实验5-2 部分无源器件的特性测试实验

实验5－2  部分无源器件的特性测试

[实验目的]

1、掌握耦合器的特性及其简单应用；

2、掌握光纤隔离器的原理及其在光纤通信系统中的应用；

3、掌握WDM的特性及其简单应用；

4、掌握衰减器的特性及其在光纤通信系统中的应用。

[实验仪器]

实验室提供：半导体激光器（1310nm，1550nm），单模光纤（G.652标准的单模光纤），光纤功率计，光纤连接器，耦合器（a，b, c），光纤隔离器，3dB耦合器，光衰减器（5dB，10dB，可调衰减器），WDM器件。

[实验原理]

一、部分无源器件的基本技术指标

以图5.2.1中所示的N×N的器件为例。

Out2

Out1

In1

In2

…

器件

…

OutN

inN

图5.2.1  一个N×N的器件

1.插入损耗（IL）

插入损耗常常简称为插损，指一个输出端口的输出功率和一个输入端口输入功率的比值，插入损耗常常包括两部分，一部分是器件非理想造成的附件损耗（通常是不期望存在的），另外一部分是器件本身特性造成的（例如分路器splitter，也叫耦合器coupler的分光比，某个端口本身应该输出20％的输入光）。

2.附加损耗（EL）

附加损耗也常常称之为额外损耗。一般对于一个N×M的器件，输入功率为，某一个或者某几个端口输出功率为，附加损耗的定义是：

请注意区分附加损耗和插损损耗。

3.均匀性（uniformity）

均匀性也常常称之为分光比容差，一般是针对光纤耦合器而言的。对于均匀分光的多端口耦合器，各输出端口的光功率的最大相对变化量。

4.方向性（Directivity）

方向性是衡量器件定向传输特性的参数，也常常称之为近端串扰或者近端隔离度，对于一个有多个输入端的器件，其中某个端口I输入功率Pi，在其他输入端口中反射回来的光功率Pj，那么方向性的定义是：

5. 回损（reflectance）

回损也是衡量器件定向传输特性的参数，但其定义是回到入射端口的光功率的大小的相对值。

其中Pi是入射光功率，Pr是反射回入射端口的光功率。

6. 偏振相关损耗（PDL，polarization-dependent loss）

也常常称之为偏振相关灵敏度，表征输入信号在所有偏振状态下，某输出端口的插入损耗的最大相对变化量，用dB表示。

7.温度相关损耗（TDL）

也常常称之为温度相关灵敏度，表征输入信号在不同温度，某输出端口的插入损耗的最大变化量。

8. 隔离度（Isolation）

对于波分复用器来说，又叫远端串扰。表征某一个光信号通过分波器后在不期望的波长端口输出的光功率量，用dB表示。

对隔离器来说，是正向和反向输入同样的光功率情况下，输出功率的比值。

9.工作带宽（Optical Bandpass）

表征器件工作时的波长范围，常常用nm@0.1dB、nm@3dB、nm@20dB等表示，表示工作波长的峰值功率的0.1dB、3dB、20dB 处的带宽。

10.偏振模色散（PMD，polarization mode dispersion）

表征当两个相互垂直的偏振入射光信号通过器件后的最大延迟量，常用ps表示。

二、耦合器和波分复用/解复用器（WDM）的基本原理

熔融拉锥型全光纤耦合器(Coupler)是光纤通信系统中重要的基本器件，可以用作各种比例的功率分路(Splitter)/合路(Combiner)器；波分复用器(WDM)；光纤激光器的全反镜；非线性光环镜(NOLM)；无源光纤环；Mach-Zehnder光纤滤波器等；在传感领域可利用其作成Mach-Zehnder,Michelson,Sagnac,Fabry-Perot光纤干涉型和光纤环形腔干涉型光纤传感器；此外还是光纤陀螺仪和光纤水听器及多种光学测量仪器的关键部件。

图5.2.2可用来定性地表示熔融拉锥光纤耦合器和WDM的工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。

在弱导和弱耦近似下，忽略自耦合效应，并假设光纤是无吸收损耗的，则在耦合区有模式耦合方程组：

                      （5）

式中，是两根光纤的模场振幅；是两根光纤在孤立状态的纵向模传播常数；是耦合系数。实际中近似有，可以求得上述方程组的解为：

   （6）

其中                                                 （7）

耦合系数                                        （8）

其中是光纤半径，是两光纤中心的距离，是纤芯横向传播常数，是包层横向衰减常数，是孤立光纤的归一化频率，是零阶和一阶修正第二类Bessel函数。

这里，已假定光功率由一根光纤注入，初始条件为显然，代表着光纤之间耦合的最大功率。当两根光纤相同时，有，则F=1，上式就蜕变为标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式

                           （9）

耦合器是光通信技术中一种重要的光无源器件，简言之，Coupler就是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件，WDM是一类分波长的器件。主要应用于光纤通信系统、光接入网、光纤CATV系统，无源光网络(PON)，光纤传感技术等领域。

