光无源器件参数测试实验.docx
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光无源器件参数测试实验
光无源器件参数测试实验系统
GCPT-B
实
验
指
导
书
（V1.0）
武汉光驰科技有限公司
WUHANGUANGCHITECHNOLOGYCO.,LTD
一．部分无源器件测试基础知识
近年来，光纤通信发展非常迅速，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。
光纤通信的发展呼唤着功能更全、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）、衰减器、波分复用/解复用器（WDM）、光分/插复用器（OADM）、光交叉互联器（OXC）、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。
下面我们介绍一些基本的测试环境和条件，国标GB/T13713－92中阐明测量条件如下：
1．测试环境
无源器件的测量应该在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。
2．优先测试条件
光纤类别
多模
单模
光源
LED
LD
LD
峰值波长（nm）
>800
>800
>400
功率稳定性（dB）【1】
0.05
0.05
0.05
50％功率处线宽（nm）
<100
<5
<3
注入到光纤中的功率（uW）【2】
>10
>500
>500
检测系统
线性度（dB）【3】
0.05
0.05
0.05
动态范围【4】
与光源匹配
频谱相应
重复性（dB）
0.15
0.15
0.15
注：
【1】：
在整个测量周期中或至少1h；
【2】：
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；
【3】：
检测系统的特性响应不应偏离比规定水平大的线性；
【4】：
测量系统总稳定性应该在整个测量周期中没有超过规定的变化。
3．测量应该注意的事项还有
A.为了保证包层模不影响测量，应按照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该保持固定，并考虑光纤上的应力和最小弯曲半径的影响；
耦合器的几种老化实验条件和数据（YD/T893-1997），
序号
实验项目（参照Bellcore1209）
插入损耗变化量（dB）
分光比变化量
1
振动实验（GB/T2423.10）
<=0.1
<=0.5%
2
冲击实验（GB/T2423.15）
<=0.1
<=0.5%
3
高温实验
<=0.2
<=3%
4
低温实验
<=0.2
<=3%
5
高低温循环实验
<=0.2
<=3%
其中：
（精度为±2摄氏度的高低温恒温湿箱）
（一）高温实验条件为：
以温度变化速率不大于1摄氏度/分钟（不超过5min平均值）升至最高温度85摄氏度，保持恒温2小时，恢复至常温后，进行测试；
（二）低温实验条件为：
以温度变化速率不大于1摄氏度/分钟（不超过5min平均值）降至最低温度-40摄氏度，保持恒温2小时，恢复至常温后，进行测试；
（三）高低温循环实验：
将样品在高温下测量其插损，然后升温至85摄氏度，保持恒温30分钟，然后降温至-40摄氏度，保持30分钟，取出在常温下2小时，擦去水珠，测量并记录其插入损耗值，继续进行下一个循环试验。
注：
上面的三个条件和Bellcore1209略有区别，但总的原理是一样的，起到老化实验
前面我们只是笼统的简单介绍了一下测试环境，实际中每种器件都有详细的国际通用的测试标准和国标，测试条件、环境、过程等的规定还是略有区别。
下面我们介绍一些基本的概念，以图1中所示的N×N的器件为例。
图1一个N×N的器件
A.插入损耗（IL）
插入损耗常常简称为插损，指一个输出端口的输出功率和一个输入端口输入功率的比值，插入损耗常常包括两部分，一部分是器件非理想造成的附件损耗（通常是不期望存在的），另外一部分是器件本身特性造成的（例如分路器【splitter，也叫耦合器coupler】的分光比，例如某个端口本身应该输出20％的输入光，对这个端口来说，本来就应该有80％的“损耗”）。
B.附加损耗（EL）
附加损耗也常常称之为额外损耗。
一般一个N×M，对于某一个输入功率P0，我们期望其中的某一个或者某几个端口输出（Pi…Pj），附加损耗的定义是：
*请注意区分附加损耗和插损损耗。
C.均匀性（uniformity）
均匀性也常常称之为分光比容差，一般是针对光纤耦合器而言的。
对于均匀分光的多端口耦合器，各输出端口的光功率的最大相对变化量。
D.方向性（Directivity）
方向性是衡量器件定向传输特性的参数，也常常称之为近端串扰（near-endcrosstalk）或者近端隔离度，对于一个有多个输入端的器件，其中某个端口I输入功率Pi，在其他输入端口中反射回来的光功率Pj，那么方向性的定义是：
E.回损（reflectance）
回损是衡量器件定向传输特性的参数，但其定义是回到入射端口的光功率的大小的相对值。
