光纤耦合器的测试2.

实验二 耦合器的测试 实验目的
1. 了解耦合器的特性及其简单应用。

2. 掌握耦合器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(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Mach-Zehnder 干涉仪型Interleaver ，全光纤平顶傅立叶滤波型Interleaver(Flat-top Fourier Filter(F 3T)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：
()
()()
()()()⎪⎩⎪⎨⎧+=+=z A iC z A i βdz
z dA z A iC z A i βdz z dA 121122
212111 （8.1） 式中，()()z A z A 21,是两根光纤的模场振幅；21,ββ是两根光纤在孤立状态的纵向模传播常数；()1,2j i, =ij C 是耦合系数。

实际中近似有2112C C =，可以求得上述方程组的解为：
入端锥体
出端锥体
I 2
（背散射臂） I 1 （输入臂）
I 3
（直通臂）
I 4
（耦合臂）
图8.1 单模光纤耦合器瞬衰场耦合示意图
()()()()()()()()()()⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+
+⎪⎭⎫
⎝⎛=z i z F C A C A iF z F C A z A z i z F C A C A iF z F C A z A ββββββexp sin 020cos 0exp sin 020cos 0221122121211 （8.2） 其中()2
1222141-⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡-+=C F ββ （8.3）
耦合系数 ()()
()
W K V Wd K U C 213202212ρρ∆= （8.4）
其中ρ是光纤半径，d 是两光纤中心的距离，U 是纤芯横向传播常数，W 是包层横向衰减常数，V 是孤立光纤的归一化频率，10,K K 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()()00,1021==P P 显然，当两根光纤相同时，有21ββ=，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
()()()()⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎪⎭⎫ ⎝⎛-==z F C F z A z P z F C F z A z P 2222
222211sin sin 1 （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，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、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。

()dB P P IL IN
OUT i i lg
10-=
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。

()dB P P
EL IN
OUT
∑-=lg
10
附加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，实验中务必是学生搞清楚这一点。

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。

%100⨯=
∑OUT
OUT P
P CR i
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。

()()()dB P
MAX P MIN PDL j
j
OUT OUT lg
10-=
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。

()dB P P DL IN IN 1
2lg
10-=
实验步骤：
A. 耦合器插损、附加损耗、分光比的测量（插入法）【注：还有其他方法，例如剪断法等，
有兴趣的科学可以查阅相关资料】
图8.2 实验装置图
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（如果要更换波长，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。

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P 2。

（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）
b) 保证ij P 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) 按下列公式计算出光纤耦合器的方向性。

1
2
lg
10P P -=α 其中：α为方向性(dB)；P 1为输入光功率；P 2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。

参见公式8.5，公式中含有以波长为变量的参数。

2， 耦合器可以把能量分配到两个端口（额外损耗很小），如果反过来把两个端口输入光，
会出现什么现象？（反过来入射的两个光没有固定的相位关系）
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 端口可以输出B 端口的x ％，输出C 端口的（1－x ）％
实验中四个耦合器分别为：I （49.9％）；II （40.9％）；III （11.0％），IV （31.4％）
P i1 P iM
图8.4 尾纤型耦合器方向性测量原理。