【文章內容簡介】 器而言，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學表達式為:ILi=1Olg(POi/Pi)其中，ILi是第i個輸出端口的插入損耗；POi 是第i個輸出端口測到的光功率值；Pi 是輸入端的光功率值。2)．附加損耗(Excess Loss)附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學表達式為:EL=1Olg(ΣPO/Pi)對于光纖耦合器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質量的指標，反映的是器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗則表示的是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。因此不同種類的光纖耦合器之間，插入損耗的差異，并不能反映器件制作質量的優(yōu)劣，這是與其他無源器件不同的地方。3)．分光比(Coupling Ratio)分光比是光耦合器所特有的技術術語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，在具體應用中常常用相對輸出總功率的百分比來表示:CR=POi/ΣPOi x 100％例如對于標準X形耦合器，1:1或50：50代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。實際工程應用中，往往需要各種不同分光比的器件，這可以通過控制制作過程的停機點來得到。4)．方向性(Directivity)方向性也是光耦合器所特有的一個技術術語，它是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以標準X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入一側非注入光的一端的輸出光功率與全部注入光功率的比較值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學表達式為:DL=1Olg(Pi2/Pi1)其中，Pi1代表注入光功率，Pi2代表輸入一側非注入光的一端的輸出光功率。5)．均勻性(Uniformity)對于要求均勻分光的光耦合器(主要是樹形和星形器件)，實際制作時，因為工藝的局限，往往不可能做到絕對的均分。均勻性就是用來衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內，各輸出端口輸出光功率的最大變化量。其數(shù)學表達式為:FL=1Olg(Min(PO)/ Max(PO))6)．偏振相關損耗(Polarization Dependent Loss)偏振相關損耗是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。它是指當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360176。變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量:PDLi=1Olg(Min(POi)/ Max(POi))在實際應用中，光信號偏振態(tài)的變化是經常發(fā)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。7)．隔離度(Isolation)隔離度是指光纖耦合器件的某一光路對其他光路中的光信號的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話(crosstalk)小。對于光纖耦合器來說，隔離度更有意義的是用于反映WDM器件對不同波長信號的分離能力。其數(shù)學表達式是:I=1Olg(Pt/Pi)式中：Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值；Pi是被檢測光信號的輸入功率值。從上述定義可知，隔離度對于分波耦合器的意義更為重大，要求也就相應地要高些，實際工程中往往需要隔離度達到40dB以上的器件；而一般來說，合波耦合器對隔離度的要求并不苛刻，20dB左右將不會給實際應用帶來明顯不利的影響。3． 波分復用／解復用器與光濾波器：波分復用／解復用器是一種特殊的耦合器，是構成波分復用多信道光波系統(tǒng)的關鍵器件，其功能是將若干路不同波長的信號復合后送入同一根光纖中傳送，或將在同一根光纖中傳送的多波長光信號分解后分送給不同的接收機，對利用光纖頻帶資源，擴展通信系統(tǒng)容量具有重要意義。WDM器件有多種類型，如熔錐型、光柵型、干涉濾波器型和集成光波導型。4． 光隔離器：在光纖與半導體激光器的耦合系統(tǒng)中，某些不連續(xù)處的反射將影響激光器工作的穩(wěn)定性。這在高碼速光纖通信系統(tǒng)，相干光纖通信系統(tǒng)，頻分復用光纖通信系統(tǒng)，光纖CATV傳輸系統(tǒng)以及精密光學測量系統(tǒng)中將帶來有害的影響。為了消除這些影響，需要在激光器與光纖之間加光隔離器。光隔離器是一種只允許光線沿光路正向傳輸?shù)姆腔ヒ仔栽?，其工作原理主要是利用磁光晶體的法拉第效應，它由兩個線偏振器中間加一法拉第旋轉器而成。5． 