光纤无源器件特性测试实验.docx
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光纤无源器件特性测试实验
光纤无源器件特性测试实验
[实验目的]
1.了解光纤活动连接器,光分路器,光耦合器及光波分复用器的工作原理及其结构.2.掌握光纤活动连接器,光分路器,光耦合器及光波分复用器的正确使用方法.3.掌握它们的主要特性参数的测试方法.
[实验内容]
1.测量活动连接器的插入损耗.
2.测量活动连接器的回波损耗.
3.测量波分复用器的光串扰.
4.学习光分路器和耦合器的结构及原理.
[实验仪器]
RC-GT-II光纤通信原理实验箱,光功率计,FC/PC光纤活动连接器两只,FC/PCY型光分路器（分光比1:
1）一只,FC/PC波分复用器两只,FC/PC光纤跳线四根.[实验原理]
（一）单模光纤活动连接器
一个完整的光纤线路是由许多光纤接续而成的.接续分为永久性的和可拆卸的两类,前者是用电弧放电法,使两根光纤端头熔化而连接在一起,后者是通过活动连接器使两根光纤31
的端面作机械接触.无论哪种接续,其基本的技术要点都是光纤模斑要匹配,光纤端面要平整,光纤轴线要对准.好的连接的标准是插入损耗小和反射损耗大.
光纤连接处的插入损耗和反射损耗的定义为
1
2
10lgs
P
L
P
=（dB）式10-1
1
2
10lgt
P
L
P
=（dB）式10-2
式中P1为入射光功率,P2为出射光功率,P3为反射光功率,如图10-1所示.由于连接处不可免的不连续性,P2P2+P3,即使后
向反射光P3小到可以略去不计,仍然有P1>P2,即插入损耗存在.
图10-1光纤连接处的功率关系
光纤活动连接器是可重复拆卸的无源器件.主要的技术要求除了插入损耗小,反射损耗大外,还有拆卸方便,互换性好,重复性好,能承受机械振动和冲击以及温度和湿度的变化.光纤活动连接器种类很多,现在使用最多的是非调心型对接耦合式活动连接器,如平面对接式（FC型）,直接接触式（PC型）和矩形（SC型）活动连接器等.
单模光纤的模场直径不足10um,被连接的两段光纤的轴心对准度必须小于1um.因此,单模光纤活动连接器的机械精度应达到亚微米级,需要超精细加工技术,包括切削加工和光学冷加工工艺技术来保证.
1.FC型单模光纤活动连接器.
典型的FC型单模光纤活动连接器结构如图10-2所示,它由套筒,插针体a,b和装在插针体中的光纤组成.将a,b两者同时插入套筒中再将螺旋拧紧,就完成了光纤的对接.两插针体端面磨成平面,外套一个弹簧对中套筒,使其压紧并精确对准定位.32
图10-2FC型单模光纤活动连接器
2.PC型单模光纤的活动连接器
FC型连接器中的两根光纤处于平面接触状态,端面间不免有小的气隙,从而引起损耗和菲涅尔反射.改进的办法是把插针体端面抛磨成凸球面,这样就使被连接的两光纤端面直接接触.
FC型和PC型单模光纤活动连接器的插入损耗都小于0.5dB,而PC型结构可将反射损耗提高到40dB.
早期的FC型和PC型光纤活动连接器的套筒和插针套管都是用合金铜或不锈钢制造的,但铜的耐磨性差,重复插拔的磨损会破坏对中精度,磨损产生的尘粒有时还会影响光的传输,因而使用寿命短.不锈钢比铜加工困难,使磨损程度有所改进.现在最好的方案是套筒和插针套管都用陶瓷制造.用氧化锆制作开槽套筒,用氧化铝制作插针套管,可得到最好的配合.采用陶瓷材料后,光纤活动连接器的寿命（插拔次数）可大于10000,而温度范围可扩展至一40～+80?
.
3.SC型单模光纤活动连接器
图10-3SC型单模光纤活动连接器
33
图10-4FC/APC型单模光纤活动连接器
SC型单模光纤活动连接器如图10-3所示.与FC型,PC型活动连接器依靠螺旋锁紧对接光纤不同,SC型活动连接器只需轴向插拔操作,能自锁和开启,体积小,最适宜于高密度安装.
SC型活动连接器采用塑料模塑工艺制造,插针套管是氧化锆整体型,端面磨成凸球面.4.FC/APC型单模光纤活动连接器
为了获得更高的反射损耗,已发展了FC/APC型单模光纤活动连接器,其结构如图10-4所示.
在这种结构中,两个插针体端面被磨成8?
倾斜,使反射波不能沿入射波的反方向前进而是逃逸到光纤之外,因此,FC/APC单模光纤活动连接器的反射损耗可达到60dB以上,而最小插入损耗可达到0.3dB.
