無源光器課件

1、 光纖套管插針粘結(jié)劑 2 3 1 32 1 4 41 lg10 lg10 P P T P PP L P P A 、 nl c ffFSR qq 2 1 一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外，一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外， 還需要許多其它光器件，特別是無源器件。這些器件對光纖還需要許多其它光器件，特別是無源器件。這些器件對光纖 通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少 的。的。 雖然對各種器件的特性有不同的要求，雖然對各種器件的特性有不同的要求， 但是普遍要求插但是普遍要求插 入損耗小、反射損耗大、工

2、作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命 長、長、 體積小、價(jià)格便宜，體積小、價(jià)格便宜， 許多器件還要求便于集成。本節(jié)主許多器件還要求便于集成。本節(jié)主 要介紹無源光器件的類型、原理和主要性能。要介紹無源光器件的類型、原理和主要性能。 3.3.1 連接器和接頭連接器和接頭 連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng)活動(dòng))連接的器件，連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或 光纖線路與其他光無源器件之間的連接。光纖線路與其他光無源器件之間的連接。 接頭是

3、實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定固定)連接，主要連接，主要 用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實(shí)施。連接器件是光用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實(shí)施。連接器件是光 纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無源器件。纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無源器件。 圖 3.27 套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 對低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移對低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移 在在1 m以內(nèi)，以內(nèi)， 軸線傾角小于軸線傾角小于0.5。 普通的普通的FC型連接器，光纖端面為平面。型連接器，光纖端面為平面。 對于高反射損耗的連接器，對于高反射損耗的連接器， 要求光纖端

4、面為球面或斜面，要求光纖端面為球面或斜面， 實(shí)現(xiàn)物理接觸實(shí)現(xiàn)物理接觸(PC)型。型。 套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼，套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼， 但插針材料但插針材料 用用ZrO2陶瓷最理想。陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機(jī)械性能好、陶瓷機(jī)械性能好、 耐磨，耐磨， 熱膨脹熱膨脹 系數(shù)和光纖相近，使連接器的壽命系數(shù)和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數(shù)插拔次數(shù))和工作溫度范圍和工作溫度范圍 (插入損耗變化插入損耗變化0.1 dB)大大改善。大大改善。 3.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號分配給多個(gè)輸出，耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號分配給多個(gè)輸出， 或把多個(gè)輸

5、入的光信號組合成一個(gè)輸出。這種器件對光纖線或把多個(gè)輸入的光信號組合成一個(gè)輸出。這種器件對光纖線 路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲 耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù) 用器用器/解復(fù)用器。解復(fù)用器。 1. 耦合器類型耦合器類型 圖圖3.28示出常用耦合器的類型，示出常用耦合器的類型， 它們各具不同的功能和它們各具不同的功能和 用途。用途。 圖 3.28 常用耦合器的類型 T形 (a) 星 形 (b) 定向 (c) 2 3 1 4 1 2 N 12N (d)

6、 波分 2. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前 途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖3.29圖圖 3.32示出這示出這 三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)。三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)。 圖 3.29 光纖型光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個(gè)22耦合器組成的 88星形耦合器 圖圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。解復(fù)用器。 如圖如圖 3.30，光纖，光纖a(直通臂直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β?/p>

7、為傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖，光纖b(耦合臂耦合臂) 的輸出光功率為的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到，根據(jù)耦合理論得到 Pa=cos2(CL) (3.28a) Pb=sin2(CL) 式中，式中，L為耦合器有效作用長度，為耦合器有效作用長度，C為取決于光纖參數(shù)為取決于光纖參數(shù) 和光波長的耦合系數(shù)。和光波長的耦合系數(shù)。 圖 3.30 光纖型波分解復(fù)用器原理 1、 2 1 2 1 2 耦合長度 光功 率 a b a b b a Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL) 設(shè)特定波長為設(shè)特定波長為1和和2， 選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作 用長度，使得當(dāng)光纖用長度，使得當(dāng)

8、光纖a的輸?shù)妮?出出Pa(1)最大時(shí)，光纖最大時(shí)，光纖b的輸?shù)妮?出出Pb(1)=0；當(dāng)；當(dāng)Pa(2)=0時(shí)，時(shí)， Pb(2)最大。對于最大。對于1和和2分分 別為別為1.3m和和1.55 m的光纖的光纖 型解復(fù)用器，可以做到附加型解復(fù)用器，可以做到附加 損耗為損耗為0.5 dB，波長隔離度，波長隔離度 大于大于20 dB。 1、 2 1 2 1 2 耦合長度 光功 率 a b a b b a 圖 3.31微器件型耦合器 (a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復(fù)用器； (d) 光柵式解復(fù) 光纖 自聚焦透鏡 自聚焦透鏡 光纖 濾光片 1、 2 1 2 1 2 3 1 2 3

9、 光纖 自聚焦透鏡 硅光柵 光纖 自聚焦透鏡 分光片 1 3 4 2 (b)(a) (c) (d) 波導(dǎo)型波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯 底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能 來選擇，一般是來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。圖，橫截面為矩形或半圓形。圖3.32示示 出波導(dǎo)型出波導(dǎo)型T型耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長選型耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長選 擇元件的波分解復(fù)用器。擇元件的波分解復(fù)用器。 圖3.32 波導(dǎo)型藕合器 光波導(dǎo) 開角 (a) (b)

