《光纖通信原理》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、光纖通信原理編撰閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心印制2目 錄第一章 光器件認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)一 光纖結(jié)構(gòu)和分類3實(shí)驗(yàn)二 光纖活動(dòng)連接器8實(shí)驗(yàn)三光耦合器件11實(shí)驗(yàn)四 光隔離器和光環(huán)行器17實(shí)驗(yàn)五光衰減器20實(shí)驗(yàn)六光開關(guān)23實(shí)驗(yàn)七激光器與光檢測(cè)器26第二章光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)實(shí)驗(yàn)31實(shí)驗(yàn)八 光發(fā)射機(jī)的組成31實(shí)驗(yàn)九 自動(dòng)光功率控制電路35實(shí)驗(yàn)十無光告警和壽命告警電路37實(shí)驗(yàn)十一 光發(fā)射機(jī)指標(biāo)測(cè)試40實(shí)驗(yàn)十二 光接收機(jī)的組成45實(shí)驗(yàn)十三 光接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量及眼圖觀測(cè)47第三章模擬信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)51實(shí)驗(yàn)十四 模擬信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)51（正弦波、三角波、方波）51實(shí)驗(yàn)十五 電話語音光纖傳輸系統(tǒng)53實(shí)驗(yàn)十六

2、 圖像光纖傳輸系統(tǒng)57第四章數(shù)字信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)59實(shí)驗(yàn)十七pn序列光纖傳輸系統(tǒng)59實(shí)驗(yàn)十八 cmi編譯碼原理及cmi碼光纖傳輸系統(tǒng)61實(shí)驗(yàn)十九 擾碼和解擾碼原理及擾碼光纖傳輸系統(tǒng)64實(shí)驗(yàn)二十 pcm編譯碼原理及數(shù)字電話光纖傳輸系統(tǒng)66第五章光纖綜合傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)73實(shí)驗(yàn)二十一 波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)（wdm）73實(shí)驗(yàn)二十二 hdb3編譯碼原理及實(shí)現(xiàn)77實(shí)驗(yàn)二十三 位時(shí)鐘提?。〝?shù)字鎖相環(huán)dpll）80原理及實(shí)現(xiàn)80實(shí)驗(yàn)二十四 固定速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn)85實(shí)驗(yàn)二十五 解固定速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn)89實(shí)驗(yàn)二十六 變速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn)93實(shí)驗(yàn)二十七 解變速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn)98實(shí)驗(yàn)二十八 綜

3、合實(shí)驗(yàn)一：4路數(shù)據(jù)兩路電話光纖104綜合傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)104實(shí)驗(yàn)二十九 綜合實(shí)驗(yàn)二：4路數(shù)據(jù)3臺(tái)計(jì)算機(jī)1路108圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)108實(shí)驗(yàn)三十 綜合實(shí)驗(yàn)三：2臺(tái)實(shí)驗(yàn)箱8臺(tái)計(jì)算機(jī)2路110圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)110第六章二次開發(fā)實(shí)驗(yàn)112實(shí)驗(yàn)三十一 pn序列程序設(shè)計(jì)112實(shí)驗(yàn)三十二cmi編譯碼程序設(shè)計(jì)114實(shí)驗(yàn)三十三5b6b碼程序設(shè)計(jì)116實(shí)驗(yàn)三十四4b1p和4b1c程序設(shè)計(jì)121實(shí)驗(yàn)三十五hdb3編譯碼程序設(shè)計(jì)125實(shí)驗(yàn)三十六擾碼、解擾碼程序設(shè)計(jì)128實(shí)驗(yàn)三十七數(shù)字鎖相環(huán)（dpll）程序設(shè)計(jì)130實(shí)驗(yàn)三十八固定速率時(shí)分復(fù)用程序設(shè)計(jì)132實(shí)驗(yàn)三十九 解變速率時(shí)分

4、復(fù)用程序設(shè)計(jì)135第一章 光器件認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 光纖結(jié)構(gòu)和分類一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光纖的分類與各種光纖的特點(diǎn)。2.了解光纖的各種性能參數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.介紹光纖的構(gòu)成與分類。2.成品光纖的主要參數(shù)的介紹。3.測(cè)量光纖的插入損耗。三、實(shí)驗(yàn)儀器1.光纖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1臺(tái)。2.fc/pc型光纖跳線2根。3.光固定衰減器1個(gè)。4.光功率計(jì)1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，它是一種由玻璃或透明聚合物構(gòu)成的絕緣波導(dǎo)。光被耦合進(jìn)光纖后只能在其波導(dǎo)內(nèi)部傳播。一般的光纖都是由纖芯、包層和外套涂層三部分組成。其外套涂層作為光纖的保護(hù)層，用于加強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。其光纖結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：外套包層區(qū)纖芯區(qū)圖1-1 光

5、纖結(jié)構(gòu)示意圖1、光纖的分類光纖有很多種分類方法。按其傳輸光波的模式來分，有單模光纖與多模光纖兩大類。它們的結(jié)構(gòu)不同，因而各具不同的特性與用途。1)單模光纖用來傳輸單一基模光波的光纖稱為單模光纖，它要求入射光的波長(zhǎng)大于光纖的截止波長(zhǎng)，單模光纖的纖芯直徑很小，一般為5-10m。單模光纖對(duì)于光的傳輸損耗將是最小的，因?yàn)楣鈭?chǎng)只在光纖的中心傳導(dǎo)。但是由于纖芯直徑很小，對(duì)于光纖與光源的耦合及光纖之間的接續(xù)將帶來明顯困難。單模光纖可徹底消除模間色散，在波長(zhǎng)為1.27m時(shí)，材料色散趨近于零，或者可以使得材料色散與波導(dǎo)色散相抵消。因此，長(zhǎng)距離大容量的長(zhǎng)途通信干線及跨洋海底光纜線路全部采用單模光纖。由于1.55m

6、波長(zhǎng)時(shí)單模光纖的損耗更低，人們已研究了使光纖的零色散波長(zhǎng)移到1.55m的技術(shù)和使激光器（ld）的頻譜更窄的技術(shù)，以求同時(shí)達(dá)到最低的損耗及最寬的帶寬，從而最大限度地增大中繼距離及信息容量。2)多模光纖用來傳輸多種模式光波的光纖稱為多模光纖，模式的數(shù)目取決于芯徑、數(shù)值孔徑（接收角）、折射率分布特性和波長(zhǎng)。將單模光纖的纖芯增大，光纖將成為多模光纖。多模光纖的纖芯直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單模光纖，一般為50-200m。在臨界角內(nèi)，各個(gè)模式的入射光波分別以不同角度，在光纖內(nèi)的纖芯與包層的的界面處發(fā)生全反射而沿光纖全長(zhǎng)傳輸。突變型多模光纖的纖芯部分折射率保持不變，而在纖芯與包層的界面折射率發(fā)生突變。這種光纖模間群時(shí)延

