光波導(dǎo)功分器插入損耗測量的高速化技術(shù)研究

劉林+陳抱雪

摘要：

提出并設(shè)計(jì)一種高速測量光波導(dǎo)功分器插入損耗的新方法，試制了相應(yīng)的測試系統(tǒng)，對平行密排的功分器輸出尾纖的出射功率實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描測試，并實(shí)時(shí)判斷測試數(shù)據(jù)的可靠性。顯著效果有兩個(gè)；一個(gè)是測試速度快，將常規(guī)方法所需的5～10 min縮短到了18 s左右；另一個(gè)是在高速測試的同時(shí)確保測試數(shù)據(jù)的可信性，系統(tǒng)后臺導(dǎo)入了智能判錯(cuò)程序，可以對誤測操作實(shí)時(shí)報(bào)警和究源。針對生產(chǎn)現(xiàn)場的小批量對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，顯示了該成果的重要應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：

光波導(dǎo)器件技術(shù)； 光波導(dǎo)功分器； 插入損耗測試； 高速測試技術(shù)； 可靠性測試

中圖分類號： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.013

Abstract：

We put forward and designed a kind of high speed method for measuring insertion loss of optical waveguide power splitter.We built a test system to scan the output power of parallel tail fiber of the splitters and judge the reliability of the test data in real time.There are two significant characteristics.One is the test speed.The proposed system shortens the time to 18 s comparing to conventional method of 5 ～ 10 min.The other one is to ensure the credibility of the test data.The system imports intelligent sentence wrong procedure.The measurement errors can real-time alarm and investigate the original operation.Production of small batch ratio on the characteristics of the measurement system is verified by the experiments and results，which show the important application value.

Keywords：

technology of optical waveguide devices； optical waveguide power splitter； test of insert loss； high speed testing technique； reliability testing

引言

光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中的主流技術(shù)[1]，在光通信網(wǎng)絡(luò)中，光波導(dǎo)功分器被大量用來實(shí)現(xiàn)光路的連接、光信號功率分配以及各器件之間的耦合控制等，特別是在用戶接入網(wǎng)中，光波導(dǎo)功分器已成為核心無源光器件[2-7]

。光波導(dǎo)功分器的插入損耗是器件評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，測量光波導(dǎo)功分器插入損耗的現(xiàn)行方法有兩種，一種是直接測量[8-9]，光波導(dǎo)功分器的輸出尾纖預(yù)先做好插拔接口頭，所有尾纖依次插入光功率計(jì)測試輸出功率，這種方法的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)可靠，問題是速度很慢，測試成本高。另一種方法是光路插入式測量[10]，在該測試回路中，光源的輸出端以及光功率計(jì)的輸入端分別預(yù)先固定連接了過渡光纖，過渡光纖的自由端制備了插拔式法蘭，光波導(dǎo)功分器的尾纖通過插拔式法蘭與光源以及光功率計(jì)連接。這種方法免去了光波導(dǎo)功分器輸出尾纖插拔接口頭的制作，減少了一道工序成本，但測試速度依然很慢。

為了解決上述工業(yè)現(xiàn)場器件評價(jià)速度慢、測試成本高的問題，開發(fā)了一種高速測量光波導(dǎo)功分器插入損耗的方法及其測量系統(tǒng)。1×8光波導(dǎo)功分器的4波長插損測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與上述現(xiàn)行方法費(fèi)時(shí)5～10 min相比，本測試系統(tǒng)的費(fèi)時(shí)大幅減至18s左右。同時(shí)，為了確保高速操作過程中的測試數(shù)據(jù)可靠性，本測試系統(tǒng)導(dǎo)入了后臺智能判錯(cuò)程序，可以對誤測操作實(shí)時(shí)報(bào)警和究源，顯著提升了現(xiàn)場批量測試的數(shù)據(jù)可信度。

