光无源器件参数测试实验

光无源器件特性测试实验指导书

光无源器件参数测试实验系统

GCPT-B

实 验 指 导 书

(V1.0)

武汉光驰科技有限公司

WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD

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光无源器件特性测试实验指导书

目 录

一．部分无源器件测试基础知识 ........................... - 3 - 二．光纤耦合器的测试 .................................. - 7 - 三．光纤隔离器（ISOLATOR）的特性和参数测试 ............ - 14 - 四． 波分复用/解复用器（WDM）的测试 ................... - 18 - 五．光纤衰减器（VOA）特性实验 ......................... - 22 -

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一．部分无源器件测试基础知识

近年来，光纤通信发展非常迅速，应用日渐广泛。作为光纤通信设备的重要组成部分的光无源器件，也取得了长足的进步，并逐步形成了规模产业。

光无源器件是一种光学元器件。其工艺原理遵守光学的基本理论，即光纤理论和电磁波理论，各项技术指标、各种计算公式和各种测量方法和纤维光学、集成光学息息相关。

光无源器件是一门新兴的、不断发展的学科。光纤通信的发展呼唤着功能更全、指标更先进的光无源器件不断涌现；一种新型器件的出现往往会有力的促进光纤通信的进步，有时甚至使其跃上一个新的台阶。光纤通信系统对光无源器件的期望越来越大，器件的发展对系统的影响越来越深。除此而外，光无源器件在光纤传感和其他光纤应用领域也大有用武之地。

光纤通信元件包括光缆、光有源器件、光无源器件等。光纤无源器件主要包括耦合器/分路器(Coupler/Splitter)、隔离器(Isolator)、衰减器、波分复用/解复用器（WDM）、光分/插复用器（OADM）、光交叉互联器（OXC）、滤波器(Filter)和光开关(Optical Swich)等，它们都是将来光网络系统中必不可少的器件。

下面我们介绍一些基本的测试环境和条件，国标GB/T 13713－92中阐明测量条件如下： 1．测试环境

无源器件的测量应该在GB 2421－1989中所规定的正常大气条件下进行，即 温度：15～35摄氏度； 湿度：45％～75％； 气压：85Kpa～106Kpa。 2．优先测试条件 光纤类别 光源 峰值波长(nm) 功率稳定性（dB）【1】 50％功率处线宽（nm） 注入到光纤中的功率(uW)【2】 LED >800 0.05 <100 >10 检测系统 线性度（dB）【3】 动态范围【4】 频谱相应 重复性（dB） 注：【1】：在整个测量周期中或至少1h；

【2】： 注入到光纤中的功率不能高到产生非线性散射效应的水平；

0.15 0.05 0.05 与光源匹配 0.15 0.15 0.05 多模 LD >800 0.05 <5 >500 单模 LD >400 0.05 <3 >500 - 3 -

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【3】：检测系统的特性响应不应偏离比规定水平大的线性；

【4】：测量系统总稳定性应该在整个测量周期中没有超过规定的变化。 3．测量应该注意的事项还有

A. 为了保证包层模不影响测量，应按照规范的规定依靠光纤本身的衰减作用或靠加一个包层模消除器来消除包层模；

B. 注意保证与器件接口处的斑纹图形不会影响插入损耗的测量；

C. 在器件的整个测试中，每一边的光纤或光缆应该保持固定，并考虑光纤上的应力和最小弯曲半径的影响；

耦合器的几种老化实验条件和数据（YD/T 893-1997）， 序号 1 2 3 4 5 实验项目（参照Bellcore 1209） 振动实验(GB /T2423.10) 冲击实验(GB /T2423.15) 高温实验 低温实验 高低温循环实验 插入损耗变化量（dB） <=0.1 <=0.1 <=0.2 <=0.2 <=0.2 分光比变化量 <=0.5% <=0.5% <=3% <=3% <=3% 其中：（精度为±2摄氏度的高低温恒温湿箱）

