光纖通信系統(tǒng)-精品課件

1、第1章 緒 論第1章 緒 論1.1 光纖制備與應(yīng)用的發(fā)展 11.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展21.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展31.1 光纖制備與應(yīng)用的發(fā)展 1.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)光纖一般是由纖心、包層、涂敷層及護(hù)套構(gòu)成的，是一個多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱圓柱體，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。 圖1.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)纖心一般是由某種類型的玻璃或塑料制成的圓柱體，其直徑約為 585 m。1.1 光纖制備與應(yīng)用的發(fā)展包層是環(huán)繞纖心的圓柱形套層，可以是一層或多層，由特性與纖心不同的玻璃或塑料制成，其折射率略小于纖心折射率。涂敷層是一種涂料的敷層，其作用是保護(hù)光纖不受外來的損害，以增強(qiáng)光纖的韌性。護(hù)套是由塑料制成的圓形保護(hù)

2、套，用來維持光纖的機(jī)械強(qiáng)度。1.1 光纖制備與應(yīng)用的發(fā)展1.1.2 光纖發(fā)展史光纖自1841年由 Daniel Colladon 通過實驗發(fā)現(xiàn)了光線能夠沿著盛水的彎曲通道而傳播以來，經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展（參見表1.1），現(xiàn)已經(jīng)是通信的主要干線。此外，各種特殊需要的光纖也應(yīng)運(yùn)而生，目前已有幾十種。1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展1 1.2.1 通信系統(tǒng) 的組成2 1.2.2 通信系統(tǒng)的分類3 1.2.3 光通信 概述4 1.2.4 光纖通信的發(fā)展過 程簡介1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展1.2.1 通信系統(tǒng)的組成所謂通信，從廣義上講就是信息從發(fā)信者傳輸?shù)绞招耪叩倪^程。消息是用以載荷信息的有次序的序列或連續(xù)的

3、時間函數(shù)。前者稱為離散信息，后者稱為連續(xù)信息。通信系統(tǒng)中傳輸?shù)木唧w對象是消息，這種傳輸利用通信系統(tǒng)來實現(xiàn)。完成通信過程的全部設(shè)備和傳輸媒質(zhì)，稱為通信系統(tǒng)。1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展19世紀(jì)末迅速發(fā)展起來的以電信號（或光信號）為信息載體的通信系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如圖1.2所示。 圖1.2 通信系統(tǒng)的一般模型1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展信源的作用是產(chǎn)生（形成）消息。信源分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)信機(jī)的作用是將消息變換成適于在信道中傳輸?shù)男盘?。信道是將信號從發(fā)信機(jī)傳輸?shù)绞招艡C(jī)的媒質(zhì)或途徑。收信機(jī)的作用與發(fā)信機(jī)相反，完成解調(diào)、解碼等任務(wù)，將信號轉(zhuǎn)換為信息。信宿的作用是將復(fù)原的原始信

4、號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息，是傳輸信息的歸宿點。1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 1.2.2 通信系統(tǒng)的分類 通信系統(tǒng)有多種分類方法。 (1) 按傳輸媒質(zhì)的不同進(jìn)行分類 可分為有線通信和無線通信兩大類。 (2) 按通信業(yè)務(wù)和用途進(jìn)行分類 可分為常規(guī)通信和控制通信等。 (3) 按傳輸信號的特征進(jìn)行分類 可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 (4) 按信息傳遞的方向與時間關(guān)系進(jìn)行分類 可分為單工通信、半雙工通信和雙工通信。 (5) 按調(diào)制方式進(jìn)行分類 可分為基帶傳輸通信和調(diào)制傳輸通信。 (6) 按傳輸信號的復(fù)用方式進(jìn)行分類 可分為頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用三種復(fù)用方式的通 信。1.2

5、 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 1.2.3 光通信概述 1基本概念從廣義上講，凡是用光作為信息載波信號的通信稱為光通信。光通信系統(tǒng)使用電磁波譜中的可見光或近紅外區(qū)域的高頻電磁波（約100 THz）。有時又稱為光波通信系統(tǒng)，以區(qū)別于頻率低于5 個數(shù)量級的微波（微波載波頻率為110 GHz）通信系統(tǒng)。 1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展圖1.3為光的頻譜圖，可以看出光的頻率很高，響應(yīng)帶寬也很寬，光通信充分利用了這一優(yōu)點。 圖1.3 光的頻譜圖1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展根據(jù)定義，波長是光在一個周期時間內(nèi)行進(jìn)的距離。設(shè)真 空中光的波長為 ，介質(zhì)中的波長為 ，則光的波長 和頻率 之間的關(guān)系為 (1.1) (1.2) 式(

6、1.1)和式(1.2)中，是真空中的光速， ； 為介質(zhì)的折射率（石英光纖的折射率為1.5左右）； 為光在介質(zhì)中的速度 。 1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展在光通信系統(tǒng)中，除了一些特殊場合使用可見光之外，現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)一般使用近紅外光，典型波長為 和 相應(yīng)的頻率分別為 230 THz 和193 THz 。 2光通信系統(tǒng)的分類與特點光通信系統(tǒng)可分為兩類：大氣激光系統(tǒng)（無線光通信）和光纖通信系統(tǒng)（有線光通信）。大氣激光通信主要是指用激光作為信息的載波信號并以大氣為信道的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要是指用激光作為信息的載波信號并以光纖為信道的通信系統(tǒng)1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展大氣激光通信系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)構(gòu)

7、成了近代光通信系統(tǒng)。下面對這兩類光通信的特點做簡要討論 (1) 大氣激光通信大氣激光通信是利用光波在空氣中直線傳播的特點，進(jìn)行大氣傳輸?shù)墓馔ㄐ?。這種通信方式，其信道為大氣，不需要敷設(shè)任何通信線路，簡單經(jīng)濟(jì)。 (2) 光纖通信光纖通信技術(shù)是當(dāng)代通信技術(shù)發(fā)展的最高成就，已成為現(xiàn)代通信的基石。光纖通信得到如此飛速的發(fā)展，主要是因為它具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點：1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 頻帶寬，信息容量大。 傳輸損耗低，傳輸距離遠(yuǎn)。 制作光纖、光纜用的原材料資源豐富。 光纖作為信道具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，便于通信線路的敷設(shè)。 光纖通信系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，使用安全。 但光纖信道也存在不足之處：在敷設(shè)光纖、