光開關：光開關是一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。端口即指連接于光器件中允許光輸入或輸出的光纖或光纖連接器。光開關可用于光纖通信系統(tǒng)、光纖網絡系統(tǒng)、光纖測量系統(tǒng)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng)，起到開關切換作用。根據(jù)其工作原理，光開關可分為機械式和非機械式兩大類。機械式光開關靠光纖或光學元件移動，使光路發(fā)生改變。它的優(yōu)點是：插入損耗較低，一般不大于2dB；隔離度高，一般大于45dB；不受偏振和波長的影響。不足之處是：開關時間較長，一般為毫秒數(shù)量級，有的還存在回跳抖動和重復性較差的問題。機械式光開關又可細分為移動光纖、移動套管、移動準直器、移動反光鏡、移動棱鏡、移動耦合器等種類。非機械式光開關則依靠電光效應、磁光效應、聲光效應以及熱光效應來改變波導折射率，使光路發(fā)生改變，它是近年來非常熱門的研究課題。這類開關的優(yōu)點是：開關時間短，達到毫微秒數(shù)量級甚至更低；體積小，便于光集成或光電集成。不足之處是插入損耗大，隔離度低，只有20dB左右。光開關在光學性能方面的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、遠端串擾、近端串擾、工作波長、消光比、開關時間等。插入損耗定義為輸入和輸出端口之間光功率的減少，以分貝來表示。IL=1Olg(P1/P0)式中：P0為進入輸入端的光功率；P1為輸出端接收的光功率。插入損耗與開關的狀態(tài)有關?；夭〒p耗(也稱為反射損耗或反射率)定義為從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值，以分貝表示。RL=1Olg(P1/P0)式中：P0為進入輸入端的光功率；P1為在輸入端口接收到的返回光功率?；夭〒p耗也與開關的狀態(tài)有關。隔離度定義為兩個相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來表示。In,m=1Olg(Pin/Pim)式中：n、m為開關的兩個隔離端口(n≠m)；Pin是光從i端口輸入時n端口的輸出光功率，Pim是光從i端口輸入時在m端口測得的光功率。遠端串擾定義為光開關的接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值。FC12=1Olg(P1/P2)式中：P1是從端口1輸出的光功率；P2是從端口2輸出的光功率。近端串擾定義為當其它端口接終端匹配時，連接的端口與另一個名義上是隔離的端口的光功率之比。NC12=1Olg(P2/P1)式中：P1是輸入到端口1的光功率，P2是端口2接收到的光功率。消光比定義為兩個端口處于導通和非導通狀態(tài)的插入損耗之差。ERnm=ILnmIL0nm式中：ILnm 為n,m端口導通時的插入損耗；IL0nm 為非導通狀態(tài)的插入損耗。開關時間指開關端口從某一初始態(tài)轉為通或斷所需的時間，開關時間從在開關上施加或撤去轉換能量的時刻起測量。三、實驗裝置：實驗裝置圖一實驗裝置圖二四、實驗內容及步驟：1. 測試光路準備a. 按實驗裝置圖一所示結構連接1550nm半導體激光器、單模光纖耦合器、OPM和主機，暫將1550nm半導體激光器輸出直接連接至OPM輸入，檢查無誤后打開電源b. 設置OPM工作模式為OPM/dBm，量程(RTO)切換至0dBmc. 設置LD1工作模式(MOD)為恒流驅動(ACC)，1550nm激光器為恒定電流工作模式，調節(jié)驅動電流(Ic)()附近，記錄光功率值Pid. 連接1550nm激光器輸出(1550 Out)至待測光纖耦合器輸入端(PORT1)2. 將待測光纖耦合器輸出端PORT3連接至OPM輸入，記錄該端口輸出光功率Po1，計算光纖耦合器插入損耗IL1 3. 繞軸向緩慢旋轉待測光纖耦合器輸入端光纖，記錄該端口輸出光功率Po1的最小值Min(PO1)和最大值Max(PO1)，計算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL14. 將待測光纖耦合器輸出端PORT4連接至OPM輸入，記錄該端口輸出光功率Po2，計算光纖耦合器插入損耗IL2 5. 繞軸向緩慢旋轉待測光纖耦合器輸入端光纖，記錄該端口輸出光功率Po2的最小值Min(PO2)和最大值Max(PO2)，計算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL26. 計算光纖耦合器分光比CR7. 計算光纖耦合器附加損耗EL8. 按實驗裝置圖二所示結構將待測光纖耦合器輸入端PORT2連接至OPM輸入。待測光纖耦合器輸出端PORT3和PORT4分別連接一根光跳線，每根光跳線均在手指上繞5圈，使得PORT3和PORT4的輸出光功率在兩跳線中極大衰耗，最終減小其反射光對方向性測量的影響。設置OPM至合適量程(RTO)，記錄該端口反向輸出光功率Pi2，計算光纖耦合器方向性DL五、注意事項：1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準人眼，以免灼傷。2. 光纖連接器陶瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護套。3. 所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試外其曲率半徑應大于30mm。