實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的連接

1、光器件光器件用途用途:實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的連接、能量分路實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的連接、能量分路/合路、波長(zhǎng)復(fù)用合路、波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能量衰減、方向阻隔、光量衰減、方向阻隔、光-電電-光轉(zhuǎn)換、光信號(hào)放大、光信號(hào)調(diào)制等功能。光轉(zhuǎn)換、光信號(hào)放大、光信號(hào)調(diào)制等功能。是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的必備元件。是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的必備元件。光器件是具有上述一種功能的元器件的總稱(chēng)。光器件是具有上述一種功能的元器件的總稱(chēng)。類(lèi)型：無(wú)源、有源類(lèi)型：無(wú)源、有源無(wú)源無(wú)源主要包括：主要包括：光連接器、光衰減器、光耦合器、光復(fù)用器、光隔離光連接器、光衰減器、光耦合器、光復(fù)用器、光隔離器、環(huán)行器、光濾波器、光解復(fù)用器、光調(diào)

2、制器、光開(kāi)光等器、環(huán)行器、光濾波器、光解復(fù)用器、光調(diào)制器、光開(kāi)光等有源有源主要包括：主要包括：激光器、光檢測(cè)器、光放大器等激光器、光檢測(cè)器、光放大器等分類(lèi)：分類(lèi)：常用器件：常用器件：光連接器、光衰減器、光耦合器、光隔離器、環(huán)行器、激光連接器、光衰減器、光耦合器、光隔離器、環(huán)行器、激光器、光調(diào)制器、光檢測(cè)器光器、光調(diào)制器、光檢測(cè)器波分復(fù)用器件：波分復(fù)用器件：光濾波器、光復(fù)用器、光解復(fù)用器、光放大器光濾波器、光復(fù)用器、光解復(fù)用器、光放大器光網(wǎng)絡(luò)用器件：光網(wǎng)絡(luò)用器件：光開(kāi)光光開(kāi)光發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：集成化、全光纖化集成化、全光纖化第十章第十章 常用光無(wú)源器件常用光無(wú)源器件10.1 光光 纖纖 連連

3、接接 器器10.2 光纖耦合器光纖耦合器10.3 光光 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān)10.1 光光 纖纖 連連 接接 器器10.1.1 光纖連接器的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)光纖連接器的結(jié)構(gòu)與種類(lèi) 光纖(纜)活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖(纜)之間活動(dòng)連接的光無(wú)源器件，它還具有將光纖(纜)與其他無(wú)源器件、光纖(纜)與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。 光纖連接器由三個(gè)部分組成的：兩個(gè)配合插頭和光纖連接器由三個(gè)部分組成的：兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管。兩個(gè)插頭裝進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管一個(gè)耦合管。兩個(gè)插頭裝進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。如圖起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。如圖10.1所示。所示。圖10.1 光纖活動(dòng)連接器基本結(jié)構(gòu)1. 光纖連接器的結(jié)構(gòu)光

4、纖連接器的結(jié)構(gòu)光纖連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖芯對(duì)準(zhǔn)，保證90%以上的光能夠通過(guò)，目前有代表性并且正在使用的光纖連接器主要有五種結(jié)構(gòu)。(1) 套管結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu)的連接器由插針和套筒組成。(2) 雙錐結(jié)構(gòu)雙錐結(jié)構(gòu)雙錐結(jié)構(gòu)連接器是利用錐面定位。(3) V形槽結(jié)構(gòu)形槽結(jié)構(gòu)V形槽結(jié)構(gòu)的光纖連接器是將兩個(gè)插針?lè)湃隫形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對(duì)準(zhǔn)原理使纖芯對(duì)準(zhǔn)，(如圖10.3所示)。圖圖10.3 V形槽結(jié)構(gòu)形槽結(jié)構(gòu)(4) 球面定心結(jié)構(gòu)球面定心結(jié)構(gòu)球面定心結(jié)構(gòu)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(dāng)于車(chē)燈的反光鏡)的插針。(5) 透鏡耦合結(jié)

5、構(gòu)透鏡耦合結(jié)構(gòu)透鏡耦合又稱(chēng)遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖10.5、圖10.6所示。圖圖10.5 球透鏡耦合結(jié)構(gòu)球透鏡耦合結(jié)構(gòu)圖圖10.6 自聚焦透鏡耦合自聚焦透鏡耦合連接器的類(lèi)型連接器的類(lèi)型按接頭外形分類(lèi)按接頭外形分類(lèi)FCSCLCNTT公司開(kāi)發(fā)。其外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣 日本NTT公司開(kāi)發(fā)的光纖連接器。其外殼呈矩形，緊固方式是采用插拔銷(xiāo)閂式，不需旋轉(zhuǎn)，具有安裝密度高的特點(diǎn)。ST由Bell lab開(kāi)發(fā)出來(lái)。采用操作方便的模塊化插孔閂鎖機(jī)理制成。其所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25mm，提高了光配線(xiàn)架中連接器的密

