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光纖無源器件測試試驗講義

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光纖無源器件測試試驗講義

部分無源器件測試基礎知識：

近年來，光纖通信發展十分迅速，應用日漸廣泛。作為光纖通信設備的重要組成部分的光無源器件，也取得了長足的進步，并逐步形成了規模產業。

光無源器件是一種光學元器件。其工藝原理遵守光學的基本理論，即光纖理論和電磁波理論，各項技術指標、各種計算公式和各種測量方法和纖維光學、集成光學息息相關。

光無源器件是一門新興的、不斷發展的學科。光纖通信的發展召喚著功能更全、指標更先進的光無源器件不斷涌現；一種新型器件的出現往往會有力的促進光纖通信的進步，有時甚至使其躍上一個新的臺階。光纖通信系統對光無源器件的期望越來越大，器件的發展對系統的影響越來越深。除此而外，光無源器件在光纖傳感和其他光纖應用領域也大有用武之地。

光纖通信元件包括光纜、光有源器件、光無源器件等。光纖無源器件主要包括耦合器/分路器(Coupler/Splitter)、隔離器(Isolator)、濾波器(Filter)和光開關(OpticalSwich)等，它們都是將來光網絡系統中必不可少的器件。

下面我們先介紹一些基本的測試環境和條件，國標GB/T13713－92中說明測量條件如下：測試環境

無源器件的測量應當在GB2421－1989中所規定的正常大氣條件下進行，即溫度：15～35攝氏度；濕度：45％～75％；氣壓：85Kpa～106Kpa。優先測試條件光纖類別光源峰值波長(nm)功率穩定性（dB）50％功率處線寬（nm）注入到光纖中得功率(uW)檢測系統線性度（dB）動態范圍頻譜相應重復性（dB）0.15LED>8000.05100.05多模LD>8000.055000.05與光源匹配0.150.15單模LD>4000.055000.05注：：在整個測量周期中或至少1h；：注入到光纖中的功率不能高到產生非線性散射效應的水平；：檢測系統的特性相應不應偏離比規定水平大的線性；：測量系統總穩定性應當在整個測量周期中沒有超過規定的變化。測量應當注意的事項還有：

a，為了保證包層模不影響測量，應按分規范的規定依靠光纖本身的衰減作用或靠加一個包

層模消除器來消除包層模；

b，注意保證與器件接口處的斑紋圖形不會影響插入損耗的測量；

c，在器件的整個測試中，每一邊的光纖或光纜應當保持固定，并考慮光纖上盡可能的沒有

應力和較大的彎曲半徑；

各種試驗后耦合器損耗變化量和分光比變化量不應當超過下表的數據（YD/T893-1997），序號12345試驗項目（參照Bellcore1209）振動試驗(GB/T2423.10)沖擊試驗(GB/T2423.15)高溫試驗低溫試驗高低溫循環試驗插入損耗變化量（dB）

光纖之間耦合的最大功率。當兩根光纖一致時，有?1??2，則F=1，上式就蛻變為標準熔融拉錐型單模光纖耦合器的功率變換關系式

?2?22?C????Pz?Az?1?Fsinz??1?1??F?（8.5）?C??P?z??A?z?2?F2sin2?z??22?F???耦合器是光通信技術中一種重要的光無源器件，簡言之，Coupler就是一類能使傳輸中的光信號在特別結構的耦合區發生耦合，并進行再分派的器件。主要應用于光纖通信系統、光接入網、光纖CATV系統，無源光網絡(PON)，光纖傳感技術等領域。耦合器的常用參數有插入損耗、附加損耗、分光比、偏振相關損耗和方向性等，下面給出具體描述：A插入損耗(IL)

插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對輸入光功率的減少值。

ILi??10lgPOUTiPIN?dB?

B附加損耗(EL)

附加損耗是指所有輸出端口光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。

EL??10lg?POUTPIN?dB?

附加損耗是表達器件制造工藝質量的指標，反映的是器件制作過程中帶來的固有損耗；而插入損耗則表示各個輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響，試驗中務必是學生搞明白這一點。C分光比（CR）

分光比是耦合器所特有的技術術語，它定義為耦合器各輸出端口輸出功率占總輸出功率的分額，一般用百分比來表示。

CR??POUTiPOUT?100%

D偏振相關損耗(PDL)

是衡量器件性能對于傳輸光信號偏振態敏感程度的參量，有稱偏振靈敏度。它是指當傳輸光信號的偏振態發生2π變化時，器件的各個輸出端口輸出光功率的最大變化量。

??PDL??10lg?MAX?PMINPOUTjOUTj?dB?

在實際應用中，光信號偏振態的變化是經常發生的，因此，往往要求器件有足夠小的偏振相

關損耗，否則將直接影響器件的使用效果。E方向性(DL)和回損（RL）

方向性也是耦合器的一個重要技術指標，它是衡量器件定向傳輸特性的參數。

DL??10lgPIN2PIN1?dB?