7、時(shí)差大，一般傳輸帶寬為100mhzkm。常做成大芯徑（例如100m）、大數(shù)值孔徑（例如na大于0.3）光纖，提高光源與光纖的耦合效率，適用于短距離、小容量的系統(tǒng)。這種光纖的使用相當(dāng)廣泛。3)識(shí)別單模光纖與多模光纖的方法識(shí)別單模光纖與多模光纖的基本方法是從光纖的產(chǎn)品規(guī)格代號(hào)中去了解。如我國光纖光纜型號(hào)的規(guī)格代號(hào)的第二部分用j代表多模漸變型光纖，用t代表多模階躍型光纖，用z代表多模準(zhǔn)階躍型光纖，用d代表單模光纖。其次是從光纖的纖芯直徑去識(shí)別。單模光纖的芯徑很細(xì)，通常芯徑小于10m；多模光纖的芯徑比單模光纖大幾倍。第三種方法是從光纖外套的顏色上識(shí)別。通常黃色表示單模光纖，橙色表示多模光纖。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

8、用的光纖外套是黃色的，故為單模光纖。4)尾纖波長(zhǎng)的測(cè)試光纖線路的兩端一般是通過一段短光纖把線路與光端機(jī)連接起來的。這一段短光纖長(zhǎng)度為3米或5米、10米，因其位置處于光纖線路的尾部，故稱為尾纖。尾纖的傳輸特性有工作波長(zhǎng)、信號(hào)傳輸模式、帶寬與損耗等，通常這些通過光纖光纜的型號(hào)標(biāo)志來識(shí)別，也可以用儀表來測(cè)試。每種光纖都有特定的工作波長(zhǎng)，當(dāng)注入光信號(hào)的波長(zhǎng)等于工作波長(zhǎng)時(shí)，光纖損耗最小，反之光纖損耗增大。因此把不同波長(zhǎng)的光信號(hào)注入光纖，測(cè)量光纖損耗，當(dāng)光纖損耗最小時(shí)，該光信號(hào)的波長(zhǎng)即為尾纖的工作波長(zhǎng)。2、成品光纖的主要參數(shù)一般光纖成品有以下主要參數(shù)：1)光纖的纖芯折射率分布纖芯折射率分布一般分為兩類，即

9、梯度型分布及階躍型分布。一般的多模光纖可采用這兩種分布的一種，而單模光纖只有階躍型分布一種。2)光纖的尺寸一般光纖的外徑是125m,單模光纖纖芯芯徑是9-10m，多模光纖的纖芯芯徑是40-50m，同心度偏差1-5m，這是對(duì)光纖通信所用光纖的尺寸。3)光纖的傳播損耗引起光纖損耗的原因主要有三方面：（1）瑞利散射，這主要是由于玻璃中密度分布漲落引起的。（2）水吸收帶，在玻璃中若殘存百萬分之一克重量的氫氧根，就會(huì)引起對(duì)各波長(zhǎng)的光波的光損耗。（3）固有損耗，這是由于微觀波導(dǎo)的不連續(xù)性引起的。4)數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑是描述光纖受光程度的參數(shù)，通常用光從空氣入射到纖芯允許的最大入射角的正弦值來描述。5)帶寬帶

10、寬是光纖的一個(gè)重要參數(shù)，它使?jié)u變型光纖像一個(gè)低通濾波器一樣，對(duì)光發(fā)射機(jī)的功率調(diào)制產(chǎn)生影響。它使光纖的傳輸函數(shù)的大小隨調(diào)制頻率升高而減小，而在整個(gè)頻譜內(nèi)的相關(guān)相位失真保持很小。為計(jì)算方便，這種頻響可以近似為一個(gè)等效的高斯低通濾波器，最高帶寬僅可能在某一個(gè)波長(zhǎng)上發(fā)生，對(duì)于其它波長(zhǎng)，帶寬將減少下來，那帶寬是波長(zhǎng)的函數(shù)。其低通濾波器的截止頻率與玻璃組成材料及剖面折射率分布有關(guān)。6)有效截止波長(zhǎng)這是描述單模光纖的一個(gè)重要參數(shù)。它表明，在單模光纖的波長(zhǎng)域中僅可以傳播的模，所謂截止波長(zhǎng)是指基模。測(cè)量有效截止波長(zhǎng)的方法有多種，一般采用撓曲法，在這種方法中，首先將一段光纖在直線狀態(tài)下測(cè)量一下?lián)p耗；然后在彎曲狀態(tài)

11、下測(cè)量損耗。這樣可以推算出由于彎曲增加的衰耗，而有效截止波長(zhǎng)就是這樣定義的，在截止波長(zhǎng)下由于彎曲增加的損耗是0.1db。當(dāng)工作頻率低于這個(gè)截止波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，規(guī)定的傳播模不能存在，大于截止波長(zhǎng)的相應(yīng)頻率的光進(jìn)入包層區(qū)域損耗掉。這個(gè)名詞是從以前波導(dǎo)理論研究中借用來的。7)模場(chǎng)直徑這是單模光纖的另一重要參數(shù)，也稱為光點(diǎn)尺寸。在單模光纖中主要傳送的是基模，而模場(chǎng)直徑與基模光斑的大小有關(guān)，它以基模場(chǎng)強(qiáng)減少到1/e處的寬度來定標(biāo)，它表征入纖的光功率分布。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.在實(shí)驗(yàn)過程中切勿將光纖端面對(duì)著人，切勿帶電進(jìn)行光纖的連接。2.在插拔光纖跳線時(shí)一定要水平的輕輕的插拔，切勿彎折！在插之前要將光纖

12、跳線的凸部和光纖活動(dòng)連接器的凹部對(duì)準(zhǔn)后再插入！3.由于光纖的損耗很小，一般為0.20.5db/km，為了使實(shí)驗(yàn)效果明顯，則至少需要數(shù)千米的光纖，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，所以在實(shí)驗(yàn)中用光固定衰減器來代替。六、實(shí)驗(yàn)步驟1.關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：數(shù)字信號(hào)源模塊（數(shù)字信號(hào)輸出一）p300p1001310數(shù)字光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計(jì)。3.將1310nm光發(fā)模塊的j100第一位撥到on，第二位撥到off，將1310nm光發(fā)模塊的rp100逆時(shí)針旋到最大。4.將1310nm光發(fā)模塊的101設(shè)置為“數(shù)字”。5.打開系統(tǒng)電源。將數(shù)字信號(hào)源輸?shù)?/p>