6、度。目前，在單模光纖方面，LC類(lèi)型的連接器實(shí)際已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。 由ATT開(kāi)發(fā)出來(lái)，是雙錐型連接器。 ST光纖連接器有一個(gè)直通和卡口式鎖定機(jī)構(gòu)。10.1.2 光纖連接器特性光纖連接器特性評(píng)價(jià)一個(gè)連接器的主要指標(biāo)有4個(gè)，即插入損耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性。1. 插入損耗插入損耗插入損耗是指光纖中的光信號(hào)通過(guò)活動(dòng)連接器之后，其輸出光功率相對(duì)輸入光功率的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ac-10lgP1/P0(dB) 式中：Ac為連接器插入損耗；P0為輸入端的光功率；P1為輸出端的光功率。2. 回波損耗回波損耗回波損耗又稱(chēng)為后向反射損耗。它是指光纖連接處，后向反射光對(duì)輸入光的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ar

7、-10lgPR/P0 (dB) 式中：Ar表示回波損耗；P0表示輸入光功率；PR表示后向反射光功率。3. 重復(fù)性和互換性重復(fù)性和互換性重復(fù)性是指光纖(纜)活動(dòng)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(shí)插入損耗的變化，也用dB表示。10.2 光纖耦合器光纖耦合器光耦合器是將光信號(hào)進(jìn)行分路或合路、插入、分配的一種器件。NN1NP1/NP1/NP1/N耦合器的每個(gè)輸入端的光功率被分配到所有輸出端口10.2.1 光纖耦合器的分類(lèi)和應(yīng)用光纖耦合器的分類(lèi)和應(yīng)用制作光耦合器可以有多種方法，大致可分為光纖型、微器件型、波導(dǎo)型等。光纖耦合器波導(dǎo)耦合器襯底SiO2耦合器的應(yīng)用耦合器的

8、應(yīng)用PASSIVESPLITTER主要用途主要用途：功率分配功率分配密集波分復(fù)用（密集波分復(fù)用（DWDM）n光纖通信：損耗低、 距離遠(yuǎn)、容量大1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX DWDM：光傳輸?shù)膭潟r(shí)代的革命光傳輸?shù)膭潟r(shí)代的革命1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXT

9、X1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX 增加容量：時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用增加容量：時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXDWDMDWDM120 km120 km120 km

10、 圖 10.8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 輸入光光強(qiáng)度光纖a光纖b 輸出光2341(a)(b)123456789101112(c)1、光纖型、光纖型直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1 2P 0 P1 P2熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性 公共臂公共臂22 的光纖耦合器熔融拉錐法的原理：熔融拉錐法就是將兩根(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(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。耦合光功率耦合光功率P2跟以下參數(shù)有關(guān)：拉伸區(qū)長(zhǎng)度2L+W拉伸區(qū)內(nèi)逐

11、漸變小的光纖半徑r耦合區(qū)中兩根光纖的半徑差Dr總拉伸長(zhǎng)度光約束在纖芯中傳播光纖半徑減小V明顯減小部分光在纖芯外傳播發(fā)生耦合P3P1P2P0光輸入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰寬度決定拉伸時(shí)決定 zPP202sin zpzPPPP2020201cossin1%100122PPP光功率分配的百分比120log10PPP附加耦合損耗jiPPlog10插入損耗03log10PP串?dāng)_22光纖耦合器內(nèi)的光功率分布光纖耦合器內(nèi)的光功率分布假設(shè)耦合器無(wú)損耗兩根光纖交替成為驅(qū)動(dòng)光纖 是耦合系數(shù)50 : 50被驅(qū)動(dòng)光纖與驅(qū)動(dòng)光纖相位相差90 度例 22雙錐形光纖耦合器的輸入光功率為P0 = 200 mW，另

12、外三個(gè)端口的輸出功率分別為P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，P3= 6.3 nW，可以求得為：48.6%100859085%100122PPP耦合比dB58. 08590200log10log10120PPP附加損耗dB3.4790200log10log10)10(10PP端口端口到插入損耗dB45200103 . 6log10log10303PP串?dāng)_dB3.7285200log10log10)20(20PP端口端口到插入損耗光纖耦合器的散射矩陣表示法SabSba,222112112121ssssbbaa11jjS假設(shè)器件無(wú)損耗其中S為散射矩陣， sij = |sij|exp(jf

