光纤通信实验讲义.doc

光信息处理专业实验光 纤 通 信 实 验实验指导书内部资料二O一二年五月目 录实验1光纤数值孔径测量实验.2实验2光无源器件传输特性研究实验.7实验3光纤衰减及损耗测试实验.23实验4光纤耦合技术分析与测试实验.30实验5光波分复用及误码测试实验.。.36实验6光纤光栅传感器原理及应用.44实验7端场光纤传感器原理及应用.。.59实验1 光纤数值孔径测试实验光纤的数值孔径NA是光纤的一个重要光学参数，它在一定程度上表征光纤集光能力和与光源耦合的难易程度，同时对连接损耗及衰减特性也有影响。 它与光纤传输系数的计量有密切的关系，对光纤的传输带宽有着很大的影响。 本实验通过对光纤的数值孔径进行测量，熟悉光纤的结构特点及光纤数值孔径的定义，掌握数值孔径的测量原理，熟悉光路调整方法。通过反射式和对射式光纤位移传感器实验，重点研究光纤位移传感器的工作原理及其应用电路设计。【实验目的】1. 了解光纤位移传感器工作原理及其特性2. 了解并掌握光纤位移传感器测量位移的方法3. 光纤数值孔径测量【实验原理】一、数值孔径测量1. NA数值孔径 的定义当光线射到2种不同的界面上时将产生反射和折射。在纤芯包层界面上，临界角c（及折射角为90o时的入射角）按斯涅尔折射定律可得出：c= arcsin（n2/n1）若光源发出的光经空气后耦合到光纤中，那么满足光纤中全反射条件的光的最大入射角max满足：sinmax= n sin（90o-c）= 定义光纤的最大理论数值孔径（数值孔径表示光纤的集光能力）：NAmax=n1 式中：=（n1- n2）/n1。对于梯度光纤，n1是光纤中心处最大折射率，n2是包层折射率。光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径。远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。它被定义为光纤远场辐射图上光强值下降到最大值的5%处半张角的正弦值，CCITT规定的就是这种数值孔径，如图：图中数值孔径为： NA= sina=d/式中：z为入射光纤端面和接收光纤端面正对时的两光纤端面间的距离；d为当z一定时，接收光强下降到最大值的5% 时，入射光纤的出射光在投影屏幕上所形成的光斑的半径。二、光纤位移传感器位移测量原理1. 如图是反射式线性位移测量装置光从光源耦合到输入光纤射向被测物体，再被反射回另一光纤，由探测器接收。设两根光纤的距离为d，每根光纤的直径为2a，数值孔径为N，如图所示，这时 由于，所以式可以写为 很显然，当时，即接收光纤位于光纤像的光锥之外。两光纤的耦合为零，无反射进入接收光纤；当时，即接收光纤位于光锥之内，两光纤耦合最强，接收光纤达到最大值。d的最大检测范围为。 如果要定量的计算光耦合系数，就必须计算出输入光纤像的发光锥体与接收光纤端面的交叠面积，如图所示，由于接收光纤芯径很小，常常把光锥边缘与接收光纤芯交界弧线看成是直线。通过对交叠面简单的几何分析，不难得到交叠面积与光纤端面积之比。即 本实验采用的传光型光纤，它由两束光纤混合后组成，两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电量，而光电转换器的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。2.2对射式光纤测距采用两根光纤，一根用于将光源发出的光传导发射，另一根用于接收发射光传导给探测器。当两根光纤发射面与接收面距离改变时，探测器探测到的光强度会发生变化，从而起到测量位移的作用。两根光纤完全相同，既可以做发射光纤也可以做接收光纤。【实验内容与步骤】一、光学系统组装调试实验1、安装对射式光纤传感装置。二维平移台由两个一维平移台组成，其中每个一维平移台上面有五个固定螺孔，将其中一个连接杆架固定在左边平移台上靠右的螺孔上，另一个连接杆架固定在右边平移台上靠左的螺孔上，这样两个杆架相隔最近。注意：安装第二个杆架需要取下杆架上面的紧固螺钉，否则冲突不能安装。 对射式光纤传感器为两根单独的光纤，各自通过连接杆，插入连接杆架，通过杆架上面的紧固螺钉固定，并通过调节上下位置，保证光纤发射面和另一根光纤接收面在同一水平面上。二束光纤分别插入实验仪左侧发射和接收端。发射和接收孔内已和发光二极管及光电探测器相接。2、调节左边位移台上测微丝杆，使两根光纤端面同轴心。调节右边位移台上测微丝杆，使两根光纤端面刚好接触。3、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接。