实验1.9WDM光波分复用器

1.9 WDM光波分复用器
实验者：钦(12342080)
合作者：王唯一(12342057)
（大学物理科学与工程技术学院，光信息科学与技术12级2班 B13）
2015年3月26日，19,70%
c
一、实验目的和容
1、了解WDM光波分复用器的工作原理和制作工艺,即熔融拉锥技术。

2、认识WDM光波分复用器的基本技术参量的实际意义，学会测量插入损耗、附加损耗、隔离度、偏振相关损耗等。

3、分析测量误差的来源。

二、实验基本原理
在熔融拉锥技术中，具体制作方法一般是将两根（或者两根以上）除去涂覆层的裸光纤以一定方式靠近，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，利用计算机监控其光功率耦合曲线，并根据耦合比与拉伸长度控制停火时间,最后形成双锥结构。

采用熔融拉锥法实现光纤间传输光功率耦合的耦合系数与波长有关，光传输波长发生变化时，耦合系数也会变化，即耦合器的分光比发生变化。

考虑到熔融拉锥的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系数与传输波长的关系越大，所以尽量减少熔融拉锥中耦合的次数，最好在一个周期完成耦合。

合理改变熔融拉锥条件，能够获得不同功能的全光纤耦合器件。

熔融拉锥机的控制原理模块图如图1所示。

熔融拉锥型光纤耦合器工作原理示意图如图2所示。

图1 熔融拉锥机系统控制示意图
图2 熔融拉锥型光纤耦合器工作原理示意图
1、单模耦合器
HE信号。

图3是单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图。

但在单模光纤中传导模是两个正交的基模
11
传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，归一化频率V逐渐减小，有越来越多的光功率掺入光纤包层中。

实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质（一般是空气）作为包层的复合波导中传播的；在输出端，随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定比例“捕获”。

在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。

将一根光纤看做是另一光纤的扰动，在弱导近似下，并假设光纤是无吸收的，则有
图3 单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图
耦合方程组
⎪⎩⎪⎨⎧++=++=121222222
1211111)()
()()
(A iC A C i dz
z dA A iC A C i dz z dA ββ （1） 式中，1A 、2A 分别是两根光纤的模场振幅；1β、2β是两根光纤在孤立状态的传播常数；ij C 是耦合系数。

实际上，自耦合系数相对于互耦合系数可以忽略，且近似有C C C ==2112。

可以求得上述方程组满足0=z 时)0()(11A z A =、)0()(22A z A =的解为
⎪⎩
⎪⎨⎧
-++=-++=)
exp()}sin()]0(2)0([)cos()0({)()exp()}sin()]0(2)0([)cos()0({)(221122121211
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 ββββββ （2） 其中2
2
1βββ+=
为两传播常数平均值，21
2221]4)(1[-++=C F ββ，W
K rV r Wd K U C 2
13022/1)
/()2(∆=，此处r 为光纤半径，d 是两光纤中心的间距，co n 和cl n 分别是纤芯和包层的折射率，U 和W 是光纤的纤芯和包层参量，V 是孤立光纤的光纤参量，0K 及1K 是零阶和一阶修正的第二类贝塞尔函数。

⎪⎪⎪⎩
⎪⎪
⎪⎨
⎧=
∆=-=∆-=-=λπββ2]2[2/][)()(2
/12222/12222/122
2k krn V n n n n k r W n k r U co co
cl co cl co （3） 由此可求得每根光纤中的功率为
⎪⎩
⎪⎨⎧=-==)
(sin )()(sin 1|)(|)(22222211
z F C F z P z F C F z A z P （4）
这里已假定光功率由一根光纤注入，初始条件为,0)0(,1)0(21==P P 则2
F 代表光纤之间耦合的最大
功率。

当两根光纤相同时，21ββ=，则12=F ，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
⎩⎨⎧==)
(sin )()(cos )(2
22
1Cz z P Cz z P （5） 由此可得两端口相对功率与拉伸长度的关系曲线如图4所示。

通过对拉伸程度和熔融程度的细致控制，合理调整参数，就可以获得不同分光比的光耦合器。

图4 耦合比率与熔融拉锥长度的关系
对于不同波长，耦合比率对熔融拉锥长度有着不同的响应，如图4，当拉伸至E 处时，对1310nm ，耦合比率为0，对1550nm ，耦合比率为1，此时即形成本实验所用的1310/1550熔融拉锥全光纤型波分复用器。

2、多模耦合器
多模光纤中，传导模是若干个分立的模式，总的模式数2/2
V M =，V 为归一化频率。

当传导模进入熔锥区时，纤芯变细导致V 值减小，束缚的模式数减少，远离光轴的高阶模进入包层形成包层模，当纤芯
变粗时以一定比例被耦合臂捕获，获得耦合光功率。

拉锥区的长度决定了光耦合的程度，一旦拉伸长度确定后，光耦合器的特性就确定下来了。

3、WDM 器件的一些技术参数
插入损耗（Insert Loss ）：无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比（dB ），
in
out
P P L I lg
10..-= （6） 其中，in P 发送进输入端口的光功率，out P 是从输出端口接收到的光功率。