13、ij)為耦合系數(shù) 為光功率從端口1到端口2的耦合比例例 設(shè) = 0.5，那么輸出場(chǎng)Eout,1和Eout,2可以從輸入場(chǎng)Ein,1和Ein,2得到，此時(shí)的散射矩陣可以寫(xiě)成令Ein,2 = 0，則有那么可以得到兩個(gè)端口的輸出功率為2,1 ,2,1 ,1121ininoutoutEEjjEE1 ,1 ,21inoutEE1 ,2,21inoutEE和021 ,*1 ,1 ,1 ,2121PEEEPinoutoutout022,*2,2,2,2121PEEEPinoutoutoutNNlog101log10分路損耗NN 星型耦合器NiioutinPP1,log10附加損耗多根光纖一起熔融技術(shù)難度大，

14、主要是眾多光纖之間的耦合響應(yīng)控制比較困難，因此難以制作大規(guī)模的光耦合器級(jí)聯(lián)的辦法構(gòu)造大規(guī)模光耦合器N2log由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器NFNFNNFTTNTlog)log322. 31 (10log2logloglog10log102log附加損耗分路損耗總損耗NNNc2log2NTF2loglog10附加損耗構(gòu)成一個(gè)NN耦合器所需3 dB耦合器的數(shù)量：一個(gè)NN星形耦合器附加損耗：級(jí)聯(lián)光耦合器的損耗級(jí)聯(lián)光耦合器的損耗其中FT (01) 為通過(guò)每個(gè)3 dB耦合器的輸出功率與輸入功率比 圖 10.9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

15、) 光柵式解復(fù)用器光 纖自 聚 焦 透 鏡自 聚 焦 透 鏡光 纖濾 光 片1、212123123光 纖自 聚 焦 透 鏡硅 光 柵光 纖自 聚 焦 透 鏡分 光 片1342(b)(a)(c)(d)2 2、微器件型、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)器件構(gòu)成，如圖10.9所示。 衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光光 纖纖透透 鏡鏡光光 柵柵 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1+ 2+ 3采用棒透鏡的光柵型WDM光光 纖纖棒棒 透透 鏡鏡光光 柵柵 1+ 2+ 3 1 2 3+

16、 + 3 1 2 3mdisinsin光柵光柵 光柵是材料中的一個(gè)周期性結(jié)構(gòu)或周期性擾動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)使光柵具有特殊性質(zhì)：與波長(zhǎng)相關(guān)的反射特性與波長(zhǎng)相關(guān)的反射特性。這種特性可以使用光柵方程描述：不同波長(zhǎng)的光具有不同的衍射角，因此它們?cè)诳臻g上被分開(kāi)。(1) 干涉法干涉法干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場(chǎng)，調(diào)節(jié)兩干涉臂長(zhǎng)，使得形成的干涉條紋周期滿(mǎn)足制作光纖光柵的要求。 (2) 相位掩膜板法相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用預(yù)先制作的膜板，當(dāng)紫外光通過(guò)相位板時(shí)產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場(chǎng)，將光柵寫(xiě)入光纖。光纖光柵的產(chǎn)生外部寫(xiě)入法紫外掩模寫(xiě)入法：1. 用兩

17、束紫外光照射光纖并發(fā)生干涉2. 摻鍺的高光敏纖芯在光強(qiáng)部分折射率增加3. 光柵永久寫(xiě)入光纖光纖光柵應(yīng)用光纖光柵應(yīng)用波長(zhǎng)濾波器波長(zhǎng)濾波器1 2 n2 n1111111光纖光柵的應(yīng)用光濾波器光分插復(fù)用器色散補(bǔ)償器傳感器：對(duì)溫度敏感，隨溫度變化中心波長(zhǎng)發(fā)生改變 溫度6度的變化導(dǎo)致0.6 nm的中心波長(zhǎng)的漂移窄帶濾波器Dt 圖10.10 波導(dǎo)型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解復(fù)用器；光 波 導(dǎo)開(kāi) 角(a)(b )(c)多 模 波 導(dǎo)多 層 膜 濾 光 片單 模 波 導(dǎo)1.55 mm1.55 mm1.3 mm1.3 mm3、波導(dǎo)型、波導(dǎo)型 在一片平板襯底上制作所需形狀的光

