全光纖耦合器件(正式報告)

1、第 頁全光纖耦合器件2006-3-7理工學院物理系03級光信息組號：A5林偉學號：033012026一、實驗目的和內容1、了解全光纖耦合器件的工作原理和制作工藝,即熔融拉錐技術。2、認識全光纖耦合器件的基本技術參量的實際意義，學會測量插入損耗、附加損耗、分光比、偏正相關損耗等。3、分析測量誤差的來源。二、實驗基本原理在熔融拉錐技術中，具體制作方法一般是將兩根(或者兩根以上)除去涂覆層的裸光纖以一定方式靠近，在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，利用計算機監(jiān)控其光功率耦合曲線，并根據耦合比與拉伸長度控制?；饡r間,最后形成雙錐結構。采用熔融拉錐法實現(xiàn)光纖間傳輸光功率耦合的耦合系數與波長有關，光傳輸波長

2、發(fā)生變化時，耦合系數也會變化，即耦合器的分光比發(fā)生變化?？紤]到熔融拉錐的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系數與傳輸波長的關系越大，所以盡量減少熔融拉錐中耦合的次數，最好在一個周期內完成耦合。合理改變熔融拉錐條件，能夠獲得不同功能的全光纖耦合器件。熔融拉錐機的控制原理模塊圖如圖1所示。熔融拉錐型光纖耦合器工作原理示意圖如圖2所示。圖1熔融拉錐機系統(tǒng)控制示意圖耦合醫(yī)出端錐體1輸入臂3直通臂2背向散射臂4耦合臂圖2熔融拉錐型光纖耦合器工作原理示意圖1、單模耦合器在單模光纖中傳導模是兩個正交的基模HE信號。圖3是單模光纖耦合器的迅衰場耦11合示意圖。但傳導模進入熔錐區(qū)時，隨著纖芯的不斷變細，歸一化頻

3、率V逐漸減小，有越來越多的光功率摻入光纖包層中。實際上光功率是在由包層作為芯，纖外介質(一般是空氣)作為包層的復合波導中傳播的；在輸出端，隨著纖芯的逐漸變粗，V值重新增大，光功率被兩根纖芯以特定比例“捕獲”。設初始條件為：P(0)1,P(0)0,且兩光纖有相同的傳12輸常數=，則可由理論上導出輸出功率為12P=cos2(CL),P=sin2(CL),34其中C為耦合系數，有耦合區(qū)結構決定；L為耦合區(qū)有效相互作用長度。折射率第 #頁第 頁圖3單模光纖耦合器的迅衰場耦合示意圖通過對拉伸程度和熔融程度的細致控制，合理調整參數，就可以獲得不同分光比的光耦合器。2、多模耦合器多模光纖中，傳導模是若干個分

4、立的模式，總的模式數M=V2/2，V為歸一化頻率。當傳導模進入熔錐區(qū)時，纖芯變細導致V值減小，束縛的模式數減少，遠離光軸的高階模進入包層形成包層模，當纖芯變粗時以一定比例被耦合臂捕獲，獲得耦合光功率。拉錐區(qū)的長度決定了光耦合的程度，一旦拉伸長度確定后，光耦合器的特性就確定下來了。3、器件的一些技術參數插入損耗：無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比(dB),1)PI.L.=10lgoutPin其中，P發(fā)送進輸入端口的光功率，P是從輸出端口接收到的光功率。inout附加損耗：功率分配耦合器的所有輸出端口光功率總和相對于全部輸入光功率的減少量：工P2)outE.L.=101gPinE.L.是體現(xiàn)

5、器件制造工藝質量的指標，反映器件制造過程的整個器件的固有損耗分光比：耦合器各輸出端口分配的比值：PTOC o 1-5 h zS.R.=out（3）Poutj方向性：輸入一側，非注入光的某一輸入端口的反向輸出光功率與輸入功率的比值：D.L.=-101g4（4）Pin其中p表示非注入光的某一輸入端口的反向輸出光功率，P表示指定輸入端口注入的光Rin功率。標準X和Y型一般D.L60dB。均勻度：對于要求均勻分光的耦合器定義在工作帶寬內各輸出端口輸出光功率的最大變化量：PF.L.=10lgm_n（5）Pmax偏振相關損耗：光信號以不同的偏振態(tài)輸入時，對應輸出端口插入損耗最大變化值。PP.D.L=10（

6、6）Pmax各種偏振態(tài)可通過偏正控制器獲得。循序改變光纖型偏振控制器的三個活動片（光線纏繞在里面）可導致光纖的扭曲，從而產生雙折射現(xiàn)象，引起偏振態(tài)的改變。三、實驗用具和裝置圖1、穩(wěn)定化光源OSS-155C（波長1550nm）、光功率計、摻餌光纖放大器（EDFA）、跳線、適配器、偏振控制器、鏡頭紙。2、2,2耦合器DWFC0250A001111（單模1310或1550寬帶，分光比1：1），示意圖如圖4。OUT1OUT2圖4、2,2耦合器DWFC0250A001111四、實驗步驟1、注意開機和關機的順序開機：插座電源開關一EDFA開關一OSS-155C光源開關關機：OSS-155C光源開關一EDF

