光耦合器試驗

1、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，并對未知耦合器件進(jìn)行測試，具體分析其參數(shù)。一、實驗原理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W：兩包層合并在芯外介質(zhì)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 纖熔燒時的拉伸長度；Wi 為耦合區(qū)I的火焰寬度。耦 合區(qū)的兩光纖熔燒時逐

2、漸 變細(xì)，兩纖芯可以忽略不計，圖2光纖耦合器結(jié)構(gòu)模型氣）為新包層的復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兩光纖的完全耦合。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個正交的 基膜信號，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，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

3、理論：相耦合的兩波導(dǎo)中的場，各保持 該波導(dǎo)獨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：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時滿足A1（z）= A（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 Ai（0）=1

4、，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個輸出端口的光功率，Pin是輸入端口的光功率。2）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 相對于輸入光功率的損失：3）分

5、光比（Split Ratio, S.R.）耦合器件個輸出端口分配的比值，可以表示為 個輸出端的比值，或者每個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：6）偏振相關(guān)損耗（Polarization Dependent Loss, .D.L）：光信號以不同的偏振態(tài) 輸入時，對應(yīng)輸出端口插入損耗

6、最大變化值。二、實驗用具與裝置圖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. 耦合器DWFC0250A00111（單模1310或1550寬帶，分光比1:1）三、實驗記錄與數(shù)據(jù)處理實驗?zāi)康脑谟跍y量2X2耦合器的參數(shù)，先測量光源光功率，后連入耦合器對各端 口進(jìn)行測量，即可測得耦合器參數(shù)。每次讀數(shù)后拔出功率計光纖，于擦鏡紙擦凈 后重復(fù)測量，排除光纖接頭灰塵對測量的影響。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，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

7、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)誤差為一故光源功率為光從IN1輸入，測量OUT1, OUT2和IN2的光功率，記錄于表2表格2 IN1輸入各端口光功率n1234521.33/-16.718.70/-17.318.95/-17.221.94/-16.521.50/-16.6Pin2( W/dBm)00297Pout1 ( W/dBm)700/-1.55702/-1.53703/-1.53704/-1.52704/-1.52Pout2 ( W/dB660/-1.

8、79666/-1.75672/-1.72668/-1.74672/-1.73m)可得IN2端光功率為:OUT1端光功率為：0UT2端光功率為：再由參數(shù)計算公式以及誤差傳遞公式，可得IN1輸入時耦合器參數(shù)如下表表格3 IN1輸入下耦合器部分參數(shù)I.L. ouTi/dBI.L. ouT2dBE.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米用直通臂功率：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

9、率最大值與最小值如表4。表格4 IN1輸入下耦合器偏振相關(guān)損耗Pmax( :W/dBm)Pmin( :W/dBm)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 OUT1, 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n1234519.88/-17.020.38/16.921.00/-16.719.84/-17.021.23/-16.7PiN2( W/dBm)118 22Pouti ( W/dBm)650/-1.87649/-1.87642/-1.92641/-1

10、.93641/-1.93Pout2( W/dBm)676/-1.70674/-1.71676/-1.69677/-1.69679/-1.68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數(shù)I.L. OUT1/dBI.L. OUT/dBE.L. /dBS.R.D.L. /dBF.L. /dB* I.L.outi, 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米用直通臂功率：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)Pm

11、in( W/dBm)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)行對比，如表8表格8參數(shù)對照表參數(shù)IN1輸入IN2輸入直通臂插入損耗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 a /dB耦合臂偏振相關(guān)損耗 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，實驗所用 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

12、，實驗中測得的插入損耗都較大。實驗中進(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。 故實驗中 的所增加的損耗主要是器件的固有損耗。器件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.，如實驗原理中所述，標(biāo)準(zhǔn)X型和丫型D.L.60dB 而實驗測得的卻只有18.5dB。分析可知，方

13、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。而實驗中測到的光功率除了該部分還有一大部分是光纖端面的菲涅爾反 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，可能正因為實驗所用耦合器耦合區(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。單憑本次實驗，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：因為分光比為1： 1的耦合器的插入損耗為I ,L-10lg- =3.010dB。22. 真正體現(xiàn)耦合器對整個系統(tǒng)影響的參數(shù)是插入損耗還是附加損耗？答：附加損耗才能真