激光全光纖溫度及壓力傳感實(shí)驗(yàn)

1、激光全光纖溫度及壓力傳感實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握光線溫度壓力傳感器原理；2、分別測(cè)量光纖溫度壓力傳感器的靈敏度二、干涉測(cè)量原理光學(xué)十涉測(cè)量是理工類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容，如利用鈉光等厚十涉測(cè)量 凸透鏡曲率半徑、使用邁克爾遜干涉儀測(cè)量微小位移等。自從六十年代初第一臺(tái) 激光器問(wèn)世以來(lái)，因其良好的單色性、很小的光束發(fā)散角和較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度，使 干涉測(cè)量理論和可測(cè)量范圍大大擴(kuò)展。基于干涉理論之上的“激光測(cè)長(zhǎng)儀”、“激 光陀螺”等技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防科技等方 面發(fā)揮著不可替代的作用。然而，那些把空氣作為介質(zhì)的激光干涉裝置，存在著 致命的缺陷，那就是溫度的不均勻、振動(dòng)、空氣

2、中的水分含量等使這些激光干涉 裝置在工程應(yīng)用中受到限制。隨著信息工程的發(fā)展，特別是光纖通訊領(lǐng)域的突飛 猛進(jìn)的發(fā)展，使光纖制造技術(shù)及相關(guān)配件日趨成熟，因而全光纖干涉裝置得到很 快的發(fā)展，首先在航天、航空方面，“光纖陀螺”正在代替“激光陀螺”，其次， 在民用工業(yè)方面中的汽車工業(yè)等領(lǐng)域，逐步也開始使用這種耐振動(dòng)、不怕電磁干 擾、可在較高溫度環(huán)境下工作的光纖干涉測(cè)量裝置或光纖光強(qiáng)式測(cè)量裝置。根據(jù)光的電磁波理論，當(dāng)一個(gè)原子發(fā)生“躍遷輻射”，即電子從高能級(jí)躍遷 到底能級(jí)時(shí)，產(chǎn)生電磁波發(fā)射，即發(fā)出光子，大量原子受到外場(chǎng)激勵(lì)后，會(huì)無(wú)序 地大量發(fā)射光子（即電磁波），這些電磁波之間在頻率、偏振方向、相位關(guān)系、 傳

3、播方向各不相同，相互之間沒(méi)有任何關(guān)系，稱之謂“自發(fā)輻射”。還有另一種 輻射，當(dāng)電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到下一個(gè)能級(jí)時(shí)，它又刺激了另一個(gè)原子產(chǎn)生輻射， 而且躍遷發(fā)生在同樣兩個(gè)能級(jí)之間，因而這兩個(gè)光子具有同頻率、同位相、同偏 振方向、同傳播方向，這種輻射稱之謂“受激輻射”。根據(jù)光學(xué)理論，同頻率、 同位相、同偏振方向兩束光相遇的空間光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的疊加或相互抵消，本 來(lái)是光強(qiáng)均勻分布的光場(chǎng)，由于相互干涉，變得不均勻了，產(chǎn)生了 “干涉條紋”。激光是“受激輻射”光，從同一激光器出射的光，若把它分成兩路，再讓它 們相遇，在相遇區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生干涉，若將“干涉條紋”放大，肉眼就清晰可見。 而且，當(dāng)兩路光之間的“光程

4、差”改變一個(gè)波長(zhǎng)，干涉條紋由亮f暗f亮，循環(huán) 一次，肉眼看起來(lái)就像向左邊或右邊移動(dòng)了一條似的?！肮獬獭敝傅氖枪馐?jīng)歷的幾何路程和介質(zhì)的折射率之乘積，“光程差” 是兩路光之間光程的差額。因而，不難想像，無(wú)論是兩光束中那一束的光程發(fā)生 改變，“干涉條紋”都會(huì)發(fā)生移動(dòng)，而且，光程差改變一個(gè)光波波長(zhǎng)入，干涉條 紋就移動(dòng)一條，見下面公式：N -X式中，N一一干涉條紋由亮變暗到亮的次數(shù)；入一一激光波長(zhǎng)；A一一光程差。因而，無(wú)論是光束的幾何路程改變或是折射率改變，只要光程差改變，干涉 條紋就要“移動(dòng)”。而溫度、壓力、位移等因素均可改變光纖的長(zhǎng)度和折射率， 故利用光纖干涉儀可以對(duì)溫度、壓力、位移等物理量的變

