光无源器件参数测试实验.doc

1、 光无源器件特性测试实验指导书 - 1 -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WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD光无源器件特性测试实验指导书 - 2 -目 录一部分无源器件测试基础知识 .- 3 -二光纤耦合器的测试 .- 7 -三光纤隔离器（ISOLATOR）的特性和参数测试 .- 14 -四 波分复用/解复用器（WDM）的测试 .- 18 -五光纤衰减器（VOA）特性实验 .- 22 -光无源器件特性测试实验指导书 - 3 -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

2、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

3、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 (Optical Swich)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/T 1371392 中阐明测量条件如下：1测试环境无源器件的测量应该在 GB 24211989 中所规定的正常大气条件下进行，即温度：1535 摄氏度；湿度：4575；气压：85Kpa106Kpa 。2优先测试条件光纤类别 多模 单模光源 LED LD LD峰

4、值波长(nm) 800 800 400功率稳定性（dB） 【1】 0.05 0.05 0.0550功率处线宽（nm） 10 500 500检测系统线性度（dB） 【3】 0.05 0.05 0.05动态范围【4】频谱相应与光源匹配重复性（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；光无源器件特性测试实验指导书 - 4 -【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

5、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/T 893-1997 ） ，序号实验项目（参照 Bellcore 1209）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：

6、（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

7、件和 Bellcore 1209 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 NN 的器件为例。图 1 一个 NN 的器件器件 In1In2inNOut1Out2OutN光无源器件特性测试实验指导书 - 5 -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

8、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 NM，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（PiPj） ，附加损耗的定义是：010lg()/jmiELpP*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。 max10lg(/)ijLPD. 方向性（Di

9、rectivity）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-end crosstalk）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：10lg(/)jiDPE. 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。 10lg(/)riRP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-dependent loss）也常

10、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：-2575） ，某输出端口的插入损耗的最大变化量。光无源器件特性测试实验指导书 - 6 -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

11、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（Optical Bandpass）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nm0.1dB、nm3dB、nm20dB 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 ，polarization mode dispersion）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。光无源器件特性测试实验指导书 - 7 -二光纤耦合器的测试【实验目的】1.

12、 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

13、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(Polarization Independent Couplers)，保偏耦合器(polarization-Maintaining Coupler)，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 Mac

14、h-Zehnder 干涉仪型 Interleaver，全光纤平顶傅立叶滤波型 Interleaver(Flat-top Fourier Filter(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）zAiCzidzA121221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；1, 21,是耦合系

15、数。实际中近似有 ，可以求得上述方程组的解为：ji, CC耦合区入端锥体 出端锥体I2（背散射臂） I1（输入臂） I3（直通臂） I4（耦合臂）图 1 单模光纤耦合器瞬衰场耦合示意图光无源器件特性测试实验指导书 - 8 -（8.2） ziFCAiFzCAz expsin020cos012 21其中 （8.3）2114耦合系数 （8.4）WKVdUC2130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d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。V10,K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0,02

16、1P2F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21型单模光纤耦合器的功率变换关系式（8.5）zFCzAzP22211 sin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）dBPI

17、LINOUTiilg10B . 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)dBPELINOUTlg10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光无源器件特性测试实验指导书 - 9 -分额，一般用百分比来表示。(8.8)%10OUTPCRiD. 偏振相关损

18、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 2 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)dBPMAXINPDLjjOUTlg10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)dBPDLIN12lg0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)(lg102dBPRL其中 P1 是入

19、射光功率，P 2 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；光无源器件特性测试实

20、验指导书 - 10 -e. 换一个波长，重复 14 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 PB1310nm耦合器 I1550nm1310nm耦合器 II1550nm1310nm耦合器 III1550nm1310nm耦合器 IV1550nmB. 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）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） 。光源 耦合器光功率计光功率计iPAPBM图 4 尾纤型耦合器方向性测量原理光源 耦合器P221