13、一路的撥碼開關(guān)u311全撥到“off”狀態(tài)，即輸入到1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”。6.觀測(cè)并記錄光功率計(jì)的讀數(shù)p1。7.關(guān)閉系統(tǒng)電源。在光纖跳線和光功率計(jì)之間插入一個(gè)光固定衰減器。8.打開系統(tǒng)電源。觀察并記錄光功率計(jì)的讀數(shù)p2。9.關(guān)閉系統(tǒng)電源，拆除實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，將各實(shí)驗(yàn)儀器擺放整齊。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.記錄實(shí)驗(yàn)參數(shù)p1、p2。按公式p=p1-p2，得到光纖的插入損耗p。2.換1550nm光發(fā)端。然后再測(cè)量插入損耗。實(shí)驗(yàn)二 光纖活動(dòng)連接器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光纖活動(dòng)連接器在光纖通信系統(tǒng)中的作用2.了解光纖的各種性能參數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.介紹光纖活動(dòng)連接器的特點(diǎn)與作用。2.介紹光纖活動(dòng)連接

14、器的分類。3.測(cè)量光纖活動(dòng)連接器的插入損耗。三、實(shí)驗(yàn)儀器1.光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1臺(tái)。2.光功率計(jì)1臺(tái)。3.光纖活動(dòng)連接器1個(gè)。4.fc/pc型光纖跳線2根.。四、實(shí)驗(yàn)原理光連接器是光纖傳輸系統(tǒng)中光通路的基礎(chǔ)部件，是光纖系統(tǒng)中必不可少的光無源器件。它能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備之間、設(shè)備與儀表之間，設(shè)備與光纖之間以及光纖與光纖之間的活動(dòng)連接，以便于系統(tǒng)接續(xù)、測(cè)試、維護(hù)。目前，光纖通信對(duì)活動(dòng)連接器的基本要求是：插入損耗小，受周圍環(huán)境變化的影響小，易于連接和拆卸，重復(fù)性、互換性好，可靠性高，價(jià)格低廉。光纖通信使用的光連接器按纖芯插針、插孔的數(shù)目不同分有單芯活動(dòng)連接器和多芯活動(dòng)連接器兩類；單芯活動(dòng)連接器的基本結(jié)構(gòu)是

15、插針和插孔。由光纖連接損耗的計(jì)算可知，影響損耗的主要外在因素是相互連接的兩根光纖的纖芯之間的錯(cuò)位和傾斜，所以在連接器的結(jié)構(gòu)中，要求插針中的纖芯與插孔有很高的同心度，相連的兩根插針在插孔中能精確的對(duì)準(zhǔn)。按結(jié)構(gòu)不同分有fc型、st型、sc型、pc型等等。1.fc型活動(dòng)連接器fc型（平面對(duì)接型）光連接器。這種連接器插入損耗小，重復(fù)性、互換性和環(huán)境可靠性都能滿足光纖通信系統(tǒng)的要求，是目前國內(nèi)廣泛使用的類型。fc型連接器結(jié)構(gòu)采用插頭轉(zhuǎn)接器插頭的螺旋耦合方式。兩插針套管互相對(duì)接，對(duì)接套管端面拋磨成平面，外套一個(gè)彈性對(duì)中套筒，使其壓緊并且精確對(duì)中定位。fc型光連接器制造中的主要工藝是高精度插針套管和對(duì)中套筒

16、的加工。高精度插針套管有毛細(xì)管型、陶瓷整體型和模塑型三種典型結(jié)構(gòu)。對(duì)中套筒是保證插針套管精確對(duì)準(zhǔn)的定位機(jī)構(gòu)。fc型單模光纖連接器一般地分螺旋耦合型和卡口耦合型兩種。fc型單模光纖連接器所連接的兩根光纖端面是平面對(duì)接，端面間的空氣氣隙會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射。反射光反射到激光器會(huì)引起額外的噪聲和波形失真，而端面間的多次反射還會(huì)引起插入損耗的增加。2.pc型光纖連接器pc型（直接接觸型）單模光纖連接器。這種連接器是為克服fc型連接器的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。它是將插針套管端面拋磨成凸球面，使被連接的兩根光纖的端面直接接觸。這樣，它的插入損耗小、反射損耗大、性能穩(wěn)定可靠。pc型光纖連接器用于高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)。fc型連

17、接器插針套管的端面也可研磨拋光成凸球面，此時(shí)稱為fcpc型光纖連接器。3.sc型光纖連接器sc型（矩形）光纖連接器。sc型矩形光纖連接器采用新型的直插式耦合裝置，只需軸向插拔，不用旋轉(zhuǎn)，可自鎖和開啟，裝卸方便。它體積小，不需旋轉(zhuǎn)空間，能滿足高密封裝的要求。它的外殼是矩形的，采用模塑工藝，用增強(qiáng)的pbt的內(nèi)注模玻璃制造。插針套管是氧化鋯整體型，將其端面研磨成凸球面。插針體尾入口是錐形的，以便光纖插入到套管內(nèi)。sc型矩形連接器的裝配一般分：選擇套管、光纖處理、光連接器與光纖的連接、套管端面處理等各步驟。4.st型光纖連接器st型連接器是一種卡口式的連接器，它采用帶鍵的卡口式緊鎖機(jī)構(gòu)，確保每次連接均

18、能準(zhǔn)確對(duì)中。插針直徑為2.5mm，其材料可為陶瓷或金屬。它可在現(xiàn)場(chǎng)安裝，也可在工廠預(yù)裝成光纖組件。目前st型活動(dòng)連接器的插入損耗典型值為0.3db，最大值為0.5db；其后向反射損耗在一般情況下為-31db，但在端面作精細(xì)處理后，可-40db。單模光纖連接器產(chǎn)品，一般地應(yīng)標(biāo)明連接器名稱、型號(hào)、接光纖類型、工作波長(zhǎng)、光纖尺寸、光纖根數(shù)、首次使用插入損耗、溫度范圍、耦合方式（螺旋、卡口、插拔式）以及端面處理、裝配方式等等。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.在實(shí)驗(yàn)過程中切勿將光纖端面對(duì)著人，切勿帶電進(jìn)行光纖的連接。六、實(shí)驗(yàn)步驟1.關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：數(shù)字信號(hào)源模塊（數(shù)字信號(hào)輸出一）p30

19、0p1001310數(shù)字光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計(jì)。3.將1310nm光發(fā)模塊中的j100第一位撥到on，第二位撥為off，將1310nm光發(fā)模塊中的rp100逆時(shí)針旋到最大。4.將1310nm光發(fā)模塊的j101設(shè)置為“數(shù)字”。5.打開系統(tǒng)電源。將數(shù)字信號(hào)源輸?shù)谝宦返膿艽a開關(guān)u311全撥到“off”狀態(tài)，即輸入到1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”。6.觀察并記錄光功率計(jì)的讀數(shù)p1。7.關(guān)閉系統(tǒng)電源。在光纖跳線和光功率計(jì)之間插入一個(gè)光纖活動(dòng)連接器。 8.打開系統(tǒng)電源。觀察并記錄光功率計(jì)的讀數(shù)p2。9.關(guān)閉系統(tǒng)電源，拆除實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，將各實(shí)驗(yàn)儀器