(一) 高温实验条件为：以温度变化速率不大于1摄氏度/分钟（不超过5min平均值）升至最高温度85摄氏度，保持恒温2小时，恢复至常温后，进行测试；

(二) 低温实验条件为：以温度变化速率不大于1摄氏度/分钟（不超过5min平均值）降至最低温度-40摄氏度，保持恒温2小时，恢复至常温后，进行测试；

(三) 高低温循环实验：将样品在高温下测量其插损，然后升温至85摄氏度，保持恒温30分钟，然后降温至-40摄氏度，保持30分钟，取出在常温下2小时，擦去水珠，测量并记录其插入损耗值，继续进行下一个循环试验。

注：上面的三个条件和Bellcore 1209略有区别，但总的原理是一样的，起到老化实验

前面我们只是笼统的简单介绍了一下测试环境，实际中每种器件都有详细的国际通用的测试标准和国标，测试条件、环境、过程等的规定还是略有区别。下面我们介绍一些基本的概念，以图1中所示的N×N的器件为例。

图1 一个N×N的器件

In1 In2 inN 器件 Out1 Out2 OutN

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A. 插入损耗（IL）

插入损耗常常简称为插损，指一个输出端口的输出功率和一个输入端口输入功率的比值，插入损耗常常包括两部分，一部分是器件非理想造成的附件损耗（通常是不期望存在的），另外一部分是器件本身特性造成的（例如分路器【splitter，也叫耦合器coupler】的分光比，例如某个端口本身应该输出20％的输入光，对这个端口来说，本来就应该有80％的“损耗”）。 B. 附加损耗（EL）

附加损耗也常常称之为额外损耗。一般一个N×M，对于某一个输入功率P0，我们期望其中的某一个或者某几个端口输出（Pi…Pj），附加损耗的定义是：

EL?10lg[(?pijm)/P0]

*请注意区分附加损耗和插损损耗。 C. 均匀性（uniformity）

均匀性也常常称之为分光比容差，一般是针对光纤耦合器而言的。对于均匀分光的多端口耦合器，各输出端口的光功率的最大相对变化量。

?L?max10lg(Pij/Pij)

D. 方向性（Directivity）

方向性是衡量器件定向传输特性的参数，也常常称之为近端串扰（near-end crosstalk）或者近端隔离度，对于一个有多个输入端的器件，其中某个端口I输入功率Pi，在其他输入端口中反射回来的光功率Pj，那么方向性的定义是：

?D??10lg(Pj/Pi)

E. 回损（reflectance）

回损是衡量器件定向传输特性的参数，但其定义是回到入射端口的光功率的大小的相对值。

R??10lg(Pr/Pi)

其中Pi是入射光功率，Pr是反射回入射端口的光功率。 *注意回损和方向性定义的中端口的区别。 F. 偏振相关损耗（PDL，polarization-dependent loss）

也常常称之为偏振相关灵敏度，表征输入信号在所有偏振状态下，某输出端口的插入损耗的最大相对变化量，用dB表示。 G. 温度相关损耗（TDL）

也常常称之为温度相关灵敏度，表征输入信号在使用温度范围内（例如：-25℃～75℃），某输出端口的插入损耗的最大变化量。

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LD 光源 PC 隔离器 光功率计

图4 隔离器偏振相关损耗测试原理框图

改变偏振控制器状态，尽可能的获得所有状态，记录下最大Pmax和最小Pmin输出功率，为了方便计算，单位使用dBm。（注意其他所有条件，包括光纤位置等都尽量保持不变）。

按下列公式计算出光纤耦合器的PDL，单位为dB（一般耦合器的PDL小于0.1dB）。

PDL?Pmax?Pmin

需要注意的是隔离器的PDL会因为隔离器的种类、工作波长等差异很大，这一点可能和耦合器不同，例如偏振无关隔离器的PDL可能很小，而偏振相关PDL很大。

D. 回波损耗

隔离器的回波损耗RL是指正向入射到隔离器的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比，这是一个相当重要的指标，因为如果隔离器的回波强，那么其对系统回返光进行控制的同时，自身也会给系统带来一定的反射。

LD光源 3dB耦合器 隔离器

光功率计P2 图5隔离器的回损测量原理图

RL??10lg2P2P1?dB?