输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”，电压表选择20V档。4、打开电源开关，调节右边平移台上测微丝杆使两根光纤传感器端面离开，观察电压表显示变化，对射式光纤传感系统组装完成。学习通过调节位移台控制两根光纤端面的对准及横向和纵向偏离。5、关闭电源，取下两根光纤，连接杆取下。6、安装反射式光纤传感装置。 反射式光纤传感器上光纤为二束，其中一束由单根光纤组成，实验时对应插入发射孔；另一束由16根光纤组成，实验时对应插入接收孔。通过连接杆，插入连接杆架。平面反射镜通过另一根连接杆接入另一个连接杆架，通过调节上下位置，保证光纤发射面和平面反射镜中心在同一水平面上，铜鼓杆架上面的紧固螺钉固定反射式光纤和平面反射镜。7、调节左边位移台上测微丝杆，使光纤端面与平面反射镜同轴心。调节右边位移台上测微丝杆，使光纤端面与平面反射镜刚好接触。8、打开电源开关，调节右边平移台上测微丝杆使两根光纤传感器端面离开，观察电压表显示变化，反射式光纤传感系统组装完成。9、关闭电源。如果继续进行下面的实验光纤位移装置和连线可不拆除。二、发光二极管驱动及探测器接收实验1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤。对射式和反射式任选一种即可。2、打开电源开关，取出发射端光纤，观察发光二极管发光，发光二极管发出的光很耀眼，不要用眼直视。慢慢插入发射端光纤到底，插入过程智能光观察电压表变化，并分析变化原因。3、电压表选择20V档，电路输出端（Uo）连线拆掉，对应接入发射测试孔两端（红借蓝、黑接黑），电压表显示值即为发光二极管工作电压。根据实验仪面板上发光二极管驱动电路图示分析发光二极管驱动原理。4、电压表选择200mV档，电路输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”。调节螺旋测微丝杆，观察电压表显示变化。根据实验仪面板上探测器接收电路图示，分析光电探测器使用原理。5、关闭电源。拆除所有连线，如果继续进行下面的实验，可不拆除光纤位移装置。三、光纤位移传感器输出信号处理实验1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤。对射式和反射式任选一种即可。2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接。输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”，电压表选择2V档。3、打开电源开关，调节螺旋测微丝杆，调节增益调节旋钮，观察电压表显示变化。根据实验仪上面探测器放大电路图示分析放大电路工作原理。4、关闭电源。拆除所有连线，如果继续进行下面的实验，可不拆除光纤位移装置。四、光纤位移传感器输出信号误差补偿实验1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤。对射式和反射式任选一种即可。2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接。输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”，电压表选择2V档。3、将接收光纤从接收孔中拔出，并用手指封住接收孔。4、打开电源开关，观察电压表显示值，并分析原因。5、关闭电源。增加补偿调零电路。绿色测试孔与黑色测试孔的连线拆除，补偿调零调节旋钮的测试孔按照颜色对应接入电路中测试孔（黄接黄、绿接绿、蓝接蓝）。6、打开电源，用手封住接收孔，调节补偿调零旋钮，将电压表显示值调节为零。分析不成调零电路原理及其好处。7、关闭电源。拆除光纤位移装置及连线。五、光纤数值孔径测量实验1、参照实验1）步骤安装对射式光纤传感器实验装置。2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路。3、调节位移台，使两光纤端面距离为1.5mm，及z=1.5mm，并使得探测器输出电压最大（此时两根光纤同轴心）。4、径向移动接收光纤至接收光强接近于零，沿该方向继续旋转位移调节器200um，然后反向旋转位移调节器100um，以消除螺旋测微器可能存在的空程误差。5、平移探测光纤，每50um记一个光强对应的电压输出，知道光强最好减小到不再改变，停止计数。根据记录数据作出光强分布曲线。6、根据曲线求出d值，并计算出光纤的数值孔径值。7、关闭电源。如果继续进行下面的实验，可不拆除连线和光纤位移装置。