光耦合器試驗(yàn)

1、全光纖耦合器件摘要：簡(jiǎn)述熔融拉錐法制作全光纖耦合器件的原理， 進(jìn)而討論全光纖耦合器的工 作原理，并對(duì)未知耦合器件進(jìn)行測(cè)試，具體分析其參數(shù)。一、實(shí)驗(yàn)原理1. 熔融拉錐法熔融拉錐法是將2根出去涂覆層的光纖以一定方式靠攏，然后置于高溫下加熱熔 融，同時(shí)向光纖兩端拉伸，最終在加入形成雙錐形式的特殊波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)光纖耦合的一種方法。熔融拉錐法示意圖如圖 1：圖1熔融拉錐法示意圖W：兩包層合并在芯外介質(zhì)2. 光纖耦合器工作原理 圖2所示為熔融拉錐型 光纖耦合器的結(jié)構(gòu)模型。其中：W2和W3分別為 耦合結(jié)構(gòu)熔錐區(qū)II和III在光 纖熔燒時(shí)的拉伸長(zhǎng)度；Wi 為耦合區(qū)I的火焰寬度。耦 合區(qū)的兩光纖熔燒時(shí)逐

2、漸 變細(xì)，兩纖芯可以忽略不計(jì)，圖2光纖耦合器結(jié)構(gòu)模型氣）為新包層的復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩光纖的完全耦合。當(dāng)入射光從輸入端1進(jìn)入熔錐區(qū)II后，由于淡漠光纖的傳導(dǎo)膜為2個(gè)正交的 基膜信號(hào)，因此，光纖參量V隨著纖芯的變細(xì)而逐漸變小，導(dǎo)致越來(lái)越多的光滲 入包層；進(jìn)入耦合區(qū)I后，由于兩光纖合并在一起，光在以新的包層為纖芯的復(fù) 合波導(dǎo)中傳輸，并使光功率發(fā)生再分配；當(dāng)光進(jìn)入熔錐區(qū)III后，光纖參量V隨著纖芯的變粗而逐漸增大，并使光以特定比例從輸出端輸出，即一部分光從直通 臂直接輸出，另一部分光從耦合臂輸出。在耦合區(qū)I，由于兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，因此，耦合器為 兩波導(dǎo)構(gòu)成的弱耦合結(jié)構(gòu)。根據(jù)若耦合模

3、理論：相耦合的兩波導(dǎo)中的場(chǎng)，各保持 該波導(dǎo)獨(dú)立存在是的場(chǎng)分布和傳輸系數(shù)，耦合的影響僅表現(xiàn)在場(chǎng)的復(fù)振幅的變化。 假設(shè)光纖是無(wú)吸收的，則隨拉伸長(zhǎng)度Z不斷變化，其變化規(guī)律可用一階微分方程 組表示如下：式中：A1和A2為兩光纖的模場(chǎng)振幅；和 為兩光纖在孤立狀態(tài)下的傳播常數(shù)； 和為子耦合系數(shù)；和為互耦合系數(shù)。自耦合系數(shù)相對(duì)于互耦合系數(shù)很小，可以忽略，且近似有。當(dāng)方程在z=0時(shí)滿足A1（z）= A（0）,A2（z）= A2（0），其解為：其中:為兩傳播常數(shù)的平均值;F2為光纖之間耦合的最大功率；C為耦合系數(shù)，與工藝有關(guān) 兩輸出端口的光功率為：假定光功率由光纖輸入端1進(jìn)入，且歸一化入射光功率 Ai（0）=1

4、，A2（0）=0, 則P3（0）=1, P4（0）=0。若采用同種光纖進(jìn)行耦合，故F2=1，有：可知兩輸出功率周期性變化，且周期變化的快慢與耦合系數(shù) C及拉伸長(zhǎng)度有 關(guān)。光功率在兩耦合光纖間周期性地切換，當(dāng)耦合系數(shù)C確定后，調(diào)整拉伸長(zhǎng)度， 可以制作任意分光比的耦合器。3. 全光纖耦合器件參數(shù)1）插入損耗（Insertion Loss, I.L.）無(wú)源器件的第i個(gè)輸出端口和輸入端口之間 的光功率的比值（dB）:其中，POuti是第i個(gè)輸出端口的光功率，Pin是輸入端口的光功率。2）附加損耗（Excess Loss, E.L.）功率分配耦合器的所有輸出端口光功率總和 相對(duì)于輸入光功率的損失：3）分