8、光纜時，彎曲半徑不能過小，否則光纖中傳輸?shù)膶?dǎo)模將成為輻射模而損耗光能；要求有比較好的光纖切斷、連接技術(shù)；分路、耦合比較麻煩。1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 1.2.4 光纖通信的發(fā)展過程簡介光纖通信經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，經(jīng)歷了5 個發(fā)展階段，其中已有五代光纖通信系統(tǒng)由試驗研究進(jìn)入了實用階段。 (1) 第一代光纖通信系統(tǒng)1978年，第一代光纖通信系統(tǒng)（多模光纖通信系統(tǒng)）正式投入商業(yè)應(yīng)用。光源為半導(dǎo)體激光器(GaAlAs LD)或發(fā)光二極管(LED)，工作波長。該光纖通信系統(tǒng)稱為短波通信系統(tǒng)。光電探測器為管（硅光電二極管）或（硅雪崩光電二極管）。信道為均勻多模光纖.1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 (2)

9、 第二代光纖通信系統(tǒng) 20世紀(jì)80年代初，第二代早期多模光纖通信系（1.3m多模光纖通信系統(tǒng)）問世。光源為 InGaAsP 半導(dǎo)體激光器，工作波長= 1.3m 。 (3) 第三代光纖通信系統(tǒng)1990年，第三代光纖通信系統(tǒng)已能提供商業(yè)應(yīng)用。光源為銦鎵砷磷(InGaAsP)半導(dǎo)體激光器，光電探測器與第二代光纖通信系統(tǒng)同為鍺光電探測器，信道為單模光纖（工作波長為1.55m）。該系統(tǒng)是工作在= 1.55m長波波段的單模光纖通信系統(tǒng)，為長波光纖通信系統(tǒng)。1.2 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 (4) 第四代光纖通信系統(tǒng)相干光纖通信系統(tǒng)相干光纖通信系統(tǒng)是利用激光的相干性，將無線電通信中采用的“外差”接收（或零差接收）

10、和先進(jìn)的調(diào)制方式應(yīng)用到光纖通信中的系統(tǒng)。 (5) 第五代光纖通信系統(tǒng)光孤子通信系統(tǒng)光孤子通信是利用光纖非線性進(jìn)行超大容量、超長距離的光纖通信方式。光纖通信系統(tǒng)中，光孤子是一個非常窄，并具有很高強(qiáng)度的光脈沖。1.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1 1.3.1 概述2 1.3.2 傳感器的 組成3 1.3.3 光纖傳 感器的 分類4 1.3.4 光纖傳感器的發(fā)展史5 1.3.5光纖傳感器的研究現(xiàn)狀1.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.3.1 概述光纖傳感器是用待測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制得到調(diào)制信號，該信號經(jīng)光纖傳輸至光探測器進(jìn)行解調(diào)，從而獲得待測量值的一種裝置。與傳統(tǒng)的傳感器不同，它將被測信號轉(zhuǎn)換為光信號

11、的形式取出。光纖傳感原理與技術(shù)是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)的，光從光纖射出時，光的特性得到調(diào)制，通過對調(diào)制光的檢測，便能感知外界的信息，實現(xiàn)對各種物理量的測量，這就是光纖傳感器的基本原理。1.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展 1.3.2 傳感器的組成傳感器的定義是: “能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。傳感器主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應(yīng)的被探測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和（或）測量的電信號的部分。 1.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展傳感器的組成方框圖如圖1.5所示。 圖1.5 傳感器

12、的組成方框圖1.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展 1.3.3 光纖傳感器的分類傳感器的分類可以從測量、結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式及器件材料等不同角度分類，如書上表1.2所示。 1.3.4 光纖傳感器的發(fā)展史20世紀(jì)傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，即結(jié)構(gòu)型傳感器、物理型傳感器和智能型傳感器。其測量技術(shù)、方法和特點歷程參見表1.3。光纖傳感技術(shù)在我國的發(fā)展史參見表1.4。1.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展 1.3.5 光纖傳感器的研究現(xiàn)狀經(jīng)過二十余年的研究積累，我國的光纖傳感正在穩(wěn)步發(fā)展。我國光纖傳感的進(jìn)一步發(fā)展需要從光纖基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、光電基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和光纖傳感技術(shù)全方位考慮綜合發(fā)展，才有可能真正創(chuàng)造我國的尖端傳感技術(shù)，打破國外對我國的

13、先進(jìn)技術(shù)封鎖。第2章 光纖與光纜第2章 光纖與光纜光纖通信系統(tǒng)是指利用激光作為信息的載波，并通過光纖來傳遞信息的通信系統(tǒng)。從20世紀(jì)70年代開始，光纖通信快速發(fā)展，目前在世界范圍內(nèi)成為最重要的通信手段。利用光纖作為傳輸介質(zhì)的光纖通信，有如下優(yōu)點： (1) 載波頻率高有極大的通信容量； (2) 直徑細(xì)，質(zhì)量輕； (3) 基質(zhì)材料是石英，來源豐富，可以節(jié)約大量金屬； (4) 不受電磁干擾，同時也不產(chǎn)生電磁干擾。第2章 光纖與光纜 2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式1 2.2 光纖的材料、制作和光纜2 2.3 光纖的傳輸特性3 2.4 光纖的種類42.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式1 2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)2 2.1.

14、2 階躍折射率 光纖分析的 基本概念3 2.1.3 階躍折射 率光纖的 模式分析2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的全稱是光導(dǎo)纖維(Optical Fiber)，是一種傳輸光能量的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所傳光的波長在可見光和紅外光區(qū)域。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。光能夠被束縛在光纖心中傳輸?shù)谋匾獥l件是纖心的折射率（至少在截面的某些區(qū)域）大于包層的折射率。護(hù)套在光學(xué)上幾乎與纖心隔絕，可以忽略其影響。纖心內(nèi)，折射率分布可以是均勻的或是漸變的，也可能是更復(fù)雜的分布。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式圖2.1給出了一些常見光纖的折射率分布。 圖2.1 光纖的折射率分布2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式根據(jù)光纖中光場的

15、傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。折射率 由制作光纖的材料決定，在光纖分析中通常定義相對折射率差 ，通常單模光纖的相對折射率差 滿足 ，多模光纖的相對折射率差 滿足 ?？梢?， ， ，是弱導(dǎo)光波導(dǎo)。制作光纖的材料通常有高純石英( )、多組分玻璃和有機(jī)聚合物等材料，詳細(xì)情況參見2.2節(jié)。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 2.1.2 階躍折射率光纖分析的基本概念 1. 子午線的數(shù)值孔徑在光纖中，光線有兩種，一種是始終處在一個平面里，經(jīng)過波導(dǎo)的中心軸線，在光纖心與包層界面上作全反射，呈鋸齒形，這種射線稱為子午線，如圖2.2(a)所示。另一種光線不在同一平面里，不經(jīng)過光纖的中心軸線，但仍在光纖心與包層的界