六、光纤位移传感器测距原理实验（对射式）1、参照实验1）步骤安装对射式光纤传感器实验装置。2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路。3、调节位移台，使两根光纤端面同轴心并接触。此时探测器输出电压最大。4、打开电源开关，调节平移台使两根光纤端面渐渐离开，每隔0.1mm读出数显表值，记录40组数据。5、根据记录数据绘制曲线。6、分析。7、关闭电源。拆除所有连线和光纤位移装置。七、光纤位移传感器测距原理实验（反射式）1、参照实验1）步骤安装反射式光纤传感器实验装置。2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路。3、调节位移台，使反射式光纤传感器端面与平面反射镜接触，此时探测器输出电压应该为零，若不为零，调节调零旋钮使其归零。4、打开电源开关，调节平移台使光纤端面渐渐离开平面反射镜，每隔0.1mm读出数显表值，记录40组数据。5、根据记录数据绘制曲线。6、分析。7、关闭电源。拆除所有连线和光纤位移装置。【注意事项】1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常工作。2、不要光纤传感器弯曲半径不得小于3cm，以免折断。3、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。【课后思考题】1、影响测量精度的因素有哪些？如何避免？2、放大器的稳定放大倍数和低噪声对信号的影响？如何设计?实验2光纤传输系统及光通讯器件综合实验近年来，光纤通信发展非常迅速，应用日渐广泛。作为光纤通信设备的重要组成部分的光无源器件，也取得了长足的进步，并逐步形成了规模产业。光无源器件是一种光学元器件。其工艺原理遵守光学的基本理论，即光纤理论和电磁波理论，各项技术指标、各种计算公式和各种测量方法和纤维光学、集成光学息息相关。光无源器件是一门新兴的、不断发展的学科。光纤通信的发展呼唤着功能更全、指标更先进的光无源器件不断涌现；一种新型器件的出现往往会有力的促进光纤通信的进步，有时甚至使其跃上一个新的台阶。光纤通信系统对光无源器件的期望越来越大，器件的发展对系统的影响越来越深。除此而外，光无源器件在光纤传感和其他光纤应用领域也大有用武之地。光纤通信元件包括光缆、光有源器件、光无源器件等。光纤无源器件主要包括耦合器/分路器(Coupler/Splitter)、隔离器(Isolator)、衰减器、波分复用/解复用器（WDM）、光分/插复用器（OADM）、光交叉互联器（OXC）、滤波器(Filter)和光开关(Optical Swich)等，它们都是将来光网络系统中必不可少的器件。实验一 光纤耦合器的测试【实验目的】1. 掌握耦合器的部分常用特性（插损、额外损耗、分光比，PDL、方向性）的定义及其简单应用。2. 掌握耦合器的部分常用特性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(F3T)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。耦合区入端锥体出端锥体I2（背散射臂）I1（输入臂）I3（直通臂）I4（耦合臂）图1 单模光纤耦合器瞬衰场耦合示意图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： （8.1）式中，是两根光纤的模场振幅；是两根光纤在孤立状态的纵向模传播常数；是耦合系数。实际中近似有，可以求得上述方程组的解为： （8.2）其中 （8.3）耦合系数 （8.4）其中是光纤半径，是两光纤中心的距离，是纤芯横向传播常数，是包层横向衰减常数，是孤立光纤的归一化频率，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，初始条件为显然，代表着光纤之间耦合的最大功率。当两根光纤相同时，有，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 （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，耦合器（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、额外损耗、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。 （8.6）B . 