20、擺放整齊。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.記錄實(shí)驗(yàn)參數(shù)p1、p2。按公式p=p1-p2，得到光纖活動(dòng)連接器的插入損耗p。實(shí)驗(yàn)三光耦合器件一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光耦合器件各種類型。2.了解光耦合器件的制造工藝。3.了解波分復(fù)用器與一般的光耦合器件有何不同。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.介紹光耦合器的特點(diǎn)與作用。2.介紹光耦合器的分類。3.測(cè)量波分復(fù)用器的光串?dāng)_。4.測(cè)量光耦合器的分光比。三、實(shí)驗(yàn)儀器1.光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1臺(tái)。2.光功率計(jì)1臺(tái)。3.光纖活動(dòng)連接器1個(gè)。4.波分復(fù)用器2個(gè)。5.fc/pc型光纖跳線2根。6.光耦合器1個(gè)。四、實(shí)驗(yàn)原理：光耦合器的功能是把一個(gè)或多個(gè)光輸入分配給多個(gè)或一個(gè)光輸出。這種器件對(duì)光纖線路的影響

21、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(zhǎng)無關(guān)，與波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用/解復(fù)用器。1.耦合器的類型如下圖示出常用耦合器的類型，它們具有不同的功能和用途。分路器（3端口）合路器（3端口）（a）耦合器（3端口）（b）耦合器（4端口）m或nn（c）星狀耦合器（d）波分復(fù)用器12分波器12合波器1212圖3-1常用耦合器的類型圖（a）y型耦合器這是一種3端耦合器，其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比列分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。這種耦合器主要用做不同分路器的功率分配器或功率組合器。圖（b）4端口耦合器這是一種224端耦合器（又稱22

22、星狀耦合器），用來完成光功率在不同端口間的分配。它可用做定向耦合器或分路器，但不能做合路器。圖（c）星狀耦合器這是一種nm耦合器，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。這種耦合器通常用做多端功率分配器。圖（d）波分復(fù)用器（也稱合波器/分波器）前述光耦合器均只涉及光功率的分配，而波分復(fù)用器涉及多個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行結(jié)合（合波器）或分離（分波器）的功能，因而不僅涉及光功率的分配，還涉及不同波長(zhǎng)的分配，因而可以看做是一種特殊形式的光耦合器。2.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)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型。（1）光纖型全光纖型耦合器

23、的制造方法有熔錐和研磨法兩種類型。、熔錐型光纖耦合器。把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作的各種器件。這種方法可以構(gòu)成y型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器等。它是將兩根或多根光纖，把涂覆蓋層去掉清洗干凈后，擰絞成麻花狀，然后在加熱熔融狀態(tài)下邊加熱邊向兩邊拉伸而成，中間部位是啞鈴狀的雙錐體。它的工作原理是這樣的：在雙錐體的前半部，隨著光纖逐漸變細(xì)，原來在光纖中傳播的芯模逐漸變成包層模并向前傳播。在雙錐體區(qū)光信號(hào)已使所有光纖“公有化”了，即發(fā)生光耦合。在雙錐體后半部分，隨著光纖逐漸變粗，包層模又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ?，使光功率分配到各個(gè)光纖中，這就是多纖星狀耦合器的工作原理。多纖星狀耦合器的制造工藝和

24、所選用設(shè)備都比較簡(jiǎn)單，而光纖根數(shù)又可任意選定。 、研磨型光纖耦合器研磨型光纖耦合器制作過程是，將兩根光纖一邊的包層磨掉大部分，剩下很薄的一層，然后將兩根光纖經(jīng)研磨的一側(cè)拼合在一起，中間涂上一層折射率匹配液，于是兩根光纖可以通過包層里的消失場(chǎng)發(fā)生耦和，得到所需的偶合功率。由于其耦合原理也是利用消失場(chǎng)耦合，因而其特性和原理類似于上述熔錐型光纖耦合器，但其制造技術(shù)不易控制，不如熔錐型光纖耦合器那么簡(jiǎn)單容易。（2）微器件型用自聚焦透鏡和分光片（光部分透射，部分反射）、濾光片（一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射）或光柵（不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向）等微光學(xué)器件可以構(gòu)成y型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用

25、器。用22的耦合器同樣可以構(gòu)成星狀耦合器。自聚焦透鏡在光物元器件中起著非常重要的作用。（3）波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底做支撐體，同時(shí)又做波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是sio2，橫截面為矩形或半圓形。3.波分復(fù)用器的光串?dāng)_波分復(fù)用器的光串?dāng)_即為其隔離度，其測(cè)試原理、框圖如下：測(cè)量1310nm的光串?dāng)_的原理方框圖如下：波分復(fù)用器波分復(fù)用器1310nm輸入光纖活動(dòng)連接器1310nm輸出1550nm輸入1550nm輸出(a)波分復(fù)用器波分復(fù)用器1310nm輸入光纖活動(dòng)連接器1310nm輸出1550nm輸入1550nm輸出(b)圖3-2 波分復(fù)用器光串?dāng)_測(cè)試原理框

26、圖 (式3-1) (式3-2)上式中的和即是波分復(fù)用器相應(yīng)的光串?dāng)_。4.光纖耦合器的插入損耗和分光比光纖耦合器的插入損耗和分光比測(cè)量原理圖如下：圖3-3 耦合器分光比和插入損耗測(cè)量原理圖插入損耗是由于耦合器插入在輸入端口和輸出端口之間產(chǎn)生的損耗。耦合器的插入損耗（il）是在一個(gè)特定波長(zhǎng)輸出與輸入光功率之比，表示為： (式3-3)分光比是耦合器的每一個(gè)輸出口輸出的功率占總功率的比例。形式上定義為： (式3-4)它也可以用絕對(duì)值或百分比表示。在后一種情況下： (式3-5)五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.在實(shí)驗(yàn)過程中切勿將光纖端面對(duì)著人，切勿帶電進(jìn)行波分復(fù)用器的連接。六、實(shí)驗(yàn)步驟a. 測(cè)量波分復(fù)用器光串?dāng)_1.關(guān)

27、閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：數(shù)字信號(hào)源模塊（數(shù)字信號(hào)輸出一）p300p1001310數(shù)字光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）數(shù)字信號(hào)源模塊（數(shù)字信號(hào)輸出二）p301p2001550數(shù)字光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）2.按下圖連接好波分復(fù)用器。3.將1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的撥碼開關(guān)j100第一位撥到on狀態(tài)，第二位撥到off狀態(tài)，rp100逆時(shí)針旋到最大，j101設(shè)置為“數(shù)字”。4.將1550nm數(shù)字光發(fā)模塊的撥碼開關(guān)j200第一位撥到on狀態(tài)，第二位撥到off狀態(tài)，rp200逆時(shí)針旋到最大，j201設(shè)置為“數(shù)字”。5.打開系統(tǒng)電源。將數(shù)字信號(hào)源的u311全撥到“off”狀態(tài)，即輸入到1

