光无源器件特性测量的设计型实验

兰 岚，周建华，薛巧巧，刘 爽

(电子科技大学 光电信息学院，成都 610054)

光无源器件特性测量的设计型实验

兰 岚，周建华，薛巧巧，刘 爽

(电子科技大学 光电信息学院，成都 610054)

光无源器件是光纤通信系统的不可或缺的部分，其特性测量是光纤通信实验教学中的重要内容之一。将光无源器件实验作为设计型实验，给定学生实验目的、内容要求和实验条件，学生根据光无源器件的原理和特性，自行设计和搭建实验方案，进行光无源器件特性参数的测量和计算。该实验有助于调动学生的主观能动性，提高实验教学效果，提升学生的动手能力。

光纤通信；光无源器件；实验教学；设计型实验

随着光纤通信技术及相关信息产业的迅猛发展，在科学研究和人才需求的牵引下，光纤通信课程的重要性日趋明显。光纤通信课程的教学除了要求学生具有牢固的理论知识基础之外，也要求学生具有较强的专业实验能力和一定的系统设计能力和工程实践能力，这正是光纤通信技术实验开设的目标[1-5]。

一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光检测器外，还需要许多其他光器件，特别是光无源器件，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的[6]。因此，光无源器件的特性测量则成了实验教学中的重要内容之一。而传统单一的验证型实验通常过分重视确定性的内容，忽视原理性、策略性、发展性和创造性的素质教学[4]。为了更好地调动学生的主观能动性，将光无源器件的特性测量实验作为设计型实验，使学生更好地掌握光无源器件的工作原理和参数特性等重要知识点。

1 实验原理

本实验涉及的光无源器件包括光纤连接器、光耦合器、光隔离器、光衰减器和光环行器等[7-10]。

1.1 光纤连接器

光纤连接器功能是实现光纤通信系统不同组成部分之间的平滑低损耗连接。实验所用光纤连接器是活动连接器，按接头结构和形状可分为FC、ST、SC、MU、LC等；按光纤连接器端面接触方式可分为PC(球面连接)、UPC (超球面连接) 、APC( 8度角斜球面连接)。

光纤活动连接器的核心结构是采用圆柱套筒连接方式。两根需要连接的光纤被永久地各自固定在插针内，插针中心有精密小孔，直径控制在125 μm左右，稍大于包层外径，两个插针分别置于一个精密的圆柱形套筒内，使两根光纤端面可准确地接触。两个插针的位置通过两端的保持弹簧来固定。插针的材料采用很坚硬耐磨的陶瓷材料，具有更好的耐热、机械和化学性能。

1.2 光耦合器

光耦合器是实现光信号分路或合路的功能器件。一般是对同一波长(或不同波长)的光信号进行分路或合路，因此又称分路器或合路器。对不同波长信号的合路和分路通常由波分复用/解复用器实现，可以将其看成是一种特殊的光耦合器。

光耦合器的典型拓扑结构一般有四种：T形、星形、定向耦合器和波分复用/解复用器。其中，常见的是定向耦合器，是一种2×2的3端口或4端口耦合器，能分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。例如：光信号从端1传输到端3， 一部分由端4输出，端2无输出；光信号从端3传输到端1，一部分由端2输出，端4无输出。输出端的光功率不一定是平均分配的。这种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参数有插入损耗、附加损耗、分光比与隔离度或串音等。

1.3 光隔离器

光隔离器只允许光正向传输，阻止光往其他方向特别是反方向传输。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稳定工作。插入损耗和隔离度是光隔离器的两个主要参数。

光隔离器是利用了磁光晶体的法拉第效应，一般由偏振控制器和法拉第旋转器构成，光隔离器原理如图1所示。1)为光隔离器正向输入如图1(a)所示。当包含两个正交偏振的输入光波通过空间分离偏振器，被分解为两个正交偏振分量，垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。两个分量通过法拉第旋转器，偏振态顺时针旋转45°。半波片将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°。于是，垂直偏振光变为平行偏振光，平行偏振光变为垂直偏振光，经过空间分离偏振器合为一束光输出。2)是反向输入光的偏振态在隔离器中的演化过程如图1(b)所示。反射光先通过空间分离偏振器，被分解为两个正交偏振分量，垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。在反方向上传输时，半波片将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。两个分量通过法拉第旋转器，偏振态顺时针旋转45°。在输入端，水平分量偏折通过，垂直分量直线通过，不能被空间分离偏振器再组合在一起，起到隔离作用。

1.4 光衰减器

光衰减器是一种用来降低光功率的光无源器件。根据不同的应用，它分为可调光衰减器和固定光衰减器两种。在光纤通信中，可调光衰减器主要用于调节光线路电平，在测量光接收机灵敏度时，需要用可调光衰减器进行连续调节来观察光接收机

