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光纤无源器件测试试验讲义

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光纤无源器件测试试验讲义

部分无源器件测试基础知识：

近年来，光纤通信发展十分迅速，应用日渐广泛。作为光纤通信设备的重要组成部分的光无源器件，也取得了长足的进步，并逐步形成了规模产业。

光无源器件是一种光学元器件。其工艺原理遵守光学的基本理论，即光纤理论和电磁波理论，各项技术指标、各种计算公式和各种测量方法和纤维光学、集成光学息息相关。

光无源器件是一门新兴的、不断发展的学科。光纤通信的发展召唤着功能更全、指标更先进的光无源器件不断涌现；一种新型器件的出现往往会有力的促进光纤通信的进步，有时甚至使其跃上一个新的台阶。光纤通信系统对光无源器件的期望越来越大，器件的发展对系统的影响越来越深。除此而外，光无源器件在光纤传感和其他光纤应用领域也大有用武之地。

光纤通信元件包括光缆、光有源器件、光无源器件等。光纤无源器件主要包括耦合器/分路器(Coupler/Splitter)、隔离器(Isolator)、滤波器(Filter)和光开关(OpticalSwich)等，它们都是将来光网络系统中必不可少的器件。

下面我们先介绍一些基本的测试环境和条件，国标GB/T13713－92中说明测量条件如下：测试环境

无源器件的测量应当在GB2421－1989中所规定的正常大气条件下进行，即温度：15～35摄氏度；湿度：45％～75％；气压：85Kpa～106Kpa。优先测试条件光纤类别光源峰值波长(nm)功率稳定性（dB）50％功率处线宽（nm）注入到光纤中得功率(uW)检测系统线性度（dB）动态范围频谱相应重复性（dB）0.15LED>8000.05100.05多模LD>8000.055000.05与光源匹配0.150.15单模LD>4000.055000.05注：：在整个测量周期中或至少1h；：注入到光纤中的功率不能高到产生非线性散射效应的水平；：检测系统的特性相应不应偏离比规定水平大的线性；：测量系统总稳定性应当在整个测量周期中没有超过规定的变化。测量应当注意的事项还有：

a，为了保证包层模不影响测量，应按分规范的规定依靠光纤本身的衰减作用或靠加一个包

层模消除器来消除包层模；

b，注意保证与器件接口处的斑纹图形不会影响插入损耗的测量；

c，在器件的整个测试中，每一边的光纤或光缆应当保持固定，并考虑光纤上尽可能的没有

应力和较大的弯曲半径；

各种试验后耦合器损耗变化量和分光比变化量不应当超过下表的数据（YD/T893-1997），序号12345试验项目（参照Bellcore1209）振动试验(GB/T2423.10)冲击试验(GB/T2423.15)高温试验低温试验高低温循环试验插入损耗变化量（dB）

光纤之间耦合的最大功率。当两根光纤一致时，有?1??2，则F=1，上式就蜕变为标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式

?2?22?C????Pz?Az?1?Fsinz??1?1??F?（8.5）?C??P?z??A?z?2?F2sin2?z??22?F???耦合器是光通信技术中一种重要的光无源器件，简言之，Coupler就是一类能使传输中的光信号在特别结构的耦合区发生耦合，并进行再分派的器件。主要应用于光纤通信系统、光接入网、光纤CATV系统，无源光网络(PON)，光纤传感技术等领域。耦合器的常用参数有插入损耗、附加损耗、分光比、偏振相关损耗和方向性等，下面给出具体描述：A插入损耗(IL)

插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对输入光功率的减少值。

ILi??10lgPOUTiPIN?dB?

B附加损耗(EL)

附加损耗是指所有输出端口光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。

EL??10lg?POUTPIN?dB?

附加损耗是表达器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程中带来的固有损耗；而插入损耗则表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响，试验中务必是学生搞明白这一点。C分光比（CR）

分光比是耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口输出功率占总输出功率的分额，一般用百分比来表示。

CR??POUTiPOUT?100%

D偏振相关损耗(PDL)

是衡量器件性能对于传输光信号偏振态敏感程度的参量，有称偏振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生2π变化时，器件的各个输出端口输出光功率的最大变化量。

??PDL??10lg?MAX?PMINPOUTjOUTj?dB?

在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，往往要求器件有足够小的偏振相

关损耗，否则将直接影响器件的使用效果。E方向性(DL)和回损（RL）

方向性也是耦合器的一个重要技术指标，它是衡量器件定向传输特性的参数。

DL??10lgPIN2PIN1?dB?

