光纖通信幻燈片常用光無源器件

1、關于光纖通信幻燈片常用光無源器件哈爾濱工業(yè)大學第1頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四第四章 常用光無源器件的目錄4.1光纖連接器4.2光纖耦合器4.3波分復用/解復用器4.4光開關4.5光隔離器及光環(huán)形器2014-7-142第2頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四概述 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。

2、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。2014-7-143第3頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.1光纖連接器 光纖連接器可分為：固定連接器、活動連接器、多模光纖連接器、單模光纖連接器等。光纖連接器的結構與種類固定連接器又稱為固定接頭或接線子，是使一對或幾對光纖之間形成永久性的連接，不一定要求重復使用，但要求損耗低，后向反射光小，操作簡便，性能穩(wěn)定。制作固定接頭的方法有熔接法、V形槽法、毛細管法、套管法等，這些

3、方法各有優(yōu)缺點，都能制作出滿足工程需要的固定接頭。我國光纖干線中，熔接法用得最多。2014-7-144第4頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.1光纖連接器活動連接器定義：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之一。(1)套管結構這種結構設計合理，加工技術能夠達到要求的精度，因而得到廣泛應用。FC、SC、D4等型號的連接器均采用這種結構。2014-7-145第5頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.1光

4、纖連接器(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。2014-7-146第6頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.1光纖連接器(4)球面定心結構兩根插針插入基座，球面與錐面接合將纖芯對準，并保證纖芯之間的間距控制在要求的范圍內，設計巧妙，但零件形狀復雜，實現難度大。(5)透鏡耦合結構又稱遠場耦合，結構分球透耦合結構和自聚焦透鏡耦合結構兩種，降低了加工的精度要求，容易實現。但結構復雜、體積大、元件多、損耗大。2014-7-147第7頁，共50

5、頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.1光纖連接器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。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。2014-7-148第8頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.1光纖連接器插入損耗的補充：造成損耗的原因(1)橫向錯位對于多模階躍折

6、射率光纖來說，假定纖心橫截面內光功率均勻分布，纖心的橫向對準差錯損耗僅由發(fā)射光纖和接收光纖纖心的不重疊部分決定，如下圖所示：耦合效率是重疊面積(陰影部分)與纖心面積的比值，可以計算出耦合效率為： 式中，反余弦函數的單位是弧度。相應的以分貝為單位計算的損耗為：2014-7-149第9頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.1光纖連接器(1)橫向錯位SI(階躍型)單模光纖和拋物線折射率單模光纖的連接損耗為：式中， 是光斑尺寸，計算公式為：例題：對于多模階躍折射率光纖來說，假設纖心直徑均為50微米，要求耦合損耗小于1dB，試問允許的軸向位移是多少？并重復計算耦合損耗為0.5dB和

7、0.1dB的情況。例題：某一單模玻璃光纖 ， ， ，相對橫向偏移值從0到5um，工作波長為1.3um和1.55um，繪出損耗與偏移之間的曲線。，1.2V2)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。2014-7-1416第16頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器2014-7-1417第17頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器光纖耦合器的

8、結構與原理制作方法 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 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。2014-7-1418第18頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器2014-7-1419第19頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器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“

9、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”。2014-7-1420第20頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器(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。光纖耦合器的特性參數特性參數 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：插入損耗，附加損耗，分光

10、比，方向性，均勻性，偏振光損耗，隔離度2014-7-1421第21頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器(1)插入損耗 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)分光比 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：對于標準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。2014-7-1422第22頁，共50頁，2022年

11、，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器(3)附加損耗 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：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。2014-7-1423第23頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器(4)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

12、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：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。(5)偏振相關損耗 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，器件各輸出端口插入損耗的最大變化量，實際應用時，光信號的偏振態(tài)經常發(fā)生變化，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偏振損耗。2014-7-1424第24頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.2光纖耦合器(6)返回損耗輸入端口的反

13、射功率與輸入總功率的比值：以22的X形耦合器為例，說明它的各參數。2014-7-1425第25頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3波分復用/解復用器波分復用/解復用器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。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：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；2014-7-1426第26頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4

14、.3波分復用/解復用器波分復用/解復用器的原理與分類光復用器和解復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。2014-7-1427第27頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3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：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。2014-7-1428第28頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3波分復用/解復用器2.波導

15、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：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，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。2014-7-1429第29頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3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

16、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。2014-7-1430第30頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3波分復用/解復用器波分復用/解復用器的特性1.中心波長(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-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 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

17、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。2014-7-1431第31頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3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關系曲線來表達。以小于“X“dB表示。2014-7-1432第32頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3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

18、束在輸出端串擾到 的輸出端口處的光功率； 代表波長為 的光束在輸入端口處的光功率。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。2014-7-1433第33頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3波分復用/解復用器2014-7-1434第34頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.3波分復用/解復用器2014-7-1435第35頁，共50頁，2022年，5月2

19、0日，9點43分，星期四4.3波分復用/解復用器2014-7-1436第36頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.4光開關光開關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。2014-7-1437第37頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.4光開關光開關的種類光開關根據驅動方式可分為機械式光開關和非機械

20、式光開關，根據工作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)對光開關的要求歸納為：小的串音、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。2014-7-1438第38頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.4光開關光開關的特性參數1.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.隔離度是指兩個相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來表示：式中： 為開關的兩個隔離端口(nm )；Pin 是光從i 端口

21、輸入時n 端口的輸出功率，Pi是輸入端口i 的光功率。輸入端口為i，輸出端口為m，n輸入端口i 與m 端口接通（CT,crosstalk）2014-7-1439第39頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.4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：2014-7-1440第40頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.4光開關5.遠端串擾 是指當其他端口接

22、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。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n，m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。2014-7-1441第41頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.5光隔離器及光環(huán)行器光隔離器的定義及原理互易器件：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：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：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止來自連接

23、器、熔接點、濾波器等的反射光影響激光器或放大器的穩(wěn)定性。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：是基于法拉第旋轉的非互易性。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：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：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。單模光纖隔離器的組成2014-7-1442第42頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.5光隔離器及光環(huán)行器光隔

24、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。當反射波向反方向傳輸時，由于檢偏器的透振方向為45o，只允許45o方向的偏振光通過檢偏器，其余偏振態(tài)的光全部被檢偏器阻止。通過檢偏器的光被法拉第旋轉器再旋轉45o，便成為水平偏振光，該偏振態(tài)光被起偏器阻止，這樣就阻止了反方向光的傳輸。2014-7-1443第43頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.5光隔離器及光環(huán)行器單模光纖隔離器的工作原理2014-7-1444第44頁，共50頁，2022年，5月20日，9點43分，星期四4.5光隔離器及光環(huán)行器實用型光隔離器的結構下圖是一個實用型的光隔離器。它是由兩個空間分離偏振器、法拉第旋轉器和一個半波片組成?？臻g分離偏振器(SWP)：讓垂直分量直線通過，而水平分量偏折通過，且偏折方向和光傳輸方向無關。其作用是將入射的任意偏振態(tài)的光分解為水平和垂直的兩個正交偏振分量，或者水平和垂直的兩個正交偏振分量合成某一偏振光。法拉第旋轉器：能使