Y型光波导分束比和插入损耗测量技术研究

文章编号: 100222082 (2009) 0120089204 Y 型光波导分束比和插入损耗测量技术研究 解　琪, 许荣国, 范纪红, 杨冶平, 杨照金 (西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065) 摘　要: Y 波导在集成光学系统中得到了广泛的应用, 并拥有很大的潜力, 近年来备受关注。因 此了解它的各项指标至关重要。在Y 波导的诸多指标中, 分束比和插入损耗是2 个重要指标。着 重介绍了2 个指标的测量装置及测量方法。对于分束比, 分别采用波长为1 300 nm 和1 550 nm 的 激光光源测量Y 波导两尾纤的输出光功率。根据公式计算出分束比后, 分析影响测量结果的主要 因素, 进行测量不确定度评定。对于插入损耗, 主要是按照测量原理搭建测量装置, 从理论上分 析影响插入损耗测量的因素。通过对Y 波导2 个指标的测量, 有助于更好地了解Y 波导的性能。 关键词: Y 波导; 分束比; 插入损耗 中图分类号: TN 252　　　　　　文献标志码: A M easurem en t of beam - spl itt ing ra tio and in sertion loss of Y -waveguide X IE Q i, XU Rong2guo , FAN J i2hong, YAN G Ye2p ing, YAN G Zhao2jin (X i′an Inst itu te of A pp lied Op tics, X i′an 710065, Ch ina) Abstract: Y2w avegu ide is w idely u sed in the in tegra ted op t ics, and it is impo rtan t to know its specif ica t ion s, among w h ich the beam 2sp lit t ing ra t io and in sert ion lo ss are the mo st crit ica l param eters. T he m easu rem en t setup s and m ethods fo r the tw o param eters are in troduced. A s fo r the beam 2sp lit t ing ra t io , the ou tpu t lum inou s pow er fo r tw o ta il f ibers of Y2w avegu ide w as m easu red respect ively by u sing tw o sou rces w ith w avelength s at 1 300 nm and 1 550 nm , and the p rim ary facto rs w h ich affected the m easu rem en t w ere analyzed and the uncerta in ty w as evaluated after w o rk ing ou t the beam 2sp lit t ing ra t io acco rd ing to the fo rm u la. A s fo r the in sert ion lo ss, the m easu rem en t setup w as bu ilt up based on the m easu rem en t p rincip le, and the facto rs w h ich affected the m easu rem en t of the in sert ion lo ss w ere theo ret ica lly analyzed. Key words: Y2w avegu ide; beam 2sp lit t ing ra t io; in sert ion lo ss 引言 Y 波导作为一种集成光学器件, 广泛应用于集 成光学系统中, 它可以将一束光波分成两束光波, 也可以将两束光波合并成一束光波。集成光路中使 用Y 波导分束器可以提高光能的透过率, 易与光纤 实现对接耦合, 还能与其他分立元件 (激光器、调制 器、光开关等) 集成在一起, 目前在光通信领域、干 涉计量、光学传感器、能量的分配与传输等方面有 着广阔的应用前景。因此, 了解Y 波导的各项指标, 并开展主要参数测量方法的研究至关重要[1 ]。 按照有关标准, Y 波导器件通常含有以下几个 技术指标: 插入损耗、分束比、尾纤偏振串音、半波 电压调制带宽、背向反射强度、调制消光比等[2 ]。其 中分束比和插入损耗是Y 波导调制器最基本的参 数, 是其正常工作的保证。本文将着重讨论这 2 个 参数的测量, 介绍测量装置的组成与测量结果, 分 收稿日期: 2008208218; 　修回日期: 2008209228 作者简介: 解琪 (1984- ) , 女, 陕西长安人, 在读研究生, 主要从事光学计量方面的研究工作。 第 30 卷 第 1 期 2009 年 1 月 　　　　　　　　　　　　　 应用光学 Journal of A pp lied Op tics　　　　　　　　　　　　　　 V o l. 30 N o. 1 Jan. 2009 析影响测量结果的主要因素。 