附加损耗(Excess Loss)：功率分配耦合器的所有输出端口光功率总和相对于全部输入光功率的减少量：
..10lg
out
i
in
P
E L P =-∑ （7）
E.L.是体现器件制造工艺质量的指标，反映器件制造过程的整个器件的固有损耗
隔离度(Isolation)：器件输入端口的光进入非指定输出端口光能量的大小，又称串扰，WDM 器件将来自一个输入端口的n 个波长（λ1λ2…λn ）信号分离后送到n 个输出端口，每个端口对应一个特定的标称波长λj (j=1,…,n),隔离度为
)
()(lg
10)(i i i j i j P P C λλλ-= （8）
方向性（Directivity ）：输入一侧，非注入光的某一输入端口的反向输出光功率与输入功率的比值：
..10lg
R
in
p D L P =- （9） 其中R p 表示非注入光的某一输入端口的反向输出光功率，in P 表示指定输入端口注入的光功率。

标准X 和Y 型一般D.L.>60dB 。

偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss ）：光信号以不同的偏振态输入时，对应输出端口插入损耗最大变化值。

min
max
..10lg
P P D L P =- （10） 各种偏振态可通过偏振控制器获得。

循序改变光纤型偏振控制器的三个活动片（光线缠绕在里面）可导致光纤的扭曲，从而产生双折射现象，引起偏振态的改变。

三、实验用具和装置图
1、SOF-X 稳定化光源（1310/1550nm 双波长），PMS-1光功率计，适配器，偏振控制器，镜头纸。

2、1310/1550nm 光波分复用器SWDM531SA001111，示意图如图5。

图5、光波分复用器SWDM531SA001111
3、单模标准跳线
四、实验步骤
1、开始测量前，要先把光功率计的输入端口遮住，然后调零。

2、测量前，需检查光仪表的工作状态，功率波动在0.5dB 以，方可进行实验。

3、测量分波性能：先测量光源1310nm 档输入WDM 的功率（在光源后加标准跳线再测量其功率即可）。

将1310nm 光源输入到WDM 输入端3，测试两输出端(1端和2端)的输出功率（要求分别读出W μ和dBm 数值）。

4、测量合波性能：先测量光源1310nm 档输入WDM 的功率（在光源后加标准跳线再测量其功率即可）。

将1310nm 光源输入到WDM 端口1，测试其余两端(2端和3端)的输出功率（要求分别读出W μ和dBm 数值）。

5、偏振相损耗测量：测分波：将偏振控制器(需先测量偏振器自身损耗)接到光源与WDM 输入端3之间，调节控制器上的三个活动片，分别测出1端和2端出现的最大值和最小值。

改用1550nm 光源，同上再测。

测合波：将偏振控制器接到光源与WDM 端口1之间，调节控制器上的三个活动片，分别测出2端和3端出现的最大值和最小值。

改用1550nm 光源输入到WDM 端口2，同上再测。

五、数据测量与数据处理
1、测量波分复用器分波性能
（1）用波长1310nm 的光进行测量
测得输入端（图5中的3端）的输入功率及两输出端（1端、2端）的输出功率如表1所示。

表1 1310nm 时分波性能测试
*其中P in 指图5输入端3，P out1指图5输出1310端1，P out2指图5输出1550端2，P 为平均值，由3
1
13i
i P P ==∑计得，P σ为平均值标准误差，由P σ= ①插入损耗（Insert Loss ）： 以μW 单位制进行计算
由（6）式得对1310nm 的光，
1 2
111179.73
..10lg
10lg 0.405197.3
out in P I L dB P =-=-⨯=
1
..0.064I L dB
σ===1..(0.4050.064)I L dB ∴=±
以dBm 单位制进行计算
111..(7.04)(7.444)0.404in out I L P P dB =-=---=
1
..0.07I L dB σ== 1..(0.4040.07)I L dB ∴=±
可见两种计算方法得出的结果一致，则根源于两种单位制之间的关系)1)
(lg(10mW
mW P dBm =，
但显然，用dBm 单位来的更简单方便。

②附加损耗(Excess Loss)： 以μW 单位制进行计算 由（7）式得
12
1..10lg
0.35out out in
P P E L dB P +=-=
21
221211..)..()..()..(
211
in out out P in
P out P out L E P L E P L E P L E σσσσ⨯∂∂+⨯∂∂+⨯∂∂= dB
P P P in P out P out P in out out 09.0)10
ln 10(
)10
ln 10(
)10
ln 10(
2
222121=⨯⨯+⨯⨯-+⨯⨯-=σσσ
1..(0.350.09)E L dB ∴=±
以dBm 单位制难以直接进行计算，如一定要采用dBm 单位制，需先将dBm 单位制的数据由10
)(10dBm P mW =转换成μW 单位制下的值，而这将失去了采用dBm 单位制的意义，故不予采纳。

