光纖通信-第四章

1、第四章-常用光無源器件目 錄4.1光纖連接器 4.1.1光纖連接器的結構與種類 4.1.2光纖連接器特性4.2光纖耦合器 4.2.1光纖耦合器的結構與原理 4.2.2光纖耦合器的特性4.3波分復用/解復用器 4.3.1波分復用/解復用器的原理與分類 4.3.2波分復用/解復用器的特性4.4光開關 4.4.1光開關的種類 4.4.2光開關的特性參數4.5光纖光柵 4.5.1光纖光柵原理 4.5.2光纖光柵的特性與應用4.6光隔離器及光環(huán)行器 4.6.1光隔離器 4.6.2光環(huán)形器概 述 光纖通信中所用的光器件可分成光有源器件和光無源器件兩大類。二者的區(qū)別在于器件在實現本身功能的過程中，其內部是否

2、發(fā)生光電能量轉換。若出現光電能量轉換，則稱其為有源光器件；若未出現光電能量轉換，即便也需要一些電信號的介入，均稱為光無源器件。光無源器件有多種分類方法，目前最常用的是按功能分類。按照器件在光纖傳輸路上所發(fā)揮的功能可分為光隔離器、光纖連接器、光合/分路器光耦合器、光開關、光衰減器以及光極化控制器、光環(huán)形器濾波器等。 本章主要介紹目前常用的光無源器件的結構、工作原理及特性參數。光纖連接器p 光纖連接器的結構與種類光纖(纜)活動連接器是實現光纖(纜)之間活動連接的光無源器件，它還具有將光纖(纜)與其他無源器件、光纖(纜)與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。 是光纖應用領域中不可缺少的、應用最廣光無源器件

3、之一。1.光纖連接器的結構說明：說明：基本上是采用某種機械和光學結構，使兩根光纖的纖芯對準，保證90%以上的光能夠通過，目前有五種常用結構。(1)套管結構由插針和套筒組成，應用廣泛，FC、SC、D4等連接器均采用此結構。(2)雙錐結構利用錐面定位，此結構由AT&T創(chuàng)立和采用。(3)V形槽結構將兩個插針放入V形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對準原理使纖芯對準，精度較高，但結構復雜，零件數量多。光纖連接器(4)球面定心結構由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是裝有圓錐面(相當于車燈的反光鏡)的插針。鋼球開有一個通孔，通孔德內徑比插針的外徑大。當兩根插針插入基座時，球面與錐

4、面接合將纖芯對準，并保證纖芯之間的間距控制在要求的范圍內，這種設計思想是巧妙的，但零件形狀復雜，加工調整難度大。(5)透鏡耦合結構又稱遠場耦合，結構分為球透耦合結構和自聚焦透鏡耦合結構兩種，這種結構經過透鏡來實現光纖的對準。用透鏡將一根光纖的出射光變成平行光，再由另一透鏡將平行光聚焦導入另一光纖中去。其優(yōu)點是降低了對機械加工的精度要求，使耦合更容易實現。缺點是結構復雜、體積大調整元件多、接續(xù)損耗大。總結：5種對準結構，各有優(yōu)缺點，但從結構設計的合理性、批量加工的可行性及實用效果來看，精密套管占有明顯優(yōu)勢，目前應用最廣，我國多采用這種結構的連接器。光纖連接器2.光纖活動連接器的種類光纖活動連接器

5、的品種、型號很多，其中有代表性的有：FC、ST、SCD4、雙錐、VFo(球面定心)、F-SMA、MT-RJ連接器等。在我國用得最多的是FC系列的連接器，它是干線系統(tǒng)中采用的主要型號，在今后一段較長時間內仍是主要品種。SC型連接器是光纖局域網、CATV和用戶網的主要品種。除此之外，ST型連接器也有一定數量的應用。(1)FC系列連接器是一種用螺紋連接，外部零件采用金屬材料制作的連接器，它是我國電信網采用的主要品種，我國已制定了FC型連接器的國家標準。(2)SC型連接器它的插針、套筒與FC完全一樣。外殼采用工程塑料制作、采用矩形結構便于密集安裝。不用螺紋連接、可以直接插拔，使用方便，操作空間小可以密