六、思考題：如何借助于標準3dB耦合器測量待測光纖耦合器輸入端PORT1的回波損耗？請畫出測試光路，并寫出測試步驟和數(shù)據(jù)處理方法。 實驗四　光纖時域反射測量（OTDR）一、實驗目的：1. 了解光波系統(tǒng)中光信號的傳輸特性；2. 掌握光纖時域反射法的工作原理和測量方法；二、實驗原理：光纖時域反射測量（OTDR）是光纖通信領域非常重要的測量技術。OTDR首先發(fā)射光脈沖進入光纖，光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質、連接器、接合點、彎曲或其它類似的事件而產生散射和反射，通過對返回光的強度及時間特征進行分析可以測知光纖介質的傳輸特性。圖1是OTDR典型的測試波形。圖1: 光纖時域反射測量測試波形OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號沿著光纖產生無規(guī)律的散射而形成，這些背向散射信號表明了光纖導致的衰減（損耗/距離）程度，形成的軌跡是一條向下的曲線。給定光纖參數(shù)和波長，瑞利散射的功率與信號的脈沖寬度成比例，脈沖寬度越長，背向散射功率就越強。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號的波長有關，波長較短則功率較強。在高波長區(qū)（超過1500nm），瑞利散射會持續(xù)減小，但紅外吸收的現(xiàn)象會出現(xiàn)，增加并導致了全部衰減值的增大。1550nm波長的OTDR具有最低的衰減性能，可以進行長距離的測試，高衰減的1310nm或1625nm波長，OTDR的測試距離受到限制。菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個別點而引起的，這些點是由造成反向系數(shù)改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙。在這些點上，會有很強的背向散射光被反射回來。OTDR利用菲涅爾反射的信息來定位連接點，光纖終端或斷點，通過發(fā)射信號到返回信號所用的時間以及光在玻璃物質中的速度，可以計算出距離。三、實驗裝置：圖2：光纖時域反射測量實驗裝置四、實驗內容及步驟：1. 測試光路準備a. 按圖2所示結構連接1550nm半導體激光器、InGaAs PIN光電二極管、模擬接收器（）、單模光纖耦合器、。b. 將單模光纖耦合器輸出端PORT4連接一根FC/APCFC/PC光跳線。c. 將函數(shù)信號發(fā)生器輸出(SIG)連接至半導體激光控制器LD1的調制信號輸入端(MOD1)，同時使用三通將此信號連接至示波器的CH2輸入用于信號同步。d. 將模擬接收器的輸出信號()連接至示波器的CH1輸入，檢查無誤后打開系統(tǒng)電源2. 時域反射法測定單模光纖斷點位置a. 設置COD模式為ARX，量程(PD1RTO)至100uA檔。b. 設置SIG工作模式為脈沖模式(PUS)。調節(jié)示波器同步CH1輸入，上升沿出發(fā)，觀察到穩(wěn)定的脈沖調制信號。c. 設置LD2工作模式(MOD)為數(shù)字調制模式(ODM)，1550nm激光器工作于5kHz脈沖模式下，調節(jié)LD2驅動電流(Ic)。d. 觀察光接收機監(jiān)控信號波形，記錄兩次反射脈沖前沿之間的時間間隔TRe. 計算單模光纖斷點位置(n=)五、注意事項：1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準人眼，以免灼傷。2. 光纖連接器陶瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護套。3. 所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試外其曲率半徑應大于30mm。實驗五　語音、圖像光纖傳輸及波分復用（WDM）一、實驗目的：1. 了解光纖模擬通信和數(shù)字通信的工作原理；2. 了解光纖波分復用技術(WDM)的工作原理；二、實驗原理：將電信號轉變?yōu)楣庑盘柕姆绞酵ǔＳ袃煞N：直接調制和間接調制。直接調制方法適用于半導體光源，它將要傳送的信息轉變?yōu)殡娏餍盘栕⑷牍庠?，獲得相應的光信號輸出，是一種光強度調制(IM)。間接調制是利用晶體的電光、磁光和聲光效應等性質對光輻射進行調制，可以采用鈮酸鋰調制器(LM)、電吸收調制器(EAM)和干涉型調制器(MZM)實現(xiàn)。對強度調制直接檢測(IM／DD)光波系統(tǒng)，并非一定要采用外調制方案，但在高速長距離光波系統(tǒng)中，采用間接調制有利于提高系統(tǒng)性能。直接調制技術具有簡單、經濟和容易實現(xiàn)等優(yōu)點，由于光源的輸出光功率基本上與注入電流成正比，因此調制電流變化轉換為光頻調制是一種線性調制。按調制信號的形式，光調制可分為模擬信號調制和數(shù)字信號調制兩種。圖1：半導體光源的直接調制原理(a) LED模擬調制 (b)LED數(shù)字調制 (c)LD數(shù)字調制模擬信號調制是直接用連續(xù)的模擬信號(如話音和視頻信號)對光源進行調制，如圖1(a)所示，連續(xù)的模擬信號電流疊加在直流偏置電流上。適當選擇直流偏置電流的大小，可以減小光信號的非線性失真。數(shù)字信號調制主要指PCM編碼調制，先將連續(xù)變化的模擬信號通過取樣、量