光隔离器.docx

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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:

O4331文献标识码:

A

MeasurementoftheParametersofanOptoisolator

LinShijie,ZhuangShuiqing,LiuHao

（Opticinformation,SPE,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China）

Abstract:

Inthisexperiment,wemeasuredseveralimportantparametersofanoptoisolator:

IL,EL,isolation,PDL,andRL,thenanalyzedthedataanddrawsomeusefulconclusions.Inthisway,wegotafurthercomprehensionabouttheprinciplesandthefunctionsoftheoptoisolator.

KeyWords:

optoisolator,insertionloss（IL）,isolation,polarizationdependentloss（PDL）,returnloss（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λ=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）

482.2

487.3

485.3

486.3

488.7

Pout（uW）

422.8

422.4

424.1

426.4

426.1

I.L.（dB）

0.57

0.62

0.58

0.57

0.59

Pin（dBm）

-3.16

-3.12

-3.14

-3.13

-3.10

Pout（dBm）

-3.74

-3.74

-3.72

-3.70

-3.70

I.L.（dB）

0.58

0.62

0.58

0.57

0.60

（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=0.586dB

I.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：

σ1=15×4i=15（I.L.1i-I.L.1）2=0.009dB

σ2=15×4i=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）

482.2

487.3

485.3

486.3

488.7

Pout（nW）

51.7.

59.60

49.80

55.70

48.68

Iso（dB）

39.70

39.13

39.89

39.41

40.01

Pin（dBm）

-3.16

-3.12

-3.14

-3.13

-3.10

Pout（dBm）

-42.59

-42.82

-43.10

-42.55

-43.08

Iso（dB）

39.43

39.70

39.96

39.42

39.98

（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=39.628dB

I.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：

σ1=15×4i=15（I.L.1i-I.L.1）2=0.16dB

σ2=15×4i=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）

373.8

375.2

Pmin（uW）

370.8

372.0

Pmax（dB）

-4.27

-4.25

Pmin（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