引言

光纤通信是现代通信网络中的主流技术^[1], 在光通信网络中, 光波导功分器被大量用来实现光路的连接、光信号功率分配以及各器件之间的耦合控制等, 特别是在用户接入网中, 光波导功分器已成为核心无源光器件^[2-7]。光波导功分器的插入损耗是器件评价的一个重要指标, 测量光波导功分器插入损耗的现行方法有两种, 一种是直接测量^[8-9], 光波导功分器的输出尾纤预先做好插拔接口头, 所有尾纤依次插入光功率计测试输出功率, 这种方法的特点是数据可靠, 问题是速度很慢, 测试成本高。另一种方法是光路插入式测量^[10], 在该测试回路中, 光源的输出端以及光功率计的输入端分别预先固定连接了过渡光纤, 过渡光纤的自由端制备了插拔式法兰, 光波导功分器的尾纤通过插拔式法兰与光源以及光功率计连接。这种方法免去了光波导功分器输出尾纤插拔接口头的制作, 减少了一道工序成本, 但测试速度依然很慢。

为了解决上述工业现场器件评价速度慢、测试成本高的问题, 开发了一种高速测量光波导功分器插入损耗的方法及其测量系统。1×8光波导功分器的4波长插损测试的实验结果表明, 与上述现行方法费时5～10 min相比, 本测试系统的费时大幅减至18s左右。同时, 为了确保高速操作过程中的测试数据可靠性, 本测试系统导入了后台智能判错程序, 可以对误测操作实时报警和究源, 显著提升了现场批量测试的数据可信度。

1 测试结构和基本要素分析

测试系统的基本结构如图 1所示, 1×N(N=4、8、16、32、64等)光波导功分器由光波导1×N分支耦合芯片分别与输入端1路单模光纤列阵以及输出端N路单模光纤列阵对接耦合后, 固化构成。光波由输入端输入, 经N路均分功率后, 从N根尾纤出射。单模裸光纤的外径是125 μm, 输出尾纤的出射端镜面切割后在同一平面上并行紧靠排列, 相邻光纤的芯间距约为127 μm。接收器由一根狭缝连同功率计探头构成, 狭缝用于选择透光范围。功率计探头连同狭缝挡板固定在导轨滑块上, 经电脑控制步进驱动, 可沿平行于尾纤排列的方向快速移动连续探测, 测量数据送入电脑分析, 完成N根尾纤出射光功率的分别测试。光源含多个切换波长, 可根据电脑指令选择。

如图 2所示, 狭缝宽度固定为5 μm, 与之对应的导轨移动步长也是5 μm, 狭缝沿y方位移动一个步长, 测试一个透过光功率数据, 通过连续的扫描测试及其数据分析, 分别测得每根输出尾纤的出射光功率。系统测试结构的设计有三个基本要素, 一是完成单根输出尾纤光功率测试所对应的狭缝移动扫描的累计宽度W_a, 二是狭缝与光纤出射端面的间距, 三是测试数据的可靠性判据。狭缝扫描累计宽度W_a用于确保单根被测光纤输出功率的选择性测试, 在数据处理中, 狭缝扫描一个累计宽度被看成是完成了一个测试点的移动, 一个累计宽度内测得的光功率的累计值被规定为一个测试点的测量值; 狭缝与光纤出射端面的间距要避免在探测面上出现相邻光纤出射光斑的窜扰重叠。考虑到仪器用于工业现场的大批量器件测试, 每个器件的输出尾纤的并行紧靠排列和空间定位由人工操作完成, 难免出现空间定位偏离设计工作点的情况, 由仪器后台执行的可靠性判断和误测报警是不可忽缺的环节。

单模光纤的基模出射光可以用高斯光束近似, 图 2示意了芯间距为127 μm并行排列的输出尾纤(显示局部)的出射光束, 以及测试结构。对于任一出射光束, 以光纤端面的芯中心作为直角坐标原点, z=0处的出射光束直径W₀是束腰, 距光纤端面z处平面上的光波归一化场分布为^[11-13]

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式中:k是波数; z是狭缝到端面的间距; W₀是出射光束的束腰半径; R(z)是距离z距离处光斑半径。设一个狭缝扫描累计宽度W_a对应于a个移动步长, 在间距z处穿过狭缝的归一化光波的累计光功率P_a由下式计算

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显然, 狭缝后设置的功率计在一个狭缝扫描累计宽度W_a内测得的归一化光功率P_a(数据上作为一个测试点的测得值)与W_a(或移动步数i)以及间距z相关。图 3给出了P_a与单个测试点的移动步数a以及间距z的关联曲线, 这里取光通信窗口的右端波长l=1 625 nm, 对应的束腰W₀=10 mm。若取一个狭缝扫描累计宽度W_a对应的移动步数在18 < a < 25范围、间距z≤600 mm, 因狭缝扫描累计宽度W_a的截断所造成的功率损耗小于0.2％(相当于8.7×10^-3 dB), 在单根被测光纤输出功率的选择性测试时可以忽略不计。

根据图 2所示的几何关系, 被测光纤两侧的两根紧邻光纤的出射光, 在间距z处穿过一个狭缝扫描累计宽度W_a的归一化光波的窜扰光功率ΔP_a计算式为

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窜扰光功率ΔP_a也与W_a(或移动步数a)以及间距z相关, 图 4给出了1 625 nm波长的ΔP_a与移动步数a以及间距z的关联曲线。若取18 < a < 25、间距z≤600 mm, 来自于紧邻光纤的窜扰光功率ΔP_a小于0.009 8％(相当于4.25×10^-5 dB), 可以忽略不计。