28、310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”。將數(shù)字信號(hào)源的u312全撥到“on”狀態(tài)，即輸入到1550nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“0”。6.測(cè)出圖3-1中(a)中的和。7.關(guān)閉系統(tǒng)電源。然后，將數(shù)字信號(hào)源的u311全撥到“on”狀態(tài)，即輸入到1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“0”。將數(shù)字信號(hào)源的u312全撥到“off”狀態(tài)，即輸入到1550nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”。8.打開系統(tǒng)電源。圖3-1中(b)中的和。9.關(guān)閉系統(tǒng)電源，拆除實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，將各實(shí)驗(yàn)儀器擺放整齊。b. 測(cè)量耦合器的插入損耗和分光比1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。2.將1310nm光發(fā)模塊的j100第一位撥為“on”，第二位撥為“o

29、ff”，rp100逆時(shí)針旋為最大，j101設(shè)置為“數(shù)字”。3.用信號(hào)連接導(dǎo)線連接信號(hào)源模塊的“p300”和1310nm光發(fā)模塊的“p100”。4.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計(jì)。5.打開系統(tǒng)電源。將數(shù)字信號(hào)源模塊的u311全部撥為“off”。6.觀測(cè)光功率計(jì)的讀數(shù)，此時(shí)測(cè)得的光功率即為。7.關(guān)閉系統(tǒng)電源。拆除光纖跳線。然后，按下圖連接好耦合器：8.打開系統(tǒng)電源。觀測(cè)光功率計(jì)的讀數(shù)，此時(shí)測(cè)得的光功率即為。9.關(guān)閉系統(tǒng)電源。按下圖連接好耦合器：10.打開系統(tǒng)電源。觀測(cè)光功率計(jì)的讀數(shù)，此時(shí)測(cè)得的光功率即為。11.關(guān)閉系統(tǒng)電源。拆除連線，將實(shí)驗(yàn)儀器擺放整齊。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.按公式3-1、

30、3-2分別算出波分復(fù)用器相應(yīng)的光串?dāng)_和。2.按公式3-3、3-5分別計(jì)算出光纖耦合器的插入損耗il(db)和分光比cr(%)。實(shí)驗(yàn)四 光隔離器和光環(huán)行器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光隔離器和光環(huán)行器的異同點(diǎn)。2.了解光隔離器制造工藝。3.了解光隔離器有哪些參數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.介紹光隔離器和光環(huán)行器的原理與應(yīng)用。2.介紹光隔離器的發(fā)展。三、實(shí)驗(yàn)儀器1.光隔離器和光環(huán)行器。四、實(shí)驗(yàn)原理光隔離器與環(huán)行器都是光非互易傳輸耦合器。光環(huán)行器一般用于將一根光纖中傳輸?shù)恼?輸入)和反向(輸出)光信號(hào)分開，例如在光時(shí)域反射儀、反射式光纖傳感器以及單端耦合光放大器及其它光纖系統(tǒng)中用作耦合器，可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、性能提高

31、。衡量光隔離器與環(huán)行器性能的主要參數(shù)有：(1)正向插入損耗，定義為正向傳輸時(shí)輸出光功率與輸入光功率之比；(2)反向(逆向)隔離比，定義為反向(逆向)傳輸時(shí)輸出光功率與輸入光功率之比；(3)回波損耗，定義為輸入端口自身返回功率與輸入功率之比。光隔離器與光環(huán)行器所依據(jù)的原理是法拉弟磁光效應(yīng)，即當(dāng)光波通過置于磁場(chǎng)中的法拉弟旋光片時(shí)，光波的偏振方向總是沿著與磁場(chǎng)(h)方向構(gòu)成右手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，而與光波的傳播方向無關(guān)。這樣，當(dāng)光波沿正向和沿反向兩次通過法拉第旋光片時(shí)，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角將迭加而不是抵消(如在互易性旋光片中的情形)，這種現(xiàn)象稱之為“非互易旋光性”。光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)和光隔離器十分類似，所不同的

32、只是偏振分光鏡的設(shè)計(jì)。典型的分光式光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)，是采用了偏振分光鏡。當(dāng)光信號(hào)由1端門輸入時(shí)由yig晶體和石英旋光片構(gòu)成的旋光系統(tǒng)不改變光的偏振方向，合光之后光信號(hào)將由2端口輸出；當(dāng)光信號(hào)由2端口輸入時(shí)，兩束線偏光的偏振方向各自旋轉(zhuǎn)90，合光之后由3端口輸出；當(dāng)光信號(hào)由3端口輸入時(shí)，光的偏振方向也不發(fā)生變化，合光之后將出4端口輸出。因此，這種光環(huán)行器具有1234的環(huán)行功能。當(dāng)不按照這種順序傳輸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)很大的損耗。所以這種環(huán)行器也兼具隔離器功能。實(shí)際上，這種環(huán)行器等效于1與2、2與3、3與4之間三個(gè)光隔離器。目前，各種實(shí)用的光環(huán)行器還主要是用磁光材料作為旋光材料。但可用大塊介質(zhì)或光纖作為偏振

33、分光鏡。大塊介質(zhì)做成的棱鏡分光鏡是在兩直角棱鏡的斜面上鍍制偏振分光膜并膠合而成。而光纖偏振分光器件可用拉錐方法制成。1、傳統(tǒng)技術(shù)自由空間單級(jí)光隔離器通常由三個(gè)元件組成：兩個(gè)起偏器、一個(gè)法拉第旋光器。兩個(gè)起偏器將法拉第旋光器夾在中間形成一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，法拉第旋光器確定輸入輸出光的偏振態(tài)方向。由于其固有的偏振敏感性，這種光隔離器通常運(yùn)用于固定偏振態(tài)光源的輸出端。法拉第旋光器對(duì)光偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度與其厚度成正比。用于通信波長(zhǎng)（如1310nm、1550nm）的法拉第旋光器通常由稀土石榴石薄膜制成，這些石榴石薄膜厚度通常在1mm以下，并且需要在充滿磁場(chǎng)的環(huán)境中工作，由于大多數(shù)的通信應(yīng)用都要求有一個(gè)比較寬的工

34、作溫度范圍，而這種石榴石材料恰恰可以很好地滿足這種要求，因此得到了很廣泛的應(yīng)用，雖然其對(duì)磁場(chǎng)的需求使得整個(gè)設(shè)計(jì)變得比較復(fù)雜。在石榴石的進(jìn)光側(cè)和出光側(cè)分別加上一個(gè)起偏器，就可以形成一個(gè)光閥門（使光僅可以沿一個(gè)方向傳輸）。通常在通信系統(tǒng)光收發(fā)器中應(yīng)用的起偏器都是基于金屬材料共振吸收的原理來確定傳輸偏振態(tài)的，這種技術(shù)在過去幾十年中都被認(rèn)為是非常完美的，而且這些起偏器價(jià)格低廉、透光率高（98%）、消光比高（10,000:1）。2、納米制造技術(shù)納米制造是一種更為高效的制造技術(shù)。這種技術(shù)利用半導(dǎo)體晶片制造工藝在亞微米尺寸上制作元器件。納米制造技術(shù)使尺寸低于光波長(zhǎng)的微型結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，它可以在不同材料（如玻璃

