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光隔离器学习资料
时间:2020-08-13 23:50

  光隔离器学习资料_电力/水利_工程科技_专业资料。精品文档 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

  精品文档 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: O433 1 文献标识码:A Measurement of the Parameters of an Optoisolator Lin Shijie, Zhuang Shuiqing, Liu Hao (Optic information,SPE, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China) Abstract: In this experiment, we measured several important parameters of an optoisolator:IL,EL,isolation,PDL,and RL,then analyzed the data and draw some useful conclusions. In this way, we got a further comprehension about the principles and the functions of the optoisolator. Key Words: optoisolator, insertion loss(IL), isolation,polarization dependent loss(PDL), return 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: f ? [n0 A sin( Az)]?1 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: z?P? ? 4 2A 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。 精品文档 精品文档 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。 精品文档 精品文档 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), I.L ? ?10 lg Pout Pin 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: I so ? ?10 lg Pout Pin 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。 I p ? I .Lmax 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 精品文档 精品文档 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: LD 光源 光隔离器 光功率计 Pin Pout 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 Pout(uW) 422.8 422.4 424.1 I.L.(dB) 0.57 0.62 0.58 Pin(dBm) Pout(dBm) -3.16 -3.74 -3.12 -3.74 -3.14 -3.72 I.L.(dB) 0.58 0.62 0.58 486.3 426.4 0.57 -3.13 -3.70 0.57 488.7 426.1 0.59 -3.10 -3.70 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 I.L. ? ?10 lg Pout ;当以 Pin 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 精品文档 精品文档 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: 1= (0.57 +0.62+0.58+0.57+0.59)dB=0.586dB 2= (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: 标准误差为: =( 1+ 2)/2=0.588dB 2=0.009dB 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: LD 光源 光隔离器 P1 反 P2 反 光功率计 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 Pout(nW) 51.7. 59.60 49.80 Iso(dB) 39.70 39.13 39.89 Pin(dBm) Pout(dBm) -3.16 -42.59 -3.12 -42.82 -3.14 -43.10 Iso(dB) 39.43 39.70 39.96 486.3 55.70 39.41 -3.13 -42.55 39.42 488.7 48.68 40.01 -3.10 -43.08 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 Iso ? ?10 lg Pout Pin ;当以 精品文档 精品文档 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: 1= (39.70+39.13+39.89+39.41+40.01)dB=39.628dB 2= (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: 标准误差为: =( 1+ 2)/2=39.663dB 2=0.16dB 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. 5. 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。 LD 光源 Pmax(uW) 精品文档 光隔离器 [键入文档 的引述或关P 光功率计 图 3 测量偏振注相点关的损耗摘实验装置图 表 3 偏振相关损耗测量数据 373.8 375.2 精品文档 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是指光信号以不同的偏振态输入时,对应输出端口 插入损耗最大变化值。 以 uW 为单位时,偏振相关损耗为: P.D.L.1 ? ?10 lg Pout1 =0.035 dB Pin1 P.D.L.2 ? ?10 lg Pout2 =0.037 dB Pin2 以 dB 为单位时,偏振相关损耗为: P.D.L.1 ? Pmax1(dB) - Pmin1(dB)=0.03dB P.D.L.2 ? Pmax2(dB) - Pmin2(dB) =0.04dB (2) 计算偏振相关损耗的平均值 光隔离器的偏振相关损耗为: = (0.035+0.037+0.03+0.04)=0.0355 dB 分析:实验算的光隔离器的偏振相关损耗为 0.0355 dB,而一般要求0.1 dB 就可以了,因此实验结果是正确的。偏振控制器的三个活动片的改变导致光 纤的扭曲,从而产生双折射现象,引起偏振态的改变,从而导致插入损耗的 改变。 6. 测量光隔离器的回波损耗 实验装置图如图 4 所示,将定向耦合器接入实验装置中,由于没有匹配液, 因此光隔离器的尾端悬空(盖上保护盖)。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,光功率 分别以 uW 和 dBm 为单位,测量 5 次。得到的数据如图 4 所示。 1 Po LD 光源 定向耦合器 2 Pr 3 光功率计 光隔离器 折射率 匹配液 表 4 回波损耗测量数据 Po(uW) 248.7 图 4 回波损耗测量装置图 248.2 247.8 精品文档 247.0 248.2 精品文档 Pr(nW) R.L.(dB) 124.4 30.00 116.1 30.29 119.0 30.18 115.6 30.29 105.3 30.73 Po(dBm) Pr(dBm) -6.04 -39.05 -6.05 -39.35 -6.06 -39.24 -6.07 -39.36 -6.05 -39.90 R.L.(dB) 30.00 30.28 30.17 33.27 33.83 (1) 计算回波损耗 光隔离器的回波损耗 Returnloss 是指正向入射到隔离器中的光功率与沿输入 路径返回隔离器输入端口的光功率之比(以 dB 为单位)。计算公式为: 当以 uW 为单位时 当以 dB 为单位时,彩票开奖查询, R.L. ? ?10lg Pr ?10lg 1 Po 2 R.L=P0-Pr+10lg (2)求回波损耗的平均值和标准误差 以 uW 为单位时,回波损耗的平均值为: = (30.00+30.29+30.18+30.29+30.73)=30.29dB 以 dB 为单位时,回波损耗的平均值为: = (30.00+30.28+30.17+30.27+30.83)=30.31dB 因此,光隔离器的回波损耗为: =( + 标准误差为: )/2=30.30dB 2=0.12dB 2=0.14dB 因为结果不够理想,我们用干净的镜头纸清洁端口,又重新测量,得到一组数据 如表 5: 表 5 回波损耗测量数据 Po 243.9uw -6.12dB Pr 54.97nw -42.59 dB R.L.(dB) 33.46 33.46 因此,光隔离器的回波损耗为: =(33.46+33.46)/2=33.46dB 分析:因为端口不清洁,产生菲涅尔衍射,第一次实验结果不够理想。第二次测 得的回波损耗为 33.46dB,符合实验要求。 精品文档 精品文档 7. 误差分析: (1) 连接器的端口不干净,如受到手的汗水污染,又如灰尘颗粒的影响,这会 使端口处产生菲涅尔衍射,导致实验误差。 (2) 由于连接器拔出后,没有用干净的镜头纸清洁,可能影响实验精度。 (3) 由于每次测量都必须用一点的时间,由于光源不稳定,每次测量的值不一 样,产生实验误差。 (4) 测量回波损耗时,因为没有匹配液,悬空端口有较大的菲涅尔衍射,对实 验精度影响较大。 (5) 光纤的扭曲也是影响实验精度的一个因素。 六、 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:法拉第磁光旋转效应,由θ =VLBcosα 可知,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。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。 (2)光隔离器的工作原理? 答: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。 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。 (4)光准直器的结构与应用? 答:光纤准直器由光纤和长度为 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。 (5)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。 (6)光隔离器的品种、型号、规格和外形尺寸。 答:光 隔 离 器 种 类 繁 多 ,包 括 在 线 式 光 隔 离 器 ,自 由 空 间 光 隔 离 器 等 ,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、林学煌.光无源器件.北京:人民邮电出版社,1998 精品文档 精品文档 2、黄章勇.光纤通信用新型光无源器件.北京:北京邮电大学出版社,2003 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、 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. 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 精品文档

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