光隔离器实验

91廿一、光隔离器实验人：合作人:（物理科学与工程技术学院，光信息科学与技术2011级1班，学号11343026）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：光隔离器是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。光隔离器广泛应用于光信号的发射、放大、传输等过程中。因为许多光器件对来自连接器、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。1.法拉第磁光效应光隔离器的工作原理需要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，其材料主要为钇铁石榴石（YIG），现在多采用高性能磁光晶体。高性能磁光晶体是一种采用液相外延技术在石榴石单晶上生成掺镱、镓、钬或铽等元素的薄膜材料，如：(YbTbBi)3Fe5O12石榴石单晶薄膜，其单位长度的法拉第旋转角是传统YIG晶体的5倍以上，而所需磁感应强度B却仅为传统材料的一半或者1/3。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（α为光线与磁场的夹角，）：VLBcosα（21.1）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。值得注意的事，磁致旋光效应和材料的固有磁光效应不同。固有磁光效应的方向受光的传播方向影响，而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，光的偏振面总是朝同一方向旋转。因此，在材料的固有旋光效应中，如果光束沿着原光路返回时，其偏振面将转回到初始位置。而在法拉第磁光旋转效应中，磁场对此光材料产生作用，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。迎着光看去，当线偏振光方向沿磁力线方向通过介质时，其振动面向右旋转；当线偏振光方向沿磁力线反方向通过介质时，其振动面向左旋转。旋转角的大小受磁光材料的旋磁特性、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。不同介质，振动面的旋转方向不同。顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，V为正值。反之，则称为左旋或负旋介质，V为负值。对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，92另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。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累加。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皆涂以银（图21.1中的斜线）。光线从狭缝进入磁光介质，然后经过在镀银表面上的多次反射，从另一个狭缝射出。这时，出射的偏振光振动面的旋转角，将与光线在介质中多次反射的总光程成正比例。2.光隔离器的工作原理图21.1、磁光介质旋转角的累加效应图21.2隔离器工作原理93（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，在经一順时针方向旋转45度的法拉第回旋器(45°FaradayRotator)將原本偏振角为90度順时针调整成为45度输出，如图21.2(a)、图21.2(b)。（2）入射光经调整后为90度，而输出的光偏振角則为45度，如图21.2(c)。（3)此時如果有一反射光循原路径返回经过输出端偏振镜后，只让偏振角为45度角的光通过，经过法拉第回旋器，將反射回來的光偏振角再调整成0度(x轴)到了输入端的偏振镜時，原本输入端的偏振镜角度为90度，会將偏振角度为0度的反射光滤除。這時输入端便不会有自系統反射回來的光了，如图21.2(d)。或者见示意图（图21.3和图21.4所示）正向传输时，光可顺利通过第二个偏振器（导通）：反向传输时，光偏振面再转45度，与第二个偏振器成90度，光被隔离：3.偏振无关隔离器其光学结构如图21.5所示图21.3、光隔离器正向导通图21.4、光隔离器反向截止94Wedge是楔形双折射晶体，作为偏振器使用，两个偏振器成45度。法拉第旋转器放置在中间。4.光纤准直器光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学元件，它是由光纤和长度为0.25节距的具有合适镀层的自聚焦透镜组成，如图21.6所示。自聚焦透镜的焦距为：10sinzAAnf（21.2）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，在给定的波长条件下如果z过长，则焦点在透镜的端面内；反之，z过短，则焦点在透镜端面外。因此，透镜长度的误差必然会影响光耦合的效果，这是造成准直器损耗的主要原因之一。光纤和自聚焦透镜之间的耦合原理同普通透镜的耦合原理相似，所以用自聚焦透镜的长度为：APz24（21.3）式中，P为自聚焦透镜的节距。因为自聚焦透镜的四分之一节距P是在近轴近似的条件下，子午光线遵循正弦路径传播而确定的。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值还不够精确，带来了耦合时的损耗；另外，GRIN的像差也会使光束的耦合效率下降，增加了器件的损耗。