实验报告光隔离器中大.docx
- 文档编号:29512105
- 上传时间:2023-07-24
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:172.56KB
实验报告光隔离器中大.docx
《实验报告光隔离器中大.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《实验报告光隔离器中大.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
实验报告光隔离器中大
光隔离器相关参数测量
中山大学理工学院光信息专业
摘要:
本文通过测量光隔离器的插入损耗、隔离度等相关参数,并对相关数据进行分析,得出结论,以进一步了解光隔离器的原理、功能。
关键词:
光隔离器光功率插入损耗隔离度偏振相关损耗回波损耗
MeasurementoftheParametersofanOptoisolator
Majorofopticalinformationscienceandtechnology,SYSU,Guangzhou
Abstract:
Inthisexperiment,wemeasuredseveralimportantparametersofanoptoisolator,thenanalyzedthedataanddrawsomeusefulconclusions.Afterthat,wegotafurthercomprehensionabouttheprinciples,thefunctionsoftheoptoisolator.
KeyWords:
optoisolator,opticalpower,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、实验用具及装置图
实验用具:
稳定光远、光功率计(武邮)、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:
三、实验原理与器件
熟悉Faraday磁光效应、光隔离器的光学结构、工作原理和主要技术参数。
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众的反射波。
光隔离器广泛应用与光信号的发射、放大、传输等过程中。
因为许多光器件(如激光二极管及光放大器等)对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感、若不消除这些反射光将导致器件性能的急剧恶化。
这时就需要用光隔离器来阻止反射光返回系统。
下面简要介绍光准直器。
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:
(21.1)
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。
典型的光隔离器采用法拉第旋转器,转光转角为45度,现在多采用高性能磁光晶体。
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):
(21.2)
式中,V是比例系数,它是材料的特性常数,称维尔德(Verdet)常数,单位是:
分/高斯.厘米。
进一步研究表明,法拉第效应旋转角是材料的介电常数、旋磁比和饱和磁场强度以及光波频率、外加磁场强度的函数。
值得注意的是磁致旋光效应和材料的固有选光效应不同。
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下:
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:
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。
四、实验步骤
1.连接仪器,注意光纤的放置以及接头的接续;
2.测量隔离器的输入功率;(功率计使用前需要归零)
3.测量隔离器的输出功率;
4.测量隔离器的反向输入功率;
5.测量隔离器的反向输出功率;
6.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。
五、实验报告
A>实验前,与蔡老师的问题讨论总结:
1、为什么把标准跳线的输出功率作为其他光纤仪器的输入功率?
由于实验中所用到的光纤仪器端口处都有接头,而光功率的损耗主要是由这些接头引起的。
假设光功率输出仪工作稳定,光功率经过标准跳线后有一定损耗。
然后再用光功率输出仪接到其他光纤仪器。
同样地,这些光纤仪器的接头也会有损耗。
为了得到光纤中传播的时间功率,我们就可以使用标准跳线的输出功率作为其他光纤的输入功率,此时两者的损耗就互相抵消了。
2、光纤准直器的自聚集透镜入射截面为什么要倾斜,即与光纤成一角度(约8度)?
为了降低光纤输入的回波损耗,将反射波散射到其他方向,减少干扰。
另:
由于自聚集透镜焦距与波长和透镜的长度有关,因此对于给定的波长,透镜长度的误差会影响光耦合的效果。
3、光隔离器中的偏振器使用双折射晶体,为什么入射面也是有一定小角度倾斜(22.5度)?
