光纖通信第五章光纖線路技術(shù)及器件光環(huán)形器課件

1、光纖通信 Fiber-Optic Communication Technology2005/2006學(xué)年第二學(xué)期第五章 光纖線路技術(shù)及器件 主要內(nèi)容一、光隔離器和光環(huán)形器 二、光纖的連接三、光衰減器和光開關(guān)四、光纖耦合器五、光纖光柵六、波分復(fù)用器件七、平面及矩形光波導(dǎo)技術(shù)及器件八、光放大器九、色散補(bǔ)償技術(shù)光纖線路技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)光信號(hào)從發(fā)射機(jī)至接收機(jī)的傳送，在整個(gè)光纖的傳輸線路上既需要解決由光纖損耗、色散及非線性引起的信號(hào)衰減和畸變等問題，還需要解決信號(hào)的調(diào)制、信號(hào)的選路、線路的連接、光功率的分配、光功率的控制、雜散光的隔離等一系列工程實(shí)踐問題。無源器件和有源器件無源器件(passive devi

2、ce)：本身不發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件。如光隔離器、光耦合器、光環(huán)形器等實(shí)現(xiàn)連接光路、分配光功率以及合波和分波等作用。有源器件(active device)：本身會(huì)發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件，如激光器、光電檢測(cè)器、光放大器等。光隔離器(isolator) 光隔離器是一種只允許光沿一個(gè)方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件作用：防止光路中的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響例如：半導(dǎo)體激光器、光纖放大器應(yīng)用：光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)等分類：偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型兩類 法拉第旋光效應(yīng)光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)是法拉第在1845年首先觀察到

3、的不具有旋光性的材料在磁場(chǎng)作用下使通過該物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱磁致旋光效應(yīng)。沿磁場(chǎng)方向傳輸?shù)钠窆?，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角度q=VBL (B磁場(chǎng)強(qiáng)度，L材料長度，V維爾德常數(shù)為材料的特性常數(shù))。偏振方向的旋轉(zhuǎn)只與磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向有關(guān)，而與光傳播的方向無關(guān)。磁光材料有釔鐵石榴石（YIG）、鉍鐵石榴石（SIC）等。 偏振相關(guān)型光隔離器 由起偏器、檢偏器和旋光器三部分組成。 偏振無關(guān)型光隔離器 主要技術(shù)指標(biāo) 插入損耗回波損耗 隔離度偏振相關(guān)損耗（PDL） 偏振模色散（PMD） 插入損耗(IL)指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。Pi：輸入的光信號(hào)功率，Po ：經(jīng)過光

4、隔離器后的功率，顯然， IL值越小越好。光隔離器的插入損耗來源于偏振器、法拉第旋轉(zhuǎn)器等各部分的插入損耗。PiPo回波損耗(RL)回波損耗：指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對(duì)入射光信號(hào)的衰減。Pi：正向輸入光隔離器的光信號(hào)功率Pr ：返回輸入端口的光功率 PiPr隔離度指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的損耗 Pi：反向輸入光隔離器的光信號(hào)功率 Po：返回輸入端口的光功率值越大越好 偏振相關(guān)損耗和偏振模色散偏振相關(guān)損耗（PDL）：指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時(shí)，器件插入損耗的最大變化量，是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。偏

5、振模色散（PMD）：指通過器件的信號(hào)光不同偏振態(tài)之間的相位延遲差。 光環(huán)形器(circulator) 多端口非互易N（N2）個(gè)端口光由端口1-端口2； 由端口2-端口3; 若端口N輸入的光可由端口1輸出，稱為環(huán)行器，若不可以，稱為準(zhǔn)環(huán)行器應(yīng)用雙向通信中的重要器件，完成正反向傳輸光的分離單纖雙向通信、上/下話路、合波/分波及色散補(bǔ)償?shù)?結(jié)構(gòu)光 纖準(zhǔn)直器分束合束鏡偏振旋轉(zhuǎn)鏡光束變換器光 纖準(zhǔn)直器偏振旋轉(zhuǎn)鏡分束合束鏡端口13端口24xyz1 2 3 4 5 6分束/合束鏡 將任意狀態(tài)的輸入光變成分解成兩束偏振方向垂直的偏振分量雙折射平行平板、楔形雙折射晶體偏振旋轉(zhuǎn)鏡 90度非互易旋轉(zhuǎn)器 端口1端口2

6、 端口13端口24xyz1 2 3 4 5 6端口2端口3端口13端口24xyz1 2 3 4 5 6端口3端口4端口13端口24xyz1 2 3 4 5 6技術(shù)指標(biāo) 包括插入損耗、回波損耗、隔離度、串音、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散等 串音指兩個(gè)不相鄰端口之間理論上不能接收到光信號(hào)但實(shí)際中由于種種原因而接收到的功率以dB表示的相對(duì)值， 光纖的連接光纖的連接將兩根光纖端面結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的持續(xù)傳輸。根據(jù)連接方式的不同，可分為活動(dòng)連接和固定連接。利用活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)活動(dòng)連接的主要方法熔接法是固定連接的主要方法 活動(dòng)連接器連接兩根光纖或光纜使其成為光通路的可以重復(fù)裝拆的活接頭用于光源到光纖、光纖