1測試結(jié)構(gòu)和基本要素分析

測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，1×N（N=4、8、16、32、64等）光波導(dǎo)功分器由光波導(dǎo)1×N分支耦合芯片分別與輸入端1路單模光纖列陣以及輸出端N路單模光纖列陣對接耦合后，固化構(gòu)成。光波由輸入端輸入，經(jīng)N路均分功率后，從N根尾纖出射。單模裸光纖的外徑是125 μm，輸出尾纖的出射端鏡面切割后在同一平面上并行緊靠排列，相鄰光纖的芯間距約為127 μm。接收器由一根狹縫連同功率計(jì)探頭構(gòu)成，狹縫用于選擇透光范圍。功率計(jì)探頭連同狹縫擋板固定在導(dǎo)軌滑塊上，經(jīng)電腦控制步進(jìn)驅(qū)動，可沿平行于尾纖排列的方向快速移動連續(xù)探測，測量數(shù)據(jù)送入電腦分析，完成N根尾纖出射光功率的分別測試。光源含多個(gè)切換波長，可根據(jù)電腦指令選擇。

如圖2所示，狹縫寬度固定為5 μm，與之對應(yīng)的導(dǎo)軌移動步長也是5 μm，狹縫沿y方位移動一個(gè)步長，測試一個(gè)透過光功率數(shù)據(jù)，通過連續(xù)的掃描測試及其數(shù)據(jù)分析，分別測得每根輸出尾纖的出射光功率。系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有三個(gè)基本要素，一是完成單根輸出尾纖光功率測試所對應(yīng)的狹縫移動掃描的累計(jì)寬度Wa，二是狹縫與光纖出射端面的間距，三是測試數(shù)據(jù)的可靠性判據(jù)。狹縫掃描累計(jì)寬度Wa用于確保單根被測光纖輸出功率的選擇性測試，在數(shù)據(jù)處理中，狹縫掃描一個(gè)累計(jì)寬度被看成是完成了一個(gè)測試點(diǎn)的移動，一個(gè)累計(jì)寬度內(nèi)測得的光功率的累計(jì)值被規(guī)定為一個(gè)測試點(diǎn)的測量值；狹縫與光纖出射端面的間距要避免在探測面上出現(xiàn)相鄰光纖出射光斑的竄擾重疊。考慮到儀器用于工業(yè)現(xiàn)場的大批量器件測試，每個(gè)器件的輸出尾纖的并行緊靠排列和空間定位由人工操作完成，難免出現(xiàn)空間定位偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的情況，由儀器后臺執(zhí)行的可靠性判斷和誤測報(bào)警是不可忽缺的環(huán)節(jié)。

單模光纖的基模出射光可以用高斯光束近似，圖2示意了芯間距為127 μm并行排列的輸出尾纖（顯示局部）的出射光束，以及測試結(jié)構(gòu)。對于任一出射光束，以光纖端面的芯中心作為直角坐標(biāo)原點(diǎn)，z=0處的出射光束直徑W0是束腰，距光纖端面z處平面上的光波歸一化場分布為[11-13]

式中：k是波數(shù)；z是狹縫到端面的間距；W0是出射光束的束腰半徑；R（z）是距離z距離處光斑半徑。設(shè)一個(gè)狹縫掃描累計(jì)寬度Wa對應(yīng)于a個(gè)移動步長，在間距z處穿過狹縫的歸一化光波的累計(jì)光功率Pa由下式計(jì)算

顯然，狹縫后設(shè)置的功率計(jì)在一個(gè)狹縫掃描累計(jì)寬度Wa內(nèi)測得的歸一化光功率Pa（數(shù)據(jù)上作為一個(gè)測試點(diǎn)的測得值）與Wa（或移動步數(shù)a）以及間距z相關(guān)。圖3給出了Pa與單個(gè)測試點(diǎn)的移動步數(shù)a以及間距z的關(guān)聯(lián)曲線，這里取光通信窗口的右端波長l=1 625 nm，對應(yīng)的束腰W0=10 mm。若取一個(gè)狹縫掃描累計(jì)寬度Wa對應(yīng)的移動步數(shù)在18

根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系，被測光纖兩側(cè)的兩根緊鄰光纖的出射光，在間距z處穿過一個(gè)狹縫掃描累計(jì)寬度Wa的歸一化光波的竄擾光功率ΔPa計(jì)算式為

竄擾光功率ΔPa也與Wa（或移動步數(shù)a）以及間距z相關(guān)，圖4給出了1 625 nm波長的ΔPa與移動步數(shù)a以及間距z的關(guān)聯(lián)曲線。若取18