其中Pi是入射光功率，Pr是反射回入射端口的光功率。
*注意回损和方向性定义的中端口的区别。
F.偏振相关损耗（PDL，polarization-dependentloss）
也常常称之为偏振相关灵敏度，表征输入信号在所有偏振状态下，某输出端口的插入损耗的最大相对变化量，用dB表示。
G.温度相关损耗（TDL）
也常常称之为温度相关灵敏度，表征输入信号在使用温度范围内（例如：
-25℃～75℃），某输出端口的插入损耗的最大变化量。
H.隔离度（Isolation）
对于波分复用器来说，又叫远端串扰。
表征某一个光信号通过分波器后在不期望的波长端口输出的光功率量，用dB表示。
对隔离器来说，隔离度定义是隔离器反向输入光信号，输出光功率与输入光功率的比值就是隔离度。
也有的资料上把隔离器的隔离度定义微正向和反向输入同样的光功率情况下，输出功率的比值，两种定义上，相差一个插入损耗，通常使用前面的定义。
I.工作带宽（OpticalBandpass）
表征器件工作时的波长范围，通常是某端口的插入损耗随波长的变化范围，常常用********、nm@3dB、nm@20dB等表示，表示工作波长的峰值功率的0.1dB、3dB、20dB处的带宽。
J.偏振模色散（PMD，polarizationmodedispersion）
表征当两个相互垂直的偏振态入射光信号通过器件后的最大延迟量，常用ps表示。
【注意】：
该无源器件测试系统所采用的双光源为FC/APC接头。
二．光纤耦合器的测试
【实验目的】
1.掌握耦合器的部分常用特性（插损、额外损耗、分光比，PDL、方向性）的定义及其简单应用。
2.掌握耦合器的部分常用特性的测试方法和基本测量仪器的使用。
【实验原理】
熔融拉锥型全光纤耦合器（Coupler）是光纤通信系统中重要的基本器件，可以用作各种比例的功率分路（Splitter）/合路（Combiner）器；波分复用器（WDM）；光纤激光器的全反镜；非线性光环镜（NOLM）；无源光纤环；Mach-Zehnder光纤滤波器等；在传感领域可利用其作成Mach-Zehnder,Michelson,Sagnac,Fabry-Perot光纤干涉型和光纤环形腔干涉型光纤传感器；此外还是光纤陀螺仪和光纤水听器及多种光学测量仪器的关键部件。
目前比较先进的熔融拉锥设备不仅能制作各种分光比的标准耦合器，而且可以制作宽带单窗口/双窗口耦合器，偏振无关耦合器（PolarizationIndependentCouplers），保偏耦合器（polarization-MaintainingCoupler），多模耦合器，偏振分束器（PBS），粗波分复用器（CWDM），泵浦耦合器包括EDFA用980/1550,980/1590,980/1480；光纤拉曼放大器用的14XX泵浦合波器；还可以制作OADM型和中继型组合功能器件，级联单锥式增益平坦滤波器（GFF），全光纤非平衡Mach-Zehnder干涉仪型Interleaver，全光纤平顶傅立叶滤波型Interleaver（Flat-topFourierFilter（F3T）Interleaver），此外亦可制作光固定衰减器。
图1可用来定性的表示熔融拉锥光纤耦合器的工作原理。
入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。
在弱导和弱耦近似下，忽略自耦合效应，并假设光纤是无吸收损耗的，则在耦合区有模式耦合方程组：
（8.1）
式中，
是两根光纤的模场振幅；
是两根光纤在孤立状态的纵向模传播常数；
是耦合系数。
实际中近似有
，可以求得上述方程组的解为：
（8.2）
其中
（8.3）
耦合系数
（8.4）
其中
是光纤半径，
是两光纤中心的距离，
是纤芯横向传播常数，
是包层横向衰减常数，
是孤立光纤的归一化频率，
是零阶和一阶修正第二类Bessel函数。
这里，已假定光功率由一根光纤注入，初始条件为
显然，
代表着光纤之间耦合的最大功率。
当两根光纤相同时，有
，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
（8.5）
耦合器是光通信技术中一种重要的光无源器件，简言之，耦合器（Coupler）就是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。
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、额外损耗、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。
（8.6）
B.额外损耗（EL）
额外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。
（8.7）
额外损耗是体现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，实验中务必使学生弄清楚这一点。
一般情况下，耦合器的损耗小于0.2dB。
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。
（8.8）
