光波分復用實驗的改進和擴展

毛紅敏，王曉丹，程新利

（蘇州科技學院 數理學院，江蘇 蘇州215009）

1 引 言

近年來，光纖通信技術得到了飛速發(fā)展和廣泛應用，光纖不但已經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不斷涌現，如波分復用技術、相干光通信技術、光纖放大器和光孤子通信技術等．以光纖通信為主的光通信技術已經深刻地改變了人們的生活，成為未來通信技術發(fā)展的一個重要方向．光纖通信技術已是物理專業(yè)學生的必修課或選修課，光纖類實驗教學的開設具有重要意義［1］．學生在學習理論課的同時如果進行相應的實驗操作，能夠加深對所學知識的理解，增加學生對實際的通信光路的感性認識．理論和實踐相結合，激發(fā)學生的學習興趣，提高認知能力和操作技能．

光波分復用技術（WDM）是光纖通信系統(tǒng)中不同波長光信號的復用方式．這種技術使原來只采用1個波長作為載波的單一光信道變?yōu)閿祩€不同波長的光信道同時在光纖中傳輸，進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)務的增加，光通信網絡已經迅速向高速WDM系統(tǒng)升級，因此光波分復用實驗已成為光通信課程必修的實驗之一．目前眾多高校開設的波分復用實驗，普遍使用成品化的光波分復用器，集成化程度高，學生在實驗過程中，看不到器件內部結構，只是簡單地把光纖器件連接起來記錄數據，對實驗系統(tǒng)中各器件的具體結構不能深入了解．針對這一情況，利用自聚焦透鏡對兩路波分復用實驗進行改進，使用2個自聚焦透鏡把2束光耦合到1根光纖中，實現復用過程．解復用過程使用的解復用器和復用過程使用的復用器結構完全相同，僅為連接方式的改變，為了節(jié)約調節(jié)時間，解復用過程使用自聚焦透鏡做成的成品器件．改進后的實驗使學生加深對WDM器件原理和結構的理解，增強實驗效果．

2 WDM器件結構

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成，具有準直和聚焦作用．其功能如圖1所示［3－4］．根據自聚焦透鏡的傳光原理，當會聚光從自聚焦透鏡一端面輸入時，經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 波分復用器結構和原理

干涉膜型光波分復用器是簡單的兩通道波分復用器（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關于透鏡軸對稱放置，實現波長λ1和λ2的復用．解復用器的結構和復用器完全相同，在通信系統(tǒng)中位于解復用的位置，完成波長的分離任務．

圖2 干涉膜型光波分復用器

3 改進后的實驗結構

波分復用和解復用實驗結構如圖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，光譜測量范圍600～1 600 nm．四維調節(jié)架用以實現光纖的兩維角度調節(jié)和兩維線性調節(jié)．光源1輸出光波λ1，耦合進入光纖1，光纖1固定在四維調節(jié)架1上；光源2輸出光波λ2耦合進入光纖2，光纖2固定在四維調節(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光纖3中，具體光路如圖2所示．

圖3 波分復用及解復用實驗結構圖

實驗改進的重點之一是構建復用器的主體．將其置于可調光路中．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用器組基座上，如圖4所示．

圖4 復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節(jié)架1上．光纖2通過光纖適配器固定在四維調節(jié)架2上．解復用器和3個活動連接器集成在一起，內部結構和復用器相同，是成熟器件．光纖3另一端通過活動連接器1與解復用器相連接，使用過程中只需用相應型號的法蘭盤固定連接，不再需要對準調節(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

測試過程中首先調節(jié)四維調節(jié)架1，同時觀察功率計輸出信號強度，使輸出強度最大；遮擋光源1，調節(jié)四維調節(jié)架2，使功率計輸出強度最大；移開遮擋物，使光源1和光源2中的光波經復用器耦合到光纖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，結果如圖6所示．

圖6 復用器輸出的光波信號

測試完成后連接光纖3和解復用器，輸出的2個波長連接到光功率計，進行隔離度、插入損耗和方向性等測量；也可把解復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所示結果．圖7是解復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的光波信息，幫助學生深刻體會光波分復用和解復用的過程．

圖7 解復用器一路輸出的光波信號

4 結束語

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

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

［2］ 丁么明，宋立新，余華清，等．光波導與光纖通信基礎［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研究［J］．光子學報，2001，30（11）：1361－1365．

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

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