【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器而言，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對(duì)全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為:ILi=1Olg(POi/Pi)其中，ILi是第i個(gè)輸出端口的插入損耗；POi 是第i個(gè)輸出端口測(cè)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(duì)于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:EL=1Olg(ΣPO/Pi)對(duì)于光纖耦合器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的指標(biāo)，反映的是器件制作過(guò)程帶來(lái)的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個(gè)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(zhì)量的優(yōu)劣，這是與其他無(wú)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(shù)術(shù)語(yǔ)，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，在具體應(yīng)用中常常用相對(duì)輸出總功率的百分比來(lái)表示:CR=POi/ΣPOi x 100％例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際工程應(yīng)用中，往往需要各種不同分光比的器件，這可以通過(guò)控制制作過(guò)程的停機(jī)點(diǎn)來(lái)得到。4)．方向性(Directivity)方向性也是光耦合器所特有的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時(shí)，輸入一側(cè)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(xué)表達(dá)式為:DL=1Olg(Pi2/Pi1)其中，Pi1代表注入光功率，Pi2代表輸入一側(cè)非注入光的一端的輸出光功率。5)．均勻性(Uniformity)對(duì)于要求均勻分光的光耦合器(主要是樹(shù)形和星形器件)，實(shí)際制作時(shí)，因?yàn)楣に嚨木窒蓿豢赡茏龅浇^對(duì)的均分。均勻性就是用來(lái)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(nèi)，各輸出端口輸出光功率的最大變化量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:FL=1Olg(Min(PO)/ Max(PO))6)．偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss)偏振相關(guān)損耗是衡量器件性能對(duì)于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。它是指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360176。變化時(shí)，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(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，往往要求器件有足夠小的偏振相關(guān)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(duì)其他光路中的光信號(hào)的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話(crosstalk)小。對(duì)于光纖耦合器來(lái)說(shuō)，隔離度更有意義的是用于反映WDM器件對(duì)不同波長(zhǎng)信號(hào)的分離能力。其數(shù)學(xué)表達(dá)式是:I=1Olg(Pt/Pi)式中：Pt是某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值；Pi是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。從上述定義可知，隔離度對(duì)于分波耦合器的意義更為重大，要求也就相應(yīng)地要高些，實(shí)際工程中往往需要隔離度達(dá)到40dB以上的器件；而一般來(lái)說(shuō)，合波耦合器對(duì)隔離度的要求并不苛刻，20dB左右將不會(huì)給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)明顯不利的影響。3． 波分復(fù)用／解復(fù)用器與光濾波器：波分復(fù)用／解復(fù)用器是一種特殊的耦合器，是構(gòu)成波分復(fù)用多信道光波系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其功能是將若干路不同波長(zhǎng)的信號(hào)復(fù)合后送入同一根光纖中傳送，或?qū)⒃谕桓饫w中傳送的多波長(zhǎng)光信號(hào)分解后分送給不同的接收機(jī)，對(duì)利用光纖頻帶資源，擴(kuò)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(dǎo)型。4． 光隔離器：在光纖與半導(dǎo)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(fù)用光纖通信系統(tǒng)，光纖CATV傳輸系統(tǒng)以及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中將帶來(lái)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涔ぷ髟碇饕抢么殴饩w的法拉第效應(yīng)，它由兩個(gè)線偏振器中間加一法拉第旋轉(zhuǎn)器而成。5． 光開(kāi)關(guān)：光開(kāi)關(guān)是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口，可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)可用于光纖通信系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、光纖測(cè)量系統(tǒng)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng)，起到開(kāi)關(guān)切換作用。根據(jù)其工作原理，光開(kāi)關(guān)可分為機(jī)械式和非機(jī)械式兩大類。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)靠光纖或光學(xué)元件移動(dòng)，使光路發(fā)生改變。它的優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)的影響。不足之處是：開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為毫秒數(shù)量級(jí)，有的還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性較差的問(wèn)題。