光波分复用实验的改进和扩展

毛红敏，王晓丹，程新利

（苏州科技学院 数理学院，江苏 苏州215009）

1 引 言

近年来，光纤通信技术得到了飞速发展和广泛应用，光纤不但已经取代电缆成为有线信道最主要的传输方式，而且仍在以惊人的速度向更高阶段发展，高水平的光纤通信技术不断涌现，如波分复用技术、相干光通信技术、光纤放大器和光孤子通信技术等．以光纤通信为主的光通信技术已经深刻地改变了人们的生活，成为未来通信技术发展的一个重要方向．光纤通信技术已是物理专业学生的必修课或选修课，光纤类实验教学的开设具有重要意义［1］．学生在学习理论课的同时如果进行相应的实验操作，能够加深对所学知识的理解，增加学生对实际的通信光路的感性认识．理论和实践相结合，激发学生的学习兴趣，提高认知能力和操作技能．

光波分复用技术（WDM）是光纤通信系统中不同波长光信号的复用方式．这种技术使原来只采用1个波长作为载波的单一光信道变为数个不同波长的光信道同时在光纤中传输，进而使光纤通信的容量成倍地提高［2］．近年来，随着丰富的图像和语音业务的增加，光通信网络已经迅速向高速WDM系统升级，因此光波分复用实验已成为光通信课程必修的实验之一．目前众多高校开设的波分复用实验，普遍使用成品化的光波分复用器，集成化程度高，学生在实验过程中，看不到器件内部结构，只是简单地把光纤器件连接起来记录数据，对实验系统中各器件的具体结构不能深入了解．针对这一情况，利用自聚焦透镜对两路波分复用实验进行改进，使用2个自聚焦透镜把2束光耦合到1根光纤中，实现复用过程．解复用过程使用的解复用器和复用过程使用的复用器结构完全相同，仅为连接方式的改变，为了节约调节时间，解复用过程使用自聚焦透镜做成的成品器件．改进后的实验使学生加深对WDM器件原理和结构的理解，增强实验效果．

2 WDM器件结构

2．1 自聚焦透镜原理

自聚焦透镜（GRAN）由1／4节距渐变折射率棒状透镜构成，具有准直和聚焦作用．其功能如图1所示［3－4］．根据自聚焦透镜的传光原理，当会聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后以平行光输出．自聚焦透镜用于光纤与光纤的耦合时，具有耦合损耗小，耦合距离大等一系列优点．

图1 自聚焦透镜（GRAN）

2．2 波分复用器结构和原理

干涉膜型光波分复用器是简单的两通道波分复用器（WDM），由2个GRAN和波长选择滤光片组成，波长选择滤光片使波长λ1透射，λ2反射，如图2所示［5］．波长λ1和λ2所携带的信号分别从光纤1和2入射，GRAN1使入射光束λ1在滤光片处准直射入GRAN2，GRAN2将光束λ1聚焦到输出光纤3．GRAN2和反射膜使λ2聚焦到输出光纤3，输出光纤3与光纤1关于透镜轴对称放置，实现波长λ1和λ2的复用．解复用器的结构和复用器完全相同，在通信系统中位于解复用的位置，完成波长的分离任务．

图2 干涉膜型光波分复用器

3 改进后的实验结构

波分复用和解复用实验结构如图3所示，光源1为中心波长848 nm的LED光源，光源2为778 nm的LD光源；光谱仪是Newpotr公司生产，光谱测量范围600～1 600 nm．四维调节架用以实现光纤的两维角度调节和两维线性调节．光源1输出光波λ1，耦合进入光纤1，光纤1固定在四维调节架1上；光源2输出光波λ2耦合进入光纤2，光纤2固定在四维调节架2上，光纤1和光纤2中的光波通过自聚焦透镜耦合进光纤3中，具体光路如图2所示．

图3 波分复用及解复用实验结构图

实验改进的重点之一是构建复用器的主体．将其置于可调光路中．具体用薄层的环氧树脂粘合2个透镜．也用少量的环氧树脂将透镜固定在复用器组基座上，如图4所示．

图4 复用器组基座上的棒透镜组件

图5给出光纤1、光纤3的固定装置．将长约1．5 m的光纤1和一端带有活动连接器的光纤3相互平行地放在光纤卡盘中，用弹簧片压上，再把光纤卡盘固定在四维调节架1上．光纤2通过光纤适配器固定在四维调节架2上．解复用器和3个活动连接器集成在一起，内部结构和复用器相同，是成熟器件．光纤3另一端通过活动连接器1与解复用器相连接，使用过程中只需用相应型号的法兰盘固定连接，不再需要对准调节；活动连接器2和3分别与功率计和光谱仪相连．

图5 双光纤卡盘

测试过程中首先调节四维调节架1，同时观察功率计输出信号强度，使输出强度最大；遮挡光源1，调节四维调节架2，使功率计输出强度最大；移开遮挡物，使光源1和光源2中的光波经复用器耦合到光纤3，则光纤3中同时传播2个波长．将光纤3通过活动连接器与光谱仪相连接，可观察到耦合后光纤3中传输2个波长的光，结果如图6所示．

图6 复用器输出的光波信号

测试完成后连接光纤3和解复用器，输出的2个波长连接到光功率计，进行隔离度、插入损耗和方向性等测量；也可把解复用器的两路输出分别和光谱仪相连，在光谱仪上观察到如图7所示结果．图7是解复用后某一路的光谱信息．在实验过程中，除了测试插入损耗、隔离度和方向性等基本参量外，增加了通过光谱仪观察光纤中传输的光波信息，帮助学生深刻体会光波分复用和解复用的过程．

图7 解复用器一路输出的光波信号

4 结束语

在原有集成化器件实验的基础上，用2个自聚焦透镜和反射膜代替集成波分复用器件，不仅让学生有更多的动手机会，更重要的是，通过实验使学生能观察到器件内部结构，加深对光纤复用器件构造的了解．实验中增加光谱仪测量光纤中光谱信息，在原来纯数字测量的基础上，加入可视化的图像，使学生直观地感受复用和解复用过程．改进后的实验，激发了学生的实验兴趣，提高学生的实践能力及创新能力．

［1］ 张权，朱玲，孙晴，等．光纤干涉系列实验教学的探索与实践［J］．物理实验，2009，29（1）：21－23．

［2］ 丁么明，宋立新，余华清，等．光波导与光纤通信基础［M］．北京：高等教育出版，2005：317－335．

［3］ 张杰，谭久彬．基于共焦原理的反射式自聚焦光纤传感技术研究［J］．光子学报，2001，30（11）：1361－1365．

［4］ 龚智炳．自聚焦透镜列阵及其应用［J］．应用光学，2000，21（1）：28－31．

［5］ 林学煌．光无源器件［M］．北京：人民邮电出版社，1998：129－130．