸入端口的光進(jìn)入非指定輸岀端口光能量的大小，又稱(chēng)串?dāng)_。光隔離器的隔離度定義為光隔離器反方向的傳輸損耗，也稱(chēng)反向隔離度:/ ,°=101g ;偏振相關(guān)損耗：光信號(hào)以不同的偏振態(tài)輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出端口插入損耗 最大變化值。ip umax四、實(shí)驗(yàn)步驟1 連接儀器，注意光纖的放置以及接頭的接續(xù)；2. 測(cè)量隔離器的輸入功率；（功率計(jì)使用前需要?dú)w零）3. 測(cè)量隔離器的輸出功率；4. 測(cè)量隔離器的反向輸入功率；5. 測(cè)量隔離器的反向輸出功率；6. 測(cè)量隔離器在不同偏

10、振態(tài)下的輸出功率的最大值和最小值。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告a實(shí)驗(yàn)前,與蔡老師的問(wèn)題討論總結(jié):1、為什么把標(biāo)準(zhǔn)跳線的輸出功率作為其他光纖儀器的輸入功率？由于實(shí)驗(yàn)中所用到的光纖儀器端口處都有接頭，而光功率的損耗 主要是由這些接頭引起的。假設(shè)光功率輸出儀工作穩(wěn)定，光功率經(jīng)過(guò) 標(biāo)準(zhǔn)跳線后有一定損耗。然后再用光功率輸出儀接到其他光纖儀器。2、同樣地，這些光纖儀器的接頭也會(huì)有損耗。為了得到光纖中傳播的時(shí) 間功率，我們就可以使用標(biāo)準(zhǔn)跳線的輸出功率作為其他光纖的輸入功 率，此時(shí)兩者的損耗就互相抵消了。光纖準(zhǔn)直器的自聚集透鏡入射截面為什么要傾斜，即與光纖成一角度（約8度）？3、為了降低光纖輸入的回波損耗，將反射波散射到其他

11、方向，減少 干擾。另：由于自聚集透鏡焦距與波長(zhǎng)和透鏡的長(zhǎng)度有關(guān)，因此對(duì)于 給定的波長(zhǎng),透鏡長(zhǎng)度的誤差會(huì)影響光耦合的效果。光隔離器中的偏振器使用雙折射晶體，為什么入射面也是有一定小角度傾斜（225度）？外界進(jìn)入第一個(gè)偏振器時(shí)分為o光和e光，經(jīng)過(guò)旋光介質(zhì)到達(dá)第二個(gè)偏振器；若光波反射去，回到第一個(gè)偏振器界面時(shí)由于見(jiàn)面有個(gè)小角度使得回來(lái)的0光、e光以一定角度透射出去而不會(huì)與原來(lái) 的入射方向重合，即阻止了光波原入射方向反射。b實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述與數(shù)據(jù)整理和分析:人測(cè)量跳線的輸出光功率。1）用鏡頭紙擦拭跳線兩端的光纖界面，避免塵土影響光波入射。2）跳線的一段連接穩(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

12、，使其穩(wěn)定輸出1引onm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1550nm的插入損耗ll實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)述：1）用鏡頭紙擦拭光隔離器的光纖的每端界面。2）把光隔離器正向接入1550nm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）隔一小刻讀數(shù)一次，重復(fù)四次，共記錄5個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整理分析：對(duì)于 1310nm:標(biāo)準(zhǔn)跳線的輸出光功率為：195.0pw , -7.09 dbm隔離器的輸入功率匕“p唄12345p（uw）139.5139.7139.8139.9

13、139.7139.7(dbm)-8.54-8.54-8.54-8.54-8.54-8.54方法一:用uw記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算插入損耗為1丄 = -101g = -10x= 1 a5db匕195.0其誤差為洗叫產(chǎn)（欽5-（%麗out汕f（心5八0.0應(yīng)則其插入損耗為./厶=（1.45±0.01）db方法二:用dbm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算插入損耗為1丄=血pout= (-7.09) -(-8.54) = 1 a5db誤差為6心=j(黔 x%j+(黔 x%= 戸嚴(yán)莎= odbv uroutorin/. i.l.x = 1 a5db兩次計(jì)算得到的插入損耗約為0.15,小于0.27,故此次測(cè)量結(jié)果在 可

14、接受的范圍之內(nèi)。對(duì)于 1550nm:標(biāo)準(zhǔn)跳線的輸出光功率為：475.1 pw , -3.23dbm隔離器的輸入功率匕“poul12345p(uw)447.3446.9447.0446.9447.1447.1(dbm)-3.49-3.49-3.49-3.49-3.49-3.49方法一:用uw記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算插入損耗為p447 1ll. =-101g = -10xlg=026db%475.1其誤差為6.li ini_10 5 ,)2+(xgp )2=0.01dbin 10加 心lnlo卩派則其插入損耗為./厶=(0.26±0.01)db方法二:用dbm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算插入損耗為1丄.嚴(yán)

