光隔离器.docx

光隔离器（中山大学理工院光信3班，广东 广州510275）摘要：本实验通过测量光隔离器的插入损耗、隔离度、偏振相关损耗、回波损耗等相关参数，并对实验数据进行分析、处理，加深了对光隔离器的原理的理解。关键词：光隔离器 插入损耗 隔离度 偏振相关损耗 中图分类号: O433 1 文献标识码:AMeasurement of the Parameters of an OptoisolatorLin Shijie, Zhuang Shuiqing, Liu Hao(Optic information,SPE, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)Abstract: In this experiment, we measured several important parameters of an optoisolator:IL,EL,isolation,PDL,and RL,then analyzed the data and draw some useful conclusions. In this way, we got a further comprehension about the principles and the functions of the optoisolator.Key Words: optoisolator, insertion loss(IL), isolation,polarization dependent loss(PDL), return loss(RL);一、实验目的1. 学习光隔离器的原理。2. 了解光准直器的原理及其应用。3. 学习测量光隔离器的主要技术参数。二、实验原理与器件光隔离器室一种只允许光沿光路正向传输的互易性光无源器件，主要用于抑制光通信网络中的反射波。下面先简要介绍光准直器。光纤准直器室由光纤和长度为0.25节距的具有合适镀层的自聚焦透镜组成。自聚焦透镜的焦距为：其中z为自聚焦透镜的长度。由此可见，因为A是波长的函数，所以f也是波长的函数。另外透镜的长度的误差也会影响到光耦合的效果，这是造成准直器损耗的主要原因。光纤和自聚焦透镜之间的耦合原理和普通透镜间的耦合原理相似，所以用自聚焦透镜的长度为： 式中，P为自聚焦透镜的节距。因为P是在近轴近似的条件下由子午光线遵循正弦传播而确定的。同时GRIN的折射率分布在离轴心0.8mm半径处有一拐点。所以，由（21.1）式算出的z值不够精确，带来了耦合时的损耗。光准直器的用途是对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤与光纤间的耦合效率。光隔离器的工作原理是利用磁光晶体的法拉第效应。 法拉第效应（1945年）：对于给定的磁光晶体材料，光振动面旋转的角度与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度B成正比（为光线与磁场的夹角）。 值得注意的是磁致旋光效应和材料的固有旋光效应不同。在法拉第磁光旋转效应中，磁场对光材料产生作用是导致磁致旋转现象发生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋转的方向取决于外加磁场的方向，与光的传播方向无关。迎着光看，当线偏振光沿磁力线方向通过介质时，其振动面向右旋转；反之则向左。旋转角的大小受磁光材料的旋转特性、长度、工作波长及磁场强度的影响。材料介质越长、磁场强度越强、工作波长越短，旋转角度将越大。对于给定的磁光介质，光线以不同方向两次通过介质时，其振动面的旋转方向是叠加的。因此，在磁致旋光的情况下使光线多次通过磁光物质可得到旋转角的叠加。磁光介质旋转角的累加效应图示如图1所示。在强磁场中放一块磁光物质ab，ab呈平行六面体状。其相对的两表面除留有一个很窄的缝隙外都涂了银。光纤从狭逢进入磁光介质，然后经过在镀银表面的多次反射，从另外一个狭逢射出。这时出射的偏振光振动面的旋转角，将与光纤在介质中多次反射的总光程差成正比。光隔离器的光学结构如下图： 图1 磁光介质旋转角的累加效应图2 光隔离器内部光路示意图Wedge是楔形双折射晶体，做偏振器使用，两个偏振器成45度。法拉第旋转器放置在中间。两个光准直放在最外面起光耦合作用。光隔离器工作原理：1. 入射光透过偏振镜之后，只让偏振角为90度（y轴）方向的光通过，在经过一顺时针方向旋转45度的法拉第回旋器将原本偏振角为90度顺时针调整为45度输出；2. 入射光经调整后为90度，而输出的光偏振角则为45度，3. 此时如果有一反射光循原路返回经过输出端偏振镜后，只让偏振角为45度的光通过，经过法拉第回旋器，将反射回来的光偏振角再调整成0度（x轴）到了输入端的偏振镜时，原本输入端的偏振镜角度为90度，会角偏振角为0度的反射光滤除。这时输入端便不会有自系统反射回来的光了。正向传输时，光可顺利通过第二个偏振器；反向传输时，光被隔离。光隔离器的主要技术参数：插入损耗：在光路中增加了光无源器件而产生的额外损耗。