35、、熔融石英、iii-iv族材料、石榴石）、不同規(guī)格（如圓形、矩形）的基底上制作出各種形狀（如軌道形、柱形、棱錐形、圓錐形）的器件。通過適當(dāng)?shù)剡x擇材料、基底、形狀、規(guī)格便可以在納米結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)各種各樣的光功能，如起偏、相位延遲、分束、濾波、光隔離等。納米制造的光隔離器的核心部件就是直接在石榴石基底上集成納米偏振結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用給光隔離器帶來了三大優(yōu)勢(shì)：體積小、穩(wěn)定性高、成本低。這些都是收發(fā)器廠商非常感興趣的。納米偏振結(jié)構(gòu)的厚度不到1微米（傳統(tǒng)的共振吸收起偏器的厚度約為200微米）。這么薄的納米結(jié)構(gòu)使得光隔離器核心部件的總厚度壓縮了一半：工作波長(zhǎng)為1550nm的從0.9mm左右降為0.5mm左右

36、，工作波長(zhǎng)為1310nm的從0.7mm左右降為0.3mm左右。因此納米制造的隔離器核心部件的尺寸比通常的平板結(jié)構(gòu)要小得多，這正好滿足了廠商們對(duì)器件緊湊結(jié)構(gòu)的要求。另外，由于不需使用環(huán)氧樹脂層，光隔離器的環(huán)境可靠性得到了大大提高。這種新工藝不再需要昂貴的手工對(duì)準(zhǔn)和組裝，在磁場(chǎng)中的封裝也簡(jiǎn)化了，從而提高了制造效率，使光隔離器的成本降到了10美元以下。實(shí)驗(yàn)五光衰減器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光衰減器的原理與應(yīng)用。2.了解光衰減器的性能指標(biāo)。3.了解光衰減器的應(yīng)用范圍。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.介紹光衷減器的原理與應(yīng)用。2.測(cè)量可變衰減器的插入損耗。3.測(cè)量可變衰減器的衰減范圍。三、實(shí)驗(yàn)儀器 1.光纖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1臺(tái)。2

37、.光纖跳線1根。3.光可變衰減器1個(gè)。4.光功率計(jì)1臺(tái)。四、實(shí)驗(yàn)原理光衰減器是一種非常重要的纖維光學(xué)無源器件，是光纖中的一個(gè)不可缺少的器件。到目前為止市場(chǎng)上已經(jīng)形成了固定式、步進(jìn)可調(diào)式、連續(xù)可調(diào)式及智能型光衰減器四種系列。.衰減器的衰減原理光衰減器的類型很多，不同類型的衰減器分別采用不同的工作原理。、位移型光衰減器眾所周知，當(dāng)兩段光纖進(jìn)行連接時(shí)，必須達(dá)到相當(dāng)高的對(duì)中精度，才能使光信號(hào)以較小的損耗傳輸過去。反過來，如果將光纖的對(duì)中精度做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，就可以控制其衰減量。位移型光衰減器就是根據(jù)這個(gè)原理，有意讓光纖在對(duì)接時(shí)，發(fā)生一定的錯(cuò)位。使光能量損失一些，從而達(dá)到控制衰減量的目的，位移型光衰減器又分

38、為兩種：橫向位移型光衰減器、軸向位移型光衰減器。橫向位移型光衰減器是一種比較傳統(tǒng)的方法，由于橫向位移參數(shù)的數(shù)量級(jí)均在微米級(jí)，所以一般不用來制作可變衰減器，僅用于固定衰減器的制作中，并采用熔接或粘接法，到目前仍有較大的市場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)在于回波損耗高，一般都大于60db。軸向位移型光衰減器在工藝設(shè)計(jì)上只要用機(jī)械的方法將兩根光纖拉開一定距離進(jìn)行對(duì)中，就可實(shí)現(xiàn)衰減的目的。這種原理主要用于固定光衰減器和一些小型可變光衰減器的制作。、薄膜型光衰減器這種衰減器利用光在金屬薄膜表面的反射光強(qiáng)與薄膜厚度有關(guān)的原理制成。如果玻璃襯底上蒸鍍的金屬薄膜的厚度固定，就制成固定光衰減器。如果在光纖中斜向插入蒸鍍有不同厚度的一

39、系列圓盤型金屬薄臘的玻璃襯底，使光路中插入不同厚度的金屬薄膜，就能改變反射光的強(qiáng)度，即可得到不同的衰減量，制成可變衰減器。、衰減片型光衰減器衰減片型光衰減器直接將具有吸收特性的衰減片固定在光纖的端面上或光路中，達(dá)到衰減光信號(hào)的目的，這種方法不僅可以用來制作固定光衰減器，也可用來制作可變光衰減器。.光衰減器的性能指標(biāo)、衰減量和插入損耗衰減量和插入損耗是光衰減器的重要指標(biāo)，固定光衰減器的衰減量指標(biāo)實(shí)際上就是其插入損耗，而可變衰減器除了衰減量外，還有單獨(dú)的插入損耗指標(biāo)，高質(zhì)量的可變衰減器的插入損耗在1.0db以下，一般情況下普通可變衰減器的該項(xiàng)指標(biāo)小于2.5db即可使用。在實(shí)際選用可調(diào)衰減器時(shí)，插入

40、損耗越小越好。但這勢(shì)必會(huì)牽扯到價(jià)格。、光衰減器的衰減精度衰減精度是光衰減器的重要指標(biāo)。通常機(jī)械式可調(diào)光衰減器的衰減精度為其衰減量的0.1倍。其大小取決于機(jī)械元件的精密加工程度。固定式光衰減器的衰減精度很高。通常衰減精度越高，價(jià)格就越高。、回波損耗在光器件參數(shù)中影響系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)是回波損耗。回返光對(duì)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響是眾所周知的。光衰減器的回波損耗是指入射到光衰減器中的光能量和衰減器中沿入射光路反射出的光能量之比。高性能光衰減器的回波損耗在45db以上。事實(shí)上由于工藝等方面的原因，衰減器實(shí)際回波損耗離理論值還有一定差距，為了不致于降低整個(gè)線路回波損耗，必須在相應(yīng)線路中使用高回?fù)p衰減器，同時(shí)

