蘭 嵐，周建華，薛巧巧，劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，成都 610054)

光無(wú)源器件特性測(cè)量的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

蘭 嵐，周建華，薛巧巧，劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，成都 610054)

光無(wú)源器件是光纖通信系統(tǒng)的不可或缺的部分，其特性測(cè)量是光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要內(nèi)容之一。將光無(wú)源器件實(shí)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，給定學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容要求和實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生根據(jù)光無(wú)源器件的原理和特性，自行設(shè)計(jì)和搭建實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行光無(wú)源器件特性參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算。該實(shí)驗(yàn)有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升學(xué)生的動(dòng)手能力。

光纖通信；光無(wú)源器件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

隨著光纖通信技術(shù)及相關(guān)信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在科學(xué)研究和人才需求的牽引下，光纖通信課程的重要性日趨明顯。光纖通信課程的教學(xué)除了要求學(xué)生具有牢固的理論知識(shí)基礎(chǔ)之外，也要求學(xué)生具有較強(qiáng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰鸵欢ǖ南到y(tǒng)設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力，這正是光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)開設(shè)的目標(biāo)[1-5]。

一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除了光纖、光源和光檢測(cè)器外，還需要許多其他光器件，特別是光無(wú)源器件，這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的[6]。因此，光無(wú)源器件的特性測(cè)量則成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要內(nèi)容之一。而傳統(tǒng)單一的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)通常過(guò)分重視確定性的內(nèi)容，忽視原理性、策略性、發(fā)展性和創(chuàng)造性的素質(zhì)教學(xué)[4]。為了更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，將光無(wú)源器件的特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更好地掌握光無(wú)源器件的工作原理和參數(shù)特性等重要知識(shí)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)涉及的光無(wú)源器件包括光纖連接器、光耦合器、光隔離器、光衰減器和光環(huán)行器等[7-10]。

1.1 光纖連接器

光纖連接器功能是實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)不同組成部分之間的平滑低損耗連接。實(shí)驗(yàn)所用光纖連接器是活動(dòng)連接器，按接頭結(jié)構(gòu)和形狀可分為FC、ST、SC、MU、LC等；按光纖連接器端面接觸方式可分為PC(球面連接)、UPC (超球面連接) 、APC( 8度角斜球面連接)。

光纖活動(dòng)連接器的核心結(jié)構(gòu)是采用圓柱套筒連接方式。兩根需要連接的光纖被永久地各自固定在插針內(nèi)，插針中心有精密小孔，直徑控制在125 μm左右，稍大于包層外徑，兩個(gè)插針分別置于一個(gè)精密的圓柱形套筒內(nèi)，使兩根光纖端面可準(zhǔn)確地接觸。兩個(gè)插針的位置通過(guò)兩端的保持彈簧來(lái)固定。插針的材料采用很堅(jiān)硬耐磨的陶瓷材料，具有更好的耐熱、機(jī)械和化學(xué)性能。

1.2 光耦合器

光耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路或合路的功能器件。一般是對(duì)同一波長(zhǎng)(或不同波長(zhǎng))的光信號(hào)進(jìn)行分路或合路，因此又稱分路器或合路器。對(duì)不同波長(zhǎng)信號(hào)的合路和分路通常由波分復(fù)用/解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)，可以將其看成是一種特殊的光耦合器。

光耦合器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有四種：T形、星形、定向耦合器和波分復(fù)用/解復(fù)用器。其中，常見的是定向耦合器，是一種2×2的3端口或4端口耦合器，能分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。例如：光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?， 一部分由端4輸出，端2無(wú)輸出；光信號(hào)從端3傳輸?shù)蕉?，一部分由端2輸出，端4無(wú)輸出。輸出端的光功率不一定是平均分配的。這種定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。

表征光耦合器性能的主要參數(shù)有插入損耗、附加損耗、分光比與隔離度或串音等。

1.3 光隔離器

光隔離器只允許光正向傳輸，阻止光往其他方向特別是反方向傳輸。通常放在激光器或者放大器的后面，以避免反射光返回而危害激光器或放大器的穩(wěn)定工作。插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)。