额外损耗(EL)额外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。 (8.7)额外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，实验中务必使学生弄清楚这一点。一般情况下，耦合器的损耗小于0.2dB。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。 (8.8)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，又称偏振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生2变化时，器件的各个输出端口输出光功率的最大变化量。 (8.9)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。 (8.10)回损是衡量器件定向传输特性的参数，但其定义是回到入射端口的光功率的大小的相对值。 (8.11)其中P1是入射光功率，P2是反射回入射端口的光功率。【实验步骤】一、耦合器插损、额外损耗、分光比的测量（插入法）【注：还有其他方法，例如剪断法等，有兴趣的同学可以查阅相关资料】1. 将跳线一端接在光纤光源的测试使用波长端口，另一端接功率计。接通主机光源和功率计电源，待稳定后记录下光源的输出功率Pin。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输入（Input）端口；（注意其他所有环境条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）3. 分别记录下耦合器的两个输出端的功率值；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14步骤。注意不同波长下的分光比的区别。光源耦合器光功率计光功率计iPAPBM6. 将光源工作电流调整为零，关闭光源与功率计。图3 插损、额外损耗和分光比的测试实验结果数据记录表序号测试波长PinPAPB耦合器I1310nm1550nm耦合器II1310nm1550nm耦合器III1310nm1550nm耦合器IV1310nm1550nm二、方向性（DL）和回损（RL）的测量测量尾纤型光纤耦合器的方向性，方法如下：1. 如图4所示测量耦合器反射回到端口2的光功率P2。（一般需在光纤空闲端面处放置匹配液或者绕很小的环，让光纤的端面没有光反射，这里由于端面为APC端面，所以不用考虑）光源耦合器P221图4 尾纤型耦合器方向性测量原理2. 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）。3. 按下列公式计算出光纤耦合器的方向性。 （8.12）其中： 为方向性(dB)；P1为输入光功率；P2为2端口输出光功率。测量尾纤型光纤耦合器的回损，方法如下：如图5所示测量耦合器反射回到端口2的光功率P3。（一般需在光纤空闲端面处放置匹配液或者绕很小的环，让光纤的端面没有光反射，这里由于端面为APC端面，所以不用考虑）光源3dB耦合器P3耦合器图5 尾纤型耦合器方向性测量原理4. 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）。按下列公式计算出光纤耦合器的回损。 (8.13)其中： 为回损(dB)；P1为输入光功率；P3为返回光功率。一般正常的耦合器的方向性和回损都大于50dB，这里为了让同学能够测量出回损和方向性，所以部分耦合器故意降低了方向性和回损。耦合器I耦合器II耦合器III耦合器IVP1（13）P2（13，A）P1（15）P3（15，A）三、偏振相关损耗（PDL）的测量测量尾纤型光纤耦合器A端口的偏振相关损耗PDL，方法如下：1. 如图6所示光源输出的光测量经过偏振控制器后，再经过待测耦合器，在功率计上测量A端口光功率值。图6 尾纤型耦合器偏振相关损耗的测量原理光源耦合器P1BAPC2. 改变偏振控制器状态，尽可能的获得所有状态，记录下最大Pmax和最小Pmin输出功率，为了方便计算，单位使用dBm。（注意其他所有条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）。3. 按下列公式计算出光纤耦合器的，单位为dB（一般耦合器的小于0.1dB）。 (8.14)耦合器I耦合器II耦合器III耦合器IVPmax（dBm）Pmin（dBm）最后根据所有实验数据计算下表序号测试波长分光比A端()ELdBIL（A）dBIL（B）dBDL/RLdBPDL（A）dB耦合器I1310nm1550nm耦合器II1310nm1550nm耦合器III1310nm1550nm耦合器IV1310nm1550nm【课后思考题】1. 为什么选择不同的光源，耦合器的分光比会不一样。2. 插入法测量插损过程中，可能引入哪些不确定因素（也就是可能造成误差的原因）？3. 为什么一般测量过程中，不考虑功率计对不同的输入光纤所造成的差别。4. 50：50的耦合器的插损是多大？为什么把它叫3dB耦合器？5. 耦合器可以把能量分配到两个端口（额外损耗很小），如果反过来有两束单独的光信号从两个端口输入，这两束光能不能都回到原来的输入端呢（合束）？（反过来入射的两个光来自两个独立的光源）6. 公式8.9和8.14是否不同？7. 公式8.11和公式8.13为什么相差一个系数4？8. 对于回损，如果没有3dB耦合器，那么8.13中的系数应该是多少？9. 利用额外损耗和分光比计算下图E点的输出功率，再利用插损计算E点的输出功率，理解为什么工程中引入插损这个定义。（假设光源输出功率为0dBm，每个连接点损耗0.2dB，所有耦合器的A端连接下一个耦合器的输入端）光源耦合器I耦合器II耦合器IIIEB端 B端B端图7 思考题7示意图实验二 光纤隔离器（Isolator）的特性和参数测试【实验目的】：1 了解光纤隔离器的工作原理及基本结构2 熟悉光纤隔离器在光纤通信系统中的应用。【实验原理】： 在高速率的光纤通信系统中要求激光光源非常稳定，为此，希望尽可能减少负载回到激光器的反射光。光隔离器的性能是光正向通过时衰减很小，但反向通过时衰减很大的器件。 光隔离器相当于一种光非互易传输耦合器，所依据的基本原理是法拉第磁光效应。即当光波通过置于磁场中的法拉第旋光片时，光波的偏振方向总是沿与磁场（H）方向成右手螺旋的方向旋转，而与光波的传播方向无关。这样，当光波沿正向和反相两次通过法拉第旋片时，其偏振方向旋转角将叠加而不是抵消，这种现象成为“非互易旋光性”图1 隔离器工作基本原理图在1图中，当光从左到右传，左面的起偏器将其偏振面确定在0，经过合适长度的旋光片旋光后，偏振面旋转了45，正好顺利通过安放在45角上的第二个起偏器。但如有反射光回来在逆方向上再次通过旋光片时，其偏振面会在源方向上再次转45，叠加的效果，偏振面就正好垂直于左面的起偏器，无法通过，从而实现单向传输光隔离的功能。（注：这里给出的只是空间光隔离器的基本原理图，目前实际中使用的绝大多数偏振无关的隔离器原理都使用这个原理，但结构与此差异很大）。衡量光隔离度性能的主要参数有1. 插入损耗插入损耗是隔离器的重要技术指标，其来源主要有偏振器、法拉第旋转芯片和光纤准直器的插入损耗。隔离器的插入损耗测试方框图如图2所示，主要注意的是：光源的波长必须在工作波长的范围内，并使任何可能注入的高次模得到足够的衰减，使隔离器的输入端和检测器处仅有基模传输；光信号沿隔离器的正向输入。LD光源光功率计Pout隔离器图2 隔离器插入损耗测试原理示意图正向插入损耗，定义为正向传输时输出光功率与输入光功率之比。 其中：为回损(dB)；Pin为输入光功率；Pout为输出光功率。2. 隔离度 隔离度是隔离器最重要的技术指标之一，表征了隔离器对反向传输光的衰减能力。主要受如下一些因素的影响：偏振器距法拉第旋转器的距离；各个光学元件的表面反射率；偏振器的楔角、间距等。隔离度的测试框图如图3：LD光源光功率计Pout隔离器图3 隔离器隔离度测试原理示意图反向隔离度，定义为反相传输时输出功率与输入功率之比。 其中：为回损(dB)；P1为输入光功率；P3为返回光功率。* 隔离度常常有两种定义，常见的如上述所介绍的，还有一种是相同功率光源正向通过的功率和反向通过的功率的比值。这两种定义上仅仅差一个插损值，因为插损值和隔离度相比很小，所以两者基本一致。多数情况下使用的是前者！3. 偏振相关损耗(PDL) PDL与插损不一样，是指当输入光的偏振态发生变化而其他参数不变时器件的插损的最大变化量，是衡量器件插损受偏振态影响程度的指标。LD光源光功率计隔离器PC图4 隔离器偏振相关损耗测试原理框图改变偏振控制器状态，尽可能的获得所有状态，记录下最大Pmax和最小Pmin输出功率，为了方便计算，单位使用dBm。（注意其他所有条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）。按下列公式计算出光纤耦合器的，单位为dB（一般耦合器的小于0.1dB）。需要注意的是隔离器的会因为隔离器的种类、工作波长等差异很大，这一点可能和耦合器不同，例如偏振无关隔离器的可能很小，而偏振相关很大。