定义为该器件所指定的通道的输入和输出端口之间的光功率之比（dB），隔离度:器件输入端口的光进入非指定输出端口光能量的大小，又称串扰。光隔离器的隔离度定义为光隔离器反方向的传输损耗，也称反向隔离度：偏振相关损耗：光信号以不同的偏振态输入时，对应的输出端口插入损耗最大变化值。三、实验用具及装置图实验用具：稳定光远、光功率计、单模标准跳线（用于测量器件的输入功率）、光隔离器（OISS1310ASO1111）实验装置示意图如下所示：图3 实验装置示意图四、 实验步骤1. 打开光源，将单模标准跳线连接到光源上，用光功率计测量单模标准跳线的输出功率，当功率计的波动在0.5dB以内，说明光源稳定了，可以开始实验。2. 测量光隔离器的插入损耗，分别用光功率计测量光隔离器的正向输入光功率Pin和输出光功率Pout，光功率分别以uW和dBm为单位。3. 测量光隔离器的反向隔离度。将光隔离器反接在实验装置中，分别用光功率计测量光隔离器的反向输入光功率Pin和反向输出光功率Pout。4. 测量光隔离器的偏振相关损耗，将偏振控制器接入实验装置中，测量隔离器在不同偏振态下的输出功率的最大值和最小值。5. 测量光隔离器的回波损耗，将定向耦合器接入实验装置中，用光功率计测得耦合器的第二端的光功率Po，再将光隔离器接上，测得耦合器第三端的回返光功率Pr。五、实验数据处理与分析1. 实验前先把手洗干净，实验过程中如果弄脏双手或手汗太多，需重新洗净双手擦干再进行实验。打开光源，选择输出波长=1550nm。将单模标准跳线连接到光源上，用光功率计测量单模标准跳线的输出功率，当功率计的波动在0.5dB以内，说明光源稳定了，可以开始实验。2. 测量光隔离器的插入损耗实验装置图如图1所示，分别用光功率计测量光隔离器的正向输入光功率Pin和输出光功率Pout，光功率分别以uW和dBm为单位，每个Pin和Pout测量五次，测量数据如表1所示：图1.插入损耗测量装置图表1 光隔离器插入损耗测量数据Pin（uW）482.2487.3485.3486.3488.7Pout（uW）422.8422.4424.1426.4426.1I.L.（dB）0.570.620.580.570.59Pin（dBm）-3.16-3.12-3.14-3.13-3.10Pout（dBm）-3.74-3.74-3.72-3.70-3.70I.L.（dB）0.580.620.580.570.60（1）计算插入损耗光隔离器的插入损耗是光隔离器正向接入时，输出光功率相对输入光功率的比率（以dB为单位）。当以uW为单位是，插入损耗为；当以dB为单位时，插入损耗为I.L.= Pin（dB）- Pout（dB）。把表一中的数据Pin和Pout代入公式计算可得光隔离器的插入损耗。（2）计算平均值和标准误差插入损耗的平均值为：I.L.1=15(0.57+0.62+0.58+0.57+0.59)dB=0.586dBI.L.2=15(0.58+0.62+0.58+0.57+0.60)dB=0.590dB因此，光隔离器的插入损耗为：I.L.=(I.L.1+I.L.2)/2=0.588dB标准误差为：1=154i=15(I.L.1i-I.L.1)2=0.009dB2=154i=15(I.L.2i-I.L.2)2=0.009dB分析：由上述结果可知，由于增加了无源器件，光产生了额外损耗。用两种方法算的结果差别不大。实验测得的插入损耗偏大，有较大误差。3. 测量光隔离器的反向隔离度实验装置图如图2所示，将光隔离器反接在实验装置中，分别用光功率计测量光隔离器的反向输入光功率Pin和反向输出光功率Pout，光功率分别以uW和dBm为单位，每个Pin和Pout测量五次，测量数据如表2所示：图2 反向隔离度测量装置图表2 反向隔离度测量数据Pin（uW）482.2487.3485.3486.3488.7Pout（nW）51.7.59.6049.8055.7048.68Iso（dB）39.7039.1339.8939.4140.01Pin（dBm）-3.16-3.12-3.14-3.13-3.10Pout（dBm）-42.59-42.82-43.10-42.55-43.08Iso（dB）39.4339.7039.9639.4239.98（1）计算反向隔离度光隔离器的反向隔离度是光隔离器反向接入时，输出光功率相对输入光功率的比率（以dB为单位）。当以uW为单位是，反向隔离度为；当以dB为单位时,反向隔离度为Iso = Pin（dB）- Pout（dB）。把表一中的数据Pin和Pout代入公式计算可得光隔离器的插入损耗。（2）计算平均值和标准误差插入损耗的平均值为：I.L.1=15(39.70+39.13+39.89+39.41+40.01)dB=39.628dBI.L.2=15(39.43+39.70+39.96+39.42+39.98)dB=39.698dB因此，光隔离器的反向隔离度为：I.L.=(I.L.1+I.L.2)/2=39.663dB标准误差为：1=154i=15(I.L.1i-I.L.1)2=0.16dB2=154i=15(I.L.2i-I.L.2)2=0.14dB分析：由上述结果可以看出，反向隔离度比插入损耗大多了，隔离度越大表明分波性能越好。