15、p沁- pollt = (-3.23) (3.49) = 0.26db誤差為嘰=j(黔 x%j+(等 x% = odbv uroutorin/. i.l. = 0.26db可見(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ddxlolg(巴巴)，但顯然，用必加單位來(lái)的更簡(jiǎn)單方便。mw并且相對(duì)于1310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. 05%左右，可看出光隔離器并不是對(duì)于每個(gè)波長(zhǎng)都起隔離作業(yè), 而是對(duì)應(yīng)與特定的波長(zhǎng)工作的。3求光隔離器1310nm和155onm的反向隔離度j實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)述：使光隔離器反向接入1310nm和1550nm穩(wěn)定化光源和光功率計(jì),

16、其他操作與測(cè)量光隔離器的插入損耗相同。數(shù)據(jù)整理和分析：對(duì)于 1310nm:標(biāo)準(zhǔn)跳線的輸出光功率為：195.0pw , -7.09 dbm隔離器的輸入功率匕“pou!12345po(uw)23.2923.3023.3123.3823.3923.330.05(dbm)-16.32-16.31-16.31-16.30-16.3016.310.01方法一:用w記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算反向隔離度為= 9.41db其誤差為ldc2()、2 /北2(如、2%和=、(-x%) +(xctpjv urouturout2l°xb也 尸+()2 =0 01dbbxlnlo pm/2xlnlo則其反向隔離度為 c2

17、 (2,) = (9.4110.01)方法二:用dbm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算插入損耗為c?(人)=匕和一巳阮=(一709) ( 16.31) = 9.22必= 0.01 加 c2 (/!) = (9.22 ± 0.01)jb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對(duì)于 1550nm:標(biāo)準(zhǔn)跳線的輸岀光功率為：475.0pw , -3.23 dbm隔離器的輸入功率匕pout12345p0(uw)0.011300.011310.011310.011320.011300.011310.00001(dbm)-49.46-49.45-49.45-49.45-49.46-49.

18、450.01方法一:用w記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算反向隔罔度為c”)一砸借-叫鶉1=46.23/3其誤差為(語(yǔ)叫”誇込'芒牯+畀律。嚨則其反向隔離度為 c2 () = (46.2310.01)方法二:用dbm記錄的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算插入損耗為q)= poua - poun =(-3.23) - (-49.45) = 46.22誤差為% =第®)x(7/%)2 +(a2><6s)' = j (-嘰)2= 0-01jbv urout°rout 2則其反向隔離度為 c2 () = (46.2210.01)5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

19、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。綜上所述，得到光隔離器性能表如下表3光隔離器在1310nm與1550nm時(shí)的插入損耗及隔離度輸入波長(zhǎng)單位制i. (db)c2() ( db )1310nm|jw制1.45± 0.019.41 ± 0.01dbm制1.459.22± 0.011550nmpw制0.26± 0.0146.23± 0.01dbm制0.2646.22± 0.014求光隔離器1500nm的偏振相關(guān)損耗實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)述：1）用鏡頭紙擦

20、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)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。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析：隔離器在不同偏振態(tài)下的輸出功率最大值和最小值自身?yè)p耗相關(guān)損耗pmaxpminpmaxpminpwdbmpwdbmpwdbmpwdbm466.4-333464.1-3.31386.3-4.17383.1-4.13偏振相關(guān)損耗:心:"4叫亦=0 04加dbm: p.d.l. = _4.13 - (一47) = ().()4db加計(jì)算所得偏

21、振相關(guān)損耗值均很小，這可推測(cè)知本次實(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)。而對(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)量實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)述：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1550nm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）隔一小刻讀數(shù)一次,重復(fù)四次,共記錄5個(gè)數(shù)據(jù)。3 耦合器 2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析:1550nm波長(zhǎng)的光隔離器回波損耗測(cè)量輸入功率次數(shù)12345p0475.0pw

22、0.065250.065360.065430.065490.065580.065420.00013-3.23dbm-41.85-41.84-41.844 &-41.83-41.840.01對(duì)1550波長(zhǎng)的光隔離器回波損耗1 ）以pw單位制進(jìn)行計(jì)算1z.l., = lolg 險(xiǎn)=-10xlg°，06542-10xlg2 = 35.60仙pin475.0out1xop .)2 +(x0p )2 =0.01dbin 10 加<jnlo 張 i.l.二(3560 ± 0.0l)db12）以dbm單位制進(jìn)行計(jì)算i.l. =& 一他i +10xlg2) = (-3

23、.23)-(-41.84 + 3.01) = 35.60db_ ld/.l % =fdp2鮎)2+(警6丿=j(%丿+(叫)“oidb out iurini il. = 35.60±0.01b綜上所述,可知整個(gè)光隔離器系統(tǒng)的波損耗情況很小。6、思考題1法拉第磁光效應(yīng)與克爾磁光效應(yīng)的差異及應(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多次通過(guò)磁光物質(zhì)可得到旋轉(zhuǎn)角的加。2光隔離器的工作原理？答：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)過(guò)一順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45度的法拉第回旋器將原本偏振角為90度 順時(shí)針調(diào)整為45度輸岀。入射光經(jīng)調(diào)整后為90度，而輸出的光偏振角