③隔离度(Isolation) 以μW 单位制进行计算 由（8）式得
2
211
()10lg
19.23out out P C dB P λ=-=
21
()
0.09
C
dB λ
σ=== 21
()(19.230.09)
C dB
λ
∴=±
以dBm单位制进行计算
2112
()19.14
out out
C P P dB
λ=-=
21
()
0.138
C
dB
λ
σ==
21
()(19.140.138)
C dB
λ
∴=±
可见，算得的结果有一点点差别，这是根源于：一方面，光功率计μW和dBm两种量程的精度并不完全一致，另一方面，两种单位制的数据并不同时，切换量程时功率可能已发生变化，严格的说应是6次测量，3次以μW为单位，3次以dBm为单位。

（2）用波长1550nm的光进行测量
测得输入端（图5中的3端）的输入功率及两输出端（1端、2端）的输出功率如表2所示。

由表2同上可算得插入损耗、附加损耗及隔离度如表3所示。

表3 1550nm时的插入损耗、附加损耗及隔离度
2、测量波分复用器合波性能
（1）用波长1310nm的光进行测量
测得输入端（图5中的1端）的输入功率及另一端（3端）的输出功率如表4所示。

表4 1310nm 时和波性能测试
由表4同上可算得插入损耗、方向性如表5所示。

表5 1310nm 时的插入损耗
（2）用波长1550nm 的光进行测量
测得输入端（图5中的2端）的输入功率及另两端（1端、3端）的输出功率如表6所示。

表6 1550nm 时和波性能测试
由表6同上可算得插入损耗、方向性如表7所示。

表7 1550nm 时的插入损耗、方向性
3、偏振相关损耗测量
则波长为1310nm 时偏振片自身损耗为：10lg 0.09213-= 6.72( 6.81)0.09---= 波长为1550nm 时偏振片自身损耗为：182.9
10lg
0.09186.7
-= 7.28(7.37)0.09---= 两种算法基本一致。

(2) 偏振相关损耗测量，如表9
故波长1310nm 时，偏振控制器的偏振相关损耗为:
157.9
...10lg 0.097.9(8.2)0.29161.3P D L dBm dBm =-=≈---=分波 184.8
...10lg 0.097.24(7.33)0.09189
P D L dBm dBm =-==---=合波
波长1550nm 时，偏振控制器的偏振相关损耗为:
62.96
...10lg 0.0411.96(12)0.0463.59P D L dBm dBm =-=≈---=分波 71.98
...10lg 0.0311.4(11.42)0.0272.51
P D L dBm dBm =-=≈---=合波
六、思考题
1、由于存在连接器的插损误差，在测量中怎么更好的减少测量误差？
答：用干净的镜头清洁软纸擦拭可以一定限度的减少插损误差。

在本实验中我们每次在连接光纤前都用干净的镜头纸轻轻擦拭光纤端面，去除落在上面的灰尘。

连接时，要做到直进直出，避免光纤及瓷的磨损。

2、偏振控制器自身的插损对P.D.L 的测量影响有多大？
答：如上分析，偏振控制器自身的插损对P.D.L 的测量几乎没有影响，但其偏振损耗难以评估，有时可能造成极大影响。

3、熔融拉锥技术的原理与特点？
答：熔融拉锥法是将两根(或两根以上) 除去涂覆层的光纤以一定的方法靠拢, 在高温加热下熔融, 同时两侧拉伸, 最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构, 是实现传输光功率耦合的一种方法。

采有熔融拉锥法可实现传输光功率耦合的耦合系数与波长有关。

因此，对应不同的拉锥长度，分别形成耦合器和WDM 波分复用器等器件。

4、WDM 光波分复用器的工作原理，各种分光元件的特点比较。

答：光波分复用的基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。

除了WDM 光波分复用器外，分光元件还包括色散棱镜、光栅、傅立叶变换光谱仪等。

其中棱镜和光栅的精度较小，但方便使用，傅立叶变化光谱仪则不仅分辨率高，而且所需光强可以非常弱，可以适用于小信号。

而WDM 光波分复用器被普遍应用于光纤传输中，因为通过引进WDM 光波分复用器，可以大大节约光纤资源，整个系统只需要一对光纤，对于系统扩容和长途传输很可贵。

除外，各通道彼此独立，因此可以做到透明传输，平滑升级，互不干扰，且对光纤的色散无过高要求。

5、偏振控制器自身的插损对PDL 的测量影响有多大？
答：偏振控制器自身的插损对PDL 的影响不大，因为我们是以它的输出功率为输入来测量的。

6、光纤型WDM 器件与光耦合器在制作上的差异？
答：如下图，光纤熔融拉锥方法制作中，若拉伸停止在C点可制作单窗口宽带耦合器，停止在D点可制作双窗口宽带耦合器，停在E点便可制作1310/1550两波分复用器。

因此，两者在制作上的最大区别是拉锥长度的不同。

7、真正体现耦合器对整个系统影响的参数是插入损耗还是附加损耗？
答：附加损耗才能真正体现耦合器对整个系统影响。

因为插入损耗是针对单个端口而言，附加损耗是针对所有端口的和而言，更能全面体现耦合器对整个系统影响。