16、面上作全反射，這種光線的范圍是在邊界面和焦散面之間，稱為偏射線，如圖2.2(b)所示。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式子午線是平面曲線，偏射線是空間曲線。偏射線的極限 是焦散面與心包層界面重合，這時偏射線稱為螺旋線， 如圖2.2(c)所示。 圖2.2 子午線和偏射線2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 2.1.2 階躍折射率光纖分析的基本概念光纖端面外側(cè)是另外一種介質(zhì)，一般是空氣，其折射率為 ，入射光線與光纖軸成 角，根據(jù)折射率定律，有 (2.1)只有當(dāng)入射角 大于臨界角 時，光才在波導(dǎo)內(nèi)作全反 射，才可以形成導(dǎo)波，因此， ，即 。 為了得到導(dǎo)波，外面光線的入射角 必須滿足下式：2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 (2.2

17、)即 。可以激發(fā)導(dǎo)波的入射光線的最大角度 的正弦值即為數(shù)值孔徑NA 。一般情況下 ，則數(shù)值孔徑 。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進(jìn)入光纖形成導(dǎo)波。此計算是依據(jù)子午線而進(jìn)行的，偏射線需要修正。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 2.1.2 階躍折射率光纖分析的基本概念2偏射線入射光線 ，其方向單位矢量 ， , , 為光線的方向余弦，即與坐標(biāo)之間的夾角余弦。 入射到波導(dǎo)端面上的某一點 ， 。光線進(jìn)入光纖后，在界面上進(jìn)行全反射，每段射線為 , ，其單位矢為 , ，這些射線不經(jīng)過軸線。 2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式在射線與界面的交點處設(shè)想一個平面與界面相切，這個平面與光纖有一條切線，且與光纖軸線平行，每一個交點與軸

18、線之間的距離為 , , ，反射時有如下規(guī)律：(1) 入射光線、反射光線和法線現(xiàn)在一個平面內(nèi)，法線為 ，用數(shù)學(xué)式子表示為 (2.3)(2) 入射角等于反射角，用數(shù)學(xué)式子表示為 (2.4)2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式(3) 若 大于 ，則可以得到全反射，即 (2.5)(4) 端面偏射線數(shù)值孔徑在光纖始端，什么樣的射線 能被光纖捕獲得以在光纖內(nèi)作全反射傳輸呢？應(yīng)用式(2.5)，當(dāng) 時，可得2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式由圖2.3 可見， ， ， 。 圖2.3 端面偏射線數(shù)值孔徑2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式若有全反射，則 ，故 ， 。 從端面入射時， ，偏射線的數(shù)值孔徑為 (2.6)由于式(2.6)中 1，故偏射線

19、的數(shù)值孔徑要比子午光線大。當(dāng) 時，偏射線成為螺旋光線。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式2.1.3 階躍折射率光纖的模式分析在光纖中傳輸?shù)墓饪梢暈榻?jīng)典的電磁波，光纖可看做是由纖心和包層組成的無限長圓柱，則光纖中的電磁場形式：式中， 為光纖傳輸常數(shù)。不同的 所對應(yīng)的電磁場在橫截面內(nèi)的分布 各不相同，稱為光纖的模式。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 1模式本征方程在直角坐標(biāo)系下，展開麥克斯韋方程 得到(2.7)2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式經(jīng)過變換后，得到 (2.8)式(2.8)說明 滿足亥姆霍茲方程，這是完全合理的。按上述相同的方法，令 ，則可以得到與上述類似的關(guān)于 的方程，因此實際的模式可以有如下形式： (2.9)式

20、中，a , b 是任意常數(shù)； 是 x 方向線偏振模； 是 y 方向線偏振模。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式從以上兩組線偏振模LP模中取一組， 例如 。 若光纖中折射率變化很小，二階以上的變化率可以忽略，則有2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式因此，可以認(rèn)為下述三種說法是一致的。 (1) 模式場中關(guān)于橫坐標(biāo)的二階變化率趨于零。 (2) 在邊界上連續(xù)， 只有分量 ，這相當(dāng)于把電磁場看成標(biāo)量，所以又稱為標(biāo)量近似。 (3) 纖心和包層之間的折射率 變化很小，即1 為弱導(dǎo)光波導(dǎo)。所以，標(biāo)量近似又稱為弱導(dǎo)近似。在標(biāo)量近似下，兩組線偏振模為 2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 電磁場的橫向分量互相垂直，且成比例，類似于矢量法中的TE,

21、 TM 模。在標(biāo)量近似下，線偏振模仍然具有圓對稱性，即 (2.10)下面以一組線偏振模 為例，求解在圓柱坐標(biāo)系下 滿足亥姆霍茲 方程： (2.11) 在圓柱坐標(biāo)系下，式(2.11)是貝塞爾方程， 是貝塞爾方程的解，為貝塞爾函數(shù)。 2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式考慮到 在圓柱內(nèi)的值必為有限，當(dāng) , 時，則 (2.12) 式中，A, B為任意常數(shù)； 為第一類貝塞爾函數(shù)； 為第二類變型（虛宗量）貝塞爾函數(shù)。因此，可求出其他場分量： (2.13) 2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 (2.14) (2.15)2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式由邊界條件確定關(guān)于 的特征方程： (2.19) 式(2.19)是關(guān)于 的特征方程。利用

22、貝塞爾函數(shù)的遞推公式，可得 (2.20) 或 (2.21) 這就是LP模式的特征（本征）方程。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式本征方程是超越方程，只能求數(shù)值解，解的步驟如下：(1) 根據(jù)光纖的心徑 a、相對折射率 以及工作波長來確定歸一化頻率V ： (2.22)(2) 利用 或 求解特征方程，得到 U 或 W ，再由 或 得到 。(3) 已知 U , W ，可以確定A/B ，即纖心內(nèi)、外場之比。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式 2截止條件和模式分類對于某種模式，若W0，UV時，模式趨于截止，因此W0為截止條件。 是滿足截止條件時的特征方程。可知 m = 0時，截止頻率為0的模式是 ，是光纖的第一個模式，稱為基

23、模；第二個模式是m = 1時，由 的第一個根V = 2.4048開始的，即 模。因此當(dāng)V2.4048時，光纖內(nèi)只有一種模式，即單模傳輸。一個LP模式實際上是由4個矢量模簡并而成的。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與模式當(dāng)歸一化頻率V很大時，即V時，可知此時U趨向于某個恒定值，則W。 在這種情況下，LPmn 模的U 在 和 的兩個根之間變化，其中歸一化傳輸常數(shù)定義為 (2.23)標(biāo)量近似的LP模的歸一化 傳輸常數(shù)b與V之間的關(guān)系 如圖2.4所示。 圖2.4 線偏振LP模的b = f (V)關(guān)系圖2.2 光纖的材料、制作和光纜在這一節(jié)中主要介紹石英光纖的制作工藝。石英光纖的制造工藝大致可以分為兩個階段，即光纖預(yù)

