光耦合器實(shí)驗(yàn)

1、最新資料推薦全光纖耦合器件摘要： 簡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)的拉伸長度；W1 為耦合區(qū)I 的火焰寬度。耦合區(qū)的兩光纖熔燒時(shí)逐漸

2、變細(xì)， 兩纖芯可以忽略不計(jì)，兩包層合并在一起形成以包層為纖芯、實(shí)現(xiàn)兩光纖的完全耦合。圖 2 光纖耦合器結(jié)構(gòu)模型芯外介質(zhì)（空氣）為新包層的復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，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，

3、因此，耦合器為兩波導(dǎo)構(gòu)成的弱耦合結(jié)構(gòu)。 根據(jù)若耦合模理論：相耦合的兩波導(dǎo)中的場，各保持該波導(dǎo)獨(dú)立存在是的場分布和傳輸系數(shù)，耦合的影響僅表現(xiàn)在場的復(fù)振幅的變化。假設(shè)光纖是無吸收的，則隨拉伸長度 Z 不斷變化，其變化規(guī)律可用一階微分方程組表示如下：1最新資料推薦式中： A1 和 A2 為兩光纖的模場振幅；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)= A1(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

4、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A1(0)=1， 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)

5、 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2最新資料推薦輸入功率的比值，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

6、輸出光功率的最大變化量：6) 偏振相關(guān)損耗 (Polarization Dependent Loss, P.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 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 DWFC0250A001111（單模 1310 或 1550 寬帶，圖 32 2 耦合器 DWF0250A00111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量 2X2 耦合器的參數(shù)， 先測量光源光功率， 后連入耦合器對(duì)各端口進(jìn)行測量， 即可

7、測得耦合器參數(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)測量，排除光纖接頭灰塵對(duì)測量的影響。光源光功率測量打開光源電源， 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)誤差為故光源功率為光從 IN1 輸入，測量OUT1， OUT2 和 IN2 的光功率，記錄于表2表格 2IN1 輸入各端口光功率n12345PIN2 ( W/dBm)2

8、1.33/-16.7018.70/-17.3018.95/-17.2221.94/-16.5921.50/-16.673最新資料推薦OUT1700/-1.55702/-1.53703/-1.53704/-1.52704/-1.52P( W/dBm)POUT2 ( W/dBm)660/-1.79666/-1.75672/-1.72668/-1.74672/-1.73可得 IN2 端光功率為：OUT1 端光功率為：OUT2 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.OUT1/dBI.L.OUT2/dBE.L. /dB

9、S.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.采用直通臂功率： 耦合臂功率來表示。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，得輸出端功率最大值與最小值如表4。表格4IN1 輸入下耦合器偏振相關(guān)損耗Pmax( W/dBm )Pmin ( W/dBm )P.D.L(dB)OUT1672/-1.72655/-1.830.11OUT2646/-1.89621/-2.060.15更換光輸入端口重復(fù)測量，從IN2 輸入，測量 OU

10、T1，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n12345PIN2 ( W/dBm)19.88/-17.0120.38/16.9121.00/-16.7819.84/-17.0221.23/-16.72POUT1 ( W/dBm)650/-1.87649/-1.87642/-1.92641/-1.93641/-1.93OUT2676/-1.70674/-1.71676/-1.69677/-1.69679/-1.68P( W/dBm)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

11、數(shù)I.L.OUT1/dBI.L.OUT2/dBE.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.采用直通臂功率： 耦合臂功率來表示。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 )Pmin ( W/dBm )P.D.L(dB)OUT1644/-1.91619/-2.080.17OUT2674/-1.72655/-1.830.11將不同輸入端所測到的耦合器參數(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

12、入4最新資料推薦直通臂插入損耗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P.D.L.A /dB耦合臂偏振相關(guān)損耗P.D.L.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，實(shí)驗(yàn)中測得的插入損耗都較大。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了多次測量，每次測量都將光纖端面進(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

13、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 Y 型 D.L.60dB，而實(shí)驗(yàn)測得的卻只有 18.5dB。分析可知，方向性測量目的在于測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)中測到的光功率除了該部分還有一大部分是光

14、纖端面的菲涅爾反射光。為了排除這一部分， 應(yīng)該在測量時(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： 1 的耦合器的插入損耗為I .L.10 lg 13.010dB 。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