儀器工作時(shí)，輸出尾纖列陣固定，功率計(jì)探頭連同狹縫擋板沿圖2所示的y方位快速連續(xù)移動，測得的光功率是移動位置y的函數(shù)。設(shè)出射光列陣由N根輸出尾纖構(gòu)成，第1根輸出光纖的出射端面的芯中心為直角坐標(biāo)原點(diǎn)，選狹縫掃描累計(jì)寬度Wa的中點(diǎn)作為一個(gè)測試點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)點(diǎn)，歸一化測得功率可表示成

給出了a=22、l=1 625 nm、N=4情況下，z分別取500 μm、600 μm和800 μm時(shí)的測得功率的仿真計(jì)算曲線，可以看出，間距z取600 μm或小于600 μm時(shí)，可以如實(shí)地分別測得4根輸出尾纖的歸一化輸出功率。若間距z大于600 μm（例如圖中z=800 μm）時(shí)，由于狹縫掃描累計(jì)寬度Wa遮擋了部分光波，測得的數(shù)據(jù)將小于真實(shí)數(shù)據(jù)。圖6是圖5的局部放大，縱坐標(biāo)以分貝為單位，用以仿真反映實(shí)測時(shí)的數(shù)據(jù)變動。間距z被設(shè)置成小于或等于600 μm時(shí)，Wa在測試點(diǎn)附近移動35 mm，測得功率的變動不大于0.03 dB；若間距z大于600 μm（例如取z=800 μm）時(shí)，同樣的移動范圍，功率數(shù)據(jù)變動達(dá)到0.13 dB以上。由此可見，對于有N根輸出尾纖的器件的插入損耗的測試，數(shù)據(jù)可靠性的一個(gè)重要判斷依據(jù)是測試曲線是否顯示N段長達(dá)數(shù)十微米的平坦的測試窗口。否之，測得數(shù)據(jù)失真，可能的原因是間距設(shè)置過長。儀器現(xiàn)場工作時(shí)，間距z通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的靠位來確定，但由于輸出尾纖的端面嚴(yán)禁碰擦，尾纖端面的定位操作會有±0.1 mm的誤差，大批量測試時(shí)涉及人工頻繁操作，機(jī)器后臺采用這個(gè)判斷依據(jù)，可以及時(shí)阻止誤測數(shù)據(jù)過關(guān)。圖7是與Wa對應(yīng)的步數(shù)a變動時(shí)測得功率的仿真計(jì)算曲線，這里z=600 mm。步數(shù)a=25是一個(gè)臨界值，一旦步數(shù)a大于25，來自于被測光纖兩側(cè)的光纖的出射光會構(gòu)成明顯的串?dāng)_，測得數(shù)據(jù)顯示超出單根尾纖輸出功率的原理值。這可以作為判斷測試數(shù)據(jù)可靠性的另一個(gè)重要依據(jù)，由于Wa等于步數(shù)a乘上狹縫寬度，一旦步數(shù)a確定，機(jī)器后臺可以用這個(gè)判據(jù)來鑒定儀器的狹縫設(shè)置是否正常。

2實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

按上述圖1的基本結(jié)構(gòu)搭建了測試系統(tǒng)，光源含4個(gè)可切換波長，分別是1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm以及1 625 nm，根據(jù)測試程序切換波長，由電腦指令。功率計(jì)選擇大面積探頭類型，直徑是3 mm。導(dǎo)軌是高精度直線導(dǎo)軌，離軸漂移小于1 mm，最大行程是5 mm，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制器通過RS232接口與計(jì)算機(jī)相連，可用軟件編程進(jìn)行控制。步進(jìn)移動量的最小值由脈沖的分割數(shù)決定，最小分割數(shù)為1/1 000，對應(yīng)的理論最小步長是0.05 mm。狹縫擋板用兩片鋒利刀片構(gòu)成，寬度定位使用厚度為5±0.05 mm的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)薄片。程序規(guī)定的移動步長是5 mm，與狹縫掃描累計(jì)寬度Wa對應(yīng)的步數(shù)a=22。尾纖列陣在專門的夾具臺上密排布置和定位固定，夾具臺配有直線導(dǎo)軌和間距定位裝置，間距定位在500～600 mm之間。系統(tǒng)還配置視屏顯示的顯微系統(tǒng)，用以監(jiān)查尾纖列陣的端面狀況和空間位置。指令、數(shù)據(jù)讀取、曲線分析、結(jié)果匯總和失真報(bào)警等操作由計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng)，對連續(xù)測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)做出可靠性判斷后，通過測試窗口的特征分析得出每根尾纖輸出的插入損耗。圖8是系統(tǒng)關(guān)鍵部位的實(shí)物照片。