4. 回波损耗隔离器的回波损耗是指正向入射到隔离器的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比，这是一个相当重要的指标，因为如果隔离器的回波强，那么其对系统回返光进行控制的同时，自身也会给系统带来一定的反射。LD光源隔离器光功率计P23dB耦合器图5隔离器的回损测量原理图其中：为回损(dB)；P1为输入光功率；P2为返回光功率。【实验内容与步骤】利用耦合器测试实验的过程，自行设计如何测量隔离器的插损、回损、隔离度、PDL，并确定此隔离器是什么波段的？什么方向的？端口波长IL（dB）方向隔离度（dB）RLPDLAB1310nmBAAB1550nmBA【课后思考题】1. 隔离器的核心工作原理是什么？2. 实验中的隔离器1310nm和1550nm的隔离度差异较大，为什么？3. 试着说出一种隔离器的使用环境？4. 如何简单区分偏振无关隔离器和偏振相关隔离器？5. 漆黑的晚上，在屋子外面可以透过窗户看清楚亮灯屋子内部的情况，可是在屋子内部就看不见屋子外面的情况，请问这种情况和隔离器相同吗？6. 请同学给出一种偏振无关隔离器的结构，并简要分析。实验三 波分复用/解复用器（WDM）的测试【实验目的】1. 了解WDM的特性及其简单应用。2. 掌握WDM的测试方法和基本测量仪器的使用。【实验原理】实现波分复用解复用滤波器的技术包括很多种。这里我们只对几种流行的技术简单介绍。这些技术主要有薄膜干涉型滤波器，平面波导型（AWG），光纤光栅型，光纤熔融级联MZ干涉仪型以及衍射光栅型等。介质薄膜干涉滤波器是使用最广泛的一种滤波器，主要应用在400GHz到200GHz频率间隔的低通道波分复用系统中。这种技术十分成熟，可以提供良好的温度稳定性和通道隔离度和很宽的带宽。主要工作原理是在玻璃衬底上镀膜，多层膜的作用使光产生干涉选频，镀膜的层数越多选择性越好，一般都要镀200层以上。镀膜后的玻璃经过切割，研磨，再与光纤准直器封装在一起。这种技术的不足之处在于要实现频率间隔100GHz以下非常困难，限制了通道数只能在16以下。介质薄膜干涉滤波器的国外供货商包括SCHOTT，NSG，国内包括武汉院器件所，上海中天、广州奥普、成都中科院光电所，沈阳汇博公司等等。平面波导滤波器主要是一种阵列波导光栅（AWG）。制作原理是在硅材料衬底上镀多层玻璃膜（形成光栅），玻璃的成分必须仔细选定以产生合适的折射率。这些玻璃层按一定形状用光刻，反应离子刻蚀等标准的半导体工艺制备在硅衬底上。同样地入射光在光栅中产生干涉滤波。这种技术的难点在于制作波导光栅，即控制玻璃膜的厚度，成分与缺欠等。这种器件的优点在于集成性，频率间隔可以达到100GHz，50GHz的器件也可以做出来。缺点是温度稳定性不好，插损较大。平面波导滤波器的国外供应商如KYMATA。基于光纤的滤波器主要是长周期或短周期的光纤光栅以及熔融MZ干涉仪型的结构。这些器件特别是后者可以提供非常窄的频率间隔。最好可以作到2.5GHz（0.04nm），理论上在C波段就可以容纳1600个通道复用。插损与一致性也非常好。光纤光栅是通过紫外光在高掺锗或普通氢载光纤上按一定的掩膜刻制光栅的器件。长周期光纤光栅还具有宽带滤波的性能，特别适合制作EDFA增益平坦的滤波器。光纤光栅器件的困难在于温度稳定性，由于光栅的中心波长会随温度而变化，所以实用化的器件必须解决这个问题。图1 DWDM滤波器制作技术的比较.商品化的器件与实验室产品最重要的区别就是可靠性是否符合标准。由于新一代器件使DWDM系统的频率间隔进一步缩小，通道数进一步增加，器件一旦发生问题对于整个系统带来的影响也变得更加严重。作为DWDM系统核心器件的滤波器的可靠性必须过关。目前光器件可靠性测试的两个主要标准是Bellcore GR1209与 GR1221。这其中可能最困难的就是温度与湿度储存实验。Interleaving 技术 为实现50GHz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，2000年3月的OFC展览上，多家公司纷纷提出一种群组滤波器，Chroum公司称之为Slicer, Wavesplitter, JDS Uniphase等公司称之为Interleaver。这种器件的基本工作原理如图10.2，通过两个分别频率间隔为目标间隔两倍的普通复用/解复用器的组合使用，一个专门配合偶数的频道数，一个专门配合奇数频道数。再配合一个可以将信号按奇偶分开的Interleaver，就可以实现50GHz的频率间隔。