24、制棒的制造和預(yù)制棒拉制光纖。 2.2.2 預(yù)制棒拉絲2 2.2.1 預(yù)制棒的制造方法12.2 光纖的材料、制作和光纜 2.2.1 預(yù)制棒的制造方法預(yù)制棒的制造方法很多，常見的方法有：外氣相沉積法(OVPO)、氣相軸向沉積法(VPAD)、改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)、等離子體激活化學(xué)氣相沉積法(PCVD)。下面分別加以介紹。1OVPO法OVPO法是 Corning Class Work 公司用于制造第一根損耗小于20 dB/km 的石英光纖的方法。該方法采用以下化學(xué)反應(yīng)：2.2 光纖的材料、制作和光纜以石英、石墨或陶瓷棒作為中心棒，在中心棒外沉積粉塵，然后抽掉中心棒，高溫?zé)Y(jié)成預(yù)制棒，制造示

25、意圖如圖2.5所示。 圖2.5 OVPO法2.2 光纖的材料、制作和光纜 OVPO法的基本步驟如下： (1) 中心棒在噴嘴下方，勻速旋轉(zhuǎn)并來回平移，以便在中心棒外形成粉塵的均勻沉積。 (2) 控制氣體流量成分，可以使預(yù)制棒折射率分布是階躍的，或是漸變的。 (3) 沉積過程完成后，經(jīng)過脫水處理后，抽出中心棒，在高溫爐中將粉塵狀預(yù)制棒燒結(jié)成透明玻璃預(yù)制棒。2.2 光纖的材料、制作和光纜2VPAD法化學(xué)反應(yīng)生成 微粒的過程與OVPO法 完全一樣，沉積時由橫向變?yōu)榭v向， 這是日本NTT公司采用的光纖預(yù)制 棒制作方法，制造示意圖如圖2.6 所示。VPAD法的優(yōu)點是：沉積速度快，適 合批量生產(chǎn)，一根棒可拉

26、100 km以 上的光纖。 圖2.6 VPAD法2.2 光纖的材料、制作和光纜3MCVD法該方法在旋轉(zhuǎn)的石英管的內(nèi)壁進(jìn)行沉積，制造示意圖如圖2.7所示。采用以下化學(xué)反應(yīng)：停止氣相反應(yīng)，加高溫將石英管燒結(jié)成實心棒，改變氣相組分可以制成階躍或梯度折射率預(yù)制棒。 圖2.7 MCVD法2.2 光纖的材料、制作和光纜4PCVD法Philips 研究所的科學(xué)家們發(fā)明了等離子體激活化學(xué)氣相沉積法，該方法與MCVD法很類似，高純石英管置于微波諧振腔內(nèi)。在石英管內(nèi)通入反應(yīng)氣體，微波諧振腔使管內(nèi)氣體等離子化，產(chǎn)生高溫化學(xué)反應(yīng)，將一層純凈 沉積在管壁上， 的沉積率接近100，通過改變氣相的組分產(chǎn)生折射率的變化，制造

27、示意圖如圖2.8所示。沉積完成后，經(jīng)燒結(jié)形成預(yù)制棒。2.2 光纖的材料、制作和光纜 圖2.8 MCVD法 這種方法的優(yōu)點在于采用微波諧振腔加熱，高純石英管不被加熱，只是管內(nèi)的反應(yīng)物被加熱，能耗低，操作易于進(jìn)行。2.2 光纖的材料、制作和光纜 2.2.2 預(yù)制棒拉絲預(yù)制棒制作完成，第二階段是 將預(yù)制棒拉絲成為光纖。石英 光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 如圖2.9所示。在拉絲過程中， 可以基本保持原預(yù)制棒的 折射率分布不變。 圖2.9 石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖2.2 光纖的材料、制作和光纜在拉絲過程中，需要保持光纖直徑的均勻性，根據(jù)質(zhì)量守恒，有 (2.24) 式中，D為預(yù)制棒直徑；d 為光纖直徑； 為預(yù)

28、制棒下降速度； 為光纖收絲速度。 通過控制 和 來控制光纖的直徑， 一般為 301000 m/min 。2.2 光纖的材料、制作和光纜實際應(yīng)用中，為了提高光纖的強(qiáng)度、耐溫等性能，光纖必須制成光纜才能使用。成纜時可以有多種結(jié)構(gòu)，通常由外護(hù)套、包帶和加強(qiáng)心構(gòu)成。圖2.10為層絞式和骨架式兩種常見的光纜結(jié)構(gòu)。 圖2.10 光纜結(jié)構(gòu)圖2.3 光纖的傳輸特性光纖作為光通信的傳輸介質(zhì)，從通信角度來看，主要關(guān)心光纖的以下幾個傳輸特性： (1)衰減：只有衰減小到一定程度才可能做長距離通信使用； (2)色散：色散小，脈沖展寬小，從而要求光纖有較小的色散，才可能以高速率傳輸信號或者說有較大的通信容量。 另外，隨著

29、光纖通信的發(fā)展，光纖的偏振特性和非線性效應(yīng)對光信號的傳輸也有較大的影響。 2.3 光纖的傳輸特性1 2.3.1 衰減2 2.3.2 色散3 2.3.3 偏振特性4 2.3.4 非線性 效應(yīng)2.3 光纖的傳輸特性 2.3.1 衰減一段光纖的損耗由通過這段光纖的光功率損失來衡量， 穩(wěn)態(tài)條件下，單位長度的光纖損耗稱為衰減系數(shù) ， 通常定義為 （ ） (2.25) 式中， 為入射光功率； 為傳輸后的輸出光功率。產(chǎn)生光纖損耗的機(jī)制很復(fù)雜，主要與光纖材料本身的特性有關(guān)，其次，制造工藝也影響光纖的損耗，影響損耗的制造工藝因素很多。 2.3 光纖的傳輸特性 2.3.2 色散光脈沖在光纖中傳輸時，由于 傳輸常數(shù)

30、 是光頻率 的函數(shù)，當(dāng) 與更高階導(dǎo)數(shù)不為零時，意味著 光信號中不同頻率（或波長）成分具有不同的群延遲或 群速度，這種群速度隨光頻率變化的現(xiàn)象稱為群速度色 散(GVD)，簡稱為色散。色散將導(dǎo)致光脈沖在光纖中傳輸時的脈沖展寬，從而限制了光纖通信的信息傳輸速率，即通信容量。2.3 光纖的傳輸特性在多模光纖中，由于存在多個模式，因此群速度也必然不同 ，這種色散稱為模式間色散。對于單模光纖，由于只有基模，光脈沖中的不同頻率成分具有不同的群延遲或群速度，這種色散要比模式間色散小很多，下面討論這種色散。 為時延差，即光信號中群速度最慢與最快頻率成分的傳輸時延差： (2.26) 式中，D 為色散系數(shù)，單位為