與狹縫掃描累計(jì)寬度Wa關(guān)聯(lián)的移動步數(shù)a是測試系統(tǒng)的另一個(gè)基本要素，改變a的大小，得到的實(shí)測數(shù)據(jù)如圖11所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的變化傾向與圖7的仿真分析基本一致。實(shí)物樣品的相鄰光纖之間的芯中心間距難免存在差異，實(shí)測曲線與仿真給出的理想曲線之間有一定的差別，例如a=25的臨界情況，實(shí)測曲線顯示不同程度的凹陷，這是因?yàn)閷?shí)物樣品的相鄰光纖之間的芯中心間距較理論值略大所致。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)a>25時(shí)，來自于相鄰光纖的串?dāng)_變得明顯，理論分析指出移動步數(shù)在18

本測試系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是測試速度快，用1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm和1 625 nm 4個(gè)波長測量一個(gè)1×8光波導(dǎo)功分器的所有通道的插入損耗所需的合計(jì)時(shí)間為18 s左右，而傳統(tǒng)測量方法完成同樣的工作需要5～10 min，大幅縮短了測量時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。采用本系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場對100個(gè)光波導(dǎo)功分器產(chǎn)品做了與傳統(tǒng)方法的比對測量，沒有出現(xiàn)誤測情況，顯示了本測試系統(tǒng)的可靠性。本測試系統(tǒng)根據(jù)前述的規(guī)律性分析導(dǎo)入了后臺智能判錯(cuò)程序，測試過程中一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤曲線可以實(shí)時(shí)報(bào)警，并提示可能的出錯(cuò)原因，顯著提升了測試數(shù)據(jù)的可信度。

3結(jié)論

設(shè)計(jì)并試制出了一套新型的自動化測量光波導(dǎo)功分器插入損耗的系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)控制，成功地對光波導(dǎo)功分器的插入損耗進(jìn)行了測量，并且經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，最終實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的可行性和可靠性，并且大大縮短了測試時(shí)間，對光波導(dǎo)功分器的推廣起到了一定程度的促進(jìn)作用，對于其他測量系統(tǒng)也具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖熠.玻璃基離子交換波導(dǎo)光功率分配器的設(shè)計(jì)和工藝制作[D].杭州：浙江大學(xué)，2012：1-4.

[2]周自剛.玻璃光波導(dǎo)功分器理論、技術(shù)及其光學(xué)特性研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2005：4-6.

[3]SKALJO E，HODZIC M，BEKTAS I.Migration from G（E） PON to NGPON[C]∥Proceedings of 2009 International Conference on Ultra Modern Telecommunications & Workshops.St.Petersburg：IEEE，2009：1-4.

[4]LEE C H，SORIN W V，KIM B Y.Fiber to the home using a PON infrastructure[J].Journal of Lightwave Technology，2006，24（12）：4568-4583.

[5]周自剛，劉德森.光功率分配器[J].光學(xué)技術(shù)，2003，29（1）：79-82.

[6]胡臺光.光接入網(wǎng)與光器件[J].光通信技術(shù)，1998，22（2）：79-85.

[7]唐仁杰.光系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展——介紹上海光纖報(bào)告會[J].光通信研究，1998（5）：60-64.

[8]解琪，許榮國，范紀(jì)紅，等.Y型光波導(dǎo)分束比和插入損耗測量技術(shù)研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2009，30（1）：89-92.

[9]張瑜，簡笑顏.光分路器插入損耗的測量不確定度評估[J].廣東通信技術(shù)，2014（1）：65-67.

[10]孟陽，李青.光路插入式測量法及其應(yīng)用[J].電子測量技術(shù)，2010，33（7）：103-107.

[11]魏立志.高斯光束的特性研究[D].長春：吉林大學(xué)，2004：1-15.

[12]陳家壁，彭潤玲.激光原理及應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2010：57-60.

[13]楊鏡新，莊亦飛，沈衛(wèi)星，等.激光光斑有效面積的準(zhǔn)確測定[J].強(qiáng)激光與粒子束，2004，16（10）：1263-1266.