光耦合器实验.docx

全光纤耦合器件摘要：简述熔融拉锥法制作全光纤耦合器件的原理，进而讨论全光纤耦介器的工作原理，并对 未知耦合器件进行测试，具体分析其参数实验原理1. 熔融拉锥法熔融拉锥法是将2根出去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，然后置于高温卜加热熔融，同时向 光纤两端拉伸，最终在加入形成双锥形式的特殊波导耦介结构，从而实现光纤耦介的种方 法熔融拉锥法示意图如图1：图1熔融拉锥法示意图2. 光纤耦合器工作原理通 VT)物出 CMAF!)图2所示为熔融拉锥型光纤 粮合器的结构模型其中：W2和W3分别为耦介结构熔俳区II和川在光纤熔烧时的拉伸长度：W】为耦合区I的火焰宽度耦合区的两光纤熔烧时逐渐变细,两纤芯町以忽 司2北淀狩.结卷*耘德习略不计，两包层合并在一起形成以包层为纤芯、芯外介质(空气)为新包层的复合波导结构，实 现两光纤的完全耦合当入射光从输入端1进入熔锥区II后，由于淡漠光纤的传导膜为2个正交的基膜信号，因 此，光纤参量V随着纤芯的变细而逐渐变小，导致越来越多的光渗入包层：进入耦合区I后，由 于两光纤合并在一起，光在以新的包层为纤芯的复合波导中传输并使光功率发生再分配；当 光进入熔锥区川后，光纤参量V随着纤芯的变粗而逐渐增大，并使光以特定比例从输出端输 出，即一部分光从直通臂直接输出，另一部分比从耦合臂输出。

在耦介区［,由于两光纤包层介并在一起，纤芯足够逼近，因此，耦介器为两波导构成的弱 耦合结构根据若耦合模理论：相耦合的两波导中的场，备保持该波导独立存在是的场分布和 传输系数，耦合的影响仅表现在场的复振幅的变化假设光纤是无吸收的，则随拉伸长度Z不 断变化，其变化规律可用一阶微分方程组表示如下：缪6认队 + 2 ±) 久+ iCL2A2警 M = “2 + C22“2 + 压 2 内式中：A］和卞为两光纤的模场振幅：伤和02为两比纤在孤立状态下的传播常数：C ±± 和C22为子耦合系数：$2和^为互耦合系数，自耦合系数相对于互耦合系数很小，町以忽略， 且近似aC12 = C21 = Co当方程在z=0时满足Ai(z)=Ai(0)/A2(z)=A2(0),其解为：如⑵=exp(i0z) n •、」.) + iF 如()+邑无邑——如(°):singz)}如⑵=exp(i0z) p2(0) cos /£ V *(0)-专 姒)C S卵尸其中：A =为两传播常数的平均值：F =「1 +(A1-A2)Ti/24C2 -X为光纤之间耦合的瑕人功率；c为耦合系数，与工艺有关两输出端口的光功率为：为⑵=⑷⑵F = l-F2 sii】2(舟z)Bi(z) =F2 siii2(Az)假定光功率由光纤输入端1进入，且归一化入射光功率A】 (0)=l, A2(0)=0,则P3(0)=l, P4(0)=0o 若采用同种光纤进行耦合,01二偈，故^ 1，有：P3(z) = COS2(Cz)Bj(z) = siii2 (Cz)可知两输出功率周期性变化，且周期变化的快慢与耦合系数C及拉伸长度有关。

光功率在两 耦合光纤间周期性地切换，当耦合系数C确定后，调整拉伸长度，可以制作任意分光比的耦合 器3. 全光纤耦介器件参数1) 插入损耗(Insertion Loss, I.L.)：无源器件的第i个输出端I I和输入端I I之间的光功率的 比值(dB):I. L.= -101gA-(dB)Pin其中，？°是第i个输出端I I的光功率，Pin是输入端［I的光功率2) 附加损耗(Excess Loss, E.L.):功率分配耦合器的所有输出端I I光功率总和相对于输 入光 功率的损失：E.L=-101g?A-(dB)3) 分光比(Split Ratio, S.R.):耦合器件个输出端11分配的比值，町以表示为个输出端的 比 值，或者每个输出端与总输出的比值：S.R.="或 二P°utj 2j P(mtj4) 方向性(Directivity Loss, D.L.)：输入一侧，肥猪如光的某一端门的反向输出光功率与输入功率的比值，标准X和Y型一般D L>60dBo：PrD.L.= -101gA-(dB)其中Pr表示非注入光的某一输入端I I的反向输出光功率，Pm表示指定输入端I I注入 的光功率。