31、ps/(nmkm) ；L 為光傳輸長度； 為傳輸光的波長范圍。 2.3 光纖的傳輸特性傳輸常數(shù) 之間的關(guān)系為 (2.27)根據(jù)光纖的模式理論，可以得到式中， 為材料色散； 為波導(dǎo)色散； 為折射率剖面色散。2.3 光纖的傳輸特性石英單模光纖的色散曲線如圖2.12所示，ZMD 是材料色散的色散零點， 是總色散零點波長， 常規(guī)石英光纖的約為1310 nm。 圖2.12 石英單模光纖的色散曲線2.3 光纖的傳輸特性 2.3.3 偏振特性雙折射現(xiàn)象，即當(dāng)一束線偏光（圓偏光也有類似定義）通過光纖時，其傳輸常數(shù) 隨偏振方向改變的現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)象對光通信的影響主要體現(xiàn)為偏振模色散(PMD)。單模光纖在其基模工

32、作時有兩個正交的極化方向，每一個方向代表一個偏振模。傳播常數(shù)為 和 ，由于雙折射， ，單位距離的時延分別為 , 故時延差為 2.3 光纖的傳輸特性因為歸一化雙折射率為 故 對于石英光纖，第二項遠(yuǎn)小于第一項, 因此 (2.28)對于普通光纖，B在數(shù)量級， 。2.3 光纖的傳輸特性 2.3.4 非線性效應(yīng)當(dāng)光纖中的光場強(qiáng)較弱時，光纖可視為線性介質(zhì)；但光場強(qiáng)加大后，任何電介質(zhì)都會表現(xiàn)出非線性。1非線性極化理論光纖作為電介質(zhì)在外電場（包括光波電場）作用下，感應(yīng)電偶極矩，極化所形成的附加電場與外電場疊加形成介質(zhì)中的場。 2.3 光纖的傳輸特性電偶極子的極化強(qiáng)度 對于電場 是非線性的，通常滿足 (2.29

33、) 式中， 為真空介電常數(shù)； , , 分別為一階、二階、三階電極化率。當(dāng)外場較弱時， ， ，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出光在介質(zhì)中傳播的波動方程是線性的。 (2.30)2.3 光纖的傳輸特性在線性光學(xué)范圍內(nèi)，光的疊加性原理成立。光頻率各分量不存在相互作用，頻率也不會變化，表征介質(zhì)特性的參數(shù)如介電系數(shù)、吸收系數(shù)都與外加光場強(qiáng)度無關(guān)。但在非線性光學(xué)范圍內(nèi)，情況就不同了，式(2.29)中的第二項及其以后的各項之和統(tǒng)稱為非線性極化強(qiáng)度矢量： (2.31)由于非線性極化強(qiáng)度的存在，物質(zhì)方程不再是線性的，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的波動方程也是非線性方程： (2.32) 2.3 光纖的傳輸特性光纖中不顯示二

34、階非線性光學(xué)效應(yīng)，摻雜時才會考慮二階非線性光學(xué)效應(yīng)。三階非線性極化強(qiáng)度項導(dǎo)致克爾效應(yīng)、雙光子吸收、光波自作用以及受激輻射受激拉曼散射和受激布里淵散射等現(xiàn)象。這些是影響光纖通信的重要的非線性光學(xué)效應(yīng)。從物理機(jī)制上講，非線性光學(xué)效應(yīng)大致可以分為兩大類：一類稱為參量過程（非激活的），另一類稱為非參量過程（激活的）。在參量過程中，參與參量過程的光場之間需要滿足一定的相位匹配條件。在非參量過程中，非參量過程不需要滿足相位匹配條件。 2.3 光纖的傳輸特性2受激散射及其對光纖通信的影響受激散射是三階非線性極化強(qiáng)度項表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，從量子觀點容易說明其物理機(jī)理，并分析其對光通信系統(tǒng)的影響。(1) 物理機(jī)理拉

35、曼散射和布里淵散射是光纖物質(zhì)中原子參與的光散射現(xiàn)象。在晶體中，原子在其平衡位置附近不停地振動，由于原子之間的相互作用，每一個原子的振動要依次傳遞給其他原子，從而形成晶體中的格波，格波的形式很復(fù)雜，可以分解成一些簡諧波的疊加。2.3 光纖的傳輸特性根據(jù)量子力學(xué)理論，格波的能量是量子化的，對頻率 的格波，它們的每份能量 稱為一個聲子。所謂聲子，就是晶格振動能量變化的最小單位。入射光波被晶格振動散射，可以理解為光子與聲子相互碰撞的問題，在散射過程中，常常伴隨聲子的吸收和發(fā)射，但必須滿足能量守恒，從而使入射光發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換。 通過薛定諤方程求出的格波解分為兩支，頻率較高的一支與晶體的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通常稱

36、為光學(xué)波，頻率較低的一支與宏觀彈性波（聲波）有密切關(guān)系，稱為聲學(xué)波。由光學(xué)波聲子參與的光散射稱為拉曼散射，由聲學(xué)波聲子參與的光散射稱為布里淵散射。2.3 光纖的傳輸特性拉曼散射的基本過程可以理解為：頻率 的入射光子與介質(zhì)相互作用，可以發(fā)射一個頻率為 的斯托克斯(Stokes)光子和一個頻率為 的光學(xué)波聲子。在這個過程中，能量守恒，即 （h是普朗克常量），光波產(chǎn)生下頻移。入射光子與介質(zhì)相互作用，也可能吸收頻率 的聲子而產(chǎn)生一個頻率為 的反斯托克斯光子，能量仍守恒，光波產(chǎn)生上頻移。布里淵散射與拉曼散射過程相似，只是參與的聲子是聲學(xué)聲子，頻率低，因此布里淵散射頻移小。 2.3 光纖的傳輸特性 (2)

37、 受激Raman 散射對光通信的影響當(dāng)光纖中傳輸功率較小時，主要是自發(fā)拉曼散射與布里淵散射，對光纖通信不會產(chǎn)生明顯的影響。但隨光功率增大，就可能產(chǎn)生受激拉曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)。臨界功率大約為3 W 左右，它與光纖的有效面積以及光纖的長度、光學(xué)性質(zhì)都有關(guān)。2.3 光纖的傳輸特性受激拉曼散射主要以前向散射為主，對光纖的影響主要表現(xiàn)為限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊β省Ｊ芗だ⑸鋵?dǎo)致頻率轉(zhuǎn)換，使光纖損耗加大，引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_。受激拉曼散射對波分復(fù)用系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單通道光纖系統(tǒng)，每一個信道只要幾毫瓦的光子功率就能引起明顯的拉曼串?dāng)_，其特點是短波長信道功率向長波長信道轉(zhuǎn)移。

