1、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Measurement of the Parameters of an OptoisolatorMajor of optical information science and technology, SYSU, GuangzhouAbstract: In this experiment, we measured several import
2、ant parameters 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), retur
3、n 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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：195.0W，-7.09 dBm隔离器的输入功率12345(uw)139.5139.7139.8139.9139.7139.7(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
13、率为：475.1W，-3.23dBm隔离器的输入功率12345(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155
14、0nm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：195.0W，-7.09 dBm隔离器的输入功率12345(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
15、波性能越好对于1550nm：标准跳线的输出光功率为：475.0W，-3.23 dBm隔离器的输入功率12345(uw)0.011300.011310.011310.011320.011300.011310.00001(dBm)-49.46-49.45-49.45-49.45-49.46-49.450.01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1
16、310nm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(1)（dB）1310nmW制1.450.019.410.01dBm制1.459.220.011550nmW制0.260.0146.230.01dBm制0.2646.220.014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
17、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PmaxPminPmaxPminWdBmWdBmWdBmWdBm466.4-3.33464.1-3.31386.3-4.17383.1-4.13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155
18、0nm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12345475.0W0.065250.065360.065430.065490.065580.065420.00013-3.23dBm-41.85-41.84-41.84-41.83-41.83-41.840.011、对1550波长的光隔离器回波损耗1）以W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、
19、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
20、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
21、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1310nm1550nm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，Study on structure of polarization dependent isolators，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