7、到光纖、光纖與深測(cè)器、器件之間等的連接必須具備損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復(fù)性和互換性好以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。要求能承受機(jī)械振動(dòng)和沖擊、適應(yīng)一定的溫度和濕度環(huán)境條件、裝拆時(shí)防止雜質(zhì)污染的保護(hù)措施。 分類可分為單芯型和多芯型可分為多模和單模單芯型按結(jié)構(gòu)可分為調(diào)心型和非調(diào)心型：非調(diào)心型內(nèi)部沒有調(diào)心機(jī)構(gòu),靠光纖活動(dòng)連接器結(jié)構(gòu)組件之間的精密配合來達(dá)到最佳耦合常用的非調(diào)心型結(jié)構(gòu)有以下幾種：套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V型槽結(jié)構(gòu)、微透鏡結(jié)構(gòu)以及自聚焦透鏡結(jié)構(gòu)等按連接方式可分為對(duì)接耦合式和透鏡耦合式套管結(jié)構(gòu)由插針和套管組成，都是精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu) 光纖固定在插針里，兩個(gè)插針在套管中對(duì)接并保證兩

8、根光纖的對(duì)準(zhǔn)套管插針光纖光纖插針可用不銹鋼、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作陶瓷材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，線膨脹系數(shù)很小，且與石英光纖的線膨脹系數(shù)接近，使用最多 f 2.4990.0005f 0.1250.0014套管常用開口套管，選用彈性好的材料如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷制作f 2.5f 3.2-0.002-0.007+0-0.020.0050.0001雙錐結(jié)構(gòu)利用錐面定位錐型插針雙錐套筒光纖光纖V型槽結(jié)構(gòu)壓蓋光纖V形槽插針主要性能指標(biāo)插入損耗：一般在0.5dB以下。回波損耗：一般應(yīng)大于45dB。重復(fù)性：每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于0.1dB。互換性：是指同一種連接器不同插針替換時(shí)損耗

9、的變化范圍，一般應(yīng)小于0.1dB。插拔次數(shù)：連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔的次數(shù)，一般應(yīng)在千次以上。工作溫度：在工作溫度范圍內(nèi)（-2570范圍內(nèi)），連接器的損耗變化量應(yīng)在0.2dB范圍內(nèi)變化。影響插入損耗的因素光纖連接時(shí)，產(chǎn)生的損耗主要來自制造技術(shù)和光纖本身的不完善。光纖的橫向錯(cuò)位、角度傾斜、端面間隙、端面形狀、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差異和光纖的橢圓度、偏心度等都會(huì)影響連接質(zhì)量。 (a)橫向錯(cuò)位 (b)端面間隙(c)角度傾斜 (d)端面形狀 (d)纖芯直徑差異改進(jìn)回波損耗的辦法光纖連接器存在回波損耗是由于光線在遇到折射率不同的界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)菲涅爾反射 如果兩光纖對(duì)接處存

10、在端面間隙或者光纖端面存在高折射率的變質(zhì)層或者光纖端面存在劃痕、凹坑、污物都會(huì)引起光線在對(duì)接處產(chǎn)生菲涅爾反射從而造成了光纖連接器的回波損耗將原來的平面接觸更改為球面接觸、斜球面接觸等球面接觸斜球面接觸連接器的表示/ ：表示外部連接方式，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等 ：表示插針端面形狀，有FC、PC、UPC、APC等常用術(shù)語連接器插頭(plug connetor)光纜跳線(jumper cable)轉(zhuǎn)換器:(adaptor)插座、法蘭盤變換器(converter)裸光纖轉(zhuǎn)接器FC Connector ST Connector SC Connector SMA Co

11、nnector Opt-Jack Connector MT-RJ FDDI Connector MPO Connector MU Connector LC Connector E2000 Connector D4 Connector Biconic Connector adaptoradaptorconverter裸光纖轉(zhuǎn)接器PolisherPolisher實(shí)際器件指標(biāo)光纖的固定連接 使一對(duì)光纖之間形成永久性的連接，用于不需要拆卸或重復(fù)使用的場(chǎng)合。有熔接法、V型槽法、毛細(xì)管法等。熔接法在實(shí)際中應(yīng)用最為普遍，是光纖通信干線中光纖連接的主要方法，它是利用電弧放電、氫焰或激光等方法加熱從而將光纖熔融

12、結(jié)合在一起。電弧放電是熔接法中應(yīng)用最廣的方法。利用電弧放電進(jìn)行光纖熔接的設(shè)備稱為光纖熔接機(jī)。光纖熔接機(jī)由光纖的準(zhǔn)直與夾持機(jī)構(gòu)、光纖對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、電弧放電機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)等四部分構(gòu)成 熔接步驟制備光纖:利用光纖剝皮鉗去除光纖外的套塑層，利用光纖切割刀切割光纖端面，達(dá)到端面平整，并使端面與光纖軸線垂直，偏差小于1。對(duì)準(zhǔn)光纖:將制備好端面的光纖放入準(zhǔn)直與夾持機(jī)構(gòu)中固定，通過手動(dòng)或自動(dòng)裝置使纖芯在空間三個(gè)方向上移動(dòng)，保證需要熔接的兩根光纖完全對(duì)準(zhǔn)，消除纖芯的橫向錯(cuò)位、角度偏差，并將端面之間的間距調(diào)整到預(yù)定大小。 熔接步驟熔接光纖:根據(jù)光纖的類型，選擇合適的放電電流、放電時(shí)間，進(jìn)行電弧放電，對(duì)端面加熱，實(shí)現(xiàn)光纖的熔