6、集安裝，可以做成多芯連接器，因此應用前景更為廣闊。光纖連接器(3)ST型連接器ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊機構，確保連接時準確對中。(4)不同型號插頭互相連接的轉換器在對不同型號插頭連接時，需要轉換器進行連接。主要有以下幾種：ST/FC；FC/SC；FC/ST；SC/ST；ST/SC。(5)活動連接器跳線的規(guī)格選擇跳線時，需要明確以下這些參數：插頭型號；光纖型號；光纖芯徑；光纖芯數；光纜外徑；插頭數；插頭損耗；回波損耗；插針材料；插針端面形狀；套筒材料。(6)新型多芯光纖連接器隨著用戶通信網規(guī)模的擴大、WDM的普及、電信網/數據網的光纖化乃至多媒體大容量信息處理設備的發(fā)展均推動著光纜向多芯

7、、高密度方向深入發(fā)展，帶狀多芯光纜需要用多芯光纖連接器進行連接，多芯帶狀光纖MT連接器就應運而生。光纖連接器MT連接器是為接續(xù)多芯帶狀光纖而開發(fā)出的、采用塑料套管的一種光纖連接器，它具有優(yōu)良的高密度安裝能力和較低的成本。MT連接器的基本機理是用兩根導向銷精密的在套管內確定好光纖位置，再用夾箍施壓挾持住對接部分從而保持接續(xù)狀態(tài)穩(wěn)定。MT連接器關鍵技術包括塑料成型套管、金屬導向銷、套管端面研磨拋光技術和檢查技術等，對精度的要求極高。MT套管大致分為4種：小型MT套管，最多容納4根光纖；4芯、8芯類普通MT套管，最大容納12根光纖；16MT套管可接續(xù)16根光纖；二維MT套管，最多可容納60根光纖。M

8、T連接器的安裝密度極高，其中16芯二維MT套管是普通16芯MT套管安裝密度的1.3倍，60芯、80芯二維MT連接器則是普通12芯MT連接器安裝密度的5倍。光纖連接器p 光纖連接器特性參數評價一個光纖連接器的主要性能指標有4個，即插入損耗、回波損耗、重復性和互換性。1.插入損耗是指光纖中的光信號通過活動連接器后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數，表達式為：式中： 為連接器插入損耗； 為輸入端的光功率； 為輸出端光功率。對于多模光纖連接器來講，注入的光功率應當經過穩(wěn)模器，濾去高次模使光纖中的模式為穩(wěn)態(tài)分布，這樣才能準確地衡量連接器的插入損耗。2.回波損耗又稱后向反射損耗，是指光纖連接處，后

9、向反射光對輸入光的比率的分貝數，表達式為：式中， 表示回波損耗； 表示輸入光功率； 表示后向反射光功率?；夭〒p耗愈大愈好，以減少反射光對光源和系統(tǒng)的影響。1010lg/()cAPP dB cA0P1P010lg/rRAPP rA0PRP光纖連接器3.重復性和互換性重復性是指光纖(纜)活動連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示互換性是指連接器各部件互換時插入損耗的變化，用dB表示。這兩項指標可以考核連接器結構設計和加工工藝的合理性，也是表明連接器實用化的重要標志。另外，還有連接器的溫度特性，是指活動連接器隨環(huán)境溫度變化后的插入損耗的變化。連接器的配件一般分為跳線和轉換器兩部分。光纖耦合器p

10、光纖耦合器定義定義：簡稱耦合器，是將光信號進行分路或合路、插入、分配的一種器件。簡單地講，光耦合器就是一類能使傳輸中的光信號在特殊結構耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行再分配的器件。分類分類：光纖耦合器目前已形成一個多功能、多用途的系列產品。從功率上看：分為功率分配器和光波長(合/分波)耦合器；從端口形式上劃分：分為X形(2x2)耦合器、Y形(1x2)耦合器、星形(NxNN2)耦合器、樹形(1xN，N2)耦合器；從工作帶寬的角度劃分：分為單工作窗口的窄帶耦合器或標準耦合器(Standard Coupler，SC)、單工作窗口的寬帶耦合器、雙工作窗口的寬帶耦合器；從傳導模式劃分：分為多模耦合器和單模耦合器。