图2 Interleaver的工作示意可以说Interleaver的出现使许多传统滤波器技术在密集波分复用的新应用中重新找到了自己的位置，大大减低了器件设计制作的压力，降低了整个系统的成本。这种器件的基本工作原理还是两束光的干涉，干涉产生了周期性的原来信号波长重复整数倍的输出，通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组输出。换句话说通过合适的干涉参数设计可以使Interleaver的通过谱成为类似梳状波的形状。实现Interleaver的技术包括熔融拉锥的干涉仪，液晶，双折射晶体、GT镜等等方案实现。波分复用器（WDM）的工作原理来源于物理光学，如利用介质薄膜的干涉滤光作用、利用棱镜和光栅的色散分光作用、利用熔融拉锥的耦合模理论等。波分复用器的光学特性主要如下：（1） 中心波长（或通带）1、2n1它是由设计、制造者根据相应的国际、国家标准或实际应用要求选定的。例如对于密集型波分复用器ITU-T规定在1550nm区域，1552.52nm为标准波长。其他波长规定间隔100G（0.8nm），或取其整数倍作复用波长。（2） 中心波长工作范围1、2对于每一个工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参数限定了我们所选用的光源（LED或LD）的谱宽宽度及中心波长位置。（3） 中心波长对应的最小插入损耗L1、L2该参数是衡量解复用器的一项重要指标，设计、制作者及使用者都希望此值越小越好。此值以小于“X”dB表示。（4） 相邻信道之间隔离度（串扰）ISO12、ISO23如果以不同端口作为输入端口，其插入损耗最小值分布在端口所对应的中心波长附近。以N个端口作为输入端时，每一端口各种光学参数的规定、测量与解复用器相同。（5） 还有插入损耗、附加损耗、偏振相关损耗、回波损耗等。其中插损、附加损耗、偏振相关损耗、回波损耗的测试内容参阅耦合器的相关测试，基本原理和方法大同小异此处不再赘述。下面主要介绍一下隔离度（串扰）的测试。隔离度（串扰）是度量信道之间相互干扰的参数，当WDM用作分波时，每个输出端口对应一个特定的标称波长，从第路输出端口测得的该标称信号的功率与第路输出端口测得的串扰信号的功率之间的比值，定义为第路对第路的隔离度；从第路输出端口测得的串扰信号的功率与第路输出端口测得的该路标称信号的功率的比值定义为第路对第路的串扰。1550nmLD1310nmLD13/15WDM光功率计1310nm1550nmab总之隔离度和串扰是一对相关的参数，A通道对B通道的隔离度与B通道对A通道的串扰用dB表示时绝对值相等，符号相反。在本实验中，我们测量13/15WDM的隔离度和串扰，测试方案如图3所示：图10.3 13/15WDM的隔离度和串扰的测试本实验选用的波分复用/解复用器是熔融拉锥型的13/15的WDM，它的核心原理是耦合模理论，工作波长分别是1310nm/1550nm，对应着目前光纤的两个低损耗窗口，是最简单的波分复用系统中使用的基本器件。【实验内容与步骤】利用耦合器测试实验的过程，自行设计如何测量普通WDM和高隔离度WDM的插损、回损、隔离度、PDL，并确定此WDM的A、B端口对应的波长？序号端口波长IL（dB）隔离度（dB）RLPDLWDM IABWDM IIABWDM IIIABWDM I（高）ABWDM II（高）AB【课后思考题】1. WDM和耦合器的主要区别是什么？2. 如果把图3反过来输入光，是否能达到合波的作用（复用）？3. 试着用3个普通WDM搭建一个高隔离度的WDM？4. WDM可以用作复用器和解复用器，在作为复用器的时候，耦合器是否也能作为复用器？有什么区别。5. 你能设计几种方案可以把两根单模光纤里的光几乎无损耗地合到一根单模光纤中，条件是什么？实验四 光纤衰减器（VOA）特性实验【实验目的】1 . 了解光纤衰减器的工作原理及基本机构。2 . 熟悉光纤衰减器在光通信系统中的应用。【实验原理】光衰减器是用来在光纤线路中产生可以控制的衰减的一种无源器件。在许多实验或者产品测试等中，可能需要测量高功率光信号特性，如果功率过高，比如光放大器的强输出，则测量前，信号需要经过精确衰减，这样做是为了避免仪器损坏或者测量的过载失真。例如在短距离小系统光纤通信中，光衰减器用来防止到达光端机的光功率过大而溢出接收动态范围；在光纤测试系统中，则可用衰减器来取代一段长光纤以模拟长距离传输情形。目前，做为衰减器的衰减原理有很多：电光、声光、磁光、液晶、偏振、空间光栏、衰减片、MEMS等等原理都能实现衰减原理，但真正在系统中使用的绝大多数却是一种原理非常简单、成本低廉的衰减器，它的外形和光纤法兰盘一模一样，原理使用的是两根光纤的间隙大小不同插损不同，目前这种衰减器的缺点是回损差，精确度偏差，对于高精度要求不足，但由于低廉的成本和适合批量生产，所以目前占有绝对市场，具体外形如图1。