仪器工作时, 输出尾纤列阵固定, 功率计探头连同狭缝挡板沿图 2所示的y方位快速连续移动, 测得的光功率是移动位置y的函数。设出射光列阵由N根输出尾纤构成, 第1根输出光纤的出射端面的芯中心为直角坐标原点, 选狭缝扫描累计宽度W_a的中点作为一个测试点的空间位置坐标点, 归一化测得功率可表示成

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图 5给出了a=22、l=1 625 nm、N=4情况下, z分别取500 μm、600 μm和800 μm时的测得功率的仿真计算曲线, 可以看出, 间距z取600 μm或小于600 μm时, 可以如实地分别测得4根输出尾纤的归一化输出功率。若间距z大于600 μm(例如图中z=800 μm)时, 由于狭缝扫描累计宽度W_a遮挡了部分光波, 测得的数据将小于真实数据。图 6是图 5的局部放大, 纵坐标以分贝为单位, 用以仿真反映实测时的数据变动。间距z被设置成小于或等于600 μm时, W_a在测试点附近移动35 mm, 测得功率的变动不大于0.03 dB; 若间距z大于600 μm(例如取z=800 μm)时, 同样的移动范围, 功率数据变动达到0.13 dB以上。由此可见, 对于有N根输出尾纤的器件的插入损耗的测试, 数据可靠性的一个重要判断依据是测试曲线是否显示N段长达数十微米的平坦的测试窗口。否之, 测得数据失真, 可能的原因是间距设置过长。仪器现场工作时, 间距z通过机械结构的靠位来确定, 但由于输出尾纤的端面严禁碰擦, 尾纤端面的定位操作会有±0.1 mm的误差, 大批量测试时涉及人工频繁操作, 机器后台采用这个判断依据, 可以及时阻止误测数据过关。图 7是与W_a对应的步数a变动时测得功率的仿真计算曲线, 这里z=600 mm。步数a=25是一个临界值, 一旦步数a大于25, 来自于被测光纤两侧的光纤的出射光会构成明显的串扰, 测得数据显示超出单根尾纤输出功率的原理值。这可以作为判断测试数据可靠性的另一个重要依据, 由于W_a等于步数a乘上狭缝宽度, 一旦步数a确定, 机器后台可以用这个判据来鉴定仪器的狭缝设置是否正常。

2 实验和结果

按上述图 1的基本结构搭建了测试系统, 光源含4个可切换波长, 分别是1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm以及1 625 nm, 根据测试程序切换波长, 由电脑指令。功率计选择大面积探头类型, 直径是3 mm。导轨是高精度直线导轨, 离轴漂移小于1 mm, 最大行程是5 mm, 由步进电机驱动。步进电机的驱动控制器通过RS232接口与计算机相连, 可用软件编程进行控制。步进移动量的最小值由脉冲的分割数决定, 最小分割数为1/1 000, 对应的理论最小步长是0.05 mm。狭缝挡板用两片锋利刀片构成, 宽度定位使用厚度为5±0.05 mm的工业标准薄片。程序规定的移动步长是5 mm, 与狭缝扫描累计宽度W_a对应的步数a=22。尾纤列阵在专门的夹具台上密排布置和定位固定, 夹具台配有直线导轨和间距定位装置, 间距定位在500～600 mm之间。系统还配置视屏显示的显微系统, 用以监查尾纤列阵的端面状况和空间位置。指令、数据读取、曲线分析、结果汇总和失真报警等操作由计算机担当, 对连续测试数据实时做出可靠性判断后, 通过测试窗口的特征分析得出每根尾纤输出的插入损耗。图 8是系统关键部位的实物照片。

测试样品是1×8光波导功分器, 用常规单口直接测量方法以及采用本测量系统测得的器件的插入损耗数据列于表 1, 在8根尾纤4个波长合计36个测试点中, 最大偏差小于0.03 dB, 表现了测试可靠性。

刻意改变尾纤出射端面至狭缝的间隔, 系统后台的实测数据的曲线如图 9所示, 图 10是图 9的局部放大, 可以看出, 变化规律与图 5和图 6的理论分析一致, 间隔的合理值应该取z≤600 mm。

与狭缝扫描累计宽度W_a关联的移动步数a是测试系统的另一个基本要素, 改变a的大小, 得到的实测数据如图 11所示, 实验结果显示的变化倾向与图 7的仿真分析基本一致。实物样品的相邻光纤之间的芯中心间距难免存在差异, 实测曲线与仿真给出的理想曲线之间有一定的差别, 例如a=25的临界情况, 实测曲线显示不同程度的凹陷, 这是因为实物样品的相邻光纤之间的芯中心间距较理论值略大所致。由实验结果可以看出, 当a > 25时, 来自于相邻光纤的串扰变得明显, 理论分析指出移动步数在18 < a < 25范围取值是合理的。

本测试系统的一个显著特点是测试速度快, 用1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm和1 625 nm 4个波长测量一个1×8光波导功分器的所有通道的插入损耗所需的合计时间为18 s左右, 而传统测量方法完成同样的工作需要5～10 min, 大幅缩短了测量时间, 提高了生产效率。采用本系统在生产现场对100个光波导功分器产品做了与传统方法的比对测量, 没有出现误测情况, 显示了本测试系统的可靠性。本测试系统根据前述的规律性分析导入了后台智能判错程序, 测试过程中一旦出现错误曲线可以实时报警, 并提示可能的出错原因, 显著提升了测试数据的可信度。

3 结论

设计并试制出了一套新型的自动化测量光波导功分器插入损耗的系统, 通过对系统各部分的协调控制, 成功地对光波导功分器的插入损耗进行了测量, 并且经过不断的实验和改进, 最终实验证明了系统的可行性和可靠性, 并且大大缩短了测试时间, 对光波导功分器的推广起到了一定程度的促进作用, 对于其他测量系统也具有一定的参考价值。