18、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)器件的功能來(lái)選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。Mach-Zehnder Interferometer (MZI) 解解/復(fù)用器復(fù)用器 1 2 1 2 1 2 1 222 MZI解復(fù)用工作原理從端口1輸出的光：途徑下臂的光相對(duì)上臂的相位差為p/2 + bDL + p/2從端口2輸出的光：途徑下臂的光相對(duì)上臂的相位差為p/2 + bDL - p/2如果在輸入端的波長(zhǎng)滿(mǎn)足bDL = kp (k為奇)兩個(gè)支路的光在上輸出端口相差2p的整數(shù)倍，在下端口的光相差p的整數(shù)倍，因此，光最終從上端口輸出如果在輸入端的波長(zhǎng)滿(mǎn)足bDL = kp (k為耦)那

19、么光信號(hào)由下輸出端口輸出因此不同的波長(zhǎng)可以解復(fù)用到不同輸出端b：傳播常數(shù)22 MZI復(fù)用器選擇合適的波長(zhǎng)，或者說(shuō)當(dāng)DL滿(mǎn)足關(guān)系：時(shí)，1和2可以被復(fù)用在一起。DDeffncL2DDD2221effncLL1322LncLeffDDD多端口的MZI復(fù)用器圖圖10.15 波導(dǎo)陣列光柵波導(dǎo)陣列光柵陣列波導(dǎo)光柵基于相位陣列的基于相位陣列的WDM器件器件相鄰波導(dǎo)長(zhǎng)度差DLNMMN陣列波導(dǎo)光柵AWG是MZI的擴(kuò)展NNAWG應(yīng)用1. 復(fù)用解復(fù)用器2. 波長(zhǎng)路由選擇開(kāi)關(guān)配合波長(zhǎng)變換器可成為動(dòng)態(tài)的波長(zhǎng)路由選擇器10.2.2 光纖耦合器的特性光纖耦合器的特性1. 插入損耗插入損耗插入損耗(Insertin Loss

20、，IL)定義為指定輸出端口的光功率相對(duì)全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 其中：ILi是第i個(gè)輸出端口的插入損耗；Pouti是第i個(gè)輸出端口測(cè)到的光功率值；Pin是輸入端的光功率值。)(lg10.dBPPLIinoutii2. 附加損耗附加損耗附加損耗(Excess Loss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中：Pouti為第i個(gè)輸出口的輸出功率；Pin為輸入光功率。)(lg10.dBPPLEiniouti3. 分光比分光比分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)

21、語(yǔ)，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對(duì)輸出總功率的百分比，在具體應(yīng)用中常用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為 例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，1 1或50 50代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。%100.ioutioutiPPRC4. 方向性（串?dāng)_）方向性（串?dāng)_）方向性也是光耦合器所特有的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它是衡量器件定向傳輸性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時(shí)，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(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：Pin1代表總注入光功率；Pin2代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。)(lg10.12dBPPLDININ5. 均勻性均勻性均勻性就

22、是衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中：MIN(Po u t)為最小輸出光功率；MAX(Pout)為最大輸出光功率。)()()(lg10.dBPMAXPMINLFoutout6. 偏振相關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能對(duì)于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量：在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)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足夠小的

23、偏振相關(guān)損耗。)()()(lg10.dBPMAXPMINLDPoutjoutjj7. 隔離度隔離度隔離度是指某一光路對(duì)其他光路中的信號(hào)的隔離能力。隔離度高，也就意味著線(xiàn)路之間的“串話(huà)”小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中：Pt是某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值；Pin是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。)(lg10dBPPIint10.3 光光 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān)10.4.1 光開(kāi)關(guān)的種類(lèi)光開(kāi)關(guān)的種類(lèi)1. 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)機(jī)械式光開(kāi)關(guān)機(jī)械式光開(kāi)關(guān)是最傳統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)，一種實(shí)用化的機(jī)械式多模光纖光開(kāi)關(guān)的插入損耗小于1dB，開(kāi)關(guān)時(shí)間小于1ms。(1) 微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)是微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)與傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。(2) 毛細(xì)管效應(yīng)光開(kāi)關(guān)毛細(xì)管效應(yīng)光開(kāi)關(guān)毛細(xì)管效應(yīng)光開(kāi)關(guān)是采用了電毛細(xì)管效應(yīng)或熱毛細(xì)管效應(yīng)的光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。(3) 金屬薄膜光開(kāi)關(guān)金屬薄膜光開(kāi)關(guān)金屬薄膜光開(kāi)關(guān)使用了金屬膜與無(wú)源波導(dǎo)相結(jié)合的構(gòu)形，其結(jié)構(gòu)如圖10.23所示。圖圖10.23 使用了金屬膜與無(wú)源波導(dǎo)相結(jié)合的光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)使用了金屬膜與無(wú)源波