5、光比（Split Ratio, S.R.）耦合器件個(gè)輸出端口分配的比值，可以表示為 個(gè)輸出端的比值，或者每個(gè)輸出端與總輸出的比值：或4）方向性（Directivity Loss, D.L.）輸入一側(cè)，肥豬如光的某一端口的反向輸出光功率與輸入功率的比值，標(biāo)準(zhǔn)X和Y型一般D.L.60dB:其中Pr表示非注入光的某一輸入端口的反向輸出光功率，Pin表示指定輸入端口注入的光功率。5）均勻度：對(duì)于要求均勻分光的耦合器定義在工作帶寬內(nèi)各輸出端口輸出 光功率的最大變化量：6）偏振相關(guān)損耗（Polarization Dependent Loss, .D.L）：光信號(hào)以不同的偏振態(tài) 輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出端口插入損耗

6、最大變化值。二、實(shí)驗(yàn)用具與裝置圖1. 穩(wěn)定化光源OSS-155C（波長(zhǎng)1550nm）、光功率計(jì)、摻餌光纖放大器（EDFA、跳線、適配器、偏振控制器、鏡頭紙。、2. 耦合器DWFC0250A00111（單模1310或1550寬帶，分光比1:1）三、實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y(cè)量2X2耦合器的參數(shù)，先測(cè)量光源光功率，后連入耦合器對(duì)各端 口進(jìn)行測(cè)量，即可測(cè)得耦合器參數(shù)。每次讀數(shù)后拔出功率計(jì)光纖，于擦鏡紙擦凈 后重復(fù)測(cè)量，排除光纖接頭灰塵對(duì)測(cè)量的影響。光源光功率測(cè)量打開(kāi)光源電源，穩(wěn)壓器，使用標(biāo)準(zhǔn)跳線接入光功率計(jì)，待光源穩(wěn)定后，記錄光源 光功率，數(shù)據(jù)如下表1,采用 W與dBm兩種讀數(shù)：表格1光源功率

7、記錄表n12345功率 Pin( W/dBm)1463/1.651456/1.631461/1.641463/1.651455/1.62由表1數(shù)據(jù)可得，光源平均功率為標(biāo)準(zhǔn)誤差為一故光源功率為光從IN1輸入，測(cè)量OUT1, OUT2和IN2的光功率，記錄于表2表格2 IN1輸入各端口光功率n1234521.33/-16.718.70/-17.318.95/-17.221.94/-16.521.50/-16.6Pin2( W/dBm)00297Pout1 ( W/dBm)700/-1.55702/-1.53703/-1.53704/-1.52704/-1.52Pout2 ( W/dB660/-1.

8、79666/-1.75672/-1.72668/-1.74672/-1.73m)可得IN2端光功率為:OUT1端光功率為：0UT2端光功率為：再由參數(shù)計(jì)算公式以及誤差傳遞公式，可得IN1輸入時(shí)耦合器參數(shù)如下表表格3 IN1輸入下耦合器部分參數(shù)I.L. ouTi/dBI.L. ouT2dBE.L. /dBS.R.D.L. /dBF.L. /dB* I.L.OUT1, I.L.OUT2分別是輸出端1（直通臂）與輸出端2（耦合臂）的插入損耗，分光比S.R米用直通臂功率：耦合 臂功率來(lái)表示。在輸入端前接入偏振控制器，依次調(diào)節(jié)3個(gè)圓環(huán)，可導(dǎo)致光纖的扭曲，從而產(chǎn)生 雙折射現(xiàn)象，引起偏振態(tài)的改變，得輸出端功

9、率最大值與最小值如表4。表格4 IN1輸入下耦合器偏振相關(guān)損耗Pmax( :W/dBm)Pmin( :W/dBm)OUT1672/-1.72655/-1.830.11OUT2646/-1.89621/-2.060.15更換光輸入端口重復(fù)測(cè)量,從IN2輸入，測(cè)量 OUT1, OUT2和 IN1光功率，記錄于表5表格5 IN2輸入下耦合器各輸出端光功率n1234519.88/-17.020.38/16.921.00/-16.719.84/-17.021.23/-16.7PiN2( W/dBm)118 22Pouti ( W/dBm)650/-1.87649/-1.87642/-1.92641/-1