光准直器的用途是对高斯光束进行准直，两个光准直器放在图21.5所示光学结构的两端，以提高光纤与光纤间的耦合效率。基本技术参数1.插入损耗（InsertLoss）在光路中增加了光隔离器而产生的额外损耗，称为插入损耗，定义隔离器输入和输出端口之间的光功率之比（dB），图21.5、光隔离器内部光学结构图21.6光纤准直器95inoutPpLIlg10..（21.4）其中Pin为发送进输入端口的光功率，Pout为从输出端口接收到的功率。2.隔离度它是指光隔离器反方向的传输损耗，所以，也称作反向隔离度：inoutPpLIlg10..（21.5）所以，光隔离器的插入损耗与隔离度的测量方法是一样的，只是一个测量正向、另一个测量反向。3.回波损耗器件的回波损耗是指入射到器件中的光能量和沿入射光路反射回的光能量之比。回波损耗由各元件和空气折射率失配造成的反射引起，主要包括晶体元件和光准直器引起的回波损耗。回波损耗的测试原理如下图：这是CCITT和国家标准中建议的方法。测试时，选择一个插入损耗小，分光比为1：1带连接器端口的定向耦合器进行测试。先将耦合器的第三端口用匹配剂匹配起来，用光功率计测得耦合器第二端的光功率P0，再将待测器件接上，并在待测器件的尾端涂好匹配液，测得耦合器第三端的回返光功率Pr，即得到待测器件的回波损耗：23lg10)lg(10..TPPLRor（21.6）其中，T23为定向耦合器的传输系数，对于1：1均匀分光定向耦合器，其值一般设为0.5。三、实验用具与装置图：实验用具：稳定光源、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：实验步骤需要同学自行拟定。隔离器光源光功率计定向耦合器匹配液待测器件图21.6光纤准直器图21.7实验示意图96四、实验步骤和数据记录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(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、反向分别接入1310nm稳定化光源和光功率计。(3）接入后即开始读数，记录数据。(4）隔几分钟读数一次，重复四次，共记录5个数据。（5）换上1550nm稳定化光源，重复上述步骤。1.测得标准跳线当的光功率inP为：1310nm:76.5μW,-11.15dBm1550nm：409μW，-3.89dBm2(1).对于1310nm光源，隔离器输出端功率outP为：outP12345P(μW)47.347.447.547.547.547.44(dBm)-13.24-13.24-13.23-13.23-13.23-13.243插入损耗为：I.L.12345..LI(μW)2.0882.0792.072.072.072.075(dBm)2.092.092.082.082.082.084用μW表示，插入损耗为inoutPpLIlg10..得到插入损耗的平均值为2.075dB，其误差为：0072.0.)...(5151i21LILIi用dBm记录的数据来计算97m084.2..111dBPPLIoutin其误差为：0049.0.)...(5151i21LILIi（2）对于1550nm光源，隔离器输出端功率outP为：outP12345P(μW)365.7365.9365.8366366.2365.92(dBm)-4.36-4.36-4.36-4.36-4.36-4.36插入损耗为：I.L.12345..LI(μW)0.4860.4840.4850.4820.480.4834(dBm)0.470.470.470.470.470.47用μW表示，插入损耗为inoutPpLIlg10..得到插入损耗的平均值为0.4834dB，其误差为：002.0.)...(5151i21LILIi用dBm记录的数据来计算，插入损耗为：m47.0..111dBPPLIoutin其误差为：0.)...(5151i21LILIi对于1310nm光源，插入损耗约为2.075±0.0072dB,对于1550nm光源，插入损耗约为0.4834±0.002dB。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98的关系)1)(lg(10mWmWPdBm，但显然，用dBm单位来的更简单方便。并且相对于1550nm的输入功率来说，插入损耗值比较小，约为输入功率的0.5%左右，可看出光隔离器并不是对于每个波长都起隔离作用，而是对应与特定的波长工作的。本实验的隔离器对应波长为1550nm。3·求光隔离器1310nm和1550nm的反向隔离度soI(1）用镜头纸擦拭光隔离器的光纤的每端界面。(2）把光隔离器反、正向分别接入1310nm稳定化光源和光功率计。(3）接入后即开始读数，记录数据。(4）隔几分钟读数一次，重复四次，共记录5个数据。（5）换上1550nm稳定化光源，重复上述步骤。对于1310nm光源，输入光功率为：78.6μW，-11.04dBm用μW表示，反向隔离度为:dBPPCoutout96.96.78944.7lg10'lg10其误差为:dBPPPCPCoutPoutPPoutPoutCoutoutoutout01.0)10ln'10()10ln10()'()(2'22'2则其反向隔离度为:dBC)01.096.9(用dBm记录的数据来计算,反向隔离度为：dBPPCoutout96.9)996.20()04.11(其误差为：out'P12345out'Pσ（μW)7.927.937.947.967.977.9440.018(dBm)-21.01-21.00-21.00-20.99-20.98-20.9960.0199dBPPPCPCoutPo