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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
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- 隔离器