10、(c) 多模波導(dǎo) 多層膜濾光片 單模波導(dǎo) 1.55 m 1.55 m 1.3 m 1.3 m 3. 主要特性主要特性 說明耦合器參數(shù)的模型如圖說明耦合器參數(shù)的模型如圖3.33所示，所示， 主要參數(shù)定義主要參數(shù)定義 如下。如下。 N n on oc Ot OC p p P P CR 1 由此可定義由此可定義功率分路損耗功率分路損耗Ls： Ls=10lg ) 1 ( CR 附加損耗附加損耗Le由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是 全部輸入端的光功率總和全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和和全部輸出端的光功率總和Pot 的比值，用分貝表示的比值，用

11、分貝表示 Le=10 lg N n N n ot it PoN PiN p P 1 1 lg10 插入損耗插入損耗Lt是一個(gè)指定輸入端的光功率是一個(gè)指定輸入端的光功率Pic和一個(gè)指定和一個(gè)指定 輸出端的光功率輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示的比值，用分貝表示 Lt=10lg oc ic p p 方向性方向性DIR(隔離度隔離度)是一個(gè)輸入端的光功率是一個(gè)輸入端的光功率Pic和由耦合和由耦合 器反射到其它端的光功率器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示的比值，用分貝表示 DIR=10lg r ic p p 一致性一致性U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同是不同輸入端得到的耦合

12、比的均勻性，或者不同 輸出端耦合比的等同性。輸出端耦合比的等同性。 表3.6、表3.7列出波長為1.31 m或(和)1.55 m單模光纖型 耦合器和波分復(fù)用器/解復(fù)用器的一般性能。 3.3.3 光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器 耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可 以互換的，稱之為互易器件。以互換的，稱之為互易器件。 在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離 器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方 向上傳輸，阻

13、止光波往其他方向特別是反方向傳輸。向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。 首先介紹一下首先介紹一下光偏振光偏振(極化極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)牡母拍?。單模光纖中傳輸?shù)?光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)(SOP： State of Polarization) 是在垂直于光傳是在垂直于光傳 輸方向的平面上電場矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場矢輸方向的平面上電場矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場矢 量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱為水量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱為水 平模和垂直模。平模和垂直模。 圖 3.34 隔離器的工作原理 在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)在實(shí)際應(yīng)用

14、中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向偏振方向)是任意的，并且是任意的，并且 隨時(shí)間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)隨時(shí)間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài) 無關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。無關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。 具有任意偏振態(tài)具有任意偏振態(tài)的入射光通過一個(gè)空間分離偏振器的入射光通過一個(gè)空間分離偏振器 (SWP: Spatial Walkoff Polarizer)。 圖 3.35 一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器 光纖輸出 SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP SOP 光纖輸入 (a) 光纖輸出 SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP 光纖輸入 (b) 環(huán)行器環(huán)行器除了有多個(gè)

15、端口外，其工作原理與隔離器類似。除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。 1 3 2 (a)(b) 13 2 4 圖 3.36光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口 圖 3.36光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口 1 3 2 (a)(b) 13 2 4 3.3.4 光調(diào)制器光調(diào)制器 為提高光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量，避免直接調(diào)制激光器時(shí)產(chǎn)生為提高光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量，避免直接調(diào)制激光器時(shí)產(chǎn)生 線性調(diào)頻的限制，要采用線性調(diào)頻的限制，要采用外調(diào)制外調(diào)制方式，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制方式，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制 分開。分開。 在高速率系統(tǒng)、在高速率系統(tǒng)、 波分復(fù)用系統(tǒng)和相干光系統(tǒng)中都要用調(diào)制波分復(fù)用系統(tǒng)和

16、相干光系統(tǒng)中都要用調(diào)制 器。調(diào)制器可以用器。調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、電光效應(yīng)、 磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。 最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶晶 體制成的。體制成的。 這種晶體的折射率這種晶體的折射率n和外加電場和外加電場E的關(guān)系為的關(guān)系為 n=n0+E+E2 式中，式中，n0為為E=0時(shí)晶體的折射率。時(shí)晶體的折射率。和和是張量，稱為電光是張量，稱為電光 系數(shù)，其值和偏振面與晶體軸線的取向有關(guān)。系數(shù)，其值和偏振面與晶體軸線的取向有關(guān)。 圖圖 3.37 馬赫馬赫 - 曾德爾干涉儀型調(diào)制器曾德爾干涉儀型調(diào)制器 信號電壓 電極 輸出光 電光晶體光波導(dǎo) 輸入光 圖 3.38 馬赫 - 曾德爾干涉儀型調(diào)制器特性 2 1 0 2 輸出波形 輸入波形 相位差 輸出 光功 率 P 3.3.5 光開關(guān)光開關(guān) 光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路， 實(shí)現(xiàn)光交換，實(shí)現(xiàn)光交換， 它是光網(wǎng)絡(luò)的它是光網(wǎng)絡(luò)的 重要器件。重要器件。 光開關(guān)可分為兩大類：光開關(guān)可分為兩大類： 一類是一類是機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)， 利用電磁鐵利用電磁鐵 或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn) 換；