38、由于光纖中處于激發(fā)態(tài)的原子很少，反斯托克斯光增益小，長波長信道功率向短波長信道轉(zhuǎn)移不明顯。2.3 光纖的傳輸特性 (3) 受激布里淵散射的特點及對光通信的影響受激布里淵散射(SBS)的特點是：以反向散射為主；增益系數(shù)大；閾值低，對常規(guī)單模光纖來說大約為4 mW ；頻移小，僅有數(shù)十兆赫茲。因此，受激布里淵散射主要對窄譜線光源的系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，反向散射光反饋回窄譜線激光器會嚴(yán)重影響激光器的正常工作，必須使用光隔離器。受激布里淵散射使光譜線增寬，對相干光通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響。2.3 光纖的傳輸特性3非線性折射率調(diào)制引起的非線性光學(xué)效應(yīng)折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是 引起的，光纖的折射率可以表示為 (2.33

39、) 式中， 為線性折射率； 為與 有關(guān)的非線性折射率系數(shù)，對于石英光纖約為 ；P為光功率； 為光纖的有效面積， ，其中I為光強(qiáng)。2.3 光纖的傳輸特性非線性折射率調(diào)制可以引發(fā)以下非線性光學(xué)效應(yīng)。 (1) 自相位調(diào)制(SPM) n 依賴于光功率P，則光傳輸常數(shù) 也與 P 相關(guān)： ，光傳輸L長度后，產(chǎn)生的 非線性相位差為 (2.34)式中， 為光纖的有效長度； 為輸入端光功率。2.3 光纖的傳輸特性當(dāng)光波被調(diào)制后， 隨時間變化，SPM導(dǎo)致頻譜展寬，展寬值可以由 的導(dǎo)數(shù)求得 (2.35)SPM導(dǎo)致的頻譜展寬是一種頻率啁啾。(2) 交叉相位調(diào)制(XPM)產(chǎn)生XPM現(xiàn)象的物理機(jī)制與SPM類似，當(dāng)兩束或更

40、多束光波在光纖中傳輸時，某信道的非線性相位變化不僅依賴于該信道的功率變化，而且與其他信道相關(guān)，從而引起較大的頻譜展寬。2.3 光纖的傳輸特性 (3) 四波混頻(FWM)四波混頻是源于非線性折射率的參量過程，需要滿足相位匹配條件。從量子的觀點看，一個或幾個光子湮滅，同時產(chǎn)生幾個不同頻率的新光子，在參量過程中能量和動量都守恒，動量守恒即波矢量守恒，就是相位匹配條件。四波混頻大致分為兩種情況，一種情況是三個光子合成一個新光子，其頻率為 。當(dāng) 時，對應(yīng)三次諧波，當(dāng) , 時，對應(yīng)頻率上轉(zhuǎn)換，由于在光纖中難以滿足相位匹配條件，實現(xiàn)有困難。2.3 光纖的傳輸特性另一種情況是頻率為 , 的光子湮滅，產(chǎn)生頻率為

41、 , 的新光子。能量守恒 ，動量守恒 ，在光纖滿足的條件相對容易些。四波混頻引起光波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中復(fù)用信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。光纖色散越小，復(fù)用信道波長間隔越小，串?dāng)_越嚴(yán)重。這是因為有群速度色散時，相位匹配條件難以滿足。在色散位移光纖中，相位匹配條件容易滿足，四波混頻嚴(yán)重，因此非零色散位移光纖應(yīng)運(yùn)而生。2.4 光纖的種類光纖的種類繁多，按光纖所用材料、折射率分布、傳輸模式等，都可以對光纖進(jìn)行分類。從材料角度，可以分為石英光纖、多組分玻璃光纖、聚合物光纖、液心光纖等。從折射率分布角度，可以分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。從傳輸模式上，可以分為多模光纖和單模光纖。從用途上，可

42、以分為常規(guī)通信光纖和特種光纖。2.4 光纖的種類 根據(jù)國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)IEC6079311的光纖分類方法，光纖可以分為A類和B類兩大類，A類為多模光纖，B類為單模光纖。它們的分類參見表2.1和表2.2。表2.1 多模光纖的分類類 別材 料類 型折射率分布指數(shù)g值A(chǔ)1玻璃心/玻璃包層梯度折射率1g3A2.1玻璃心/玻璃包層準(zhǔn)階躍折射率3g10A2.2玻璃心/玻璃包層階躍折射率10gA3玻璃心/塑料包層階躍折射率10gA4聚合物光纖2.4 光纖的種類表2.2 單模光纖的分類下面分別介紹多模光纖和單模光纖。 類 別特 點零色散波長(nm)工作波長(nm)B1.1非色散位移光纖131013

43、10, 1550B1.2截止波長位移光纖13101550B1.3波長段擴(kuò)展的非色散位移光纖130013241310, 13601530, 1550B2色散位移光纖15501550B3色散平坦光纖1310, 15501310, 1550B4非零色散位移光纖1530153015652.4 光纖的種類1 2.4.1 多模光纖2 2.4.2 單模光纖2.4.1 多模光纖從結(jié)構(gòu)上看，多模光纖有梯度多模光纖和階躍多模光纖，其折射率分布函數(shù)如圖2.13所示。梯度多模光纖包括 , , 和 四類，由多組分或摻雜石英玻璃制成，其具體分類參見表2.3。圖2.13 多模光纖的折射率分布2.4.1 多模光纖 表2.3

44、4種梯度多模光纖的性能及其應(yīng)用場合類型心/包層直徑工作波長(nm)帶寬(MHz)數(shù)值孔徑損耗(dB/km)應(yīng)用場合A1a50/125850, 131020015000.200.240.81.5數(shù)據(jù)鏈路、局域網(wǎng)A1b62.5/125850, 131030010000.260.290.82.0數(shù)據(jù)鏈路、局域網(wǎng)A1c85/125850, 131030010000.260.302.0局域網(wǎng)A1d100/125850, 1310100500.260.293.04.0局域網(wǎng)2.4.1 多模光纖階躍多模光纖包括 , , 三類 9 種，可用多組分玻璃或塑料制成。其特點是纖心直徑大，數(shù)值孔徑大，可以有效地與發(fā)光

45、二極管(LED)耦合，主要應(yīng)用于短距離信息傳輸、樓內(nèi)局域網(wǎng)、傳感器等。其具體分類參見表2.4。2.4.1 多模光纖 表2.4 三類階躍多模光纖的特性光纖類型A2a A2b A2cA3a A3b A3cA4a A4b A4c心/包層直徑 (m)100/400200/300980/1000200/240200/380730/750200/280200/230480/500工作波長(nm)850850650帶寬(MHz)10510數(shù)值孔徑0.230.260.400.50衰減(dB/km)1010400典型適用長度 (m)200010001002.4.2 單模光纖為了保證單模傳輸，光纖心徑必須很小，一

