光波分復(fù)用實驗的改進(jìn)和擴(kuò)展

毛紅敏，王曉丹，程新利

（蘇州科技學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

1 引 言

近年來，光纖通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，光纖不但已經(jīng)取代電纜成為有線信道最主要的傳輸方式，而且仍在以驚人的速度向更高階段發(fā)展，高水平的光纖通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如波分復(fù)用技術(shù)、相干光通信技術(shù)、光纖放大器和光孤子通信技術(shù)等．以光纖通信為主的光通信技術(shù)已經(jīng)深刻地改變了人們的生活，成為未來通信技術(shù)發(fā)展的一個重要方向．光纖通信技術(shù)已是物理專業(yè)學(xué)生的必修課或選修課，光纖類實驗教學(xué)的開設(shè)具有重要意義［1］．學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課的同時如果進(jìn)行相應(yīng)的實驗操作，能夠加深對所學(xué)知識的理解，增加學(xué)生對實際的通信光路的感性認(rèn)識．理論和實踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高認(rèn)知能力和操作技能．

光波分復(fù)用技術(shù)（WDM）是光纖通信系統(tǒng)中不同波長光信號的復(fù)用方式．這種技術(shù)使原來只采用1個波長作為載波的單一光信道變?yōu)閿?shù)個不同波長的光信道同時在光纖中傳輸，進(jìn)而使光纖通信的容量成倍地提高［2］．近年來，隨著豐富的圖像和語音業(yè)務(wù)的增加，光通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)迅速向高速WDM系統(tǒng)升級，因此光波分復(fù)用實驗已成為光通信課程必修的實驗之一．目前眾多高校開設(shè)的波分復(fù)用實驗，普遍使用成品化的光波分復(fù)用器，集成化程度高，學(xué)生在實驗過程中，看不到器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是簡單地把光纖器件連接起來記錄數(shù)據(jù)，對實驗系統(tǒng)中各器件的具體結(jié)構(gòu)不能深入了解．針對這一情況，利用自聚焦透鏡對兩路波分復(fù)用實驗進(jìn)行改進(jìn)，使用2個自聚焦透鏡把2束光耦合到1根光纖中，實現(xiàn)復(fù)用過程．解復(fù)用過程使用的解復(fù)用器和復(fù)用過程使用的復(fù)用器結(jié)構(gòu)完全相同，僅為連接方式的改變，為了節(jié)約調(diào)節(jié)時間，解復(fù)用過程使用自聚焦透鏡做成的成品器件．改進(jìn)后的實驗使學(xué)生加深對WDM器件原理和結(jié)構(gòu)的理解，增強(qiáng)實驗效果．

2 WDM器件結(jié)構(gòu)

2．1 自聚焦透鏡原理

自聚焦透鏡（GRAN）由1／4節(jié)距漸變折射率棒狀透鏡構(gòu)成，具有準(zhǔn)直和聚焦作用．其功能如圖1所示［3－4］．根據(jù)自聚焦透鏡的傳光原理，當(dāng)會聚光從自聚焦透鏡一端面輸入時，經(jīng)過自聚焦透鏡后以平行光輸出．自聚焦透鏡用于光纖與光纖的耦合時，具有耦合損耗小，耦合距離大等一系列優(yōu)點．

圖1 自聚焦透鏡（GRAN）

2．2 波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和原理

干涉膜型光波分復(fù)用器是簡單的兩通道波分復(fù)用器（WDM），由2個GRAN和波長選擇濾光片組成，波長選擇濾光片使波長λ1透射，λ2反射，如圖2所示［5］．波長λ1和λ2所攜帶的信號分別從光纖1和2入射，GRAN1使入射光束λ1在濾光片處準(zhǔn)直射入GRAN2，GRAN2將光束λ1聚焦到輸出光纖3．GRAN2和反射膜使λ2聚焦到輸出光纖3，輸出光纖3與光纖1關(guān)于透鏡軸對稱放置，實現(xiàn)波長λ1和λ2的復(fù)用．解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)和復(fù)用器完全相同，在通信系統(tǒng)中位于解復(fù)用的位置，完成波長的分離任務(wù)．

圖2 干涉膜型光波分復(fù)用器

3 改進(jìn)后的實驗結(jié)構(gòu)