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，又称偏振灵敏度。
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。
（8.9）
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。
（8.10）
回损是衡量器件定向传输特性的参数，但其定义是回到入射端
口的光功率的大小的相对值。
（8.11）
其中P1是入射光功率，P2是反射回入射端口的光功率。
【实验步骤】
A.耦合器插损、额外损耗、分光比的测量（插入法）
【注：
还有其他方法，例如剪断法等，有兴趣的同学可以查阅相关资料】
图2实验装置图
a.将跳线一端接在光纤光源的测试使用波长端口，另一端接功率计。
接通主机光源和功率计电源，待稳定后记录下光源的输出功率Pin。
b.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输入（Input）端口；（注意其他所有环境条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）
c.分别记录下耦合器的两个输出端的功率值；
d.利用前面提到的公式去计算插损、额外损耗和分光比；
e.换一个波长，重复1—4步骤。
注意不同波长下的分光比的区别。
f.将光源工作电流调整为零，关闭光源与功率计。
图3插损、额外损耗和分光比的测试
实验结果数据记录表
序号
测试
波长
Pin
PA
PB
耦合器I
1310nm
1550nm
耦合器II
1310nm
1550nm
耦合器III
1310nm
1550nm
耦合器IV
1310nm
1550nm
B.方向性（DL）和回损（RL）的测量
测量尾纤型光纤耦合器的方向性，方法如下：
a.如图4所示测量耦合器反射回到端口2的光功率P2。
（一般需在光纤空闲端面处放置匹配液或者绕很小的环，让光纤的端面没有光反射，这里由于端面为APC端面，所以不用考虑）
图4尾纤型耦合器方向性测量原理
b.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.按下列公式计算出光纤耦合器的方向性。
（8.12）
其中：
为方向性（dB）；P1为输入光功率；P2为2端口输出光功率。
测量尾纤型光纤耦合器的回损，方法如下：
d.如图5所示测量耦合器反射回到端口2的光功率P3。
（一般需在光纤空闲端面处放置匹配液或者绕很小的环，让光纤的端面没有光反射，这里由于端面为APC端面，所以不用考虑）
图5尾纤型耦合器方向性测量原理
e.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）。
f.按下列公式计算出光纤耦合器的回损。
（8.13）
其中：
为回损（dB）；P1为输入光功率；P3为返回光功率。
一般正常的耦合器的方向性和回损都大于50dB，这里为了让同学能够测量出回损和方向性，所以部分耦合器故意降低了方向性和回损。
耦合器I
耦合器II
耦合器III
耦合器IV
P1（13）
P2（13，A）
P1（15）
P3（15，A）
C.偏振相关损耗（PDL）的测量
测量尾纤型光纤耦合器A端口的偏振相关损耗PDL，方法如下：
a.如图6所示光源输出的光测量经过偏振控制器后，再经过待测耦合器，在功率计上测量A端口光功率值。
b.改变偏振控制器状态，尽可能的获得所有状态，记录下最大Pmax和最小Pmin输出功率，为了方便计算，单位使用dBm。
（注意其他所有条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）。
c.按下列公式计算出光纤耦合器的
，单位为dB（一般耦合器的
小于0.1dB）。
（8.14）
耦合器I
耦合器II
耦合器III
耦合器IV
Pmax（dBm）
Pmin（dBm）
最后根据所有实验数据计算下表
序号
测试
波长
分光比
A端（％）
EL
dB
IL（A）
dB
IL（B）
dB
DL/RL
dB
PDL（A）
dB
耦合器
I
1310nm
1550nm
耦合器
II
1310nm
1550nm
耦合器
III
1310nm
1550nm
耦合器
IV
1310nm
1550nm
【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.插入法测量插损过程中，可能引入哪些不确定因素（也就是可能造成误差的原因）？
3.为什么一般测量过程中，不考虑功率计对不同的输入光纤所造成的差别。
4.50：
50的耦合器的插损是多大？
为什么把它叫3dB耦合器？
5.耦合器可以把能量分配到两个端口（额外损耗很小），如果反过来有两束单独的光信号从两个端口输入，这两束光能不能都回到原来的输入端呢（合束）？
（反过来入射的两个光来自两个独立的光源）
6.公式8.9和8.14是否不同？
7.公式8.11和公式8.13为什么相差一个系数4？
8.对于回损，如果没有3dB耦合器，那么8.13中的系数应该是多少？