试验步骤：

A.耦合器插损、附加损耗、分光比的测量（插入法）

图8.2试验装置图

1.将跳线一端接在光纤光源的测试使用波长上，另一端接功率计。接通主机光源和功率计电源（假使要更换波长，需要将关断电源，然后切换跳线）；待稳定后记录下光源的输出功率。2取下跳线。将耦合器的输入端接在光纤光源的输出端，耦合器的两个输出端口分别接功率计的两个端口。（注意其他所有条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）3.接通电源，记录下功率计上两个端口的功率值

4.利用前面提到的公式去计算插损、额外损耗和分光比5.换一个波长，重复1—4步骤。6关闭光源和功率计，切断电源。光功率计Pi1TJij耦合器光源图8.3插损、额外损耗和分光比的测试光功率计PiM

B、方向性的测量测量尾纤型光纤耦合器的方向性，方法如下：

……

a)如图8.4所示测量耦合器反射回到端口2的光功率P2。（所谓中止器，一般指匹配液或

者绕很小的环，让光纤的端面没有光反射）

TJ终光源止耦合器器P2

图8.4尾纤型耦合器方向性测量原理

b)保证Pij稳定后，使用一根标准跳线代替耦合器。直接测量光源输出功率P1。（注意其他所有条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）。c)按以下公式计算出光纤耦合器的方向性。

???10lgP2P1其中：α为方向性(dB)；P1为输入光功率；P2为2端口输出光功率。

思考题：

1，为什么选择不同的光源，耦合器的分光比会不一样。2，耦合器可以把能量分派到两个端口（额外损耗很小），假使反过来把两个端口输入光，

会出现什么现象？

试验中四个耦合器分别为：I（49.9％）；II（40.9％）；III（11.0％），IV（31.4％）

试验二光纤隔离器（Isolator）的特性和参数测试

试验目的：

1．了解光纤隔离器的工作原理及基本结构2．熟悉光纤隔离器在光纤通信系统中的应用。

试验原理：

在高速率的光纤通信系统中要求激光源十分稳定，为此，希望尽可能减少负载回到激光

器的反射光。光隔离器的性能是光正向通过时衰减很小，但反向通过时衰减很大的器件。光隔离器相当于一种光非互易传输耦合器，所依据的基本原理是法拉第磁光效应。即当光波通过置于磁场中的法拉第旋光片时，光波的偏振方向总是沿与磁场（H）方向成右手螺旋的方向旋转，而与光波的传播方向无关。这样，当光波沿正向和反相两次通过法拉第旋片时，其偏振方向旋转角将叠加而不是抵消，这种现象成为“非互易旋光性〞

图9.1隔离器工作基本原理图

在9.1图中，当光从左到右传，左面的起偏器将其偏振面确定在0o，经过适合长度的选光片旋光后，偏振面旋转了45o，正好顺利通过安放在45o角上的其次个起偏器。但如有发射光回来在逆方向上再次通过旋光片时，其偏振面会在源方向上再次转45o，叠加的效果，偏振面就正好垂直于左面的起偏器，无法通过，从而实现单向传输，光隔离的功能。（注：这里给出的只是空间光隔离器的基本原理图，目前实际中使用的绝大多数偏振无关的隔离器原理都使用这个原理，但结构与此差异很大）。

衡量光隔离度性能的主要参数有A插入损耗

插入损耗是隔离器的重要技术指标，其来源主要有偏振器、法拉第旋转芯片和光纤准直器的插入损耗。

隔离器的插入损耗测试方框图如图9.2所示，主要注意的是：光源的波长必需在工作波长的范围内，并使任何可能注入的高次模得到足够的衰减，使隔离器的输入端和检测器处仅有基模传输；光信号沿隔离器的正向输入。

标准连接器隔离器光功率计LD光源

图9.2隔离器插入损耗测试原理示意图

正向插入损耗α1，定义为正向传输时输出光功率与输入光功率之比。α1＝10log（Pin/Pout）dBB隔离度

隔离度是隔离器最重要的技术指标之一，表征了隔离器对反向传输光的衰减能力。主要受如下一些因素的影响：偏振器距法拉第旋转器的距离；各个光学元件的表面反射率；偏振器的楔角、间距等。

隔离度的测试框图如图4：

标准连接器隔离器

光功率计LD光源

图9.3隔离器隔离度测试原理示意图

反向隔离度比α2，定义为反相传输时输出功率与输入功率之比。α2＝10log(P’in/P’out)dB*C偏振相关损耗(PDL)

PDL与插损不一样，是指当输入光的偏振态发生变化而其他参数不变时器件的插损的最大变化量，是衡量器件插损受偏振态影响程度的指标。

PDL的具体测试方案：改变隔离器前端输入光的偏振态将测得器件的最大损耗减去最小损耗，即为PDL。

隔离器光功率计LD光源偏振控制器图9.4隔离器偏振相关损耗测试原理框图

*D回波损耗

隔离器的回波损耗RL是指正向入射到隔离器的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比，这是一个相当重要的指标，由于假使隔离器的回波强，那么其对系统回返光进行控制的同时，自身也会给系统带来一定的反射。(注：匹配液可以用微弯代替，即将输出光纤在手指等上绕数圈，损耗到输出光强基本为0为止，但这里不推荐这种方法，由于这种方法适合于裸纤)

隔离器

3dB耦合器匹配液LD光源光功率计

图9.5隔离器的回损测量原理图

试验步骤：

1.将跳线接到光源测试使用的波长上，另一端接功率计，记录下光源的输出功率。2.按图9.2、9.3和9