11、光纖耦合器p 光纖耦合器的結構與原理制作方法制作方法：分立光學元件組合型、全光纖型、平面波導型。其中屬于全光纖型的光纖熔融拉錐法因為具有各種優(yōu)勢，成為當前光耦合器的主要制作方法。熔融拉錐法熔融拉錐法：將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導結構，實現傳輸光功率耦合的一種方法。光纖耦合器熔融拉錐法的工作原理熔融拉錐法的工作原理：入射光功率在雙錐體結構的耦合區(qū)發(fā)生功率再分配,一部分光功率從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分則由“耦合臂”傳到另一光路。單模耦合器和多模耦合器具有完全不同的耦合機理。(1)熔融拉錐型單模光纖耦

12、合器光纖歸一化頻率先減小，然后增加包層為芯，空氣為包層構成新波導光功率以特定比例“捕獲”。(2)熔融拉錐型多模光纖耦合器較高階模式被捕獲，獲得耦合光功率；低階模不參與耦合，只能從直通臂輸出；改進后的工藝保證了直通臂和耦合臂的輸出模式一致。光纖耦合器p 光纖耦合器的特性參數光纖耦合器除了具有光無源器件的一般技術術語外，還有一些體現自身特點的技術術語。1.插入損耗插入損耗(Inserting Loss，IL)定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減小值。該值通常以分貝表示，數學表達式為：其中：ILi是第i個輸出端口的插入損耗； 是第i個輸出端口測到的光功率值； 是輸入端的光功率值。2.附加

13、損耗附加損耗(Excess Loss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝表示的數學表達式為：10lg()outiiinPILdBP outiPinP10lg()outiiinPELdBP 光纖耦合器式中： 為第i個輸出口的輸出功率； 為輸入光功率。應特別指出的是，光纖耦合器的附加損耗是體現器件制造工藝質量的指標，反映的是器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，而且也有分光比的影響。因此，不同類型的光纖耦合器之間，插入損耗的差異，并不能反映器件制作質量的優(yōu)劣。3.分光比分光比(Coupling R

14、atio，CR)是光耦合器所特有的技術術語，定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比，在具體應用中常用數字表達式表示為：outiPinP100%outioutiiPCRP光纖耦合器4.方向性方向性也是光耦合器所特有的一個技術術語，它是衡量器件定向傳輸性的參數以標準X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光功率的比值，以分貝為單位的數學表達式為：式中： 代表總注入光功率； 代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。5.均勻性均勻性是衡量均分器件的“不均勻程度”的參數。定義為在器件的工作帶寬范圍內各輸出端口輸出功率的最大變化量。其數學表達式為：

15、式中：MIN(Pout)為最小輸出光功率；MAX(Pout)為最大輸出光功率。實際制作要求均勻分光的耦合器時，因為工藝的局限，往往不可能做到絕對的均分。2110lg()ininPDLdBP 1inP2inP()10lg()()outoutMIN PFLdBMAX P 光纖耦合器6.偏振相關損耗偏振相關損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360o變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量：在實際應用中，光信號偏振態(tài)的變化是經常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果往往要求器件有

16、足夠小的偏振相關損耗。7.隔離度隔離度是指某一光路對其他光路中的信號的隔離能力。隔離度高,也就意味著線路之間的“串話”小。實際工程中，可直接用于反映WDM器件對不同波長光信號的分離能力，對于分波耦合器往往需要隔離度達到40dB以上的器件；而合波耦合器的隔離度要求并不苛刻，20dB左右即可。其數學表達式為：式中： 是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值； 是被檢測光信號的輸入功率值。()10lg()()outyjoutjMIN PPDLdBMAX P tPinP10lg()tinPIdBP 波分復用/解復用器p 概述光波分復用器是對光波波長進行分離與合成的光無源器件光波分復用器是對光波波長進

17、行分離與合成的光無源器件。具有廣闊的應用前景。對波分復用器與解復用器共同的要求是：復用信道數量要足夠多、插入損耗小、串音衰減大和通帶范圍寬。波分復用器與波分解復用器的不同點在于：解復用器的輸出光纖直接與光檢測器相連，芯徑與數值孔徑可以做得大些，因此，制造低插入損耗的解復用器并不太難；而復用器的輸出光纖必須為傳輸光纖，不能任意加大芯徑和數值孔徑，而減小輸入光纖的芯徑和數值孔徑，又會增加光源到輸入光纖的耦合損耗，所以復用器的插入損耗一般比較大。解復用器要求如下： 給定工作波長應具有最低的插入損耗； 其他端口對該光信號應具有理想隔離；波分復用/解復用器p 波分復用/解復用器的原理與分類光復用器和解復

