双级隔离器光隔离度、插入损耗、回波损耗测试
双级隔离器光隔离度、插入损耗、回波损耗测试
光隔离器是光通信系统中的关键组件，主要用于消除或抑制光纤信道中产生的反向光，防止自耦合效应和反射噪声对系统的影响。本文将详细介绍光隔离器的光隔离度、插入损耗、回波损耗等关键参数的测试方法，并提供多个实验方案，帮助读者更好地理解和应用光隔离器。
概要
在光通信领域中，半导体激光器和光放大器被用于产生和中继光信号。但他们易受系统的回反光影响，使工作不稳定，（频率漂移、信号强度骤变、噪声增大等），为此，实验过程中，需要在光源前或放大器前加一个隔离器。
光隔离器是一种对正向传输光损耗很小而对反向光损耗很大的非互易性器件。按其应用场合不同可分为在线型（In-line） 和自由空间型（Free space）。前者主要用于光纤线路中。由于光纤线路中存在模式耦合从光源出来的线偏振光将不再保持原有的偏振态所以在线型光隔离器必须是偏振无关的。后者主要用于DFB 激光器中直接起到隔离反射到DFB 激光器芯片的回返光的作用它们是偏振相关的。由于常需要封装在激光器中（如Furukawa 封装）自由空间型光隔离器要求微型化其外形常为圆筒形或长方体。
整体架构流程
光隔离器又称为光单向器，是一种光非互易传输无源器件，该器件用来消除或抑制 光纤信道中产生的反向光，由于这类反向光的存在，导致光路系统间将产生自耦合效应， 使激光器的工作变得不稳定和产生系统反射噪声，使光纤链路上的光放大器发生变化和 产生自激励，造成整个光纤通信系统无法正常工作。若在半导体激光器输出端和光放大 器输入或输出端连接上光隔离器，减小反射光对LD的影响，因此，光隔离器是高码速 光纤通信系统、精密光纤传感器等高技术领域必不可少的元器件之一。 光隔离器是利用了磁光晶体的法拉第效应，其组成元件有：光纤准直器（Optical Fiber Collimator）、法拉第旋转器（Faraday Rotator）和偏振器（Polarizator）。隔 离器按照偏振特性来分，有偏振相关型和偏振无关型。它们的原理图如图 1.1和图1.2 所示：
1.1 偏振相关的光隔离器
1.2 偏振无关的光隔离器
对于偏振相关光隔离器，光通过法拉第旋转器时，在磁场作用下，光偏振方向旋转角为 FHL ，式中H为磁场强度，L为法拉第材料长度，F为材料的贾尔德系数。如图1.1，当输入光通过垂直偏振起偏器后，成为垂直偏振光，经过法拉第旋转器旋转了45度 ，而检偏器偏振方向和起偏器偏振方向成 45度角，使得光线顺利通过，而反射回来的偏振光经过检偏器、法拉第旋转器以后，继续沿同一方向旋转 45度，即偏振方向刚好与起偏器偏振方向垂直，则光无法反向通过。由于只有垂直偏振的光能通过光隔离器，因此称为偏振相关光隔离器。偏振无关光隔离器如图1.2所示，图1.2(a)为光隔离器正向输入。当包含两个正交偏振的输入光波被一个偏振分束器分离，变为垂直偏振光和平行偏振光。这两束光通过法拉第旋转器，沿同一方向旋转 45度，再通过1/2 波片旋转 45度 ，垂直偏振光变为平行偏振光，平行偏振光变为垂直偏振光，经过偏振分束器合为一束光输出。图1.2(b)是反向输入光的偏振态在隔离器中的演化过程。在SWP水平偏振态光折射，垂直偏振态光透射，则光不能从正向输入端输出。
定义和常见测试方法
一、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）。假设光隔离器的正向输入光功率为P1 正，输出光功率为P2正 ，则其计算公式为：
其插入损耗实验原理图如图1.3 所示。
1.3 插入损耗原理图
二、隔离度测试
反向隔离度是隔离器最重要的指标之一，它表征光隔离器对反向传输光的隔离能力。将光隔离器按图1.4 反向接入，假设光隔离器反向输入光功率为P1反 ，输出光功率为P 2反。则光隔离器隔离度计算公式为：
光隔离器隔离度测量的原理图如图1.4 所示。
1.4 光隔离器反向隔离度测量原理图
三、回波损耗
光隔离器的回波损耗Re Turnloss 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）。隔离器的回波损耗主要由各元件和空气折射率失配并形成反射引起。这是一个相当重要的指标，因为如果隔离器的回波太强，那么它对系统返回光进行抑制的同时，自身也会给系统带来一定的反射。假设光隔离器的输入光功率为P1，其反射光功率为Pr，则光隔离器回波损耗的定义为：
光隔离器回波损耗测量的原理图如图1.5 所示。
1.5光隔离器回波损耗测试原理图
图中光环行器的作用是使反射光不返回光源，直接到达光功率计，由于
不能直接测量，测试系统加了一个光环行器。则计算回波损耗的公式变为：
式中Insertloss2-3 是光环行器2-3 端的插入损耗。
隔离度测试实验
方案1：
激光器出射线偏光（内置隔离器），经过四分之一拨片转为圆偏光，经过PBS1，V光转向，射入FC内，放置一个拨片组调整出射偏振，由于光纤的自相位移动，出射的光还需经过PBS2让V和H光分离，反向打入OC中，测试其隔离度。
优点：V-V光测试，回波损耗较低。
缺点：低功率探测灵敏度过低，小信号难测。
方案2：
激光经过反射镜反射到PBS内，再经过四分之一拨片（画错了），变为偏振光，因为PBS消光比1:1000，引入插入损耗，并且不能保证线偏光，经过拨片后为椭圆偏振光，过起偏器变为线偏光（有长轴和端州短轴），测试反向隔离度。
优点：装置少，较为简单；单光路；无光纤等
确定：选用镜面反射会引入半波损（s-t全反射）。回波损耗较大。
方案3：
1/4波片可以让过PBS的线偏光变成圆偏光（近似，也有长短轴，且垂直，调到两个极限功率对应垂直的两个轴（见下图：避免特殊性，选第三象限左旋椭圆）），在后方固定起偏器，保证线偏光入射。
调节1/4波片，调极大值，固定起偏器不动，方向入射隔离器为V光。
调节1/4波片，调极小值，固定起偏器不动，方向入射隔离器为H光。
两种不同偏振态入射光隔离度近似。
直接转向隔离器在同一个光路测试，起偏器位置固定不动，调整四分之一拨片控制透过光o轴和e轴是否与起偏器的轴重合。
优点：减少回波损耗、器件精度干扰
缺点：调整隔离器方向光路准直较难，需加光阑限制。
下面为电场分析：
小结
隔离度的测试准确性还有待商榷，只是提供几种方案，对于测试之前首先要测试隔离器是否为偏振相关隔离器，测试很简单，只需要在出端口加上起偏器看是否消光即可。
希望大家可以讨论提供其他思路，万分感谢。
参考文献
- Sun, Gui-Quan, et al. "Influence of isolation degree of spatial patterns on persistence of populations." Nonlinear Dynamics 83 (2016): 811-819.
- 杜伟等.一种可调节的双级偏振无关光隔离器, 北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心。
- Luo, Zhong‐Cheng, and Russell Wilkins. "Degree of rural isolation and birth outcomes." Paediatric and perinatal epidemiology 22.4 (2008): 341-349.
- 吴铁. 光隔离器的一种新测试方法 北京邮电学院学报。