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)又可細(xì)分為移動(dòng)光纖、移動(dòng)套管、移動(dòng)準(zhǔn)直器、移動(dòng)反光鏡、移動(dòng)棱鏡、移動(dòng)耦合器等種類。非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)則依靠電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)以及熱光效應(yīng)來(lái)改變波導(dǎo)折射率，使光路發(fā)生改變，它是近年來(lái)非常熱門的研究課題。這類開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)時(shí)間短，達(dá)到毫微秒數(shù)量級(jí)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(kāi)關(guān)在光學(xué)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(yuǎn)端串?dāng)_、近端串?dāng)_、工作波長(zhǎng)、消光比、開(kāi)關(guān)時(shí)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(lái)表示。IL=1Olg(P1/P0)式中：P0為進(jìn)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(kāi)關(guān)的狀態(tài)有關(guān)?；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(jìn)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(kāi)關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。隔離度定義為兩個(gè)相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來(lái)表示。In,m=1Olg(Pin/Pim)式中：n、m為開(kāi)關(guān)的兩個(gè)隔離端口(n≠m)；Pin是光從i端口輸入時(shí)n端口的輸出光功率，Pim是光從i端口輸入時(shí)在m端口測(cè)得的光功率。遠(yuǎn)端串?dāng)_定義為光開(kāi)關(guān)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?dāng)_定義為當(dāng)其它端口接終端匹配時(shí)，連接的端口與另一個(gè)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(gè)端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。ERnm=ILnmIL0nm式中：ILnm 為n,m端口導(dǎo)通時(shí)的插入損耗；IL0nm 為非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗。開(kāi)關(guān)時(shí)間指開(kāi)關(guān)端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間，開(kāi)關(guān)時(shí)間從在開(kāi)關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置圖一實(shí)驗(yàn)裝置圖二四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1. 測(cè)試光路準(zhǔn)備a. 按實(shí)驗(yàn)裝置圖一所示結(jié)構(gòu)連接1550nm半導(dǎo)體激光器、單模光纖耦合器、OPM和主機(jī)，暫將1550nm半導(dǎo)體激光器輸出直接連接至OPM輸入，檢查無(wú)誤后打開(kāi)電源b. 設(shè)置OPM工作模式為OPM/dBm，量程(RTO)切換至0dBmc. 設(shè)置LD1工作模式(MOD)為恒流驅(qū)動(dòng)(ACC)，1550nm激光器為恒定電流工作模式，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(cè)光纖耦合器輸入端(PORT1)2. 將待測(cè)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(jì)算光纖耦合器插入損耗IL1 3. 繞軸向緩慢旋轉(zhuǎn)待測(cè)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(jì)算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL14. 將待測(cè)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(jì)算光纖耦合器插入損耗IL2 5. 繞軸向緩慢旋轉(zhuǎn)待測(cè)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(jì)算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL26. 計(jì)算光纖耦合器分光比CR7. 計(jì)算光纖耦合器附加損耗EL8. 按實(shí)驗(yàn)裝置圖二所示結(jié)構(gòu)將待測(cè)光纖耦合器輸入端PORT2連接至OPM輸入。待測(cè)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(duì)方向性測(cè)量的影響。設(shè)置OPM至合適量程(RTO)，記錄該端口反向輸出光功率Pi2，計(jì)算光纖耦合器方向性DL五、注意事項(xiàng)：1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對(duì)準(zhǔn)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(hù)套。3. 所有光纖均不可過(guò)于彎曲，除特殊測(cè)試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。六、思考題：如何借助于標(biāo)準(zhǔn)3dB耦合器測(cè)量待測(cè)光纖耦合器輸入端PORT1的回波損耗？請(qǐng)畫(huà)出測(cè)試光路，并寫出測(cè)試步驟和數(shù)據(jù)處理方法。 實(shí)驗(yàn)四　光纖時(shí)域反射測(cè)量（OTDR）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解光波系統(tǒng)中光信號(hào)的傳輸特性；2. 掌握光纖時(shí)域反射法的工作原理和測(cè)量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光纖時(shí)域反射測(cè)量（OTDR）是光纖通信領(lǐng)域非常重要的測(cè)量技術(shù)。