46、般心直徑為810 ，包層直徑為125 。石英單模光纖衰減小，帶寬高，是理想的光通信介質(zhì)。為了解決色散以及非線性效應(yīng)對光纖傳輸性能的影響，人們專門研究開發(fā)了色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖和色散補(bǔ)償光纖等。按色散波長和截止波長的位移與否，可以將單模光纖分為5類，參見表2.5。下面分別介紹。2.4.2 單模光纖 表2.5 單模光纖的分類 名 稱ITU-T（國際通信 聯(lián)盟）IEC非色散位移單模光纖G652: A, B, CB1.1色散位移單模光纖G653B2截止波長位移單模光纖G654B1.2非零色散位移單模光纖G655: A, BB4色散平坦單模光纖2.4.2 單模光纖1非色散位移單模

47、光纖G652(SMF)G652 光纖可細(xì)分為G652A , G652B 和G652C 三種。常規(guī)單模光纖的特點是：(1)波長1310 nm為色散零點；(2)波長1550 nm處衰減最小，約為0.22 dB/km，色散系數(shù)的最大值為 ；(3)工作波長可以在1310 nm或1550 nm。它廣泛用于數(shù)據(jù)通信。它的缺點是：波長1550 nm色散大，阻礙了高速率、遠(yuǎn)距離的應(yīng)用。2.4.2 單模光纖常規(guī)G652在1385 nm 附近有較高的水( )吸收峰， 數(shù)量級的 就會產(chǎn)生幾個 dB/km 的衰減，朗訊于2019 年發(fā)布了全波光纖(all wave fiber)。 2色散位移光纖G653(DSF)色散

48、位移光纖于1988年商用化，改變了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)即光纖折射率分布的形狀，力求加大波導(dǎo)色散，使光纖色散系數(shù)零點從1310 nm 移到1550 nm ，實現(xiàn)了1550 nm 處最低衰減與零色散一致。2.4.2 單模光纖這種光纖適用于長距離、大容量通信系統(tǒng)中。由于1550 nm 的零色散，四波混頻等非線性效應(yīng)嚴(yán)重，不適合用于波分復(fù)用系統(tǒng)。3截止波長位移單模光纖G654(WSF)1550 nm 截止波長位移是非色散位移光纖，零色散波長為1310 nm ，截止波長在1550 nm 。衰減極小( )。選用純石英( )作為纖心，摻氟包層，制造特別困難，價格昂貴。它主要用于長距離，不能插入有源器件的無中斷海底光

49、纖通信系統(tǒng)中。2.4.2 單模光纖 4非零色散位移單模光纖G655(NDF)NDF是于1994年由朗訊與康寧公司為波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)設(shè)計的，在1550 nm處有合理的低色散，足以支持10 Gb/s系統(tǒng)的長距離傳輸，又可以抑制四波混頻和交叉相位調(diào)制等非線性光學(xué)效應(yīng)，以滿足密集波分復(fù)用系統(tǒng)的要求。5色散平坦單模光纖(DFF)DFF是于2019年商用化的，在13101550 nm波長范圍內(nèi)都是低色散，有兩個零色散波長1310 nm和1550 nm，折射率剖面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難。2.4.2 單模光纖 6色散補(bǔ)償光纖(DCF)隨著光纖放大器的應(yīng)用，衰減對光纖通信系統(tǒng)而言已經(jīng)不成問題，但色散嚴(yán)重阻礙了光纖從

50、1310 nm到1550 nm的升級擴(kuò)容。色散補(bǔ)償光纖在1550 nm處有很大的負(fù)色散系數(shù)，一般為-700-50 ps/(nmkm)。當(dāng)常規(guī)光纖由1310 nm擴(kuò)容至1550 nm，其色散為正值，在系統(tǒng)中加入一段負(fù)色散系數(shù)光纖，可以抵消1550 nm處的正色散。各種石英單模光纖的色散系數(shù)如圖2.14所示。2.4.2 單模光纖 圖2.14 石英單模光纖的色散系數(shù)習(xí) 題2.1 有一種石英單模光纖，它的纖心直徑為 8 ，工作波長為1550 nm，已知纖心折射率為 1.460，試問此光纖包層的折射率應(yīng)為多少？2.2 一種塑料光纖在波長 650 nm處的衰減系數(shù)，光纖中注入波長為 650 nm, 5 m

51、W的光功率，問經(jīng)過多少米傳輸，光功率衰減 20 dB？這時光功率是多少mW？2.3 石英光纖的數(shù)值孔徑，對于波長的光，光纖是單模的，問光纖的心直徑應(yīng)該是多少？第3章 常見光無源器件第3章 常見光無源器件光無源器件是光路的重要組成部分。光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如插頭、開關(guān)、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部分。常見的光無源器件有光纖連接器、光耦合器、光波分復(fù)用器、光隔離器、光衰減器、光開關(guān)等。光無源器件遵守光學(xué)的基本理論，即光線理論和電磁場理論。 3.1 光纖連接器1 3.2 光 耦 合 器2 3.3 光 隔 離 器3第3章 常見光無源器件3.1 光纖連接器光纖連接器

52、可分為兩大類：活動連接器和固定連接器。1 3.1.1 光纖活動 連接器2 3.1.2 光纖固定 連接器3.1.1 光纖活動連接器1基本結(jié)構(gòu)及工作原理光纖活動連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖心對接，保證95以上的光能通過連接器。目前，活動連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種，如圖3.1圖3.5所示。 圖3.1 套管結(jié)構(gòu)3.1.1 光纖活動連接器 圖3.2 雙錐結(jié)構(gòu) 圖3.4 球面定心結(jié)構(gòu) 圖3.3 V形槽結(jié)構(gòu) 圖3.5 透鏡耦合結(jié)構(gòu)3.1.1 光纖活動連接器套管結(jié)構(gòu)的核心是插針與套筒。插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖3.6所示。 圖3.6 插針的結(jié)構(gòu)與

53、主要尺寸3.1.1 光纖活動連接器插針的精度要求是：外徑不圓度小于0.0005 mm；外圓柱面光潔度為 ；微孔偏心量小于 ；插針端面為球面，其曲率半徑為20 60 mm。套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結(jié)構(gòu)，如圖3.7所示。3.1.1 光纖活動連接器圖3.7 套筒的結(jié)構(gòu)與尺寸套筒的精度要求是：內(nèi)孔光潔度為 ；拔插力為 3.92 5.88 N。開口套筒使用彈性好的材料，如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器結(jié)構(gòu)上差別很大，品種也很多，但按功能可分成如下幾部分：(1) 連接器插頭(Plug Connector)：由插針體和若干外部零件組成。(2) 轉(zhuǎn)換器或適配器