10、.93641/-1.93Pout2( W/dBm)676/-1.70674/-1.71676/-1.69677/-1.69679/-1.68可得IN1端光功率為：OUT1端光功率為：OUT2端光功率為：可得參數(shù)如下表：表格6 IN2輸入下耦合器部分參數(shù)I.L. OUT1/dBI.L. OUT/dBE.L. /dBS.R.D.L. /dBF.L. /dB* I.L.outi, I.L.OUT2分別是輸出端1（直通臂）與輸出端2（耦合臂）的插入損耗，分光比S.R米用直通臂功率：耦合 臂功率來(lái)表示。同樣，接入偏振控制器，記錄于表7:表格7 IN2輸入下耦合器偏振相關(guān)損耗Pmax( :W/dBm)Pm

11、in( W/dBm)OUT1644/-1.91619/-2.080.17OUT2674/-1.72655/-1.830.11將不同輸入端所測(cè)到的耦合器參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表8表格8參數(shù)對(duì)照表參數(shù)IN1輸入IN2輸入直通臂插入損耗I.L. A /dB耦合臂插入損耗I.L. b /dB附加損耗E.L. /dB分光比（直通臂：耦合臂）方向性D.L. /dB均勻度F.L. /dB直通臂偏振相關(guān)損耗 a /dB耦合臂偏振相關(guān)損耗 b /dB比較兩列參數(shù)，從分光比（直通臂：耦合臂）均比較接近 1可知，實(shí)驗(yàn)所用 耦合器為分光比1:1的2X2光纖耦合器。分光比為1:1的耦合器兩臂插入損耗應(yīng) 為3.01dB,相比下

12、，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的插入損耗都較大。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了多次測(cè)量，每次測(cè)量都將光纖端面進(jìn)行了清潔，盡量排除了端面上灰塵帶來(lái)的損耗。 故實(shí)驗(yàn)中 的所增加的損耗主要是器件的固有損耗。器件的固有損耗包括幾部分：全光纖器件光纖本身散射的損耗；器件端面菲涅爾反射帶來(lái)的損耗；光纖熔接處引入的損 耗；以及光纖耦合熔接部分的損耗。其中，由于器件尺寸較小，光纖本身散射的 損耗可以忽略。另外，兩種輸入情況下，直通臂的插入損耗均比耦合臂的插入損耗要小，這主要是由于分光比不是嚴(yán)格的1:1,且耦合部分有一定損耗。至于耦合器的方向性D.L.，如實(shí)驗(yàn)原理中所述，標(biāo)準(zhǔn)X型和丫型D.L.60dB 而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的卻只有18.5dB。分析可知，方

13、向性測(cè)量目的在于測(cè)量耦合部分光受 到局部反射散射等傳播方向改變的光功率，進(jìn)而衡量器件保持光沿要求方向傳播的能力。而實(shí)驗(yàn)中測(cè)到的光功率除了該部分還有一大部分是光纖端面的菲涅爾反 射光。為了排除這一部分，應(yīng)該在測(cè)量時(shí)加入匹配液，使端面反射消失。最后討論直通臂與耦合臂的偏振相關(guān)損耗的關(guān)系。從表中可以看出，直通臂 的偏振相關(guān)損耗要比耦合臂偏振相關(guān)損耗要大，偏振相關(guān)損耗是結(jié)構(gòu)中局部產(chǎn)生 雙折射等現(xiàn)象導(dǎo)致光功率的損耗，可能正因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用耦合器耦合區(qū)域分光界面 存在雙折射現(xiàn)象較多，使得光從耦合區(qū)進(jìn)入耦合臂時(shí)損耗要比進(jìn)入直通臂要多。 但亦有文獻(xiàn)顯示，分光比1： 1的分光器直通臂與耦合臂的偏振相關(guān)損耗是相等 的。單憑本次實(shí)驗(yàn)，無(wú)法作出結(jié)論。四、思考題1. 分光比為1: 1的耦合器為什么又叫3dB耦合器？答：因?yàn)榉止獗葹?： 1的耦合器的插入損耗為I ,L-10lg- =3.010dB。22. 真正體現(xiàn)耦合器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響的參數(shù)是插入損耗還是附加損耗？答：附加損耗才能真