9.利用额外损耗和分光比计算下图E点的输出功率，再利用插损计算E点的输出功率，理解为什么工程中引入插损这个定义。
（假设光源输出功率为0dBm，每个连接点损耗0.2dB，所有耦合器的A端连接下一个耦合器的输入端）
思考题参考答案：
1.参见公式8.5，公式中含有以波长为变量的参数。
2.跳线本身的损耗、测量过程中光纤的弯曲等位置上的变化引入的损耗、光源输出法兰盘和跳线的连接损耗与和耦合器的连接损耗的不同（包括跳线与耦合器的光纤的模场直径、数值孔径、偏芯程度、插芯的偏芯程度、连接器端面的洁净程度等等有关）。
3.因为功率计的探测面积选用的很大，所以对于常用的通讯用光纤来说，造成的影响极小，所以一般不予考虑。
4.一般为3.2dB附近，在理论上50％的插损应该是3dB，所以叫3dB耦合器。
5.如果A为输入端，B、C为输出端，而从A输入的光，B端口输出x％的光。
当光反过来入射的时候，A端口也只能输出B端口入射光功率的x％，所以不能造成合束。
6.两个公式实际上是相同的，只是表达方式不同，公式8.9中的功率单位是绝对功率，公式8.14中的功率单位是dBm。
7.两者相差的系数是因为引入了3dB耦合器，光信号在3dB耦合器中的一个往返造成了两个1/2的损耗（由于额外损耗很小而被忽略了）。
8.例如用一个30：
70的耦合器代替3dB耦合器，那么系数就会变成1/（30％×70％），约为4.76。
9.
利用额外损耗和分光比计算如下：
利用插损计算如下：
从上述两种计算过程可以看出来，引入插损是为了工程施工计算方便。
三．光纤隔离器（Isolator）的特性和参数测试
【实验目的】：
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。
【实验原理】：
在高速率的光纤通信系统中要求激光光源非常稳定，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1隔离器工作基本原理图
在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，经过合适长度的旋光片旋光后，偏振面旋转了45º，正好顺利通过安放在45º角上的第二个起偏器。
但如有反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2所示，主要注意的是：
光源的波长必须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。
正向插入损耗
，定义为正向传输时输出光功率与输入光功率之比。
其中：
为回损（dB）；Pin为输入光功率；Pout为输出光功率。
B.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3：
图3隔离器隔离度测试原理示意图
反向隔离度
，定义为反相传输时输出功率与输入功率之比。
其中：
为回损（dB）；P1为输入光功率；P3为返回光功率。
**隔离度常常有两种定义，常见的如上述所介绍的，还有一种是相同功率光源正向通过的功率和反向通过的功率的比值。
这两种定义上仅仅差一个插损值，因为插损值和隔离度相比很小，所以两者基本一致。
多数情况下使用的是前者！
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。
改变偏振控制器状态，尽可能的获得所有状态，记录下最大Pmax和最小Pmin输出功率，为了方便计算，单位使用dBm。
（注意其他所有条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）。
按下列公式计算出光纤耦合器的
，单位为dB（一般耦合器的
小于0.1dB）。
需要注意的是隔离器的
会因为隔离器的种类、工作波长等差异很大，这一点可能和耦合器不同，例如偏振无关隔离器的
可能很小，而偏振相关
很大。
D.回波损耗
隔离器的回波损耗
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，因为如果隔离器的回波强，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。
图5隔离器的回损测量原理图
其中：
为回损（dB）；P1为输入光功率；P2为返回光功率。
【实验步骤】
1.利用耦合器测试实验的过程，自行设计如何测量隔离器的插损、回损、隔离度、PDL，并确定此隔离器是什么波段的？
什么方向的？
端口
波长
IL（dB）
方向
隔离度（dB）
RL
PDL
A—B
1310nm
B－A
A—B
1550nm
B－A
【思考题】：
1.隔离器的核心工作原理是什么？
2.实验中的隔离器1310nm和1550nm的隔离度差异较大，为什么？
3.试着说出一种隔离器的使用环境？
4.如何简单区分偏振无关隔离器和偏振相关隔离器？
5.漆黑的晚上，在屋子外面可以透过窗户看清楚亮灯屋子内部的情况，可是在屋子内部就看不见屋子外面的情况，请问这种情况和隔离器相同吗？
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