18、用器可分為波長選擇性和非波長選擇性兩種，如下圖所示，下面只介紹廣泛應用的光波分復用系統(tǒng)的器件制造方法和原理。波分復用/解復用器1.光柵型是近年發(fā)展起來的，常用來制作波分復用器的主要分光元件。原理原理：入射光射到光柵表面，不同波長的衍射角不同，就可以使不同的光送到不同的光纖中去。器件更緊湊、小巧，具有良好的溫度特性，可滿足工程需要。波分復用/解復用器2.波導陣列光柵型下圖是一種波導陣列光柵型波分復用器件，它由輸入、輸出波導、空間耦合器和波導陣列光柵構成。原理原理：空間耦合器的作用是將各種波長的輸入信號，通過空間耦合器進入陣列波導輸入端，由于陣列波導是由若干條其光程差為 的波導構成，根據衍射理論，

19、在波導陣列光柵輸出端，按波長長短順序排列輸出，并通過空間耦合器傳輸到相應的輸出波導端口，達到分波的目的()/ 2Ln 波分復用/解復用器3.光纖光柵是利用光纖制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纖纖芯折射率分布呈周期性變化，在滿足布拉格光柵條件的波長上全反射，而其余波長通過的是一種全光纖陷波濾波器。光纖布拉格光柵制作方法一般分為干涉法相位掩膜板法及逐點寫入法。波分復用/解復用器p 波分復用/解復用器的特性1.解復用器解復用器以光信號波長為函數的解復用器的主要光學特性如下：(1)中心波長中心波長(或通帶或通帶)是由設計、制造者根據相應的國際標準、國家標準或實際應用要求選定的。密集型波分復用器ITU

20、-T規(guī)定在1550nm區(qū)域，1552.52nm為標準波長。其他波長規(guī)定間隔100G(0.8nm)，50G(0.4nm)等，或取其整數倍作復用波長。(2)中心波長工作范圍中心波長工作范圍對于每一工作通道，器件必須給出一個適應于光源譜寬的范圍。該參數限定了我們所選用的光源(LED或LD)的譜寬寬度及中心波長位置。它以1.0nm表示或者是以平均信道之間間隔的10%表示。波分復用/解復用器(3)中心波長對應的最小插入損耗式中： 代表波長為 的光束在輸出端的光功率； 代表波長為 的光束在輸入端合路信號中的光功率。該參數是衡量解復用器的一項重要指標，越小越好，可以用輸入端到N個輸出端的各信道的波長插入損耗

21、關系曲線來表達。以小于“X“dB表示。1L110110lgPLP 1P101P1波分復用/解復用器(4)相鄰信道之間串音耦合最大值式中： 代表波長為 的光束在輸出端串擾到 的輸出端口處的光功率； 代表波長為 的光束在輸出端口處的輸出光功率。該參數是衡量解復用器的另一項重要指標。數字通信中一般大于30dB，模擬通信中則應大于50dB。以大于”Y”dB表示。(5)偏振相關損耗偏振相關損耗是指光信號以不同的偏振狀態(tài)輸入時(如線偏振、圓偏振、橢圓偏振)，對應輸出端口插入損耗最大變化量。2.復用器以光信號波長為函數的復用器的光學特性，可用于給定的輸入端口(1#N#端口為輸入端口，0#端口為輸出端口)。每

22、一端口的各種光學參數與解復用器中對應的參數定義相類似。12L112210lgPLP 1P122P2光開關p 概述是光纖通信系統(tǒng)重要的光器件，隨著光纖通信技術的發(fā)展，特別是數據通信和密集波分復用(DWDM)系統(tǒng)的應用，復雜的網絡拓撲對可靠、靈活的網管產生了強烈的需求。DWDM城域網和接入網應用對具有插/分和交換功能的光開關的需求更加迫切。光開關的主要任務是切換光路，下圖是1X2光開關切換光路的示意圖。光開關p 光開關的種類光開關根據驅動方式驅動方式可分為機械式光開關和非機械式光開關，根據工作工作原理原理可分為機械式光開關、液晶光開關、電光式光開關和熱光式光開關系統(tǒng)對光開關的要求要求歸納為：小的串

