全光纤耦合器件(正式报告)

1、第 页全光纤耦合器件2006-3-7理工学院物理系03级光信息组号：A5林伟学号：033012026一、实验目的和内容1、了解全光纤耦合器件的工作原理和制作工艺,即熔融拉锥技术。2、认识全光纤耦合器件的基本技术参量的实际意义，学会测量插入损耗、附加损耗、分光比、偏正相关损耗等。3、分析测量误差的来源。二、实验基本原理在熔融拉锥技术中，具体制作方法一般是将两根(或者两根以上)除去涂覆层的裸光纤以一定方式靠近，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，利用计算机监控其光功率耦合曲线，并根据耦合比与拉伸长度控制停火时间,最后形成双锥结构。采用熔融拉锥法实现光纤间传输光功率耦合的耦合系数与波长有关，光传输波长

2、发生变化时，耦合系数也会变化，即耦合器的分光比发生变化。考虑到熔融拉锥的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系数与传输波长的关系越大，所以尽量减少熔融拉锥中耦合的次数，最好在一个周期内完成耦合。合理改变熔融拉锥条件，能够获得不同功能的全光纤耦合器件。熔融拉锥机的控制原理模块图如图1所示。熔融拉锥型光纤耦合器工作原理示意图如图2所示。图1熔融拉锥机系统控制示意图入端锥体耦合区出端锥体1输入臂4耦合臂3直通臂2背向散射臂图2熔融拉锥型光纤耦合器工作原理示意图1、单模耦合器在单模光纤中传导模是两个正交的基模HE信号。图3是单模光纤耦合器的迅衰场耦11合示意图。但传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，

3、归一化频率V逐渐减小，有越来越多的光功率掺入光纤包层中。实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质(一般是空气)作为包层的复合波导中传播的；在输出端，随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定比例“捕获”设初始条件为：P(0)=1,P(0)=0,且两光纤有相同的传12输常数p=P，则可由理论上导出输出功率为12P=cos2(CL),P=sin2(CL),34其中C为耦合系数，有耦合区结构决定；L为耦合区有效相互作用长度。折射率包层野芯1.111半径图3单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图通过对拉伸程度和熔融程度的细致控制，合理调整参数，就可以获得不同分光比的光耦合器。2、多模耦合器多模光

4、纤中，传导模是若干个分立的模式，总的模式数M=V2/2，V为归一化频率。当传导模进入熔锥区时，纤芯变细导致V值减小，束缚的模式数减少，远离光轴的高阶模进入包层形成包层模，当纤芯变粗时以一定比例被耦合臂捕获，获得耦合光功率。拉锥区的长度决定了光耦合的程度，一旦拉伸长度确定后，光耦合器的特性就确定下来了。3、器件的一些技术参数插入损耗：无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比(dB)，1)PL=10lgoutPin其中，P发送进输入端口的光功率，P是从输出端口接收到的光功率。inout附加损耗：功率分配耦合器的所有输出端口光功率总和相对于全部输入光功率的减少量：Xp2)outE.L.=10lgPi

5、n3）第 页E.L.是体现器件制造工艺质量的指标，反映器件制造过程的整个器件的固有损耗分光比：耦合器各输出端口分配的比值：PS.R.=-outPoutj方向性：输入一侧，非注入光的某一输入端口的反向输出光功率与输入功率的比值：TOC o 1-5 h zD.L.=-10lg卩r（4）Pin其中p表示非注入光的某一输入端口的反向输出光功率，P表示指定输入端口注入的光Rin功率。标准X和Y型一般D.L60dB。均匀度：对于要求均匀分光的耦合器定义在工作带宽内各输出端口输出光功率的最大变化量：P心、F.L.=-10lgmrn（5）Pmax偏振相关损耗：光信号以不同的偏振态输入时，对应输出端口插入损耗最

6、大变化值。PPDL=10lgnin（6）Pmax各种偏振态可通过偏正控制器获得。循序改变光纤型偏振控制器的三个活动片（光线缠绕在里面）可导致光纤的扭曲，从而产生双折射现象，引起偏振态的改变。三、实验用具和装置图1、稳定化光源OSS-155C（波长1550nm）、光功率计、掺饵光纤放大器（EDFA）、跳线、适配器、偏振控制器、镜头纸。2、2x2耦合器DWFC0250A001111（单模1310或1550宽带，分光比1：1），示意图如图4。OUT1OUT2图4、2x2耦合器DWFC0250A001111四、实验步骤1、注意开机和关机的顺序开机：插座电源开关一EDFA开关一OSS-155C光源开关关