5、化量進(jìn)行測(cè)量。圖1所示的是“干涉儀”俯視示意圖，650nm激光器同0#光纖一起固定在 光纖耦合器上，經(jīng)反復(fù)仔細(xì)調(diào)節(jié)，可觀察5#、6#準(zhǔn)直器的出光光強(qiáng)來(lái)判斷耦和效 率。耦合好的光束由0#光纖經(jīng)1光纖插座（適配器）進(jìn)入1#光纖，然后再經(jīng)過(guò) “分路器”將激光按一定功率比例（在本儀器中，為1:1 ）分到兩根2#、3#輸出 光纖中，輸出中2#光纖穿過(guò)加熱器，與3適配器連接，5#準(zhǔn)直器一頭與3適配器 相接，另一頭固定在5#準(zhǔn)直器架上。另一路3#光纖路穿過(guò)“壓力裝置”與2適 配器相接，4#準(zhǔn)直器固定在4#準(zhǔn)直器架上。5#準(zhǔn)直器支架具有四維可調(diào)功能，通 過(guò)微調(diào)（出廠前已經(jīng)大致調(diào)好），使從兩個(gè)準(zhǔn)直器出來(lái)的激光束

6、準(zhǔn)確地會(huì)聚于透 鏡L表面上的同一點(diǎn)。由于這兩束激光具有高度的相干性，它們?cè)谙鄷?huì)的空間 里發(fā)生干涉，光強(qiáng)重新分布，有些部分區(qū)域光強(qiáng)相互疊加，有些部分區(qū)域則相互 抵消，形成有規(guī)律的“干涉條紋”，干涉條紋之間的間距S為：S-LS 2smZ2式中：入一一激光波長(zhǎng)；。一一兩束光之間的夾角。當(dāng)。很小時(shí)，sin-可以用-/D代替，其中d指的是光纖輸出頭之間距離，22D指的是光纖輸出頭與透鏡的間距，于是得：DS X d一般來(lái)說(shuō)，由于S很小，人的肉眼直接觀察不到，若經(jīng)過(guò)放大鏡L放大， 干涉條紋便清晰可見了。干涉型光纖傳感器就是利用馬赫一澤德（Mach一Zehnder）干涉原理，兩束 單色光相干涉就能得到干涉條紋

7、，然后改變一條光纖的溫度或壓力從而使光纖折 射率、長(zhǎng)度發(fā)生變化，產(chǎn)生干涉條紋移動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)用光纖代替兩條光路，在探測(cè) 光路一側(cè)光纖通過(guò)一個(gè)半導(dǎo)體加熱的銅條里，當(dāng)半導(dǎo)體加熱時(shí)，銅條中心通過(guò)的 光纖的長(zhǎng)度、折射率發(fā)生改變，兩者的共同作用，可觀側(cè)到干涉條紋的移動(dòng)。兩 個(gè)臂的位相差有如下關(guān)系:n AL式中：L一為接受溫度場(chǎng)作用的光纖的長(zhǎng)度n一為光纖的折射率 單位溫度變化8t引起單位長(zhǎng)度光纖中的相位變化:如果感溫的光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，溫度變化8t，干涉條紋移動(dòng)了 N條，則溫度的分辨率為，靈敏度為，5 TL T同理，用光纖代替兩條光路，在探測(cè)光路一側(cè)光纖通過(guò)壓力可以改變的壓力箱裝 置，當(dāng)光纖上壓力改變時(shí)，壓力箱中