外界进入第一个偏振器时分为o光和e光,经过旋光介质到达第二个偏振器;若光波反射回去,回到第一个偏振器界面时由于见面有一个小角度使得回来的o光、e光以一定角度透射出去而不会与原来的入射方向重合,即阻止了光波原入射方向反射。
B>实验过程简述与数据整理和分析:
1、测量跳线的输出光功率。
1)用镜头纸擦拭跳线两端的光纤界面,避免尘土影响光波入射。
2)跳线的一段连接稳定化光源,另一端连接光功率计。
3)调节稳定化光源,使其稳定输出1310nm和1550nm光波。
4)选择光功率计的1310nm和1550nm档,待其稳定后读数,记录数据。
5)以上操作需在下面每个实验参数测量前重复进行一次。
2、测量光隔离器1310nm和1550nm的插入损耗I.L
实验步骤简述:
1)用镜头纸擦拭光隔离器的光纤的每端界面。
2)把光隔离器正向接入1550nm稳定化光源和光功率计。
3)接入后即开始读数,记录数据。
4)隔一小刻读数一次,重复四次,共记录5个数据。
数据整理分析:
对于1310nm:
标准跳线的输出光功率为:
195.0μW,-7.09dBm
隔离器的输入功率
1
2
3
4
5
(uw)
139.5
139.7
139.8
139.9
139.7
139.7
(dBm)
-8.54
-8.54
-8.54
-8.54
-8.54
-8.54
方法一:
用uw记录的数据来计算
插入损耗为
其误差为
则其插入损耗为
方法二:
用dBm记录的数据来计算
插入损耗为
误差为
两次计算得到的插入损耗约为0.15,小于0.27,故此次测量结果在可接受的范围之内。
对于1550nm:
标准跳线的输出光功率为:
475.1μW,-3.23dBm
隔离器的输入功率
1
2
3
4
5
(uw)
447.3
446.9
447.0
446.9
447.1
447.1
(dBm)
-3.49
-3.49
-3.49
-3.49
-3.49
-3.49
方法一:
用uw记录的数据来计算
插入损耗为
其误差为
则其插入损耗为
方法二:
用dBm记录的数据来计算
插入损耗为
误差为
可见两种计算方法得出的结果基本一致,这是由于两种单位制之间存在的关系
,但显然,用
单位来的更简单方便。
并且相对于1310的输入功率来说,插入损耗值比较小,约为输入功率的0.05%左右,可看出光隔离器并不是对于每个波长都起隔离作业,而是对应与特定的波长工作的。
3·求光隔离器1310nm和1550nm的反向隔离度
实验步骤简述:
使光隔离器反向接入1310nm和1550nm稳定化光源和光功率计,其他操作与测量光隔离器的插入损耗相同。
数据整理和分析:
对于1310nm:
标准跳线的输出光功率为:
195.0μW,-7.09dBm
隔离器的输入功率
1
2
3
4
5
σ
(uw)
23.29
23.30
23.31
23.38
23.39
23.33
0.05
(dBm)
-16.32
-16.31
-16.31
-16.30
-16.30
16.31
0.01
方法一:
用w记录的数据来计算
反向隔离度为
其误差为
则其反向隔离度为
方法二:
用dBm记录的数据来计算
插入损耗为
误差为
则其反向隔离度为
可见两种计算方法得出的结果基本一致,其中隔离度较大表明分波性能越好
对于1550nm:
标准跳线的输出光功率为:
475.0μW,-3.23dBm
隔离器的输入功率
1
2
3
4
5
σ
(uw)
0.01130
0.01131
0.01131
0.01132
0.01130
0.01131
0.00001
(dBm)
-49.46
-49.45
-49.45
-49.45
-49.46
-49.45
0.01
方法一:
用w记录的数据来计算
反向隔离度为
其误差为
则其反向隔离度为
方法二:
用dBm记录的数据来计算
插入损耗为
误差为
则其反向隔离度为
可见两种计算方法得出的结果基本一致,其中隔离度较大表明分波性能越好,可看出一种光隔离器是对应与特定的波长工作的。
表明该光隔离器对于1550nm波长起着隔离作用,对于1310nm波长隔离性能较差。
综上所述,得到光隔离器性能表如下
表3光隔离器在1310nm与1550nm时的插入损耗及隔离度
输入波长
单位制
I.L.1(dB)
C2(λ1)(dB)
1310nm
μW制
1.45±0.01
9.41±0.01
dBm制
1.45
9.22±0.01
1550nm
μW制
0.26±0.01
46.23±0.01
dBm制
0.26