（二）光分路器
光分路器是一种光无源元件,用来将一路输入光功率分配成若干路输出.在光纤电视分配网络中特别需要将光发送机的大功率分配给一系列光接收机.从性能,可靠性,使用方便和价格等方面考虑,现在无例外地都采用熔锥型单模光纤耦合器构成1Xn光分路器.将2X2单模光纤耦合器（图10-5）的第4臂剪去,即得1X2光分路器.同法将3X3单模光纤耦合器（图10-6）的第5,6臂剪去即得1X3光分路器.
P1P2
12
43
P4P3
图10-52X2单模光纤耦合器
单模光纤
耦合器
34
62P2
P113P3
54P4
图10-63X3单模光纤耦合器
对于n?
4,有两个办法构造1Xn光分路器,其一是若干个1X2的光分路器的级联,其二是若干个1X2光分路器和1X3光分路器级联.
在1X3光分路器出现以前,只能用1X2光分路器链构造1Xn光分路器,例如:
两个1X2光分路器级联构成1X3光分路器,三个1X2光分路器级联构成1X4光分路器.依此类推,为了构造一个n=2k的1Xn光分路器,就需要n-1个1X2光分路器作k级级联,图10-7是1X8光分路器的例子.由于第一个1X2光分路器都有附加损耗,帮多级级联必然造成较大的附加损耗和多重反射,特别是级联是通过熔接来实现时尤其如此.
采用1X3光分路器作为1Xn光分路器的构成单元,可以大大减少级联数,从而减小1Xn光分路器的附加损耗和多重反射.图10-8是联合运用1X2和1X3光分路器单元来构造1Xn（n?
4）光分路器的方案.由图可见一个1X9光发路器只需四个1X3光分路器的二级级联.利用自动化的连续熔融拉锥设备可以实现图10-8的构成方案而级间不用熔接,并且各输出口的分光比可任意指定.这比用多个分光比5%分档的市售1X2光分路器熔接而构成的1Xn光分路器要优越得多.
图0-71X8分路器的构成图10-8光分路器的构成方案
单模光纤
耦合器
35
（三）光耦合器
光耦合器又称光定向耦合器（directionalcoupler）,是对光信号实现分路,合路,插入和分配的无源器件.它们是依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作的.
1.光耦合器的分类
光定向耦合器的种类很多,最基本的是实现两波耦合的耦合器.从结构上说,两个入口的光定向耦合器有如图10-9所示的品种.
第一类为微光元件型.除了图10-9（a）那样采用微型透镜,半反射透镜的结构外,多数都是以自聚焦透镜为主要的光学构件,如图24-9（b）,（c）,（d）,（e）,（f）.利用λ/4的自聚焦透镜能把会聚光线变成平行光线的特点来实现两束光线的耦合.
第二类为光纤成形型,如图10-9（g）.星形耦合器是光纤成形中最典型的形式,可以用两根以上的光纤经局部加热融合而成.这种光纤耦合器的制作要经过几道工序:
首先去掉光纤的被覆层,再在熔融拉伸设备上平行安装两根光纤,然后用丁烷氧微型喷灯的火焰将光纤局部加热融合,并渐渐将融合部分的直径从200um左右拉细到20～40um左右.由于这种细芯中的光场渗透到包层中,所以两个纤芯之间就会产生光的耦合,拉伸程度不同,耦合比也不同.这种光纤耦合器的附加损耗和分光比由光纤选型和熔融拉伸工艺所决定,若人工操作,则成品率不高.现在已出现自动熔融拉伸设备,可以自动监测分光比和拉伸量,用计算机控制微型喷灯的工作及气流量,这样制得的熔锥型光纤耦合器的平均插入损耗可达0.1dB以下,分光比精度可达1%以下.熔锥型光纤耦合器的结构如图10—10所示.
第三类为光纤对接耦合型.它是用玻璃加工技术,把光纤磨抛成楔形,将两根光纤的楔形斜面对接胶黏后,再与另一根光纤的端面黏结.其附加损耗可以低于1dB,隔离度大于50dB,分光比可由1:
1至1:
100.或者先将两根光纤在一定长度上磨掉近一半,然后把这两半光纤黏结在一起.如图10-9（h）所示.
第四类为平面波导型.它是用平面薄膜光刻,扩散工艺制作的,其一致性好,分光比精度也高,但耦合到光纤的插入损耗较大.如图10-9（i）所示.
在上述各类光耦合器中,熔锥型光纤耦合器制作方便,价格便宜,容易与外部光纤连接为一整体,而且可以耐受机械振动和温度变化,故应用最多.