8、通過(guò)的光纖的長(zhǎng)度、折射率發(fā)生改變，兩者 的共同作用，可觀側(cè)到干涉條紋的移動(dòng)。如果感壓光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng),同樣可以得到 光纖壓力傳感裝置靈敏度為給。L P加腳Ml圖1干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖二、實(shí)驗(yàn)裝置:圖2光纖溫度壓力傳感器實(shí)驗(yàn)裝置，由于干涉條紋明暗對(duì)比度不是很好，不 能用自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置記錄干涉條紋的移動(dòng)，而且實(shí)驗(yàn)誤差大，基于以上問(wèn)題，對(duì)實(shí) 驗(yàn)改進(jìn)，改進(jìn)后壓力傳感部分實(shí)驗(yàn)用圖3的實(shí)驗(yàn)裝置完成，當(dāng)光纖上壓力變化時(shí)， 監(jiān)視器可以觀察到條紋移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)儀器包括650nm半導(dǎo)體激光器，精密光纖耦合器、壓力裝置、光纖跳線、 適配器、光纖分束器、多維精密調(diào)整組合架、CCD/監(jiān)視器、擴(kuò)束鏡等。圖4是改進(jìn)后溫度傳感分實(shí)驗(yàn)裝置，

9、實(shí)驗(yàn)儀器包括650nm半導(dǎo)體激光器，加 熱裝置，單模光纖，一分二的干涉光纖（分束后的兩根光纖連接一個(gè)光纖透鏡）， 光電探測(cè)頭，萬(wàn)用表，溫度傳感器電源。圖2光纖溫度壓力傳感器實(shí)驗(yàn)裝置圖3改進(jìn)后壓力傳感部分實(shí)驗(yàn)裝置圖4改進(jìn)后溫度傳感分實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：壓力傳感打開激光開關(guān)，經(jīng)調(diào)節(jié)耦合后能看到4#支架和5#支架的出光孔有光束射出。 在透鏡迎光面放一張硬紙板，應(yīng)看到兩個(gè)光斑。用適當(dāng)?shù)牧Γ⑽⑥D(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整架轉(zhuǎn) 柄，使5#光束在水平面上慢慢地旋轉(zhuǎn)，直到兩個(gè)光點(diǎn)（4#光束與5#光束）在垂 直方向處于一條直線上，使兩個(gè)光點(diǎn)在紙板上重合。反復(fù)上述兩個(gè)調(diào)節(jié)，使兩個(gè) 光點(diǎn)準(zhǔn)確重合。檢驗(yàn)方法：用小紙條分別遮擋兩

10、條光束，其中心點(diǎn)應(yīng)該嚴(yán)格重合 （注意：光纖出光端是光學(xué)鍍膜面，絕對(duì)禁止用手觸摸，紙條不可太靠近它）。 取掉紙板，在透鏡后一定距離，就應(yīng)看到“干涉條紋，用CCD接收干涉條紋， 在監(jiān)視器上可以觀察到干涉條紋，用壓力球給氣囊加壓，當(dāng)壓力顯示220mmHg, 停止加壓，旋轉(zhuǎn)氣囊旋鈕，調(diào)節(jié)合適排氣速度，在監(jiān)視器上觀察條紋緩慢移動(dòng)， 壓力表每減小5mmHg，記錄條紋移動(dòng)的條數(shù)和壓力表的讀數(shù)。2、溫度傳感：溫度顯乎計(jì)數(shù)0光電探頭O加熱開美O加熱0活零溫度傳感器的電源前面板如圖5,打開電源開關(guān)，按加熱開關(guān)，指示燈亮， 為加熱狀態(tài)，復(fù)按為關(guān)閉。每按一次計(jì) 數(shù)/清零開關(guān)，計(jì)數(shù)表上復(fù)零；加熱插座 為四芯航插：與加熱