反向隔离度指光隔离器反方向的传输损耗，光隔离器是一种只允许光正向传输的无源器件，因为光反向传输时，光被隔离，因此损耗很大。4. 测量光隔离器的偏振相关损耗实验装置图如图3所示，将偏振控制器接入实验装置中，细致并循序改变控制器的三个活动片的相对位置，分别用光功率计测量最大输出Pmax和最小输出Pmin。光功率分别以uW和dBm为单位，测量两次。得到的数据如图3所示。图3 测量偏振相关损耗实验装置图表3 偏振相关损耗测量数据Pmax（uW）373.8375.2Pmin（uW）370.8372.0Pmax（dB）-4.27-4.25Pmin（dB）-4.30-4.29（1） 计算偏振相关损耗光隔离器的偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振态输入时，对应输出端口插入损耗最大变化值。以uW为单位时，偏振相关损耗为：=0.035 dB=0.037 dB以dB为单位时，偏振相关损耗为：=0.03dB=0.04dB（2） 计算偏振相关损耗的平均值光隔离器的偏振相关损耗为：P.D.L=14（0.035+0.037+0.03+0.04）=0.0355 dB分析：实验算的光隔离器的偏振相关损耗为0.0355 dB，而一般要求0.1 dB就可以了，因此实验结果是正确的。偏振控制器的三个活动片的改变导致光纤的扭曲，从而产生双折射现象，引起偏振态的改变，从而导致插入损耗的改变。5. 测量光隔离器的回波损耗实验装置图如图4所示，将定向耦合器接入实验装置中，由于没有匹配液，因此光隔离器的尾端悬空（盖上保护盖）。用光功率计测得耦合器的第二端的光功率Po，再将光隔离器接上，测得耦合器第三端的回返光功率Pr，光功率分别以uW和dBm为单位，测量5次。得到的数据如图4所示。图4 回波损耗测量装置图表4 回波损耗测量数据Po（uW）248.7248.2247.8247.0248.2Pr（nW）124.4116.1119.0115.6105.3R.L.（dB）30.0030.2930.1830.2930.73Po（dBm）-6.04-6.05-6.06-6.07-6.05Pr（dBm）-39.05-39.35-39.24-39.36-39.90R.L.（dB）30.0030.2830.1733.2733.83（1） 计算回波损耗光隔离器的回波损耗是指正向入射到隔离器中的光功率与沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比（以dB为单位）。计算公式为：当以uW为单位时当以dB为单位时，R.L=P0-Pr+10lg12（2）求回波损耗的平均值和标准误差以uW为单位时，回波损耗的平均值为：R.L.1=15（30.00+30.29+30.18+30.29+30.73）=30.29dB以dB为单位时，回波损耗的平均值为：R.L.2=15（30.00+30.28+30.17+30.27+30.83）=30.31dB因此，光隔离器的回波损耗为：R.L.=（R.L.1+R.L.2）/2=30.30dB标准误差为：1=154i=15(R.L.1i-R.L.1)2=0.12dB1=154i=15(R.L.2i-R.L.2)2=0.14dB因为结果不够理想，我们用干净的镜头纸清洁端口，又重新测量，得到一组数据如表5：表5回波损耗测量数据Po243.9uw-6.12dBPr54.97nw-42.59 dBR.L.（dB）33.4633.46因此，光隔离器的回波损耗为：R.L.=(33.46+33.46)/2=33.46dB分析：因为端口不清洁，产生菲涅尔衍射，第一次实验结果不够理想。第二次测得的回波损耗为33.46dB，符合实验要求。6. 误差分析：（1） 连接器的端口不干净，如受到手的汗水污染，又如灰尘颗粒的影响，这会使端口处产生菲涅尔衍射，导致实验误差。（2） 由于连接器拔出后，没有用干净的镜头纸清洁，可能影响实验精度。（3） 由于每次测量都必须用一点的时间，由于光源不稳定，每次测量的值不一样，产生实验误差。（4） 测量回波损耗时，因为没有匹配液，悬空端口有较大的菲涅尔衍射，对实验精度影响较大。（5） 光纤的扭曲也是影响实验精度的一个因素。六、 思考题（1）法拉第磁光效应与克尔磁光效应的差异及应用？答：法拉第磁光旋转效应，由=VLBcos可知，磁光材料引起的光偏振面旋转的方向取决于外加磁场的方向，与光的传播方向无关。因此，在磁致旋光的情况下使光线多次通过磁光物质可得到旋转角的叠加。克尔磁光效应的方向受光的传播方向影响，与外加磁场的方向无关，无论外界磁场如何变化，迎着光看去光的偏振总是朝同一个方向旋转。（2）光隔离器的工作原理？答：入射光透过偏振镜之后，只让偏振角为90度（y轴）方向的光通过，在经过一顺时针方向旋转45度的法拉第回旋器将原本偏振角为90度顺时针调整为45度输出。入射光经调整后为90度，而输出的光偏振角则为45度。此时如果有一反射光循原路返回经过输出端偏振镜后，只让偏振角为45度的光通过，经过法