36
图10-9几种光定向耦合器的结构示意图
37
图10-10熔锥型光方向耦合器
2.2X2单模光纤耦合器的性能指标
2X2单模光纤耦合器的结构方框图如图10-11所示.
图10-112X2单模光纤耦合器方框图
2X2单模光纤耦合器按应用目的可分别制成分路器和波分复用器,前者工作于一个波长,而后者则工作于两个不同的波长.当工作于一个波长时,光源接于端口1（或4）,光功率除了传输到端口2（或3）外,也耦合到端口3（或2）.几乎没有光功率从端口1（或4）耦合到端口4（或1）.另外系统是可互易的,端口1,4可以与端口2,3交换.这种耦合器的技术指标如下.
1.工作波长λ0
通常取1.31m或1.55m.
2.附加损耗Le
附加损耗的定义为
21
1
10lge
PP
L
P
+
=（dB）式10-3
式中Pl为注入端口1的光功率,P2,P3分别为端口2,3输出的光功率.好的2X2单模光纤耦合器的附加损耗可小于0.2dB.
3.分束比（或分光比）Ri
分束比的定义为
23
i
i
P
R
PP
=
+
i=2,3式10-4
38
其值根据应用要求而定.
4.分路损耗Li
分路损耗的定义为
ei
i
iLR
p
P
L+==lg10lg10
1
i=2,3式10-5
5.反向隔离度Lr
反向隔离度的定义为
4
1
10lgr
P
L
P
=式10-6
通常应有Lr>55dB.测量反向隔离度时,须将端口2,3浸润于光纤的匹配液中,以防止光
的反射.
6.偏振灵敏度?
R
偏振灵敏度的定义为光源的偏振方向变化90?
时,光纤耦合器分束比变化的分贝数.好
的光纤耦合器的偏振灵敏度应小于0.2dB.7.光谱响应范围?
λ
光谱响应范围是指光纤耦合器的分束比保持在给定误差范围内所允许的光源波长变化
范围.通常?
λ值为土20nm.
除此以外,尚有机械性能和温度性能指标.当工作于两个不同的波长时,若两个波长为
λ1,λ2的光波都从端口l注入,则端口2为λ1光波的输出口,端口3为λ2光波的输出口.波
分复用器的主要技术指标如下.1）工作波长λ1,λ2
工作波长A1,λ2值由应用要求而定,例如1.31m/1.55m…
2）插入损耗Li
插入损耗的定义为
1
2
1
10lgi
P
L
P
λ
=
或
2
3
1
10lg
P
P
λ
式10-7即波长为λ1输入光功率P1与输出光功率P2之比（化成分贝数）或波长为λ2的输入光功率
P1与输出光功率P2之比（化成分贝数）.优良的波分复用器的插入损耗可小于0.5dB.
3）波长隔离度Lλ
波长隔离度的定义为
39
1
3
2
10lg
P
L
Pλ
λ
=
或
2
2
3
10lg
P
P
λ
式10-8
它们是一个波长的光功率串扰另一波长输出臂程度的度量（化成分贝数）.Lλ值一般应达到20dB以上.
4）光谱响应范围?
λ
通常指插入损耗小于某一容许值的波长范围.要根据应用要求而定.
除此以外还有机械性能和温度性能指标.
一个典型的1.31m/1.55m熔锥型单模光纤波分复用器的谱损曲线如图10-14所示.作为波分复用器的单模光纤耦合器可单向运用,也可双向运用.在单向运用时,两个不同波长的光波从端口1注入,端口2,3分别有一个波长的光波输出,这是分波器.反之,两个不同波长的光波分别从端口2,3注人,则端口1有两个波长光波的合成输出,这是合波器.合波器,分波器分别应用在波分复用光纤传输系统的发送端和接收端,如图10-12所示.在双向运用时,正方向和反方向传输的光波的波长不同,两个波分复用器分别置于双向光纤传输系统的两端,起按波长分隔方向的作用,如图10-13所示.
波分复用器的合波状态应用较多,例如,在掺饵光纤放大器中将980nm或1480nm波长的泵浦（pump）光与1550nm波长的信号光合成起来注入掺饵光纤.
