光耦合器實驗

3/5全光纖耦合器件摘要：簡述熔融拉錐法制作全光纖耦合器件的原理，進而討論全光纖耦合器的工作原理，并對未知耦合器件進行測試，具體分析其參數(shù)。實驗原理熔融拉錐法熔融拉錐法是將2根出去涂覆層的光纖以一定方式靠攏，然后置于高溫下加熱熔融，同時向光纖兩端拉伸，最終在加入形成雙錐形式的特殊波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)光纖耦合的一種方法。熔融拉錐法示意圖如圖1：圖SEQ圖\*ARABIC1熔融拉錐法示意圖光纖耦合器工作原理圖SEQ圖SEQ圖\*ARABIC2光纖耦合器結(jié)構(gòu)模型其中：W2和W3分別為耦合結(jié)構(gòu)熔錐區(qū)II和III在光纖熔燒時的拉伸長度；W1為耦合區(qū)I的火焰寬度。耦合區(qū)的兩光纖熔燒時逐漸變細，兩纖芯可以忽略不計，兩包層合并在一起形成以包層為纖芯、芯外介質(zhì)（空氣）為新包層的復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兩光纖的完全耦合。當入射光從輸入端1進入熔錐區(qū)II后，由于淡漠光纖的傳導(dǎo)膜為2個正交的基膜信號，因此，光纖參量V隨著纖芯的變細而逐漸變小，導(dǎo)致越來越多的光滲入包層；進入耦合區(qū)I后，由于兩光纖合并在一起，光在以新的包層為纖芯的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸，并使光功率發(fā)生再分配；當光進入熔錐區(qū)III后，光纖參量V隨著纖芯的變粗而逐漸增大，并使光以特定比例從輸出端輸出，即一部分光從直通臂直接輸出，另一部分光從耦合臂輸出。在耦合區(qū)I，由于兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，因此，耦合器為兩波導(dǎo)構(gòu)成的弱耦合結(jié)構(gòu)。根據(jù)若耦合模理論：相耦合的兩波導(dǎo)中的場，各保持該波導(dǎo)獨立存在是的場分布和傳輸系數(shù)，耦合的影響僅表現(xiàn)在場的復(fù)振幅的變化。假設(shè)光纖是無吸收的，則隨拉伸長度Z不斷變化，其變化規(guī)律可用一階微分方程組表示如下：dPOUT1(W/dBm)700/-1.55702/-1.53703/-1.53704/-1.52704/-1.52POUT2(W/dBm)660/-1.79666/-1.75672/-1.72668/-1.74672/-1.73可得IN2端光功率為：POUT1端光功率為：POUT2端光功率為：P再由參數(shù)計算公式以及誤差傳遞公式，可得IN1輸入時耦合器參數(shù)如下表表格SEQ表格\*ARABIC3IN1輸入下耦合器部分參數(shù)I.L.OUT1/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±0.40.28±0.03*I.L.OUT1,I.L.OUT2分別是輸出端1(直通臂)與輸出端2(耦合臂)的插入損耗，分光比S.R.采用直通臂功率：耦合臂功率來表示。在輸入端前接入偏振控制器，依次調(diào)節(jié)3個圓環(huán)，可導(dǎo)致光纖的扭曲，從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，引起偏振態(tài)的改變，得輸出端功率最大值與最小值如表4。