表征耦合器的常用参数有插入损耗、附加损耗、分光比、偏振相关损耗和方向性等，表征WDM的常用参数有插入损耗，隔离度等，具体描述同上面所述。

三、隔离器的工作原理

   光隔离器相当于一种光非互易传输耦合器，所依据的基本原理是法拉第磁光效应。即当光波通过置于磁场中的法拉第旋光片时，光波的偏振方向总是沿与磁场（H）方向成右手螺旋的方向旋转，而与光波的传播方向无关。这样，当光波沿正向和反相两次通过法拉第旋片时，其偏振方向旋转角将叠加而不是抵消，这种现象成为“非互易旋光性”。

图5.2.3   隔离器工作基本原理图

在图5.2.3中，当光从左到右传，左面的起偏器将其偏振面确定在0º，经过合适长度的旋光片旋光后，偏振面旋转了45º，正好顺利通过安放在45º角上的第二个起偏器。但如有反射光回来在逆方向上再次通过旋光片时，其偏振面会在原方向上再次转45º，叠加的效果，偏振面就正好垂直于左面的起偏器，无法通过，从而实现单向传输，光隔离的功能。（注：这里给出的只是空间光隔离器的基本原理图，目前实际中使用的绝大多数偏振无关的隔离器都使用这个原理，但结构与此差异很大）。

衡量光隔离度性能的主要参数有插入损耗、隔离度、偏振相关损耗、回波损耗等。

四、光纤衰减器（VOA）的基本原理

光衰减器是用来在光纤线路中产生可以控制的衰减的一种无源器件。在许多实验或者产品测试中，可能需要测量高功率光信号特性，如果功率过高，比如光放大器的强光输出，则测量前信号需要经过精确衰减，这样做是为了避免仪器损坏或者测量的过载失真。

目前，在系统中使用的绝大多数是一种原理非常简单、成本低廉的衰减器，它的外形和光纤法兰盘一摸一样，原理是两根光纤的间隙大小不同则插损不同，目前这种衰减器的缺点是回损高，精确度偏差，对于高精度要求不足，但由于低廉的成本和适合批量生产，所以目前占有绝对市场。

光通信的发展，对光衰减器性能的要求是：插入损耗低、回波损耗高、分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、衰减精度高、器件体积小、环境性能好。

衰减量和插入损耗是光衰减器的重要技术指标。固定光衰减器的重要指标实际上就是其插入损耗（实际中还需要注意波段，不同波长的衰减器是不能通用的，例如1310nm的5dB衰减器在1550nm的光路里就不是5dB的衰减），而可变光衰减器除了衰减量外，还有单独的插入损耗指标要求。高质量可变光衰减器的插入损耗在1.0dB以下。一般情况下，普通可变光衰减器的该项指标小于3.0dB即可使用。

[实验内容]

1、耦合器的特性测试：

要求测量耦合器a、b、c中的任何一只的插入损耗，附加损耗，分光比；测量3dB耦合器的插入损耗，附加损耗，分光比。

提示：

1）光源打开后要稳定5分钟；

2）本实验对耦合器分别用两个波长进行测量，结果有什么不同？为什么？理解为什么叫3dB耦合器。

3）关闭光源时，工作电流要调整到最小，关闭功率计，切断电源。

2、光纤隔离器的特性测试

隔离度是隔离器最重要的技术指标之一，表征了隔离器对反向传输光的衰减能力。要求测量隔离器的插入损耗，隔离度。

3、WDM的特性测试

波分复用器（WDM）的工作原理来源于物理光学，如利用介质薄膜的干涉滤光作用、利用棱镜和光栅的色散分光作用、利用熔融拉锥的耦合模理论等。我们这里只测试运用熔融拉锥的耦合模理论制作的耦合器。要求测试WDM的插入损耗和隔离度。

提示：

如果在1310nm的输入端口输入1550nm的光，输出端会出现什么现象？如何解释。

4、固定和可调衰减器的特性测量

了解光纤衰减器的工作原理及基本结构；熟悉光纤衰减器在光通信系统中的应用。

提示：分别用两个波长测量5dB和10dB衰减器，数据处理后结果是否一样？为什么？

 [必做思考题]

1、为什么选择不同的光源，耦合器的分光比会不一样？

2、耦合器可以把能量分配到两个端口（额外损耗很小），如果反过来把两个端口输入光，会出现什么现象？

3、为什么在要求稳定的光源一定要降低外界同波长的光反馈到激光腔中呢？

4、如果从1310nm/1550nm的WDM的两个输出端反过来分别输入1310nm和1550nm的光，会出现什么情况？

5、为什么我们实验中使用的衰减器不能在回损要求高的系统中使用？

[选做思考题]

1、试着说出一种隔离器的使用环境。

2、你能设计几种方案可以把两根单模光纤里的光几乎无损耗地合到一根单模光纤中，条件是什么？

3、能自己设计一种其他方案的衰减器吗？