1　分束比及插入损耗测量装置的组成 用半导体激光器作测量光源, 输出激光波长为 1 300 nm 和1 550 nm。波长为1 300 nm 的激光器 输出 功 率 ≥ 2 mW ( I F = 25 mA 时 ) ; 波 长 为 1 550 nm 的激光器输出功率≥3 mW ( I F = 50 mA 时)。室温下2 个激光器每小时的稳定度约为1%。 用光纤功率计作接收系统, 功率计探测器的工 作波长应与激光光源相对应。为此, 我们选用的光 纤功率计包含2 个功率探头, 分别对应于1 300 nm 和1 550 nm。另外, 在使用过程中应经常保持所有 光学接点和 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面清洁、无脂、无污染。对每个接口与 耦合器等在进行测试步骤之前必须进行适当的清 洁。任何带有刮痕或污垢的连接头都能使系统的表 现打折扣, 应尽可能把防尘盖子套上。 该系统还包括激光器与光纤对接的FC 插头。 FC 插头为标准件, 光纤剥去涂覆层后插入FC 插 头, FC 插头插入光源输出接口。 1. 1　分束比的测量装置及测量方法 对Y 波导两尾纤做出标记, 记为1 号和2 号, 因 此两尾纤输出光功率分别记为P O 1和P O 2。 分束比 (D ) 的基本定义为: 集成光学分束器各 分支输出光功率相对于总输出光功率相对值的比 值, 对于Y 波导调制器其值为两尾纤输出光功率分 别占总输出光功率的比值。根据定义可以得到分束 比的计算公式: D = P O 1 P O 1+ P O 2×100 ∶ P O 2 P O 1+ P O 2×100 (1) 式中: D 为分束比; P O 1为 1 号尾纤输出光功率; P O 2为2 号尾纤输出光功率。 按照图1 连接测试系统。开启光源S 后, 用光功 率计分别测出被测Y 波导两输出尾纤的光功率值 P O 1和P O 2, 根据 (1) 式即可计算出分束比D。 S2光源; LB 2被测器件; PD 2光功率计; FC2光纤 图 1　Y 波导分束比测量框图 F ig. 1　Block diagram for measuremen t of Y -waveguide beam - spl itting ratio 1. 2　插入损耗的测量装置及测量方法 插入损耗 (L i) 定义为: 器件给系统带来的附加 光损耗, 即器件插入系统后, 其输入光功率与最大 输出光功率之比值。单位用分贝 (dB )表示。根据定 义可得到插入损耗的计算公式: L i= 10 lg P iP O m ax (2) 式中: L i 为插入损耗; P i 为剪断处输入光功率; P O m ax为尾纤输出总光功率最大值。 按照图2 连接测试系统。开启光源, 调节光偏 振状态或直流偏置工作点, 使被测器件的尾纤输出 总光功率达到最大值P O m ax , 然后从被测调制器输 入尾纤的A 点处剪断, 用光功率计测出输出光功率 P i, 根据 (2) 式计算出插入损耗[3 ]。 S2光源; LB 2被测调制器; G2直流稳压源; PD 2光功率计; FC2光纤 图 2　Y 波导插入损耗测试框图 F ig. 2　Block diagram for measuremen t of Y -waveguide in sertion loss 2　分束比的测量结果 在实验室温度为23℃和湿度为76% 的条件下, 分别采用波长为 1 300 nm 和 1 550 nm 的激光光 源测量两尾纤的输出光功率各 6 次, 结果如表 1 所示。 表 1　光源波长为 1 300 nm 的尾纤输出光功率 Table 1　Output lum inous power of two ta il f ibers when source Κ= 1 300 nm 测量次数 功率PO 1öΛW 功率PO 2öΛW 1 19. 75 22. 06 2 19. 52 22. 01 3 19. 56 22. 05 4 19. 22 21. 96 5 19. 15 21. 93 6 19. 22 21. 94 平均值 19. 40 21. 99 (此时光源偏置电流为 50 mA ) 根据 (1) 式计算得到采用波长为 1 300 nm 的 激光光源时Y 波导的分束比为47ö53。 ·09· 　　应用光学　2009, 30 (1)　　解　琪, 等: Y 型光波导分束比和插入损耗测量技术研究 表 2　光源波长为 1 550 nm 的尾纤输出光功率 Table 2　Output lum inous power of two ta il f ibers when source Κ= 1 550 nm 测量次数 功率PO 1öΛw 功率PO 2öΛw 1 18. 73 22. 54 2 18. 97 22. 37 3 19. 14 22. 55 4 19. 07 22. 72 5 19. 28 22. 84 6 18. 93 22. 88 平均值 19. 02 22. 65 (此时光源偏置电流为 30 mA ) 根据 (1) 式计算得到采用波长为 1 550 nm 的 激光光源时Y 波导的分束比为46ö54。 3　影响分束比和插入损耗测量的因素 3. 1　分束比测量不确定度分析 3. 1. 