46.22±0.01
4·求光隔离器1500nm的偏振相关损耗
实验步骤简述:
1)用镜头纸擦拭光隔离器和偏振控制器的光纤的每端界面。
2)把光隔离器正向接入偏振控制器和光功率计。
3)把偏振控制器的另一端接入1550nm稳定化光源。
4)手动调节偏振控制器,改变光波的偏振。
5)调整一段时间后,记录这段时间内光功率的最大值和最小值。
实验数据整理和分析:
隔离器在不同偏振态下的输出功率最大值和最小值
自身损耗
相关损耗
Pmax
Pmin
Pmax
Pmin
μW
dBm
μW
dBm
μW
dBm
μW
dBm
466.4
-3.33
464.1
-3.31
386.3
-4.17
383.1
-4.13
偏振相关损耗:
计算所得偏振相关损耗值均很小,这可推测知本次实验所用的单模光纤为偏振非相关的,其偏振相关损耗应与偏振方向无关。
而对于光隔离器,有一定程度的偏振非相关的,其偏振相关损耗应与比自身偏振损耗要大一点。
5、光隔离器回波损耗测量
实验步骤简述:
1)用镜头纸擦拭光隔离器和光耦合器(如图)的光纤的每端界面。
2)把光耦合器的光纤1接入1550nm稳定化光源。
3)把光耦合器的光纤3正向接入光隔离器。
4)把光耦合器的光纤2接入光功率计。
5)接入后即开始读数,记录数据。
6)隔一小刻读数一次,重复四次,共记录5个数据。
实验数据整理和分析:
1550nm波长的光隔离器回波损耗测量
输入功率
次数
1
2
3
4
5
σ
475.0
μW
0.06525
0.06536
0.06543
0.06549
0.06558
0.06542
0.00013
-3.23
dBm
-41.85
-41.84
-41.84
-41.83
-41.83
-41.84
0.01
1、对1550波长的光隔离器回波损耗
1)以μW单位制进行计算
2)以dBm单位制进行计算
综上所述,可知整个光隔离器系统的回波损耗情况很小。
6、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:
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。
而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。
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。
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。
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。
当光正向传输时,光可顺利通过第二个偏振器;反向传输时,光被隔离。
3·光准直器的结构与应用。
答:
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。
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。
4·除了法拉第旋转器,是否能用其他的方法制作光隔离器?
答:
只要能够实现旋转角累加的旋转器都可以用来制作光隔离器。
目前除了法拉第效应能够实现旋转角累加外,我还不知道其他方法可以思想旋转角叠加。
5·光隔离器的品种、型号、规格和外形尺寸。
答:
光隔离器有单级和双级之分;按照各个参数的不同可以分为S级,P级和A级;规格按波长的不同分别有1310nm-1550nm之分;外形一般为筒状,尺寸规格为筒子长几十个毫米,外径一般为几个毫米。
【参考文献】:
1、陆蓉,Studyonstructureofpolarizationdependentisolators,
西安邮电学院学报2008年9月第13卷第5期
2、沈骁,磁光隔离器插入损耗研究,科技风
3、《物理学实验教程》编写组,光隔离器,物理学实验教程第三部分21篇
4、王光辉吴福全徐世昌,与偏振无关光隔离器性能参数的测量,光纤与
电缆及其应用技术2004年第5期
5、吴福全宋连科魏玉花,光隔离器几个问题的研究,曲阜师范大学学报
第23卷第1期1997年1月
6、孙爱晶,光隔离器的结构类型研究,西安邮电学院学报2003年7月
第8卷 第3期
7、尚连聚,光隔离器,曲阜师范大学物理系山东273165
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 实验 报告 隔离器