OTDR首先發(fā)射光脈沖進(jìn)入光纖，光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接合點(diǎn)、彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射和反射，通過(guò)對(duì)返回光的強(qiáng)度及時(shí)間特征進(jìn)行分析可以測(cè)知光纖介質(zhì)的傳輸特性。圖1是OTDR典型的測(cè)試波形。圖1: 光纖時(shí)域反射測(cè)量測(cè)試波形OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來(lái)表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號(hào)沿著光纖產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的散射而形成，這些背向散射信號(hào)表明了光纖導(dǎo)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(zhǎng)，瑞利散射的功率與信號(hào)的脈沖寬度成比例，脈沖寬度越長(zhǎng)，背向散射功率就越強(qiáng)。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)較短則功率較強(qiáng)。在高波長(zhǎng)區(qū)（超過(guò)1500nm），瑞利散射會(huì)持續(xù)減小，但紅外吸收的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)，增加并導(dǎo)致了全部衰減值的增大。1550nm波長(zhǎng)的OTDR具有最低的衰減性能，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的測(cè)試，高衰減的1310nm或1625nm波長(zhǎng)，OTDR的測(cè)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(gè)別點(diǎn)而引起的，這些點(diǎn)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(diǎn)上，會(huì)有很強(qiáng)的背向散射光被反射回來(lái)。OTDR利用菲涅爾反射的信息來(lái)定位連接點(diǎn)，光纖終端或斷點(diǎn)，通過(guò)發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間以及光在玻璃物質(zhì)中的速度，可以計(jì)算出距離。三、實(shí)驗(yàn)裝置：圖2：光纖時(shí)域反射測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1. 測(cè)試光路準(zhǔn)備a. 按圖2所示結(jié)構(gòu)連接1550nm半導(dǎo)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(hào)發(fā)生器輸出(SIG)連接至半導(dǎo)體激光控制器LD1的調(diào)制信號(hào)輸入端(MOD1)，同時(shí)使用三通將此信號(hào)連接至示波器的CH2輸入用于信號(hào)同步。d. 將模擬接收器的輸出信號(hào)()連接至示波器的CH1輸入，檢查無(wú)誤后打開(kāi)系統(tǒng)電源2. 時(shí)域反射法測(cè)定單模光纖斷點(diǎn)位置a. 設(shè)置COD模式為ARX，量程(PD1RTO)至100uA檔。b. 設(shè)置SIG工作模式為脈沖模式(PUS)。調(diào)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(diào)制信號(hào)。c. 設(shè)置LD2工作模式(MOD)為數(shù)字調(diào)制模式(ODM)，1550nm激光器工作于5kHz脈沖模式下，調(diào)節(jié)LD2驅(qū)動(dòng)電流(Ic)。d. 觀察光接收機(jī)監(jiān)控信號(hào)波形，記錄兩次反射脈沖前沿之間的時(shí)間間隔TRe. 計(jì)算單模光纖斷點(diǎn)位置(n=)五、注意事項(xiàng)：1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對(duì)準(zhǔn)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(hù)套。3. 所有光纖均不可過(guò)于彎曲，除特殊測(cè)試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。實(shí)驗(yàn)五　語(yǔ)音、圖像光纖傳輸及波分復(fù)用（WDM）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 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(fù)用技術(shù)(WDM)的工作原理；二、實(shí)驗(yàn)原理：將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的方式通常有兩種：直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制方法適用于半導(dǎo)體光源，它將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入光源，獲得相應(yīng)的光信號(hào)輸出，是一種光強(qiáng)度調(diào)制(IM)。間接調(diào)制是利用晶體的電光、磁光和聲光效應(yīng)等性質(zhì)對(duì)光輻射進(jìn)行調(diào)制，可以采用鈮酸鋰調(diào)制器(LM)、電吸收調(diào)制器(EAM)和干涉型調(diào)制器(MZM)實(shí)現(xiàn)。對(duì)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM／DD)光波系統(tǒng)，并非一定要采用外調(diào)制方案，但在高速長(zhǎng)距離光波系統(tǒng)中，采用間接調(diào)制有利于提高系統(tǒng)性能。直接調(diào)制技術(shù)具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，由于光源的輸出光功率基本上與注入電流成正比，因此調(diào)制電流變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制是一種線性調(diào)制。按調(diào)制信號(hào)的形式，光調(diào)制可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制兩種。圖1：半導(dǎo)體光源的直接調(diào)制原理(a) LED模擬調(diào)制 (b)LED數(shù)字調(diào)制 (c)LD數(shù)字調(diào)制模擬信號(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)(如話音和視頻信號(hào))對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，如圖1(a)所示，連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上。適當(dāng)選擇直流偏置電流的大小，可以減小光信號(hào)的非線性失真。數(shù)字信號(hào)調(diào)制主要指PCM編碼調(diào)制，先將連續(xù)變化的模擬信號(hào)通過(guò)取樣、量