試驗步驟：

A.耦合器插損、附加損耗、分光比的測量（插入法）

圖8.2試驗裝置圖

1.將跳線一端接在光纖光源的測試使用波長上，另一端接功率計。接通主機光源和功率計電源（假使要更換波長，需要將關斷電源，然后切換跳線）；待穩定后記錄下光源的輸出功率。2取下跳線。將耦合器的輸入端接在光纖光源的輸出端，耦合器的兩個輸出端口分別接功率計的兩個端口。（注意其他所有條件，包括光纖位置等都盡量保持不變）3.接通電源，記錄下功率計上兩個端口的功率值

4.利用前面提到的公式去計算插損、額外損耗和分光比5.換一個波長，重復1—4步驟。6關閉光源和功率計，切斷電源。光功率計Pi1TJij耦合器光源圖8.3插損、額外損耗和分光比的測試光功率計PiM

B、方向性的測量測量尾纖型光纖耦合器的方向性，方法如下：

……

a)如圖8.4所示測量耦合器反射回到端口2的光功率P2。（所謂中止器，一般指匹配液或

者繞很小的環，讓光纖的端面沒有光反射）

TJ終光源止耦合器器P2

圖8.4尾纖型耦合器方向性測量原理

b)保證Pij穩定后，使用一根標準跳線代替耦合器。直接測量光源輸出功率P1。（注意其他所有條件，包括光纖位置等都盡量保持不變）。c)按以下公式計算出光纖耦合器的方向性。

???10lgP2P1其中：α為方向性(dB)；P1為輸入光功率；P2為2端口輸出光功率。

思考題：

1，為什么選擇不同的光源，耦合器的分光比會不一樣。2，耦合器可以把能量分派到兩個端口（額外損耗很小），假使反過來把兩個端口輸入光，

會出現什么現象？

試驗中四個耦合器分別為：I（49.9％）；II（40.9％）；III（11.0％），IV（31.4％）

試驗二光纖隔離器（Isolator）的特性和參數測試

試驗目的：

1．了解光纖隔離器的工作原理及基本結構2．熟悉光纖隔離器在光纖通信系統中的應用。

試驗原理：

在高速率的光纖通信系統中要求激光源十分穩定，為此，希望盡可能減少負載回到激光

器的反射光。光隔離器的性能是光正向通過時衰減很小，但反向通過時衰減很大的器件。光隔離器相當于一種光非互易傳輸耦合器，所依據的基本原理是法拉第磁光效應。即當光波通過置于磁場中的法拉第旋光片時，光波的偏振方向總是沿與磁場（H）方向成右手螺旋的方向旋轉，而與光波的傳播方向無關。這樣，當光波沿正向和反相兩次通過法拉第旋片時，其偏振方向旋轉角將疊加而不是抵消，這種現象成為“非互易旋光性〞

圖9.1隔離器工作基本原理圖

在9.1圖中，當光從左到右傳，左面的起偏器將其偏振面確定在0o，經過適合長度的選光片旋光后，偏振面旋轉了45o，正好順利通過安放在45o角上的其次個起偏器。但如有發射光回來在逆方向上再次通過旋光片時，其偏振面會在源方向上再次轉45o，疊加的效果，偏振面就正好垂直于左面的起偏器，無法通過，從而實現單向傳輸，光隔離的功能。（注：這里給出的只是空間光隔離器的基本原理圖，目前實際中使用的絕大多數偏振無關的隔離器原理都使用這個原理，但結構與此差異很大）。

衡量光隔離度性能的主要參數有A插入損耗

插入損耗是隔離器的重要技術指標，其來源主要有偏振器、法拉第旋轉芯片和光纖準直器的插入損耗。

隔離器的插入損耗測試方框圖如圖9.2所示，主要注意的是：光源的波長必需在工作波長的范圍內，并使任何可能注入的高次模得到足夠的衰減，使隔離器的輸入端和檢測器處僅有基模傳輸；光信號沿隔離器的正向輸入。

標準連接器隔離器光功率計LD光源

圖9.2隔離器插入損耗測試原理示意圖

正向插入損耗α1，定義為正向傳輸時輸出光功率與輸入光功率之比。α1＝10log（Pin/Pout）dBB隔離度

隔離度是隔離器最重要的技術指標之一，表征了隔離器對反向傳輸光的衰減能力。主要受如下一些因素的影響：偏振器距法拉第旋轉器的距離；各個光學元件的表面反射率；偏振器的楔角、間距等。

隔離度的測試框圖如圖4：

標準連接器隔離器

光功率計LD光源

圖9.3隔離器隔離度測試原理示意圖

反向隔離度比α2，定義為反相傳輸時輸出功率與輸入功率之比。α2＝10log(P’in/P’out)dB*C偏振相關損耗(PDL)

PDL與插損不一樣，是指當輸入光的偏振態發生變化而其他參數不變時器件的插損的最大變化量，是衡量器件插損受偏振態影響程度的指標。

PDL的具體測試方案：改變隔離器前端輸入光的偏振態將測得器件的最大損耗減去最小損耗，即為PDL。

隔離器光功率計LD光源偏振控制器圖9.4隔離器偏振相關損耗測試原理框圖

*D回波損耗

隔離器的回波損耗RL是指正向入射到隔離器的光功率和沿輸入路徑返回隔離器輸入端口的光功率之比，這是一個相當重要的指標，由于假使隔離器的回波強，那么其對系統回返光進行控制的同時，自身也會給系統帶來一定的反射。(注：匹配液可以用微彎代替，即將輸出光纖在手指等上繞數圈，損耗到輸出光強基本為0為止，但這里不推薦這種方法，由于這種方法適合于裸纖)

隔離器

3dB耦合器匹配液LD光源光功率計

圖9.5隔離器的回損測量原理圖

試驗步驟：

1.將跳線接到光源測試使用的波長上，另一端接功率計，記錄下光源的輸出功率。2.按圖9.2、9.3和9