5) 均匀度:对丁要求均匀分光的耦合器定义在工作带宽内各输出端I I输出光功率的瑕大 变化量：F.L=-10 lg 而max6) 偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss, P.D.L)：光信号以不同的偏振态输入时，对应输出端II插入损耗最人变化伍P.D.L—101 倍"max实验用具与装置图1. 稳定化光源OSS-155C (波长1550nm)>光功率计、掺饵光纤放人器(EDFA)、跳线、适配器、偏振控制器、镜头纸2. 耦介器 DWFC0250A001111(单模1310或1550宽带，分光比1： 1)三. 实验记录与数据处理实验目的在于测量2X2耦合图 3 2X2 耦合器 DWF0250A00111器的参数，先测量光源光功率，后连入单戈合器对各端II进行测量，即可测得耦介器参数每次读 数后拔出功率计光纤，于擦镜纸擦净后重复测量，排除光纤接头灰尘对测量的影响光源光功率测量打开光源电源，稳压器，使用标准跳线接入光功率计，待光源稳定后，记录光源光功率，数 据如下表1,采用PW与dBm两种读数：表格1光源功率记录表n10345功率 PmSW/dBm)1463/1 651456/1 631461/1.641463/1 651455/1 62由表1数据町得，光源平均功率为丽=|xSn PiNn = 1459.6®") = 1.64(dBin)标准误差为％ = J 占—丽 2 = 3.8@W) = 0.013(dBm)故光源功率为 P/N = (1460 ± 4 冲 W = (1.64 士 0.02)dBm光从INI输入，测g： OUT1, OUT2和IN2的光功率，记录于表2表格2 IN1输入各端口光功率n 12 3 4 5Pnc(|AW/dBm) 2133/16.70 18.70/1730 95/ 17.2221.94/ 16.5921.50/ 16.67POun@W/dBm) 700/-1.55 702/-1.53 703/J.53 704/-1.52 704/-1.52PormCPW/dBrn) 660/-1.79 666/4.75 672/-1.72 668/-1.74 672/-1.73可得 IN2 端光功率为：PiN2 = (20 士 2)|1W = (-16.9 士 0.4)dBmOUT1 端光功率为：Pouri = (703 ±2)pW= (-1.53 ± 0.01)dBmOUT2 端光功率为:PoUT2 = (667 ± 5)pW = (-1.75 ± 0.03)dBm再由参数计算公式以及误差传递公式，町得INI输入时耦合器参数如卜表表格3 IN1输入下耦合器部分参数I.L.ouri/dBI・L.out2/ dBE.L. /dBS.R.D.L./dBF.L. /dB3.17 + 0.033.39 ±0.040.28 ± 0.051.05 ±0.0118.5 土 0.40.28 ± 0.03l.Loun, I.Loun分别出输出瑞上（直通H）与输出端2 （耦合臂）的橄入损思 分光比S・R采用直通骨功 率：耦合号功率来表示.在输入端前接入偏振控制器，依次调节3个圆环，町导致光纤的扭曲，从而产生双折射现 彖，引起偏振态的改变，得输出端功率故人值与瑕小值如表4。

表格4 IN1输入下耦合器偏振相关损耗PmaK(LiW/dBm)Pmin(AW/dBm)P.D.L(dB)OUT1672/-1.72655/ 1.830.11OUT2646/-1.89621/-2.060.15更换光输入端「1匝复测量.从IN2输入.测量OUT： L OUT2和IN1光功率，记录于表5表格5 IN2输入下耦合器各输出端光功率n1345P JAW/dBm)19.88/-17.012038/16.9121.00/16.7819.84/47.0221.23/16.72m2Poim (pW/dBm)650/ 1.87649/ 1.87642/ 1.92641/1.93641/-1.93PouT2@W/dBm)676/4.70674/1.71676/1.69677/4.69679/ 1.68可得 IN1 端光功率为：PIN1 = (20.4 ± 0.7)nW = (-16.9 ± 0.2)dBmOUT1 端光功率为:PqUTi = (664 ± 5)nW = (-1.90 ± 0.04)dBmOUT2 端光功率为：P0ut2 = (676±2)pW= (-1.69 ± 0.02)dBm 可得参数如下表：表格6IN2输入下耦合器部分参数LL ouTi/dBI・Lout2/ dBE.L. /dBS.R.D X./dBF.L. /dB3.54 ±0.053.33 ±0.030.37 ± 0.051.05±0.0118.5 ± 0.20.21 ± 0.05h・L・ovm分别是输出端通臂）与输出端2 （耦合劈）的插入损耗，分光比S・R采用『［通臂功率：耦合臂功率来表示.同样，接入偏振控制器，记录于表7：表格7 IN2输入下耦合器偏振相关损耗PmJpW/dBm)P . (piW/dBm)P.D.L(dB)OUT1644/ 1.91619/-2.080.17OUT2674/ 1.72655/-1.830.11将不同输入端所测到的耦合器参数进行对比，如表8表格8参数对照表参数IN2输入IN2输入夏通臂插入损耗I.L.A/dB3.17 ± 0.033.33 ±0.03耦合臂插入损耗I.L/dB3.39 ± 0.043.54 ±0.05附加损耗E.L. /dB0.28 ± 0.050.37 ±0.05分光比（门通臂：耦介臂）1.05 土 0.011.05 ±0.01方向性D.L. /dB18.5 ±0.418.5 ± 0.2均匀度F.L. /dB0.28 ± 0.030.21 ±0.0511通劈偏掘相关损耗P.D.L.A/dB0.110.11耦介劈偏摭相关损耗P.D.L.B/dB0.150.17比较两列参数，从分光比（直通臂：耦合臂）均比较接近2町知，实验所用耦合器为分光比〃的2X2光纤耦合器。

分光比为1:1的耦合器两臂插入损耗应为3.01dB,相比下，实验中测得的 插入损耗都较人实验中进行了多次测量，每次测量都将光纤端面进行了清洁 尽量排除了端面匕 灰尘带来的损耗故实验中的所增加的损耗匚要是器件的固有损耗器件的固右损耗包括儿部分： 全光纤器件光纤本身散射的损耗；器件端面菲涅尔反射带来的损耗：光纤熔接处引入的损耗：以及 光纤耦合熔接部分的损耗其中，由丁器件尺寸较小，光纤本身散射的损耗可以忽略另外，两种输入情况卜，直通臂的插入损耗均比羯合臂的插入损耗要小，这主要是由于分光 比不是。