图1 光隔离器原理图

的误码率；在校正光能量指示仪和评价光传输设备时，也要用可调光衰减器。固定光衰减器结构比较简单，如果光纤通信线路上电平太高就需要串入固定光衰减器。

固定式光衰减器,在光纤端面按所要求镀上有一定厚度的金属膜即可以实现光的衰耗；也可以用空气衰耗式，即在光的通路上设置一个几微米的气隙，即可实现光的固定衰耗。

可调光衰减器一般采用光衰减片旋转式结构，衰减片的不同区域对应金属膜的不同厚度。根据金属膜厚度的不同分布，可做成连续可调式和步进可调式。为了扩大光衰减的可调范围和精度，采用衰减片组合的方式，将连续可调的衰减片和步进可调衰减片组合使用。可调光衰减器的主要技术指标包括插入损耗、衰减范围和衰减精度等。

1.5 光环行器

光环行器是一种多端口输入输出的非互易器件，具有正向顺序导通而反向传输阻止的特性，可以完成正反向传输光的分离，在双向长途干线通信、密集波分复用器及光时域反射计中有广泛的应用。

光环行器主要由法拉第旋转器、λ/2波片和偏振分束器组成，其工作原理与隔离器类似，只是端口比隔离器多。典型的光环行器一般有三个或四个端口。在三端口的光环行器中，在端口1输入的光信号只有在端口2输出；在端口2输入的光信号只有在端口3输出，而在端口3输入的光信号只能在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的，因此，大多数商用环行器都被设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号。光环行器的特性参数包括插入损耗、隔离度、方向性和回波损耗等。

2 实验方案

随着光纤通信技术的更新和发展、教学手段和设备的进步，以及在实验教学过程中不断发现的问题，光纤通信实验教学也需要进行相应的改革[5-10]。其中，实验类型的丰富是实验教学改革中不可忽视的一个方面。在过去的实验教学中，设置的实验教学手段通常为验证型，即给定已有结果，学生只需要通过既定操作去验证某些定理和结论。在光纤通信实验教学中，应当增加设计型的实验。设计型实验是指给定实验目的、内容要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。

光无源器件特性测量实验的目的在于使学生掌握光耦合器、光隔离器、光衰减器和光环行器等光无源器件的工作原理、特性参数以及使用方法等。其主要内容为测量光耦合器、光隔离器、光衰减器和光环行器等光无源器件的特性参数。将此实验作为设计型实验，便要求学生能够自行设计各光无源器件的特性参数测量方案，搭建实现实验测量方案，并进行特性参数的测量和计算。

本实验给学生提供了光纤通信用(中心波长为1 310 nm或1 550 nm)半导体激光光源、光功率计、光纤连接器、光耦合器、光隔离器、光衰减器、光环行器以及光纤跳线等。学生根据各种光无源器件的原理和特性，利用提供的光源、光功率计以及一种或多种光无源器件，进行实验方案的设计和搭建，再根据各特性参数的定义进行各项所需数据的测量，从而完成各种光无源器件的特性参数的计算。

2.1 光隔离器的特性参数测量

实验测量原理图如图2所示，按此图搭建后，通过光隔离器的正接和反接，可以测量和计算光隔离器的插入损耗和隔离度。

图2 光隔离器特性参数测量原理图

2.2 光耦合器的特性参数测量

以2×2光纤耦合器为例，测量原理图如图3所示，在图3基础上通过选择光耦合器的输入端口和输出端口，可以测量计算端1到端4和端3的插入损耗、附加损耗、3端和4端的分光比以及串音等参数。

图3 光耦合器特性参数测量原理图

2.3 可调光衰减器的特性参数测量

按照图4所示，通过调节衰减量测量计算可调光衰减器的插入损耗和衰减范围。

图4 光衰减器特性参数测量原理图

2.4 光环行器的特性参数测量

测量原理图如图5所示，在图5基础上通过选择光环行器的输入端口和输出端口，可以测量计算光环行器的插入损耗、隔离度和方向性等参数。

图5 光环行器插入损耗、隔离度和方向性测量原理图

而光环行器的回波损耗参数的测量方案相对复杂一些，例如可以借助光耦合器，原理图如图6所示。

图6 光环行器回波损耗测量原理图

3 结束语

光无源器件在光纤通信系统中应用非常广泛，对系统的性能指标和传输质量有很大的影响。因此，学习和掌握光无源器件的原理、特性和使用方法是光纤通信技术实验教学中一个重要的环节。将光无源器件实验作为设计型实验，通过学生自行设计和搭建光无源器件的实验测量方案，进行各项性能参数的测量和计算，能够更好地帮助学生掌握有关光无源器件的重要知识点，调动学生的主观能动性，提高学生的动手能力。

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[2]张淑娥, 李永倩, 杨再旺.“光纤通信原理”精品课程实验建设探究[J].实验技术与管理，2010，27(5):165-166.

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[7]周建华.光纤通信综合性实验探索[J].实验科学与技术，2005(增刊)：53-54.

[8]曹雪,李新营.《光纤通信》实验教学的优化探讨[J].实验科学与技术，2013，11(1):97-99.

[9]杜云刚，李继军，刘闽华.光纤通信实验教学的改革实践[J].实验技术与管理，2012，29(8):168-170.

[10]耿涛,冉天纲.基于项目式的光纤通信实验教学改革[J].实验室科学，2011,14(5):27-29.

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

兰 岚(1979-)，女，博士，讲师，主要从事光纤通信技术方面的研究。

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.014