光隔离器实验

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θ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，）：

θcosα（21.1）

=

VLB

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θ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，

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。

图21.1、磁光介质旋转角的累

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

（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°Faraday Rotator)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）

图21.3、光隔离器正向导通

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：

图21.4、光隔离器反向截止

3.偏振无关隔离器

其光学结构如图21.5所示

Wedge 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： ()[

]

1

sin

-=z A A n f （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：

A

P z 24π==

（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（Insert Loss ）

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