1　光源波长为1 300 nm 的测量不确定度 1) 两尾纤输出光功率多次测量引入的不确定 度分量u 1 两尾纤输出光功率在同一条件下进行了 6 次 独立重复观测, 根据A 类不确定度评定方法计算其 不确定度: u 1= S (x ) ö n , 其中S (x ) = 1 n- 1∑ (x i- xθ) 2 (n= 1, 2, ⋯, 6) (3) 式中: n 为测量次数; x i 为测量值; xθ 为测量值 的算数平均值; S (x ) 为单次测量值估计值的标准 偏差。 根据 (3)式计算出由两尾纤输出光功率多次测 量引入的不确定度分量u 1= 0. 4%。 2) 光源稳定度引入的不确定度分量u 2 已知室温下波长为1 300 nm 的激光光源每小 时的稳定度约为 1% , 在这种条件下, 光源以 1% 的 稳定度随机变化, 所以可以认为光源稳定度引入的 不确定度分量u 2= 1. 0%。 3) Y 波导端面外形和FC 插头插入引入的不 确定度分量u 3 当Y 波导两尾纤在测量时发生旋转, 输出光功 率值会发生变化, 由此引入的不确定度分量 u 3= 1. 0%。 4) 光功率计引入的不确定度分量u 4 光功率计准确度为± 0. 25 dB , 分辨率为 0. 01 dB , 根据测量到的数据计算可得光源波长 1 300 nm 对应的探头所引入的不确定度分量 u 4= 2. 7%。 5) 合成标准不确定度 因各分量间彼此独立, 所以分束比测量的合成 标准不确定度u c 为 u c= u 2 1+ u 2 2+ u 2 3+ u 2 4 = 3. 1% (4) 3. 1. 2　光源波长为1 550 nm 的测量不确定度 1) 两尾纤输出光功率多次测量引入的不确定 度分量u 1′ 其评定方法与光源波长为 1 300 nm 时相同, 根据 (3)式按照A 类不确定度评定方法计算出两尾 纤输出光功率多次测量引入的不确定度分量为 u 1′= 0. 4%。 2) 光源稳定度引入的不确定度分量u 2′ 已知室温下波长为1 550 nm 的激光光源每小 时的稳定度约为 1% , 所以同样可以认为光源引入 的不确定度分量u 2′= 1. 0%。 3) Y 波导端面外形和FC 插头插入引入的不 确定度分量u 3′ 对同一个Y 波导在不同光源波长下进行测量, 由 Y 波导端面外形和FC 插头插入引入的不确定度分量 u 3′与光源波长为1 300 nm 时相同, 所以u 3′= 1. 0%。 4) 光功率计引入的不确定度分量u 4′ 对同一个光功率计, 在光源波长为 1 550 nm 时, 根据测得数据选用对应于该波长的功率探头引 入的不确定度u 4′= 2. 2%。 5) 合成标准不确定度 因各分量间彼此独立, 所以分束比测量的合成 标准不确定度u c′为 u c′= u′21 + u′22 + u′23 + u′24 = 2. 6% (5) 3. 2　影响插入损耗测量的因素 插入损耗是器件的重要性能指标, 其大小影响 到光纤陀螺的精度与零偏稳定性等, 其值越小越 好。造成损耗的原因主要包括3 个方面: Y 分支结 构造成的损耗、波导材料及电极损耗和光纤与波导 耦合损耗。由于Y 波导插入损耗的测量是一种损伤 性测量, 本文仅从理论上分析影响测量结果的主要 因素。 ·19·　　应用光学　2009, 30 (1)　　解　琪, 等: Y 型光波导分束比和插入损耗测量技术研究 在造成损耗的3 个主要因素中, Y 分支结构造 成的损耗是波导自身功能造成的, 其损耗值在Y 分 支结构设计完成后就确定了, 不会因器件所处环境 的改变而改变。其中波导材料造成的损耗主要由材 料本身的特性决定, 材料的缺陷越多, 损耗也就越 大。光纤和波导的耦合一般由刻有V 型槽的Si 片 作为陪片, 把光纤固定在陪片上, 按照一定的耦合 角度与波导对接, 然后用紫外固化胶进行固定。由 于耦合封装所用的环氧固化胶、紫外固化胶、光纤、 波导材料和陪片有着不同的热膨胀系数, 所以工作 环境的改变很可能造成光纤与波导间的对准以及 间隙的变化, 从而造成损耗[4 ]。 4　结束语 本文详细介绍了Y 型光波导分束比和插入损 耗的测量原理和装置, 分析了影响测量结果的主要 因素。在测量了Y 波导的尾纤输出光功率后计算出 分束比并对其结果进行了测量不确定度分析。分束 比值以平均分配光束 50ö50 为最佳, 本次实验在光 源波长为 1 300 nm 和 1 550 nm 下的测量结果分 别为 47ö53 和 46ö54, 满足Y 波导分束比的技术指 标 (45ö55～ 55ö45)。插入损耗的测量需剪断光纤, 是一种损伤性测量。因此, 本文仅在理论上从光波 导结构和制作工艺等方面分析了影响插入损耗测 量结果的主要因素, 在实际操作测量中还应考虑光 源稳定性及功率计等因素的影响。根据技术指标, 插入损耗在光源波长为 1 300 nm 时≤4. 5 dB , 典 型值为4 dB; 在光源波长为1 550 nm 时≤5. 0 dB , 典型值为4. 5 dB。 Y 型光波导是目前应用比较多和技术比较成 熟的光波导器件, 有多家单位生产, 已在光纤陀螺 上成功应用, 因此对Y 型光波导参数计量测试值得 关注[5 ]。国防科技工业光学一级计量站承担国防系 统光学参数测量仪器的校准检测任务, 今后将要建 立起光波导参数计量标准, 本文对Y 型光波导参数 计量测试进行了初步探索性研究, 为建立标准奠定 了一定基础。 参考文献: [1 ]　冯克成, 吴东生. 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