波分復(fù)用和解復(fù)用實驗結(jié)構(gòu)如圖3所示，光源1為中心波長848 nm的LED光源，光源2為778 nm的LD光源；光譜儀是Newpotr公司生產(chǎn)，光譜測量范圍600～1 600 nm．四維調(diào)節(jié)架用以實現(xiàn)光纖的兩維角度調(diào)節(jié)和兩維線性調(diào)節(jié)．光源1輸出光波λ1，耦合進(jìn)入光纖1，光纖1固定在四維調(diào)節(jié)架1上；光源2輸出光波λ2耦合進(jìn)入光纖2，光纖2固定在四維調(diào)節(jié)架2上，光纖1和光纖2中的光波通過自聚焦透鏡耦合進(jìn)光纖3中，具體光路如圖2所示．

圖3 波分復(fù)用及解復(fù)用實驗結(jié)構(gòu)圖

實驗改進(jìn)的重點之一是構(gòu)建復(fù)用器的主體．將其置于可調(diào)光路中．具體用薄層的環(huán)氧樹脂粘合2個透鏡．也用少量的環(huán)氧樹脂將透鏡固定在復(fù)用器組基座上，如圖4所示．

圖4 復(fù)用器組基座上的棒透鏡組件

圖5給出光纖1、光纖3的固定裝置．將長約1．5 m的光纖1和一端帶有活動連接器的光纖3相互平行地放在光纖卡盤中，用彈簧片壓上，再把光纖卡盤固定在四維調(diào)節(jié)架1上．光纖2通過光纖適配器固定在四維調(diào)節(jié)架2上．解復(fù)用器和3個活動連接器集成在一起，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)用器相同，是成熟器件．光纖3另一端通過活動連接器1與解復(fù)用器相連接，使用過程中只需用相應(yīng)型號的法蘭盤固定連接，不再需要對準(zhǔn)調(diào)節(jié)；活動連接器2和3分別與功率計和光譜儀相連．

圖5 雙光纖卡盤

測試過程中首先調(diào)節(jié)四維調(diào)節(jié)架1，同時觀察功率計輸出信號強(qiáng)度，使輸出強(qiáng)度最大；遮擋光源1，調(diào)節(jié)四維調(diào)節(jié)架2，使功率計輸出強(qiáng)度最大；移開遮擋物，使光源1和光源2中的光波經(jīng)復(fù)用器耦合到光纖3，則光纖3中同時傳播2個波長．將光纖3通過活動連接器與光譜儀相連接，可觀察到耦合后光纖3中傳輸2個波長的光，結(jié)果如圖6所示．

圖6 復(fù)用器輸出的光波信號

測試完成后連接光纖3和解復(fù)用器，輸出的2個波長連接到光功率計，進(jìn)行隔離度、插入損耗和方向性等測量；也可把解復(fù)用器的兩路輸出分別和光譜儀相連，在光譜儀上觀察到如圖7所示結(jié)果．圖7是解復(fù)用后某一路的光譜信息．在實驗過程中，除了測試插入損耗、隔離度和方向性等基本參量外，增加了通過光譜儀觀察光纖中傳輸?shù)墓獠ㄐ畔ⅲ瑤椭鷮W(xué)生深刻體會光波分復(fù)用和解復(fù)用的過程．

圖7 解復(fù)用器一路輸出的光波信號

4 結(jié)束語

在原有集成化器件實驗的基礎(chǔ)上，用2個自聚焦透鏡和反射膜代替集成波分復(fù)用器件，不僅讓學(xué)生有更多的動手機(jī)會，更重要的是，通過實驗使學(xué)生能觀察到器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加深對光纖復(fù)用器件構(gòu)造的了解．實驗中增加光譜儀測量光纖中光譜信息，在原來純數(shù)字測量的基礎(chǔ)上，加入可視化的圖像，使學(xué)生直觀地感受復(fù)用和解復(fù)用過程．改進(jìn)后的實驗，激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，提高學(xué)生的實踐能力及創(chuàng)新能力．

［1］ 張權(quán)，朱玲，孫晴，等．光纖干涉系列實驗教學(xué)的探索與實踐［J］．物理實驗，2009，29（1）：21－23．

［2］ 丁么明，宋立新，余華清，等．光波導(dǎo)與光纖通信基礎(chǔ)［M］．北京：高等教育出版，2005：317－335．

［3］ 張杰，譚久彬．基于共焦原理的反射式自聚焦光纖傳感技術(shù)研究［J］．光子學(xué)報，2001，30（11）：1361－1365．

［4］ 龔智炳．自聚焦透鏡列陣及其應(yīng)用［J］．應(yīng)用光學(xué)，2000，21（1）：28－31．

［5］ 林學(xué)煌．光無源器件［M］．北京：人民郵電出版社，1998：129－130．