其中：RL为回损(dB)；P1为输入光功率；P2为返回光功率。

【实验步骤】

1. 利用耦合器测试实验的过程，自行设计如何测量隔离器的插损、回损、隔离度、PDL，并确定此隔离器是什么波段的？什么方向的？

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端口 A—B B－A A—B B－A 波长 1310nm 1550nm IL（dB） 方向 隔离度（dB） RL PDL

【思考题】：

1. 隔离器的核心工作原理是什么？

2. 实验中的隔离器1310nm和1550nm的隔离度差异较大，为什么？ 3. 试着说出一种隔离器的使用环境？

4. 如何简单区分偏振无关隔离器和偏振相关隔离器？

5. 漆黑的晚上，在屋子外面可以透过窗户看清楚亮灯屋子内部的情况，可是在屋子内部就看不见屋子外面的情况，请问这种情况和隔离器相同吗？ 6. 请同学给出一种偏振无关隔离器的结构，并简要分析。 思考题参考答案：

1. 隔离器的核心工作原理是非互易的法拉第旋光效应。

2. 因为隔离器偏振器的楔角、晶体的双折射率、旋光晶体等都造成隔离器对于不同波长的效果是不同的。

3. 在EDFA，激光器等要求低回损的环境中使用。

4. 利用ASE、荧光等自然光正向输入，偏振无关隔离器的损耗会很小，而偏振相关的损耗会大于3dB。

5. 不相同，隔离器的正反向透过率的差值很大（一般大于1000倍），而玻璃窗户的正反向透过率可以认为是相等的。

6. 图中上半是偏振无关隔离器正向通光情况，下半是反向入射的情况。

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E光 E光

O光 O光

E光 O光

四． 波分复用/解复用器（WDM）的测试

【实验目的】

1. 了解WDM的特性及其简单应用。

2. 掌握WDM的测试方法和基本测量仪器的使用。

【实验原理】

实现波分复用解复用滤波器的技术包括很多种。这里我们只对几种流行的技术简单介绍。这些技术主要有薄膜干涉型滤波器，平面波导型（AWG），光纤光栅型，光纤熔融级联MZ干涉仪型以及衍射光栅型等。

介质薄膜干涉滤波器是使用最广泛的一种滤波器，主要应用在400GHz到200GHz频率间隔的低通道波分复用系统中。这种技术十分成熟，可以提供良好的温度稳定性和通道隔离度和很宽的带宽。主要工作原理是在玻璃衬底上镀膜，多层膜的作用使光产生干涉选频，镀膜的层数越多选择性越好，一般都要镀200层以上。镀膜后的玻璃经过切割，研磨，再与光纤准直器封装在一起。这种技术的不足之处在于要实现频率间隔100GHz以下非常困难，限制了通道数只能在16以下。介质薄膜干涉滤波器的国外供货商包括SCHOTT，NSG，国内包括武汉院器件所，上海中天、广州奥普、成都中科院光电所，沈阳汇博公司等等。

平面波导滤波器主要是一种阵列波导光栅（AWG）。制作原理是在硅材料衬底上镀多层玻璃膜（形成光栅），玻璃的成分必须仔细选定以产生合适的折射率。这些玻璃层按一定形状用光刻，反应离子刻蚀等标准的半导体工艺制备在硅衬底上。同样地入射光在光栅中产生干涉滤波。这种技术的难点在于制作波导光栅，即控制玻璃膜的厚度，成分与缺欠等。这种器件的优点在