图1 普通的固定衰减器外形这种衰减器使用的原理是当两根光纤端面间距和角度不同情况下相对时，引入的插损如下式： （1）其中，：是光纤纤芯的折射率；：光纤端面间的介质折射率；：光源的波长；：横向偏移；：纵向偏移；：角度对准误差；：1/e发送光纤的模场直径；：1/e接收光纤的模场直径。实现的办法是在套管中加一个固定厚度的环（固定衰减器），造成两个端面（ferrule）之间的距离固定d，而公式1中，如果d不同，则在光路中将会引入了一个固定的插损（衰减量）。固定螺母定位销（a）（b）图2 一种间距可调原理的可变衰减器利用这个方案还可以做可变衰减器（仅仅是可变衰减器诸多方案中的一种，其他的衰减器原理也基本都可以做成可变衰减器的，分手动、电控、数字等等控制方式），如图2.a，中间的定位销可以在划槽中前后移动，这样两个光纤端面就可以得到不同的间距了，固定螺母可以把定位销在前后夹住定位销，使得定位销固定在某个位置（如图2.b），这样就得到了某个损耗的固定衰减，从而形成一个简易的可调衰减器，这种衰减器在回损要求不高的系统中广泛使用。光通信的发展，对光衰减器性能的要求是：插入损耗低、回波损耗高、分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、衰减精度高、器件体积小、环境性能好。衰减量和插入损耗是光衰减器的重要技术指标。固定光衰减器的重要指标实际上就是其插入损耗（实际中还需要注意波段，不同波长的衰减器是不能通用的，例如1310nm的5dB衰减器在1550nm的光路里就不是5dB的衰减），而可变光衰减器除了衰减量外，还有单独的插入损耗指标要求。高质量可变光衰减器的插入损耗在1.0dB以下。一般情况下，普通可变光衰减器的该项指标小于3.0dB即可使用。【实验内容与步骤】利用耦合器测试实验的过程，自行设计如何测量法兰式固定衰减器和法兰式可变衰减器的衰减值（插损），并确定其对应的波长？固定法兰式衰减器序号1310nm（dB）1550nm（dB）可调法兰式衰减器： Max IL： dB，Min IL ： dB【课后思考题】1. 对于法兰式固定衰减器，除了看标签外，还有什么方法可以区分它和法兰盘的区别？2. 为什么我们实验中使用的衰减器不能在回损要求高的系统中使用？3. 能自己设计一种其他方案的衰减器吗？实验3光纤衰减及损耗测试实验【实验目的】1. 了解光纤衰减系数的物理意义；2. 了解利用切断法、插入损耗法、背向散射法测量光纤衰减；3. 会使用切断法测光纤的衰减；4. 会使用插入损耗法测光纤的衰减。【实验原理】一、光纤的损耗1. 光纤的衰减衰减是光纤的重要指标，它表明光纤对光能的传输损耗，对光纤通信系统的传输距离有决定性的影响。衰减系数定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即(10/L)log10(Pi/P0) (dB/km)其中Pi，P0，分别为光纤的输入、输出光功率，L是光纤长度。造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8m)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接芯径不匹配和熔接质量差等。当光从光纤的一端射入，从另一端射出时，光的强度会减弱。这意味着光信号通过光纤传播后，光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因，阻挡光信号通过。这就是光纤的传输损耗。只有降低光纤损耗，才能使光信号畅通无阻。 2. 光纤损耗的分类 光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。具体细分如下： 光纤损耗可分为固有损耗和附加损耗。 固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。 附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。其中，附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避免地要将光纤一根接一根地接起来，光纤连接会产生损耗。光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会