图10-12波分复用光纤传输系统
图10-13双向光纤传输系统
40
图10-141.31m/1.55m熔锥型单模光纤波分复用器的谱损曲线
（四）各无源器件特性测量框图
1.测试活动连接器插入损耗的实现
向光发机的数字驱动电路送入一伪随机信号（长度为24位）,保持注入电流恒定.将活动连接器连接在光发机与光功率计之间,记下此时的光功率P:
;取下活动连接器,再测此时的光功率,记为P1,将P1,P2代入公式24-1即可计算出其插入损耗.其实验原理框图如图10-15所示:
图10-15活动连接器插入损耗的测量原理图
2.活动连接器的回波损耗:
向光发机的数字驱动电路送入一伪随机信号（长度为24位）,保持注入电流恒定.测得此时的光功率记为P1.将活动连接器按图10-16接入.测得此时的光功率为P2,将P1,P2代入公式10-2即可计算出其回波损耗.其测试框图如图10-16所示:
41
图10-16活动连接器回波损耗的测量
3.波分复用器的光串扰,波分复用器的光串扰即为其隔离度,其测试原理,框图如图10-17所示:
图10-17波分复用器光串扰的测量原理图
上图中波长为1310nm,1550nm的光信号经波分复用器复用以后输出的光功率分别为P1,P2,解复用后分别输出的光信号,此时从1310窗口输出13lOnm的光功率为P11,输出1550nm的光功率为P12;从1550窗口输出1550nm的光功率为P21,输出1310nm的光功率为P22.将各数字代入下列公式:
1
12
22
10log
P
L
P
=式10-9
2
21
12
10log
P
L
P
=式10-10
上式中L12,L21即为相应的光串扰.
由于便携式光功率计不能滤除波长1310nm只测1550nm的光功率,同时也不滤除
42
1550nm只测1310nm的光功率.所以改用下面的方法进行光串扰的测量.
测量1310nm的光串扰的方框图如10-18（a）所示:
测量1550nm的光串扰的方框图如10-18（b）所示:
图10-18波分复用器光串扰的测量框图1
12
22
10log
P
L
P
=式10-11
2
21
12
10log
P
L
P
=式10-12
上式中L12,L21即是光波分复用器相应的光串扰.[实验步骤]
（以下实验步骤以1310nm光端机的计算机接口一部分讲解,即实验箱左边的模块.
1550nm光端机部分与其相同）
（一）活动连接器的插入损耗测量
1.关闭系统电源,按图10-15（a）将光发送模块的的光输出端（1310nmTX）,光跳线,
光功率计连接好.
2.连接导线:
将固定速率时分复用接口模块的FY-OUT与光发送单元的数字信号输入
端口P202连接,连接固定速率时分复用单元的D1,D2,D3到D_IN1,D_IN2,D_IN3.
3.将单刀双掷开关S200拨向数字传输端.4.开启系统电源用光功率计测量此时的光功率P1.
5.将光跳线和活动连接器串入其中,如图10-15（b）,测得此时的光功率为P2.6.代入公式10-1计算活动连接器的插入损耗.
43
7.关掉交流电开关.拆除导线以及各光器件.
（二）活动连接器回波损耗测量
1.按图10-16（a）将光发送模块的的光输出端（1310nmTX）,Y型分路器,光功率计连接好.
2.连接导线:
关闭系统电源,保持上一个实验内容的连接不变.
3.打开电源开关,用光功率计测量此时光发端机的光功率P1.
4.再按图10-16（b）连接测试系统,测得此时的光功率为P2.代入10-2式计算活动连接器的回波损耗.
5.关掉各直流开关,以及交流电开关,拆除导线及光器件.
（三）波分复用器的光串扰测量
1.连接导线:
关闭系统电源,保持上一个实验内容的连接不变,新增加1550nm光端机部分的固定速率时分复用电路的连接线,产生FY-OUT,并送到1550nm光发送模块的数字信号输入端口.将两个光发送模块的开关S200拨向模拟传输端,并将跳线J200断开.2.波分复用器的连接.
1）将一波分复用器标有"1550nm"的光纤接头插入"1550nmTX"端口;2）将另一个波分复用器的标有"1310nm"的光纤接头插入"1310nmTX"端口.3）用FC/PC活动转接器将两个波分复用器"IN''端相连.
3.开启系统电源,将1310nm光发模块的开关S200拨向数字传输端,将光功率计选择1310nm档,分别测出图10-18（a）中的P1,P22.
4.将13lOnm光发送模块的开关拨向模拟传输端,将1550nm发送模块的开关S200拨向数字传输端,将光功率计选择1550nm档,分别测出图10-3（b）中的P12,P21.5.将P1,P22,P2,P21代入式10-11,式10-13中算出波分复用器的光串扰.6.做完实验关闭系统电源开关.
7.拆除导线以及光学器件.
8.将各实验仪器摆放整齐.
[实验结果]
1.记录各实验数据,根据实验结果算出活动连接器的插入损耗,活动连接器的回波损耗以及波分复用器的光串扰.
2.分析活动连接器插入损耗产生原因.
3.当Y型分路器的分光比为l:
4时,设计测试活动连接器的回波损耗实验,并推导出计算公式.
4.试设计实验测量波分复用器的插入损耗.
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