表格SEQ表格\*ARABIC4IN1輸入下耦合器偏振相關(guān)損耗Pmax(W/dBm)Pmin(W/dBm)P.D.L(dB)OUT1672/-1.72655/-1.830.11OUT2646/-1.89621/-2.060.15更換光輸入端口重復(fù)測量，從IN2輸入，測量OUT1，OUT2和IN1光功率，記錄于表5表格SEQ表格\*ARABIC5IN2輸入下耦合器各輸出端光功率n12345PIN2(W/dBm)19.88/-17.0120.38/16.9121.00/-16.7819.84/-17.0221.23/-16.72POUT1(W/dBm)650/-1.87649/-1.87642/-1.92641/-1.93641/-1.93POUT2(W/dBm)676/-1.70674/-1.71676/-1.69677/-1.69679/-1.68可得IN1端光功率為：POUT1端光功率為：POUT2端光功率為：P可得參數(shù)如下表：表格SEQ表格\*ARABIC6IN2輸入下耦合器部分參數(shù)I.L.OUT1/dBI.L.OUT2/dBE.L./dBS.R.D.L./dBF.L./dB3.54±0.053.33±0.030.37±0.051.05±0.0118.5±0.20.21±0.05*I.L.OUT1,I.L.OUT2分別是輸出端1(直通臂)與輸出端2(耦合臂)的插入損耗，分光比S.R.采用直通臂功率：耦合臂功率來表示。同樣，接入偏振控制器，記錄于表7:表格SEQ表格\*ARABIC7IN2輸入下耦合器偏振相關(guān)損耗Pmax(W/dBm)Pmin(W/dBm)P.D.L(dB)OUT1644/-1.91619/-2.080.17OUT2674/-1.72655/-1.830.11將不同輸入端所測到的耦合器參數(shù)進行對比，如表8表格SEQ表格\*ARABIC8參數(shù)對照表參數(shù)IN1輸入IN2輸入直通臂插入損耗I.L.A/dB3.17±0.033.33±0.03耦合臂插入損耗I.L.B/dB3.39±0.043.54±0.05附加損耗E.L./dB0.28±0.050.37±0.05分光比(直通臂：耦合臂)1.05±0.011.05±0.01方向性D.L./dB18.5±0.418.5±0.2均勻度F.L./dB0.28±0.030.21±0.05直通臂偏振相關(guān)損耗P.D.L.A/dB0.110.11耦合臂偏振相關(guān)損耗P.D.L.B/dB0.150.17比較兩列參數(shù)，從分光比（直通臂：耦合臂）均比較接近1可知，實驗所用耦合器為分光比1:1的2X2光纖耦合器。分光比為1:1的耦合器兩臂插入損耗應(yīng)為3.01dB，相比下，實驗中測得的插入損耗都較大。實驗中進行了多次測量，每次測量都將光纖端面進行了清潔，盡量排除了端面上灰塵帶來的損耗。故實驗中的所增加的損耗主要是器件的固有損耗。器件的固有損耗包括幾部分：全光纖器件光纖本身散射的損耗；器件端面菲涅爾反射帶來的損耗；光纖熔接處引入的損耗；以及光纖耦合熔接部分的損耗。其中，由于器件尺寸較小，光纖本身散射的損耗可以忽略。另外，兩種輸入情況下，直通臂的插入損耗均比耦合臂的插入損耗要小，這主要是由于分光比不是嚴格的1:1，且耦合部分有一定損耗。至于耦合器的方向性D.L.，如實驗原理中所述，標準X型和Y型D.L.>60dB，而實驗測得的卻只有18.5dB。分析可知，方向性測量目的在于測量耦合部分光受到局部反射散射等傳播方向改變的光功率，進而衡量器件保持光沿要求方向傳播的能力。而實驗中測到的光功率除了該部分還有一大部分是光纖端面的菲涅爾反射光。為了排除這一部分，應(yīng)該在測量時加入匹配液，使端面反射消失。最后討論直通臂與耦合臂的偏振相關(guān)損耗的關(guān)系。從表中可以看出，直通臂的偏振相關(guān)損耗要比耦合臂偏振相關(guān)損耗要大，偏振相關(guān)損耗是結(jié)構(gòu)中局部產(chǎn)生雙折射等現(xiàn)象導(dǎo)致光功率的損耗，可能正因為實驗所用耦合器耦合區(qū)域分光界面存在雙折射現(xiàn)象較多，使得光從耦合區(qū)進入耦合臂時損耗要比進入直通臂要多。但亦有文獻顯示，分光比1：1的分光器直通臂與耦合臂的偏振相關(guān)損耗是相等的。單憑本次實驗，無法作出結(jié)論。思考題分光比為1：1的耦合器為什么又叫3dB耦合器？答:因為分光比為1：1的耦合器的插入損耗為。真正體現(xiàn)耦合器對整個系統(tǒng)影響的參數(shù)是插入損耗還是附加損耗？答：附加損耗才能真正體現(xiàn)耦合器對整個系統(tǒng)影響。因為插入損耗是針對單個端口而言，附加損耗是針對所有端口的和