11、器連接，提供加熱 電源及溫度傳感采集。溫度傳感器的電 源后面板，用于接通儀器電源和控制探 測(cè)的明暗條紋靈敏度的電位器，電位器 和萬(wàn)用表連接，萬(wàn)用表鈕到直流電壓2V檔處，當(dāng)明條紋進(jìn)入探頭時(shí)，調(diào)節(jié)暗條紋的電位器，使其圖5溫度傳感器的電源前面板電壓大于0.25V，但暗條紋進(jìn)入探頭，調(diào)節(jié)明暗條紋的電位器使其電壓小于 0.25V，這種狀態(tài)可以自動(dòng)記下干涉條紋隨溫度變化的數(shù)量。打開其加熱開關(guān)， 讓溫度上升，溫度50C時(shí)，開記錄干涉條紋數(shù)，開始計(jì)數(shù)時(shí)，應(yīng)讓干涉條紋“計(jì) 數(shù)器”復(fù)位，同時(shí)記錄干涉條紋移動(dòng)數(shù)和溫度計(jì)上顯示的溫度。每隔5C記錄一 次干涉條紋數(shù)目，直到溫度降為20C為止。然后關(guān)閉加熱開關(guān)，讓散熱器自

12、然 冷卻。四、注意事項(xiàng)確認(rèn)電源應(yīng)為交流220V20V。光纖纖蕊只有4um左右，本裝置中光纖已基本固定，若需微小移動(dòng)，可 輕拿輕放，禁止不當(dāng)拉扯。光纖出頭端面、透鏡表面均是光學(xué)面，絕對(duì)禁止用手或不干凈的布去擦， 可以用“洗耳球”除去表面灰塵，也可用酒精棉球輕輕擦拭。“位移架”上的調(diào)節(jié)螺釘，均是精密絲桿，應(yīng)輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，若到極限位置， 手感就重，這時(shí)不應(yīng)再加力，否則絲桿、陰螺紋將受損，精度就會(huì)大大下降。分路器：650nm單模1X2分路器(美國(guó)普林公司產(chǎn)品)，分束比1:1。保護(hù)層直徑：3mm。650nm單模光纖尺寸：蕊直徑小于4um；包層直徑：90um。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、簡(jiǎn)述光纖溫度壓力傳感器原理；2

13、測(cè)量溫度傳感器的靈敏度和分辨率；3、測(cè)量光纖壓力傳感期的靈敏度。思考題1、如何減小測(cè)量光纖溫度壓力傳感器靈敏度的誤差。實(shí)驗(yàn)五波分復(fù)用/解復(fù)用（WDM）器件及參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握光波復(fù)用解復(fù)用的的原理與技術(shù)。2、測(cè)量WDM的隔離度、串?dāng)_和插入損耗。3、了解WDM在光纖通信中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理光波具有很高的頻率，復(fù)用光載波作為信息載體進(jìn)行通信，有巨大的可用帶 寬。對(duì)單根石英光纖，在1.3 um和1.55 um處有兩個(gè)低損耗窗口，分別有12THz 和15THz的帶寬，均可進(jìn)行長(zhǎng)距離通信。利用WDM技術(shù)，可在1.3um和1.55 u m窗口內(nèi)進(jìn)行光波分復(fù)用。WDM光波系統(tǒng)是高速全光傳

14、輸中傳輸容量潛力最 大的一種多信道復(fù)用方案。1、光波分復(fù)用原理光波分復(fù)用（WDM ）是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)（攜帶有各種 類型的信息）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器（也稱合波器，multiplexer）匯集在一起，并耦 合到光路同一根光 纖內(nèi)進(jìn)行傳輸；在接收端經(jīng)分波器（也稱解復(fù)用器， demultiplexer ）將各種波長(zhǎng)的光載波進(jìn)行分離，然后由光接收機(jī)做相應(yīng)處理，恢 復(fù)出原信號(hào)。這種復(fù)用方式稱為波分復(fù)用，可以單向傳輸，也可以雙向傳輸。根據(jù)信道間隔的大小，光波分復(fù)用技術(shù)可分為三種，即稀疏的WDM、密集 的WDM和致密的WDM，后者也稱光頻分復(fù)用（OFDW）。信道間隔入的大 小，取決于光源波長(zhǎng)的穩(wěn)