7、A開關一插座電源開關第 頁2、開始測量前，要先把光功率計的輸入端口遮住，然后調零。3、測量前，需檢查光儀表的工作狀態(tài)，功率波動在0.5dB以內，方可進行實驗。4、先測出光源的輸出功率，再將光源接到IN1端，測出OUT1端、OUT2端和IN1端的功率(要求分別讀出W和dBm數值)。接著加入偏正控制器，調節(jié)控制器上的三個活動片，分別測出OUT1端和OUT2端出現(xiàn)的最大值和最小值。5、將光源改接到IN2端，同4再測。五、數據測量與數據處理1、輸入端為IN1對均勻分光耦合器，主要的技術參數有：插入損耗(I.L.).、附加損耗(E.L.)、分光比(S.R.)、方向性(D.L.)、均勻度(F.L.)、偏振

8、相關損耗(P.D.L.)等。測得數據如表1所示：表1以IN1為輸入端時測得數據測量次數12345光源/JW/dBm1420/1.521404/1.471398/1.451401/1.451393/1.44OUT1/JW/dBm608/-2.16601/-2.21595/-2.25602/-2.20600/-2.21OUT2/JW/dBm659/-1.81651/-1.85640/-1.95645/-1.90653/-1.85IN2/JW/dBm20.41/-16.9020.59/-16.9719.83/-17.0020.51/-17.0820.29/-16.96*上表數據為5次不同測量所得數據

9、。由以上各技術參量的定義，算得結果如表2所示：表2以IN1為輸入端時算得的I.L.、E.L.、D.L.和S.R.測量次數12345平均值I.L.out1/dB3.683.683.713.673.663.68I.L.out2/dB3.333.343.393.373.293.34E.L./dB0.500.500.540.510.460.50D.L/dB.18.4218.3418.4818.3419.3718.59S.R.0.9230.9230.9300.9330.9190.926*表中I.L.out1、I.L.out2為OUT1和OUT2的插入損耗，S.R.以卩如侶血計。加入偏振控制器后偏振控制器

10、插入損耗的測量：偏振控制器輸入功率pW/1.44dBm|JW/1.45dBm,輸出功率pW/1.00dBm,故插入損耗0.33dB。表P.D.L測量MaxMinP.D.LOUT1/JW/dBm576/-2.39573/-2.410.02(dB)OUT2/JW/dBm623/-2.05619/-2.080.03(dB)2、輸入端為IN2表4以IN2為輸入端時測得數據次數12345平均值光源/pW/dBm1350/1.291349/1.291349/1.291349/1.291348/1.291349/1.29OUT1/pW/dBm693/-1.59692/-1.59692/-1.59692/-1

11、.59692/-1.59692/-1.59OUT2/pW/dBm633/-1.98634/-1.97633/-1.98634/-1.97633/-1.98633/-1.98IN1/pW/dBm21.76/-16.8421.67/-16.7620.27/-16.9020.14/-16.7520.57/-16.8020.88/-16.81*表4數據為同一次連接測得的多組數據。加入偏振控制器后表P.D.L測量MaxMinOUT1/pW/dBm585/-2.32578/238OUT2/pW/dBm532/-2.74528/-2.77同上可測得以IN2為輸入端時耦合器的技術參數如表6表6以IN2為輸入端

12、時耦合器的技術參數：LLout1/dBLLout2/dBE.L./dBD.L/dB.S.R.P.D.Lout1/dBP.D.L.0ut2/dB2.903.290.0818.101.090.050.03*I.L.uti、I.L.ut2為OUT1和OUT2的插入損耗；P.D.L。譏1，P.D.L.ut2分別指OUT1和OUT2的偏振相關損耗。端口熔接損耗（dB）1-30.031-40.022-30.032-40.02表7：耦合器熔接損耗耦合器4個端口熔接連接器的熔接損耗如表7所示，與各端口之間的插入損耗相比，不會超過1%。考慮到光纖端口的連接、光纖的擺放等的隨機性對插入損耗造成的影響，熔接損耗可忽略不計。從理論上說，分光比為1：1的耦合器插入損耗應為：L.-101g丄3.010dB，實際測得的插入損耗有所偏離，2分光比也不太理想，主要可能因為耦合器本身分光比不太理想。此外，各連接處及光纖的擺放所造成的各端口插損不對稱也造成一定影響。測得的方向性約18dB,也遠小于一般耦合器對方向性的要求，可能由于耦合器老化造成的。六、思考題1、分光比為：的耦合器為什么又叫耦合器?答：因為分光比為：的耦合器的插入損耗為I.L.-10lg13.010dB。22、真正體現(xiàn)耦合器對整個系統(tǒng)影響的參數是插入損