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于集成性，频率间隔可以达到100GHz，50GHz的器件也可以做出来。缺点是温度稳定性不好，插损较大。平面波导滤波器的国外供应商如KYMATA。

基于光纤的滤波器主要是长周期或短周期的光纤光栅以及熔融MZ干涉仪型的结构。这些器件特别是后者可以提供非常窄的频率间隔。最好可以作到2.5GHz（0.04nm），理论上在C波段就可以容纳1600个通道复用。插损与一致性也非常好。光纤光栅是通过紫外光在高掺锗或普通氢载光纤上按一定的掩膜刻制光栅的器件。长周期光纤光栅还具有宽带滤波的性能，特别适合制作EDFA增益平坦的滤波器。光纤光栅器件的困难在于温度稳定性，由于光栅的中心波长会随温度而变化，所以实用化的器件必须解决这个问题。

图1 DWDM滤波器制作技术的比较.

商品化的器件与实验室产品最重要的区别就是可靠性是否符合标准。由于新一代器件使DWDM系统的频率间隔进一步缩小，通道数进一步增加，器件一旦发生问题对于整个系统带来的影响也变得更加严重。作为DWDM系统核心器件的滤波器的可靠性必须过关。 目前光器件可靠性测试的两个主要标准是Bellcore GR1209与 GR1221。这其中可能最困难的就是温度与湿度储存实验。 Interleaving 技术

为实现50GHz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，2000年3月的OFC展览上，多家公司纷纷提出一种群组滤波器，Chroum公司称之为Slicer, Wavesplitter, JDS Uniphase等公司称之为Interleaver。

这种器件的基本工作原理如图10.2，通过两个分别频率间隔为目标间隔两倍的普通复用/解复用器的组合使用，一个专门配合偶数的频道数，一个专门配合奇数频道数。再配合一个可以将信号按奇偶分开的Interleaver，就可以实现50GHz的频率间隔。

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图2 Interleaver的工作示意

可以说Interleaver的出现使许多传统滤波器技术在密集波分复用的新应用中重新找到了自己的位置，大大减低了器件设计制作的压力，降低了整个系统的成本。这种器件的基本工作原理还是两束光的干涉，干涉产生了周期性的原来信号波长重复整数倍的输出，通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组输出。换句话说通过合适的干涉参数设计可以使Interleaver的通过谱成为类似梳状波的形状。实现Interleaver的技术包括熔融拉锥的干涉仪，液晶，双折射晶体、GT镜等等方案实现。

波分复用器（WDM）的工作原理来源于物理光学，如利用介质薄膜的干涉滤光作用、利用棱镜和光栅的色散分光作用、利用熔融拉锥的耦合模理论等。波分复用器的光学特性主要如下：

（1） 中心波长（或通带）λ1、λ2?λ

n＋1

它是由设计、制造者根据相应的国际、国家标准或实际应用要求选定的。例如对于密集型波分复用器ITU-T规定在1550nm区域，1552.52nm为标准波长。其他波长规定间隔100G（0.8nm），或取其整数倍作复用波长。 （2） 中心波长工作范围Δλ1、、Δλ2

对于每一个工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参数限定了我们所选用的光源（LED或LD）的谱宽宽度及中心波长位置。 （3） 中心波长对应的最小插入损耗L1、L2

该参数是衡量解复用器的一项重要指标，设计、制作者及使用者都希望此值越小越好。此值以小于“X”dB表示。

（4） 相邻信道之间隔离度（串扰）ISO12、ISO23

如果以不同端口作为输入端口，其插入损耗最小值分布在端口所对应的中心波长附近。以N个端口作为输入端时，每一端口各种光学参数的规定、测量与解复用器相同。

（5） 还有插入损耗、附加损耗、偏振相关损耗、回波损耗等。其中插损、附加损耗、偏振相关损耗、回波损耗的测试内容参阅耦合器的相关测试，基本原理和方法大同小异此处不再赘述。下面主要介绍一下隔离度（串扰）的测试。

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