光隔離器是利用了磁光晶體的法拉第效應(yīng)，一般由偏振控制器和法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成，光隔離器原理如圖1所示。1)為光隔離器正向輸入如圖1(a)所示。當(dāng)包含兩個(gè)正交偏振的輸入光波通過(guò)空間分離偏振器，被分解為兩個(gè)正交偏振分量，垂直分量直線通過(guò)，水平分量偏折通過(guò)。兩個(gè)分量通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器，偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。半波片將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。于是，垂直偏振光變?yōu)槠叫衅窆?，平行偏振光變?yōu)榇怪逼窆?，?jīng)過(guò)空間分離偏振器合為一束光輸出。2)是反向輸入光的偏振態(tài)在隔離器中的演化過(guò)程如圖1(b)所示。反射光先通過(guò)空間分離偏振器，被分解為兩個(gè)正交偏振分量，垂直分量直線通過(guò)，水平分量偏折通過(guò)。在反方向上傳輸時(shí)，半波片將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。兩個(gè)分量通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器，偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。在輸入端，水平分量偏折通過(guò)，垂直分量直線通過(guò)，不能被空間分離偏振器再組合在一起，起到隔離作用。

1.4 光衰減器

光衰減器是一種用來(lái)降低光功率的光無(wú)源器件。根據(jù)不同的應(yīng)用，它分為可調(diào)光衰減器和固定光衰減器兩種。在光纖通信中，可調(diào)光衰減器主要用于調(diào)節(jié)光線路電平，在測(cè)量光接收機(jī)靈敏度時(shí)，需要用可調(diào)光衰減器進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)來(lái)觀察光接收機(jī)

圖1 光隔離器原理圖

的誤碼率；在校正光能量指示儀和評(píng)價(jià)光傳輸設(shè)備時(shí)，也要用可調(diào)光衰減器。固定光衰減器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，如果光纖通信線路上電平太高就需要串入固定光衰減器。

固定式光衰減器,在光纖端面按所要求鍍上有一定厚度的金屬膜即可以實(shí)現(xiàn)光的衰耗；也可以用空氣衰耗式，即在光的通路上設(shè)置一個(gè)幾微米的氣隙，即可實(shí)現(xiàn)光的固定衰耗。

可調(diào)光衰減器一般采用光衰減片旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，衰減片的不同區(qū)域?qū)?yīng)金屬膜的不同厚度。根據(jù)金屬膜厚度的不同分布，可做成連續(xù)可調(diào)式和步進(jìn)可調(diào)式。為了擴(kuò)大光衰減的可調(diào)范圍和精度，采用衰減片組合的方式，將連續(xù)可調(diào)的衰減片和步進(jìn)可調(diào)衰減片組合使用?？烧{(diào)光衰減器的主要技術(shù)指標(biāo)包括插入損耗、衰減范圍和衰減精度等。

1.5 光環(huán)行器

光環(huán)行器是一種多端口輸入輸出的非互易器件，具有正向順序?qū)ǘ聪騻鬏斪柚沟奶匦?，可以完成正反向傳輸光的分離，在雙向長(zhǎng)途干線通信、密集波分復(fù)用器及光時(shí)域反射計(jì)中有廣泛的應(yīng)用。

光環(huán)行器主要由法拉第旋轉(zhuǎn)器、λ/2波片和偏振分束器組成，其工作原理與隔離器類似，只是端口比隔離器多。典型的光環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口的光環(huán)行器中，在端口1輸入的光信號(hào)只有在端口2輸出；在端口2輸入的光信號(hào)只有在端口3輸出，而在端口3輸入的光信號(hào)只能在端口1輸出。但是在許多應(yīng)用中，這最后一種狀態(tài)是不必要的，因此，大多數(shù)商用環(huán)行器都被設(shè)計(jì)成“非理想”狀態(tài)，即吸收從端口3輸入的任何信號(hào)。光環(huán)行器的特性參數(shù)包括插入損耗、隔離度、方向性和回波損耗等。

2 實(shí)驗(yàn)方案

隨著光纖通信技術(shù)的更新和發(fā)展、教學(xué)手段和設(shè)備的進(jìn)步，以及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)也需要進(jìn)行相應(yīng)的改革[5-10]。其中，實(shí)驗(yàn)類型的豐富是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中不可忽視的一個(gè)方面。在過(guò)去的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段通常為驗(yàn)證型，即給定已有結(jié)果，學(xué)生只需要通過(guò)既定操作去驗(yàn)證某些定理和結(jié)論。在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)增加設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是指給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容要求和實(shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