7、机：OSS-155C光源开关一EDFA开关一插座电源开关第 页2、开始测量前，要先把光功率计的输入端口遮住，然后调零。3、测量前，需检查光仪表的工作状态，功率波动在0.5dB以内，方可进行实验。4、先测出光源的输出功率，再将光源接到INI端，测出OUT1端、OUT2端和IN1端的功率(要求分别读出W和dBm数值)。接着加入偏正控制器，调节控制器上的三个活动片，分别测出OUT1端和OUT2端出现的最大值和最小值。5、将光源改接到IN2端，同4再测。五、数据测量与数据处理1、输入端为IN1对均匀分光耦合器，主要的技术参数有：插入损耗(I.L.).、附加损耗(E.L.)、分光比(S.R.)、方向性(

8、D.L.)、均匀度(F.L.)、偏振相关损耗(P.D.L.)等。测得数据如表1所示：表1以IN1为输入端时测得数据：测量次数12345光源/pW/dBm1420/1.521404/1.471398/1.451401/1.451393/1.44OUT1/pW/dBm608/-2.16601/-2.21595/-2.25602/-2.20600/-2.21OUT2/pW/dBm659/-1.81651/-1.85640/-1.95645/-1.90653/-1.85IN2/pW/dBm20.41/-16.9020.59/-16.9719.83/-17.0020.51/-17.0820.29/-16

9、.96*上表数据为5次不同测量所得数据。由以上各技术参量的定义，算得结果如表2所示：表2以IN1为输入端时算得的I.L.、E.L.、D.L.和S.R.测量次数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*表中口如、【丄曲为OUT1和0UT2的插入损耗，S.R以卩。./%计。加入偏振控

10、制器后偏振控制器插入损耗的测量：偏振控制器输入功率1396pW/1.44dBm1397pW/1.45dBm,输出功率1259pW/1.00dBm,故插入损耗0.33dB。表3P.D.L测量MaxMinP.D.LOUT1/pW/dBm576/-2.39573/-2.410.02(dB)OUT2/pW/dBm623/-2.05619/-2.080.03(dB)2、输入端为IN2表4以IN2为输入端时测得数据次数12345平均值光源/pW/dBm1350/1.291349/1.291349/1.291349/1.291348/1.291349/1.290UT1/|JW/dBm693/-1.59692

11、/-1.59692/-1.59692/-1.59692/-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数据为同一次连接测得的多组数据。加入偏振控制器后表5P.D.L测量MaxMinOUT1/pW/dBm585/232578/238OUT2/pW/dBm532/274528/-2.77同上可测得以IN2为输入端时耦合器

12、的技术参数如表6：表6以IN2为输入端时耦合器的技术参数：LLout1/dBLLout2/dBE.L./dBD.L/dB.S.R.P.D.Lout1/dBP.D.L.out2/dB2.903.290.0818.101.090.050.03*I.L.uti、I.L.ut2为OUT1和OUT2的插入损耗；P.D.Louti，P.D.L.ut2分别指OUT1和OUT2的偏振相关损耗。端口熔接损耗（dB）1-30.031-40.022-30.032-40.02表7：耦合器熔接损耗耦合器4个端口熔接连接器的熔接损耗如表7所示，与各端口之间的插入损耗相比，不会超过1%。考虑到光纤端口的连接、光纤的摆放等的随机性对插入损耗造成的影响，熔接损耗可忽略不计。从理论上说，分光比为1：1的耦合器插入损耗应为：I.L.=-10lg1=3.010dB，实际测得的插入损耗有所偏离，2分光比也不太理想，主要可能因为耦合器本身分光比不太理想。此外，各连接处及光纤的摆放所造成的各端口插损不对称也造成一定影响。测得的方向性约18dB，也远小于一般耦合器对方向性的要求，可能由于耦合器老化造成的。六、思考题1、分光比为1：1的耦合器为什么又叫3dB耦合器？答：因为分光比为1：1的耦合器的插入损耗为I.L.=-10lg1=3.010dB。22、真正体现耦合器对整个系统影响的参数是插入