41、還要求光衰減器具有更寬的溫度使用范圍和頻譜范圍。、光衰減器的應(yīng)用范圍固定式光衰減器主要用于對(duì)光路中的光能量進(jìn)行固定量的衰減，其溫度特性極佳。在系統(tǒng)的調(diào)試中，常用于模擬光信號(hào)經(jīng)過一段光纖后的相應(yīng)衰減或用在中繼站中減小富余的光功率，防止光接收機(jī)飽和；也可用于對(duì)光測(cè)試儀器的校準(zhǔn)定標(biāo)。對(duì)于不同的線路接口，可使用不同的固定衰減器；如果接口是尾纖型的，可用尾纖型的光衰減器焊接于光路的兩段光纖之間；如果是在系統(tǒng)調(diào)試過程中有連接器接口，則用轉(zhuǎn)換器式或變換器式固定衰減器比較方便。在實(shí)際應(yīng)用中常常需要衰減量可隨用戶需要而改變的光衰減器。所以可變衰減器的應(yīng)用范圍更廣泛。例如由于、光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)富余度和實(shí)際系統(tǒng)中光功率

42、的富余度不完全一樣，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，防止接收機(jī)飽和時(shí)，就必須在系統(tǒng)中插入可變光衰減器，另外，在纖維光學(xué)（如光功率計(jì)或）的計(jì)量、定標(biāo)也將使用可變衰減器。另一方面由于普通型光衰減器已相當(dāng)成熟，光衰減器正向著高性能方向發(fā)展，如智能化光衰減器，高回?fù)p光衰減器等。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.在實(shí)驗(yàn)過程中切勿將光纖端面對(duì)著人，切勿帶電進(jìn)行光纖的連接。六、實(shí)驗(yàn)步驟1.關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：數(shù)字信號(hào)源模塊（數(shù)字信號(hào)輸出一）p300p1001310數(shù)字光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光可變衰減器。3.用光纖跳線連接光可變衰減器和光功率計(jì)。3.將1310nm數(shù)

43、字光發(fā)模塊的撥碼開關(guān)j100第一位撥到on狀態(tài)，第二位撥到off狀態(tài)，將1310nm光發(fā)模塊的rp100逆時(shí)針旋到最大。4.打開系統(tǒng)電源。將數(shù)字信號(hào)源輸?shù)谝宦返膿艽a開關(guān)u311全撥到“off”狀態(tài)，即輸入到1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”。5.旋轉(zhuǎn)光可變衰減器的螺紋，使光功率的衰減最小，此時(shí)光功率計(jì)的讀數(shù)p1即為可變衰減器的插入損耗。6.旋轉(zhuǎn)光可變衰減器的螺紋，使光功率的衰減最大，記錄光功率計(jì)的讀數(shù)p2，p1p2即為可變衰減器的衰減范圍。8.關(guān)閉系統(tǒng)電源，拆除實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，將各實(shí)驗(yàn)儀器擺放整齊。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.光可變衰減器的插入損耗是多少。2.光可變衰減器的衰減范圍是多少。實(shí)驗(yàn)六光開關(guān)一

44、、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解光開關(guān)應(yīng)用。2.了解光開關(guān)的制造工藝。3.了解光開關(guān)有哪些參數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.介紹光開關(guān)的原理與應(yīng)用。2.介紹光開關(guān)的新工藝。三、實(shí)驗(yàn)儀器1.光開關(guān)。四、實(shí)驗(yàn)原理1、光開關(guān)技術(shù)分類與性能比較 隨著（密集波分復(fù)用）系統(tǒng)的成熟及大量被投入使用，高速大容量光傳輸和交換正在成為現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向，而作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)核心器件的開關(guān)元件，其性能的好壞成為決定節(jié)點(diǎn)性能和網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。不論是網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造，還是網(wǎng)絡(luò)故障下的恢復(fù)，都需要對(duì)光開關(guān)的智能控制。而且，隨著各種業(yè)務(wù)的數(shù)量上和質(zhì)量上的高速發(fā)展，將需要越來越大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，這樣，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如或都必須有大量的端口，同時(shí)也必須能容納大量的

45、波長(zhǎng)通道，這些都要求必須存在大規(guī)模的集成開關(guān)矩陣。因此，光開關(guān)一方面必須具有良好的性能，另一方面必須能夠集成為大規(guī)模開關(guān)矩陣，以適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的要求。 就目前的光開關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀而言，按照光束在開關(guān)中傳輸?shù)拿劫|(zhì)來分類，可分為自由空間型和波導(dǎo)型光開關(guān)。按照開關(guān)機(jī)理來分類，主要有機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)和電光開關(guān)。在機(jī)械光開關(guān)中，包括以新型的微機(jī)械工藝為基礎(chǔ)的微機(jī)械光開關(guān)，自由空間型光開關(guān)主要是利用各種透射鏡、反射鏡和棱鏡等折射鏡的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。波導(dǎo)型光開關(guān)主要是利用波導(dǎo)的熱光、電光或磁光的效應(yīng)來改變波導(dǎo)的性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作。光開關(guān)的性能主要表現(xiàn)在開關(guān)的插損、隔離度、消光比、偏振敏感性、開關(guān)

46、時(shí)間、開關(guān)規(guī)模和開關(guān)尺寸等。光交叉連接和光交換對(duì)開關(guān)的要求主要有低插損（10db以下）、低串?dāng)_（-50db以下）、低開關(guān)時(shí)間（幾個(gè)ms以下）以及無阻塞運(yùn)作。我們知道機(jī)械開關(guān)在插損、隔離度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的開關(guān)尺寸比較大，開關(guān)動(dòng)作時(shí)間比較長(zhǎng)，一般為幾十毫秒到毫秒量級(jí)，而且機(jī)械開關(guān)不易集成為大規(guī)模的矩陣陣列。對(duì)波導(dǎo)開關(guān)而言，它的開關(guān)速度在毫秒到亞毫秒量級(jí)，體積非常小，而且易于集成為大規(guī)模的矩陣開關(guān)陣列。但其插損、隔離度、消光比、偏振敏感性等指標(biāo)都比較差。近來在熱光開關(guān)的研究上取得了重大的成果，同時(shí)也產(chǎn)生了一種微電子機(jī)械技術(shù)，它是機(jī)械開關(guān)的原理，但又能像波導(dǎo)開關(guān)那樣集成在

47、單片硅基底上，因此兼有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它們所固有的缺點(diǎn)。一般來講，自由空間光開關(guān)的損耗較導(dǎo)波器件的損耗更低，基于電光效應(yīng)的光開關(guān)較基于機(jī)械的開關(guān)速度更快一些。在光交叉連接及需要大規(guī)模支持大容量交換的系統(tǒng)中，基于技術(shù)的解決方案似乎已是主要潮流。的基本原理是通過靜電的作用使微鏡面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向。目前普遍使用的微鏡面只能實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)，因此交換容量受到限制。一些公司正在積極開發(fā)所謂的三維光開關(guān)，即可以實(shí)現(xiàn)微鏡面連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)更大的交叉連接。當(dāng)技術(shù)收到追捧的同時(shí)，基于液晶技術(shù)的光開關(guān)也已面市。液晶器件的工作原理是基于電光效應(yīng)來對(duì)傳輸光的偏振狀態(tài)進(jìn)行控制