23、音、小的消光比、低的插入損耗、小的驅動電流(或電流)、無極化依賴性、與光纖有高的耦合效率、緊湊的器件尺寸、根據需求而定的開關速度和頻率帶寬。下面介紹幾種光開關1.機械式光開關是最傳統(tǒng)的光開關，已無法滿足光纖通信網的要求，已研制出新型的機械式光開關。(1)微光機電系統(tǒng)光開關它是微機電系統(tǒng)技術(MEMS)與傳統(tǒng)光技術相結合的新型機械式光開關?？梢詽M足DWDM的全光傳輸網絡的技術要求。(2)毛細管效應光開關采用了電毛細管效應或熱毛細管效應的光開關結構。光開關(3)金屬薄膜光開關采用了金屬膜與無源波導相結合的構形。2.液晶光開關是在硅襯底材料上制作出偏振光束分支波導，再把每個分支波導交叉點刻蝕成有一定

24、角度的槽，槽內裝上折射匹配的液晶，液晶槽下面是電熱器。不加熱時，光束直通；當硅材料中相關點被加熱器加熱時，其上的液晶內產生一種氣泡，經過它的全反射，使來自輸入波導的光改變方向反射到要求的波導上。3.熱光效應光開關簡稱熱光開關，是利用加熱光波導，改變光波導的折射率，引起主波導與需要的分支波導間的光耦合，從而實現光開/關的器件。熱光開關是由分支波導與其上的薄膜加熱器控制，光的開與關由沉淀在薄膜上的加熱器控制。光開關p 光開關的特性參數1.插入損耗插入損耗是指輸入與輸出端口之間光功率的減少，以分貝來表示：式中： 為進入輸入端的光功率； 為輸出端接收的光功率。2.隔離度隔離度是指兩個相隔離輸出端口光功

25、率的比值，以分貝來表示：式中： 為開關的兩個隔離端口( )； 是光從 端口輸入時 端口的輸出功率， 是光從 端口輸入時在 端口測得的光功率。 1010lgPILP 0P1P,10lginn mimPIP , n mnminPinimPim光開關3.回波損耗也稱反射損耗或反射率，是指從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值，以分貝表示：式中： 為進入輸入端的光功率； 為輸入端口接收到的返回光功率。4.遠端串擾是指光開關的接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值。表達式為：5.近端串擾是指當其他端口接終端匹配，連接的端口與另一個名義上是隔離的端口的光功率之比。1010lgPRLP 0P1

26、P212110lgPFCP 212110lgPNCP 光開關6.消光比是兩個端口處于導通和非導通狀態(tài)的插入損耗之差。式中： 為 ， 端口導通時的插入損耗； 為兩個端口非導通時的插入損耗。7.開關時間是指開關端口從某一初始狀態(tài)轉為通或斷所需的時間，開關時間從開關上施加或撤去轉換能量的時刻算起。0nmnmnmERILILnmILnm0nmIL光隔離器及光環(huán)行器p 光隔離器互易器件互易器件：允許雙向光通行，即輸入光與輸出光可以互換的無源器件。光隔離器光隔離器：是一種光單向傳輸的非互易性器件，即光的單向器。光隔離器的用途光隔離器的用途：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止來自連接器、熔接點、濾波器等

27、的反射光影響激光器或放大器的穩(wěn)定性。1.光隔離器的原理法拉第旋轉器法拉第旋轉器：用旋光材料制成法拉第旋轉器，是通過它的光的偏振態(tài)旋轉一定角度，且旋轉方向與光傳播方向無關。光隔離器的工作原理光隔離器的工作原理是基于法拉第旋轉的非互異性非互異性。光隔離器的組成光隔離器的組成：起偏器、檢偏器、法拉第旋轉器三部分。各部分作用各部分作用：起偏器允許垂直偏振光順利通過；檢偏器允許45o方向上的偏振光順利通過；法拉第旋轉器使通過它的光的偏振方向順時針旋轉45o單模光纖隔離器的特點單模光纖隔離器的特點：是隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)有關，即必須是垂直偏振。光隔離器及光環(huán)行器隔離器的工作過程隔離器的工作過程：當入射光從左向右傳輸時，由于單模光纖傳輸光的偏振態(tài)與起偏器的透振方向一致，故入射光無損地通過起偏器。由于法拉第旋轉器的作用，使光的偏振態(tài)旋轉到45o方向上，由于檢偏器的透振方向也在45o方向上，于是經過法拉第旋轉器旋轉45o后的光能順利通過檢偏器，這樣，正向傳輸入射光無損地通過隔離器。當反射波向反