15、定性，允許的信道間線性與非線性串音等多種因素，另 外還與解復(fù)用技術(shù)有關(guān)。對(duì)于稀疏WDM，其信道間隔入二10010nm，采用普通 的光纖WDM耦合器，即可對(duì)復(fù)用信道解復(fù)用。對(duì)密集WDM，入二101nm，要用 波長(zhǎng)選擇性高的光柵解復(fù)用器對(duì)復(fù)用信道解復(fù)用。對(duì)致密WDM，入二10.1nm， 則需采用波長(zhǎng)選擇更多的波導(dǎo)干涉儀或采用可調(diào)相干檢測(cè)技術(shù)在電域解復(fù)用，并 同時(shí)完成信號(hào)解調(diào)。如果用相干檢測(cè)技術(shù)解復(fù)用，/ （入）可降至幾吉赫茲， 這樣在一根光纖上可以傳輸幾百至上千個(gè)信道。一般當(dāng)信道間隔可與比特率相比 時(shí)，就必須采用相干解復(fù)用技術(shù)；而當(dāng) /N100GHz（0.8nm ）時(shí)，則無(wú)必要采用 相干解復(fù)用，而

16、解調(diào)仍可采用直接檢測(cè)技術(shù)。2、光波分復(fù)用系統(tǒng)如圖1所示，若干發(fā)送機(jī)分別工作于各自的載波七，借助WDM復(fù)用器復(fù)用 為多路信號(hào)進(jìn)入光纖，經(jīng)傳輸至接收端，在借助于一個(gè)解復(fù)用器將復(fù)用信號(hào)分離， 分別送到各自的接收機(jī)。圖1典型的點(diǎn)到點(diǎn)WDM光波分復(fù)用系統(tǒng)WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成方式主要由以下兩種:1）單向傳輸方式如圖2所示為單向傳輸方式，指所有光信號(hào)同時(shí)在一根光纖內(nèi)沿同一方向 傳送，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)七，入2, 入通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖內(nèi)單向傳輸。由于各信號(hào)是通過(guò) n不同波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此不會(huì)混淆。在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的 信號(hào)分開，完成多路光信號(hào)傳

17、輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過(guò)另一根光纖傳輸，原理與 此相同。圖2 WDM單向傳輸方式2）雙向傳輸方式如圖3所示，WDM雙向傳輸是指光信號(hào)在一根光纖內(nèi)同時(shí)向兩個(gè)不同的方向 傳輸。系統(tǒng)能夠?qū)⒉煌ㄩL(zhǎng)的信號(hào)按如圖3所示的方向進(jìn)行雙向同時(shí)傳輸，而不 會(huì)發(fā)現(xiàn)“手忙腳亂”的現(xiàn)象，該傳輸方式可以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。（3）光波分復(fù)用器與解復(fù)用器光波分復(fù)用器和解復(fù)用器對(duì)系統(tǒng)傳輸質(zhì)量起著決定性影響。因此，要求它們 具有以下特點(diǎn)：a損耗及其偏差要??；b信道間的干擾要??；c通道損耗要平坦； d偏振的相關(guān)性要低。圖3 WDM雙向傳輸方式的基本結(jié)構(gòu)光波復(fù)用器和解復(fù)用器主要有介質(zhì)膜干涉型、各種光柵型和星狀耦合器等多 種結(jié)構(gòu)形式。

18、下面簡(jiǎn)單介紹幾種典型的光波復(fù)用器和解復(fù)用器。熔錐型波分復(fù)用器熔錐型波分復(fù)用器是最早使用的一種波分復(fù)用器，其原理可以用瞬逝波理論 來(lái)解釋。當(dāng)兩根單模光纖的纖芯充分靠近時(shí)，單模光纖中的兩個(gè)基膜會(huì)通過(guò)瞬逝 波產(chǎn)生相互耦合，在一定的耦合系數(shù)長(zhǎng)度下，便可以造成不同波長(zhǎng)成分的波道分 離，從而實(shí)現(xiàn)分波的效果。圖4-a為熔錐型波分復(fù)用器的示意圖，圖中的夾具一方面是使兩根光纖預(yù) 先靠緊，同時(shí)又起控制光纖耦合距離的作用，合適的耦合系數(shù)則直接由光監(jiān)測(cè)來(lái) 控制。圖4-b為成品示意圖。直通臂對(duì)七的光有接近100%的輸出，而對(duì)入2的光 輸出接近零；耦合臂對(duì)入2的光有接近100%的輸出，對(duì)入的光輸出接近零。這樣 當(dāng)輸入端有

