光纤测量实验报告

光纤测量实验报告 课程名称：光纤测量 实验名称： 耦合器光功率分配比的测量 学院：电子信息工程学院 专业：通信与信息系统 班级：研1305班 姓名：韩文国 学号：13120011 实验日期：2014年4月22日 指导老师：宁提纲、李晶 耦合器光功率分配比的测量 一、 实验目的： 1. 理解光纤耦合器的工作原理； 2. 掌握光纤耦合器的用途和使用方法； 3. 掌握光功率计的使用方法。 二、 实验装置：LD激光器，1×2光纤耦合器，2 ×2光纤耦合器，TL-510型光功率计，光纤跳线若干。 1. LD激光器 半导体激光器是以一定的半导体做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。 本实验用的LD激光器中心频率是1550nm。 2. 光功率计 光功率计（optical power meter ）是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用；在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。 3. 耦合器 光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成，属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。 在本实验中所用的1×2耦合器光功率分配比理论值为1:9，而2 ×2耦合器光功率分配比理论值为1:1。 三、 实验内容： 测量耦合器两输出端的功率，计算功率分配比。 四、 实验原理： 2 ×2 光纤耦合器亦称X型光纤耦合器，它是一种应用最为广泛的定向耦合器件。该种耦合器主要依靠倏逝场的作用实现耦合，使两根光纤纤芯相互靠近，可以实现光功率的有效耦合。当光纤中传输的能量经过耦合区时，一部分能量通过消逝波传到包层中，并逐渐耦合到另外一根光纤之中。因此，大多数2 ×2 光纤耦合器的耦合结构都应设计成使两个纤芯彼此靠近的结构，如图所示。 1. 耦合器主要性能参数 (1) 插入损耗(insertion loss) 插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值，其数学表达式为: (2) 附加损耗(excess loss) 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减少值，其数学表达式为: (3) 分光比(coupling ratio) 分光比是指在某一端口输出功率Pi 与各个端口总输出光功率之比，即 (4) 隔离度(isolation) 光纤耦合器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。其数学表达式为: 式中Pl 为某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值。 2. 耦合模理论 耦合模理论是分析光纤耦合器耦合机理的有力工具。耦合模理论最突出的优点在于能够诠释光波在波导中的物理行为，即波导中的同类模(导波模、包层模和辐射模) 之间、不同类模(导波模与包层模、导波模与辐射模、包层模与辐射模) 之间的功率交换行为。耦合模理论能够比较全面、精确、细致的描述光纤耦合器的耦合器特性及功率转换过程，并能给出精确的解析解。缺点是需满足弱导近似条件，对构成光纤耦合器的横截面和折射率分布都有严格要求，且推演、求解过程繁冗，受问题边界条件的限制，能够得到的解析解有限。 2x2单模光纤耦合器可看作是两个锥体相互靠近形成的，其基本结构如图 l 所示.它的基本思想是: 相耦合的两波导中的场. 各自保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数.耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化.设两波导中的复数振幅为A1(z)和A2(z).由于耦合作用，它们沿途变化.其变化规律可用两联立的一阶微分方程组表示: 式中， A1、A2分别是两根光纤的模场振幅;B1 、B2是两根光纤在孤立状态下的传播常数; Cij是耦合系数.他们都是传播方向z的函数.当两根光纤相同时，B1=B2，C12=c21=C，于是方程(1)的解析解为 : 将上式归一化处理，且令P1为直通臂中的光功率，P2为耦合臂中的光功率，可得: 式中. L为耦合区的有效相互作用长度 .也可以近似为熔融拉伸长度;C为耦合系数. 其中: 上式中， r 是光纤半径，d是两光纤中心的间距，U和W是光纤的纤芯和包层参量 .孤立光纤参量，和l是零阶和一阶修正的第二类贝塞尔函数.由于含有贝塞耳函数，式(4)相对比较复杂，可简化如下 : 式中，a是纤芯半径.d=d/a ，d为两纤芯问的距离.常数C0，C1，C2依赖于V0. 五、 实验步骤 如图所示，将激光器接好电源，打开TL-510型光功率计，调到w挡并调节波长为1550nm。 1. 1 ×2耦合器光功率分配比的测量 激光器连接1×2耦合器的3端口，用光功率计分别测量将1和2端口功率，测得数据如下： 1端口功率（mw） 2端口功率（μw） 2.546 293.8 2.547 294.7 2.565 296.4     各自取平均值，计算得： w1/w2=9：1 2. 2 ×2耦合器光功率分配比的测量 激光器连接2×2耦合器的1端口，用光功率计分别测量将3和4端口功率，测得数据如下： 3端口功率值（mw） 4端口功率值（mw） 1.728 1.653 1.686 1.657 1.663 1.685     各自取平均值，计算得： W3/w4=1：1 激光器连接2×2耦合器的3端口，用光功率计分别测量将1和2端口功率，测得数据如下 1端口功率值（mw） 2端口功率值（mw） 1.684 1.723 1.724 1.698 1.694 1.734     各自取平均值，计算得： w1/w2=1：1 3. 2 ×2耦合器回波功率的测量 直接测量激光器输出功率，然后激光器连接2×2耦合器的3端口，用光功率计测量4端口功率，测得数据如下 激光器输出功率（mw） 4端口功率（μw） 3.846 0.005 3.747 0.004 3.765 0.004     各自取平均值，计算得： W回波/w输入=10E-6 六、 结论 1. 1 ×2耦合器、2 ×2耦合器的功率分配比都和理论值符合的很好。 2. 2 ×2耦合器的回波比非常小，约为10e-6数量级。 3. 光纤耦合器的光功率比值对周围环境、温度、湿度等因素非常敏感，尤其是受法兰盘污损、连接不当，光纤弯折等因素影响很大。因此实验时一定要谨慎操作，也要理解一定范围内的误差来源和减小的措施。