48、，使一路偏振光被反射而另一路可以通過。液晶的電光系數(shù)很高，是鈮酸鋰的幾百萬倍，使液晶成為最有效的光電材料。液晶技術(shù)開關(guān)具有速度可達(dá)毫秒級(jí)、頻道間隔度4050db而且不要求溫度控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。另外還有液體光柵開關(guān)，液體光柵技術(shù)是前面所說的液晶技術(shù)和電子全息開關(guān)技術(shù)的一個(gè)綜合產(chǎn)物，現(xiàn)在這種技術(shù)只有digilens公司掌握，這種光開關(guān)基于布拉格光柵技術(shù)，加上電壓時(shí)，光柵消失，晶體是全透明的，光信號(hào)直接通過光波導(dǎo)。如果沒有電壓，光柵就把一個(gè)特定波長(zhǎng)的光反射到輸出端口，這意味著這種光柵具有兩種功能：取出光束中某個(gè)波長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)交換。digilens公司聲稱這種光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為100ns，插損小于1db。由

49、于能從一束光中交換其中單個(gè)波長(zhǎng)，所以比較適合于oadm。2、光開關(guān)的應(yīng)用光開關(guān)在光交換網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：）、用于oxc光交叉連接節(jié)點(diǎn)中的光交換 oxc是光網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)從傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)過渡的關(guān)鍵。oxc主要有解復(fù)用單元、復(fù)用單元和交換單元組成，交換單元由開關(guān)矩陣來實(shí)現(xiàn)。若光網(wǎng)絡(luò)由條鏈路，每條鏈路由個(gè)波長(zhǎng)通道，則在交換單元中，就需要有一個(gè)矩陣開關(guān)或個(gè)的矩陣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)光交換。由于單鏈路復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)目越來越多，目前商用化已經(jīng)可以達(dá)到100路以上，所以即便對(duì)非常成熟的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)用40路已經(jīng)不再有什么問題的情況下，對(duì)于如此大數(shù)目的光交換所需要的光開關(guān)在技術(shù)上還不太成熟。即便光開關(guān)

50、有了一定的集成規(guī)模，但要在性能上完全符合oxc的要求，還有很大的差距。由于熱光開關(guān)和微機(jī)械光開關(guān)有可能得到很大的交換規(guī)模，而且性能也較好，因此它們（尤其微機(jī)械光開關(guān)）很可能成為解決制約oxc交換數(shù)量的突破口。）、用于oadm光交叉連接節(jié)點(diǎn)中的光交換oadm是光網(wǎng)絡(luò)中的另一主要交換節(jié)點(diǎn)，與oxc相比，它主要用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)通道的上下路功能，其結(jié)構(gòu)也是由解復(fù)用、復(fù)用和交換單元組成。oadm與oxc相比，規(guī)模較小，因此相對(duì)也比較成熟。）、用于oxc和中的光路指配功能 在oadm和oxc節(jié)點(diǎn)中，除了復(fù)用解復(fù)用和交換單元外，在上路和下路端口還需要具有波長(zhǎng)路由的指配功能。即就是對(duì)上路的信號(hào)，不論其原來的波長(zhǎng)值

51、是多少，都應(yīng)該能夠以線路中的任一波長(zhǎng)上路。這必須有光開關(guān)的參與才能順利完成。）、用于光網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)保護(hù)倒換和恢復(fù)自動(dòng)保護(hù)倒換和恢復(fù)能力是光網(wǎng)絡(luò)的一大突出特點(diǎn)，而光開關(guān)也是光網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)保護(hù)倒換的核心器件。實(shí)驗(yàn)七激光器與光檢測(cè)器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解激光器與光檢測(cè)器的原理。2.了解led與ld的區(qū)別。3.了解pin光檢測(cè)器和apd光檢測(cè)器的區(qū)別。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.介紹激光器與光檢測(cè)器。2.介紹激光器與光檢測(cè)器的選擇方法。三、實(shí)驗(yàn)原理：1、激光器簡(jiǎn)介led和ld有許多相同點(diǎn)，兩種器件都以正向偏置方式工作；發(fā)射光都是空穴與電子在激活區(qū)p-n結(jié)中復(fù)合過程引起的。下面就工作機(jī)理、發(fā)射功率、頻譜寬度、工作速度

52、、線性度、可靠性等幾個(gè)方面進(jìn)行分析比較。如圖3-2所示。 (a) 自發(fā)幅射 led （b）受激幅射 ld圖3-2 發(fā)光機(jī)理光發(fā)射二極管led：自然發(fā)光，導(dǎo)電中電子自發(fā)的放出一個(gè)光子，然后進(jìn)入價(jià)帶。激光二極管ld：受激發(fā)光，外部光子激勵(lì)導(dǎo)帶中過剩電荷載流子，使其產(chǎn)生光輻射，然后進(jìn)入價(jià)帶，受激發(fā)光是相干光。1)、光電流特性光發(fā)射二極管led：無電流門限值，在很低電流下i50ma可以有效的發(fā)光，隨著電流上升，光功率增加。激光二極管ld：是一種門限器件，在達(dá)到門限值之前，發(fā)光的光功率很低并且是非相干光，在門限電流以上，光功率迅速增加，并且產(chǎn)生的是相干光。光功率的增加速率比led大一個(gè)數(shù)量級(jí)。如圖3-3

53、所示。 (a) led (b) ld圖3-3 光 / 電流特性2)、發(fā)射光功率光發(fā)射二極管led：工作電流50300ma，端壓降1.52.5v，發(fā)射光功率110mw，入纖功率幾十至幾百w。激光二極管ld：工作電流20100 ma，端壓降1.52v，隨著電流增加，光功率迅速上升，微分效率可達(dá)0.2 wa，耦合入纖效率可達(dá)90%。入纖光功率可達(dá)幾個(gè)mw。3)、光功率密度與光源輻射圖光發(fā)射二極管led：在各向同性輻射情況下，產(chǎn)生約4wcm2。激光二極管lddd：在發(fā)射窗口的光功率密度典型值達(dá)1mwcm2，因此反射鏡面對(duì)于環(huán)境因素非常靈敏，必須加有效的保護(hù)措施，使塵埃、濕氣不能進(jìn)入。4)、頻譜寬度發(fā)光二極管led：在0.8m 波長(zhǎng)處，譜寬約為50nm，折合成頻帶寬度為60120mhz。在1.3m 波長(zhǎng)達(dá)1ghz。激光二極管ld：在0.8m 波長(zhǎng)處，譜寬約23 nm，折合成頻帶寬度為1ghz；在1.3m處，100 ghz左右。5)、調(diào)制頻率發(fā)光二極管led：上升時(shí)間為250ns，相當(dāng)于3db帶寬為7175mhz。目前使用的極限調(diào)制速率為140mbs。激光二極管ld：上升時(shí)間為1 ns或更短，調(diào)制極限頻率達(dá)10 ghz。6)、線性度及熱特性（1）、線性度 發(fā)光二極管led：線性度好于ld，產(chǎn)生非線性的原因是由于