19、七和入2兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)時(shí)，七和入2的光信號(hào)則分別從直通臂和 耦合臂輸出；反之，當(dāng)直通臂和耦合臂分別有七和入2的光信號(hào)輸入時(shí)，也能將 其合并從一個(gè)端口輸出。所以這種器件是一種可逆器件。a原理示意圖介質(zhì)膜干涉型波分復(fù)用器介質(zhì)膜干涉型波分復(fù)用器的基本單元由玻璃襯底上交替地鍍上折射率不同 的兩種光學(xué)薄膜制成。這種波分復(fù)用器的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，有成熟的鍍膜工藝， 有膜厚和入射角兩個(gè)可調(diào)b成品示意圖圖4熔錐型波分復(fù)用器的示意圖整的因素，便于制備和調(diào)試。其缺點(diǎn)是各波長(zhǎng)成分的插損差異較大，要求相 應(yīng)調(diào)整各支路的發(fā)送功率。而且分光的線寬相對(duì)較寬，一般限于16波以下的波 分復(fù)用系統(tǒng)使用，如圖5所示。圖5介質(zhì)膜干涉

20、型波分復(fù)用器圖6閃耀光柵型光波分復(fù)用器閃耀光柵型波分復(fù)用器光柵型光波分復(fù)用器種類較多，如圖6所示為閃耀光柵型波分復(fù)用器。它主要由透鏡和光柵組成，一般用體積較小的自聚焦透鏡。為使器件緊湊，通常使光 柵直接刻畫在透鏡端而形成。當(dāng)多波長(zhǎng)光信號(hào)輸入光纖后，經(jīng)透鏡射向閃耀光柵， 由于光柵的衍射作用，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)以方向略有差異的光束返回透鏡傳輸， 再經(jīng)透鏡聚焦后以一定的規(guī)律分別注入輸出光纖中，實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)信號(hào)的分接。采 用相反的過(guò)程，也可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)信號(hào)的復(fù)接。光纖光柵型波分復(fù)用器當(dāng)摻錯(cuò)石英光纖受到240nm附近紫外光照射時(shí)纖芯折射率就會(huì)增大，利用 這一現(xiàn)象，從光纖切面照射呈空間周期性變化的紫外光，纖芯部

21、位就會(huì)出現(xiàn)周期 性的折射率變化，這就形成了光柵（FG）。把光射入FG后，與折射率變化周期 相應(yīng)的特定波長(zhǎng)的光就會(huì)被逆向反射回去，具有這種功能的光柵稱為短周期（川m以下）Bragg反射式光柵（FBG）。FBG以其特有的高波長(zhǎng)選擇性能、易 與光纖耦合、插入損耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的矚目。其 優(yōu)良的濾波特性可制成波分復(fù)用器件，如波分復(fù)用/解復(fù)用器（WMUX）、波長(zhǎng)分 /插復(fù)用器（WADM）等。圖7所示為光纖光柵WADM原理圖。三端口光環(huán)狀巖&見吧箜器志 圖7光纖光柵WADM原理圖平面波導(dǎo)型波分復(fù)用器在大容量、高密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，需采用分合數(shù)目更多的波分復(fù)用器，平 面陣列波導(dǎo)光柵

22、（AWG）是這一領(lǐng)域的熱門研究項(xiàng)目，目前已有WAG的商用產(chǎn) 品。如圖8所示為AWG示意圖，它由輸入、輸出波導(dǎo)，片型耦合器和波導(dǎo)陣列 光柵構(gòu)成。其中輸出、輸入波導(dǎo)制作成與單模光纖相同的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，以便與單 模光纖連接。它還具有較低的耦合損耗。片型區(qū)是一種紫外寫入透射光柵。由于 衍射效應(yīng)，將輸入的光按波長(zhǎng)順序注入陣列波導(dǎo)輸入端。由于波導(dǎo)一般由幾百條光程差為1 ALx n的波導(dǎo)構(gòu)成，在陣列波導(dǎo)光柵輸入端，按波長(zhǎng)順序排列，并通 2過(guò)輸出片型區(qū)傳輸?shù)较鄳?yīng)的輸出波導(dǎo)端口，達(dá)到分波的目的。此種器件同其它器 件相比最大特點(diǎn)是具有組合分配功能。圖8所示陣列波導(dǎo)為圓弧形。兩片耦合器起關(guān)鍵作用，左片完成輸入波導(dǎo)與