光無(wú)源器件特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)的目的在于使學(xué)生掌握光耦合器、光隔離器、光衰減器和光環(huán)行器等光無(wú)源器件的工作原理、特性參數(shù)以及使用方法等。其主要內(nèi)容為測(cè)量光耦合器、光隔離器、光衰減器和光環(huán)行器等光無(wú)源器件的特性參數(shù)。將此實(shí)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，便要求學(xué)生能夠自行設(shè)計(jì)各光無(wú)源器件的特性參數(shù)測(cè)量方案，搭建實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案，并進(jìn)行特性參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算。

本實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了光纖通信用(中心波長(zhǎng)為1 310 nm或1 550 nm)半導(dǎo)體激光光源、光功率計(jì)、光纖連接器、光耦合器、光隔離器、光衰減器、光環(huán)行器以及光纖跳線等。學(xué)生根據(jù)各種光無(wú)源器件的原理和特性，利用提供的光源、光功率計(jì)以及一種或多種光無(wú)源器件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和搭建，再根據(jù)各特性參數(shù)的定義進(jìn)行各項(xiàng)所需數(shù)據(jù)的測(cè)量，從而完成各種光無(wú)源器件的特性參數(shù)的計(jì)算。

2.1 光隔離器的特性參數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理圖如圖2所示，按此圖搭建后，通過(guò)光隔離器的正接和反接，可以測(cè)量和計(jì)算光隔離器的插入損耗和隔離度。

圖2 光隔離器特性參數(shù)測(cè)量原理圖

2.2 光耦合器的特性參數(shù)測(cè)量

以2×2光纖耦合器為例，測(cè)量原理圖如圖3所示，在圖3基礎(chǔ)上通過(guò)選擇光耦合器的輸入端口和輸出端口，可以測(cè)量計(jì)算端1到端4和端3的插入損耗、附加損耗、3端和4端的分光比以及串音等參數(shù)。

圖3 光耦合器特性參數(shù)測(cè)量原理圖

2.3 可調(diào)光衰減器的特性參數(shù)測(cè)量

按照?qǐng)D4所示，通過(guò)調(diào)節(jié)衰減量測(cè)量計(jì)算可調(diào)光衰減器的插入損耗和衰減范圍。

圖4 光衰減器特性參數(shù)測(cè)量原理圖

2.4 光環(huán)行器的特性參數(shù)測(cè)量

測(cè)量原理圖如圖5所示，在圖5基礎(chǔ)上通過(guò)選擇光環(huán)行器的輸入端口和輸出端口，可以測(cè)量計(jì)算光環(huán)行器的插入損耗、隔離度和方向性等參數(shù)。

圖5 光環(huán)行器插入損耗、隔離度和方向性測(cè)量原理圖

而光環(huán)行器的回波損耗參數(shù)的測(cè)量方案相對(duì)復(fù)雜一些，例如可以借助光耦合器，原理圖如圖6所示。

圖6 光環(huán)行器回波損耗測(cè)量原理圖

3 結(jié)束語(yǔ)

光無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和傳輸質(zhì)量有很大的影響。因此，學(xué)習(xí)和掌握光無(wú)源器件的原理、特性和使用方法是光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。將光無(wú)源器件實(shí)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)生自行設(shè)計(jì)和搭建光無(wú)源器件的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案，進(jìn)行各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算，能夠更好地幫助學(xué)生掌握有關(guān)光無(wú)源器件的重要知識(shí)點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

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Designing Experiment for Feature Measurement of Optical Passive Device

LAN Lan，ZHOU Jianhua, XUE Qiaoqiao, LIU Shuang

(School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)

Optical passive device is indispensable to optical fiber communication system. So the feature measurement of optical passive device is important to experimental teaching of optical fiber communication. This experiment is set as a designing experiment. Given the experiment objective, experiment content and condition, students design and build the experiment project. Then, they can measure and calculate the characteristic parameter of optical passive device. This experiment is beneficial for arousing the enthusiasm of students, increasing experimental teaching effect and improving their practical ability.

optical fiber communication; optical passive device; experimental teaching; designing experiment

2015-06-12；修改日期:2015-07-13

蘭 嵐(1979-)，女，博士，講師，主要從事光纖通信技術(shù)方面的研究。

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.014