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1、 1 / 6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，进而讨论全光纤耦合器的工作原理，并对未知耦合器件进行测试，具体分析其参数。一、 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，然后置于高温下加热熔融，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合结构，从而实现光纤耦合的一种方法。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图 2 所示为熔融拉锥型光纤耦合器的结构模型。其中：W 2 和 W3 分别为耦合结构熔锥区 II 和 III 在光纤熔烧时的拉伸长度；W 1 为耦合区I 的火焰宽度。耦合区的两光纤熔
2、烧时逐渐变细，两纤芯可以忽略不计，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 III 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，另一部分光从耦合臂输出。在耦合区 I，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，因此
3、，耦合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，各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： 1()=(1+11)1+122图 Error! Main Document Only. 光纤耦合器结构模型 2 / 62()=(2+22)2+211式中：A 1 和 A2 为两光纤的模场振幅； 和 为两光纤在孤立状态下的传播常数；1 2和 为子耦合系数； 和 为互耦合系数。自耦合系数相对于互耦合系数很小，可1122 1221以忽略，且近似有 。当方程在 z=
4、0 时满足 A1(z)= A1(0), A2(z)= A2(0)，其解为：12=21=1()=exp()1(0)cos()+2(0)+1221(0)sin()2()=exp()2(0)cos()+2(0)1222(0)sin()其中：=1+22为两传播常数的平均值；=1+(12)242 1/2F2 为光纤之间耦合的最大功率；C 为耦合系数，与工艺有关。两输出端口的光功率为：3()=|1()|2=12sin2()4()=2sin2()假定光功率由光纤输入端 1 进入，且归一化入射光功率 A1(0)=1，A 2(0)=0，则 P3(0)=1， P4(0)=0。若采用同种光纤进行耦合， ，故 F2=
5、1，有：1=23()=cos2()4()=sin2()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. 全光纤耦合器件参数1) 插入损耗(Insertion Loss, I.L.)：无源器件的第 i 个输出端口和输入端口之间的光功率的比值(dB):.=10lg ()其中，P outi 是第 i 个输出端口的光功率， Pin 是输入端口的光功率。2) 附加损耗(Excess Loss, E.L.) ：功率分配耦合器的所有输出端口光功率总和相对于输入光功率的损失：.=1
6、0lg ()3) 分光比(Split Ratio, S.R.)：耦合器件个输出端口分配的比值，可以表示为个输出端 3 / 6的比值，或者每个输出端与总输出的比值：.= 或 .=4) 方向性(Directivity Loss, D.L.)：输入一侧，肥猪如光的某一端口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.60dB。：.=10lg ()其中 PR 表示非注入光的某一输入端口的反向输出光功率， Pin 表示指定输入端口注入的光功率。5) 均匀度：对于要求均匀分光的耦合器定义在工作带宽内各输出端口输出光功率的最大变化量：.=10lg6) 偏振相关损耗(Polarizati
7、on Dependent Loss, P.D.L)：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。.=10lg二、 实验用具与装置图1. 稳定化光源 OSS-155C（波长 1550nm） 、光功率计、掺饵光纤放大器(EDFA) 、跳线、适配器、偏振控制器、镜头纸。2. 耦合器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 耦合器的参数，先测量光源光功率，后连入耦合器对各端口进行测量，即可测得耦合器参数。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
8、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 W 与 dBm 两种读数：表格 1 光源功率记录表n 1 2 3 4 5功率 PIN(W/dBm) 1463/1.65 1456/1.63 1461/1.64 1463/1.65 1455/1.62图 Error! Main Document Only. 22 耦合器DWF0250A00111 4 / 6由表 1 数据可得，光源平均功率为 =15=1459.6()=1.64()标准误差为 =151()2=3.8()=0.013()故光源功率为 =(14604)=(1.640.02)光从 IN1
9、 输入，测量 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 1 2 3 4 5PIN2(W/dBm) 21.33/-16.70 18.70/-17.30 18.95/-17.22 21.94/-16.59 21.50/-16.67POUT1(W/dBm) 700/-1.55 702/-1.53 703/-1.53 704/-1.52 704/-1.52POUT2(W/dBm) 660/-1.79 666/-1.75 672/-1.72 668/-1.74 672/-1.73可得 IN2 端光功率为： 2=(202)=(16.90.4)OUT1 端
10、光功率为： 1=(7032)=(1.530.01)OUT2 端光功率为： 2=(6675)=(1.750.03)再由参数计算公式以及误差传递公式，可得 IN1 输入时耦合器参数如下表表格 3 IN1 输入下耦合器部分参数I.L.OUT1/dB I.L.OUT2/dB E.L. /dB S.R. D.L. /dB F.L. /dB3.170.033.390.040.280.051.050.0118.50.4 0.280.03* I.L.OUT1, I.L.OUT2 分别是输出端 1(直通臂)与输出端 2(耦合臂) 的插入损耗，分光比 S.R.采用直通臂功率：耦合臂功率来表示。在输入端前接入偏振控
11、制器，依次调节 3 个圆环，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，得输出端功率最大值与最小值如表 4。表格 4 IN1 输入下耦合器偏振相关损耗Pmax(W/dBm) Pmin(W/dBm) P.D.L(dB)OUT1 672/-1.72 655/-1.83 0.11OUT2 646/-1.89 621/-2.06 0.15更换光输入端口重复测量，从 IN2 输入，测量 OUT1，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n 1 2 3 4 5PIN2(W/dBm) 19.88/-17.01 20.38/16.91 21.00/-16
12、.78 19.84/-17.02 21.23/-16.72POUT1(W/dBm) 650/-1.87 649/-1.87 642/-1.92 641/-1.93 641/-1.93POUT2(W/dBm) 676/-1.70 674/-1.71 676/-1.69 677/-1.69 679/-1.68可得 IN1 端光功率为： 1=(20.40.7)=(16.90.2)OUT1 端光功率为： 1=(6645)=(1.900.04)OUT2 端光功率为： 2=(6762)=(1.690.02)可得参数如下表：表格 6 IN2 输入下耦合器部分参数I.L.OUT1/dB I.L.OUT2/dB
13、 E.L. /dB S.R. D.L. /dB F.L. /dB3.540.053.330.030.370.051.050.0118.50.2 0.210.05 5 / 6* I.L.OUT1, I.L.OUT2 分别是输出端 1(直通臂)与输出端 2(耦合臂) 的插入损耗，分光比 S.R.采用直通臂功率：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Pmax(W/dBm) Pmin(W/dBm) P.D.L(dB)OUT1 644/-1.91 619/-2.08 0.17OUT2 674/-1.72 655/-1.83 0.11将不同输入端所
14、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 IN1 输入 IN2 输入直通臂插入损耗 I.L.A /dB 3.170.03 3.330.03耦合臂插入损耗 I.L.B /dB 3.390.04 3.540.05附加损耗 E.L. /dB 0.280.05 0.370.05分光比 (直通臂：耦合臂) 1.050.01 1.050.01方向性 D.L. /dB 18.50.4 18.50.2均匀度 F.L. /dB 0.280.03 0.210.05直通臂偏振相关损耗 P.D.L.A /dB 0.11 0.11耦合臂偏振相关损耗 P.D.L.B /dB 0.15 0.17比较两列参数，从分光比（直通臂：耦合臂）均比较接近 1 可知，实验所用耦合器为分光比 1:1 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大。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