54、(Adapter)：即插座，可以連接同型號插頭，也可以連接不同型號插頭，可以連一對插頭，也可以連接幾對插頭或多心插頭。 3.1.1 光纖活動連接器(3) 轉(zhuǎn)換器(Converter)：將某一種型號的插頭變換成另一種型號的插頭，由一種型號的轉(zhuǎn)換器加上另外其他型號的插頭組成。(4) 光纜跳線(Cable Jumper)：一根光纜兩端面裝上插頭，稱為跳線。兩個插頭型號可以不同，可以是單心的，也可以是多心的。(5) 裸光纖轉(zhuǎn)換器(Bare Fiber Adapter): 將裸光纖穿入裸光纖轉(zhuǎn)換器，處理好光纖端面，形成一個插頭。3.1.1 光纖活動連接器2主要性能指標(biāo)及測試方法(1) 插入損耗插入損耗是

55、指光信號通過活動連接器后，輸出光功率相對輸入光功率的分貝數(shù)，其表達(dá)式為 (dB) (3.1) 式中， 為輸入光功率； 為輸出光功率。插入損耗 越小越好。3.1.1 光纖活動連接器(2) 回波損耗回波損耗又稱為后向反射損耗，是指光纖連接處，后向反射光功率相對入射光功率的分貝數(shù)，其表達(dá)式為 (dB) (3.2) 式中， 為輸入光功率； 為后向反射光功率?；夭〒p耗越大越好。3.1.1 光纖活動連接器(3) 重復(fù)性和互換性重復(fù)性是指光纖活動連接器多次插拔后，插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指連接器各部件互換時，插入損耗的變化，也用dB表示。3.1.1 光纖活動連接器影響光纖活動連接器插入損耗的因素

56、很多，現(xiàn)簡述如下：(1) 兩個光纖纖心位置的錯位，如圖3.8所示。 實際有三種情況，即橫向錯位、角度傾斜和端面間隙。 圖3.8 光纖纖心位置的錯位3.1.1 光纖活動連接器(2) 在兩個光纖端面之間，由于存在不同的介質(zhì)（如空氣），光在介質(zhì)之間多次反射，產(chǎn)生損耗，稱為菲涅耳反射引起的損耗，其表達(dá)式為 (3.3) 式中， 。當(dāng)=1, =1.46時， 。(3) 由于兩根光纖纖心直徑不同，數(shù)值孔徑不同也會引起光纖連接器損耗。3.1.2 光纖固定連接器光纖固定連接器的作用是使一對或幾對光纖之間永久性的連接。制作固定接頭的方法有熔接法、V形槽法、毛細(xì)管法、套管法等。1熔接法用熔接法制作固定連接器，是光纖固

57、定連接的主要方法。它采用加熱的方法將光纖熔接在一起，只要操作得當(dāng)，熔接機(jī)設(shè)計合理，連接插入損耗很小，后向反射光近似為零，可以得到非常理想的光纖固定接頭。3.1.2 光纖固定連接器光纖加熱和熔化的方法有三種，如圖3.9所示。其特點如下： (1) 電弧熔接 (2) 氫氧焰熔接 (3) 激光熔接圖3.9 光纖熔接方法3.1.2 光纖固定連接器(1)電弧熔接 用高壓電極放電來加熱光纖，使之熔融連接，電弧放電和光纖的對準(zhǔn)可以由微機(jī)控制，實現(xiàn)自動化操作。電弧熔接是熔接法中應(yīng)用廣泛的方法。(2)氫氧焰熔接 用于一些特殊的場合，如海底光纜的光纖熔接，其特點是接頭強(qiáng)度高，但火焰的控制較為困難。(3)激光熔接 如

58、用激光器加熱并熔接光纖，其特點是加熱環(huán)境非常干凈，接頭強(qiáng)度高，但設(shè)備昂貴。3.1.2 光纖固定連接器實現(xiàn)光纖熔接的設(shè)備是光纖熔接機(jī)，它由下述部分組成：(1)光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)；(2)光纖的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；(3)電弧放電機(jī)構(gòu)；(4)電弧放電和電機(jī)驅(qū)動的控制機(jī)構(gòu)。以下是詳細(xì)介紹。(1) 光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)由精密V形槽和壓板構(gòu)成，精密V形槽的作用是使一對光纖不產(chǎn)生軸偏移，壓板使光纖固定在V形槽內(nèi)。3.1.2 光纖固定連接器(2) 光纖的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在熔接光纖之前，一般要通過手動或自動裝置使纖心完全對準(zhǔn)。常用如下三種方法來實現(xiàn)光纖的對準(zhǔn)： 功率監(jiān)測 纖心直視 包層對準(zhǔn)(3) 電弧放電機(jī)構(gòu)

59、熔接機(jī)的電弧放電由兩根電極完成，電極由鉬絲制成。(4) 電弧放電和電機(jī)驅(qū)動的控制機(jī)構(gòu)在電極放電過程中，電機(jī)的驅(qū)動都由微處理機(jī)控制，按預(yù)定程序工作。3.1.2 光纖固定連接器2其他固定連接方式(1) V 形槽固定接頭這種接頭攜帶方便，操作簡單，不需要貴重的儀表和設(shè)備。V 形槽的結(jié)構(gòu)是多樣的，圖3.10為 FMS-1 型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖。 圖3.10 FMS-1型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖3.1.2 光纖固定連接器(2) 毛細(xì)管固定接頭毛細(xì)管固定接頭一般采用玻璃材料制作，將兩根處理好的光纖從兩頭穿入玻璃毛細(xì)管內(nèi)，利用其精密內(nèi)孔使兩根光纖纖心對準(zhǔn)。在兩根光纖端面加入匹配液，消除菲涅爾反射。 (3)

60、 套管式固定接頭與活動連接器一樣，其主要零件也是插針和套筒。插入損耗在0.1 dB以下，回波損耗達(dá)45 dB以上。3.2 光 耦 合 器光耦合器(Coupler)是能使光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行光功率再分配的器件。從功能上，可分為光功率分配器和光波長分配（合/分波）耦合器。從端口形式上，可分為X 形( )、Y 形( )、星形 ( N N, N2 ) 以及樹形 ( 1 N, N2）耦合器。3.2 光 耦 合 器從工作帶寬上，可分為單工作窗口的窄帶耦合器、單工作窗口的寬帶耦合器和雙工作窗口的寬帶耦合器。另外，由于傳導(dǎo)光模式的不同，又有多模光纖耦合器和單模光纖耦合器之分。 1 3.2.