23、陣列波導(dǎo)的耦合，右片則使輸出波導(dǎo)分別對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)光的主極位置，實(shí)現(xiàn)選 擇輸出。圖8 AWG示意圖4、WDM器件的評(píng)價(jià)參數(shù)隔離度、串?dāng)_、損耗等特性是光波分復(fù)用（WDM）器件重要的性能評(píng)價(jià)參 數(shù)。其特性參數(shù)的好壞直接影響光波分復(fù)用器件在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)采用光 纖功率計(jì)、光偏振控制器等器件測(cè)量WDM器件的隔離度、串?dāng)_、插入損耗、偏 振損耗等指標(biāo)。1）隔離度和串?dāng)_隔離度和串?dāng)_都是衡量信道之間相互干擾的參數(shù)。在分波器中，每個(gè)輸出 端口對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的標(biāo)稱波長(zhǎng)入j （j =1,2,3，,n）從第j路輸出端口測(cè)得的該 路標(biāo)稱信號(hào)入j的功率Pj（入j）與第i （i尹j）路輸出端口測(cè)得的串?dāng)_信號(hào)入j的功率P

24、j（入j）的比值，用dB表 示，稱為第i路對(duì)第j路信號(hào)入j的隔離度AijO從第i路輸出端口測(cè)得的串?dāng)_信號(hào)入j （j尹i）的功率P|（入與第j路輸出 端口測(cè)得的該路標(biāo)稱信號(hào)入j的功率Pj （入的比值，用dB表示，稱為第i路對(duì) 第j路信號(hào)入j的串?dāng)_CLj。即(2)可以看出，隔離度與串?dāng)_是一對(duì)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，A信道對(duì)B信道的隔離度 與B信道對(duì)A信道的串?dāng)_，當(dāng)用dB值表示時(shí)，其絕對(duì)值相等，符號(hào)相反。一般 來(lái)說(shuō)，一個(gè)光波分復(fù)用器件的隔離度應(yīng)大于30dB。2）插入損耗插入損耗是指由于WDM器件的引入而導(dǎo)致的功率損耗，這種損耗包括WDM 器件自身的固有損耗以及WDM器件與光纖的連接損耗。一般認(rèn)為，連接損耗是由

25、 于纖芯（或模場(chǎng)）尺寸失配、數(shù)值孔徑失配、折射率分布失配、端面間隙、軸線 傾角、橫向偏移或同心度、菲涅爾反射等七種原因造成的，如圖9所示。閭纖芯（或模場(chǎng)眼寸失配由數(shù)值孔傍失配（曰折射率分布失配（山揣面旬毋（e）軸嫌俯角圖9光纖連接損耗示意圖（E）非涅耳反射一般情況下，對(duì)于一定波長(zhǎng)入的插入損耗定義為輸出端口的光功率與輸入端口光 功率之比，記為L(zhǎng)j （入），常以dB為單位。其定義式為(3)式中，P。（入）為從輸出端口接收到的光功率，單位為mW；七（入）為輸入 到輸入端口的光功率，單位為mW。4）偏振相關(guān)損耗（PDL）偏振相關(guān)損耗（又稱極化相關(guān)損耗）指的是在分波器的輸入波長(zhǎng)范圍內(nèi)，由于極化狀態(tài)的改變而造成的插入損耗的最大變化值。其表達(dá)式為:知=iQig A（4）式中1同是最大的插入損耗，匕訕為最小插入損耗。三、實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)儀器由紅外光源、光功率計(jì)、收音機(jī)、音響、CCD、監(jiān)視器、光纖跳線、 WDM等組成。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)均使用1