全光纖耦合器件(正式報(bào)告)

1、第 頁(yè)全光纖耦合器件2006-3-7理工學(xué)院物理系03級(jí)光信息組號(hào)：A5林偉學(xué)號(hào)：033012026一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)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(shù)。2、認(rèn)識(shí)全光纖耦合器件的基本技術(shù)參量的實(shí)際意義，學(xué)會(huì)測(cè)量插入損耗、附加損耗、分光比、偏正相關(guān)損耗等。3、分析測(cè)量誤差的來(lái)源。二、實(shí)驗(yàn)基本原理在熔融拉錐技術(shù)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(shí)向兩側(cè)拉伸，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控其光功率耦合曲線，并根據(jù)耦合比與拉伸長(zhǎng)度控制?；饡r(shí)間,最后形成雙錐結(jié)構(gòu)。采用熔融拉錐法實(shí)現(xiàn)光纖間傳輸光功率耦合的耦合系數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)，光傳輸波長(zhǎng)

2、發(fā)生變化時(shí)，耦合系數(shù)也會(huì)變化，即耦合器的分光比發(fā)生變化。考慮到熔融拉錐的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系數(shù)與傳輸波長(zhǎng)的關(guān)系越大，所以盡量減少熔融拉錐中耦合的次數(shù)，最好在一個(gè)周期內(nèi)完成耦合。合理改變?nèi)廴诶F條件，能夠獲得不同功能的全光纖耦合器件。熔融拉錐機(jī)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(jī)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(dǎo)模是兩個(gè)正交的基模HE信號(hào)。圖3是單模光纖耦合器的迅衰場(chǎng)耦11合示意圖。但傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時(shí)，隨著纖芯的不斷變細(xì)，歸一化頻

3、率V逐漸減小，有越來(lái)越多的光功率摻入光纖包層中。實(shí)際上光功率是在由包層作為芯，纖外介質(zhì)(一般是空氣)作為包層的復(fù)合波導(dǎo)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(shè)初始條件為：P(0)1,P(0)0,且兩光纖有相同的傳12輸常數(shù)=，則可由理論上導(dǎo)出輸出功率為12P=cos2(CL),P=sin2(CL),34其中C為耦合系數(shù)，有耦合區(qū)結(jié)構(gòu)決定；L為耦合區(qū)有效相互作用長(zhǎng)度。折射率第 #頁(yè)第 頁(yè)圖3單模光纖耦合器的迅衰場(chǎng)耦合示意圖通過(guò)對(duì)拉伸程度和熔融程度的細(xì)致控制，合理調(diào)整參數(shù)，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(dǎo)模是若干個(gè)分

4、立的模式，總的模式數(shù)M=V2/2，V為歸一化頻率。當(dāng)傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時(shí)，纖芯變細(xì)導(dǎo)致V值減小，束縛的模式數(shù)減少，遠(yuǎn)離光軸的高階模進(jìn)入包層形成包層模，當(dāng)纖芯變粗時(shí)以一定比例被耦合臂捕獲，獲得耦合光功率。拉錐區(qū)的長(zhǎng)度決定了光耦合的程度，一旦拉伸長(zhǎng)度確定后，光耦合器的特性就確定下來(lái)了。3、器件的一些技術(shù)參數(shù)插入損耗：無(wú)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(jìn)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(duì)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(zhì)量的指標(biāo)，反映器件制造過(guò)程的整個(gè)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(cè)，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(biāo)準(zhǔn)X和Y型一般D.L60dB。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：PF.L.=10lgm_n（5）Pmax偏振相關(guān)損耗：光信號(hào)以不同的偏振態(tài)輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出端口插入損耗最大變化值。PP.D.L=10（

6、6）Pmax各種偏振態(tài)可通過(guò)偏正控制器獲得。循序改變光纖型偏振控制器的三個(gè)活動(dòng)片（光線纏繞在里面）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。三、實(shí)驗(yàn)用具和裝置圖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、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(shí)驗(yàn)步驟1、注意開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)的順序開(kāi)機(jī)：插座電源開(kāi)關(guān)一EDFA開(kāi)關(guān)一OSS-155C光源開(kāi)關(guān)關(guān)機(jī)：OSS-155C光源開(kāi)關(guān)一EDF

7、A開(kāi)關(guān)一插座電源開(kāi)關(guān)第 頁(yè)2、開(kāi)始測(cè)量前，要先把光功率計(jì)的輸入端口遮住，然后調(diào)零。3、測(cè)量前，需檢查光儀表的工作狀態(tài)，功率波動(dòng)在0.5dB以內(nèi)，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4、先測(cè)出光源的輸出功率，再將光源接到IN1端，測(cè)出OUT1端、OUT2端和IN1端的功率(要求分別讀出W和dBm數(shù)值)。接著加入偏正控制器，調(diào)節(jié)控制器上的三個(gè)活動(dòng)片，分別測(cè)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(cè)。五、數(shù)據(jù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理1、輸入端為IN1對(duì)均勻分光耦合器，主要的技術(shù)參數(shù)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(guān)損耗(P.D.L.)等。測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示：表1以IN1為輸入端時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)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(shù)據(jù)為5次不同測(cè)量所得數(shù)據(jù)

9、。由以上各技術(shù)參量的定義，算得結(jié)果如表2所示：表2以IN1為輸入端時(shí)算得的I.L.、E.L.、D.L.和S.R.測(cè)量次數(shù)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(jì)。加入偏振控制器后偏振控制器

10、插入損耗的測(cè)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(cè)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(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)次數(shù)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(shù)據(jù)為同一次連接測(cè)得的多組數(shù)據(jù)。加入偏振控制器后表P.D.L測(cè)量MaxMinOUT1/pW/dBm585/-2.32578/238OUT2/pW/dBm532/-2.74528/-2.77同上可測(cè)得以IN2為輸入端時(shí)耦合器的技術(shù)參數(shù)如表6表6以IN2為輸入端

12、時(shí)耦合器的技術(shù)參數(shù)：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(guān)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(gè)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(huì)超過(guò)1%?？紤]到光纖端口的連接、光纖的擺放等的隨機(jī)性對(duì)插入損耗造成的影響，熔接損耗可忽略不計(jì)。從理論上說(shuō)，分光比為1：1的耦合器插入損耗應(yīng)為：L.-101g丄3.010dB，實(shí)際測(cè)得的插入損耗有所偏離，2分光比也不太理想，主要可能因?yàn)轳詈掀鞅旧矸止獗炔惶硐?。此外，各連接處及光纖的擺放所造成的各端口插損不對(duì)稱(chēng)也造成一定影響。測(cè)得的方向性約18dB,也遠(yuǎn)小于一般耦合器對(duì)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?yàn)榉止獗葹椋旱鸟詈掀鞯牟迦霌p耗為I.L.-10lg13.010dB。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