光釬通信技術(shù)光器件課件

27七月2023§3-1光纖連接器件；§3-2光纖耦合器；§3-3光隔離器；§3-4光纖光柵；§3-5波分復用器；§3-6光環(huán)形器；§3-7光開關；本章思考題。第二章的主要內(nèi)容27七月2023一、光纖的接頭及熔接光纖通信線路中，光纖接頭不可避免。1.光纖的熔接工藝步驟(1)將待熔接的光纖端頭切割成平整且垂直于軸線的端面；(2)利用微調(diào)裝置將兩根光纖調(diào)準直；(3)利用電弧放電將兩根光纖熔接在一起。電弧的強度和熔接時間應調(diào)整妥當，既保證熔接點有足夠的機械強度，又不會造成形變而增加損耗。§3-1光纖連接器件27七月20232.光纖熔接引起損耗的原因(1)光纖軸線的橫向相對誤差（錯位）；(2)兩根光纖的纖芯直徑不同；(3)兩根光纖的性能參數(shù)不同；(5)角向相對偏離。(4)光纖端頭之間的相對距離；§3-1光纖連接器件27七月2023§3-1光纖連接器件27七月2023§3-1光纖連接器件OffsetAngularMisalignmentSeparationCoreEccentricityCoreEllipticityReflections&

Interference27七月2023§3-1光纖連接器件Mediuminsertionloss:Worstreturnloss:<14dB(Fresnel)Commonmultimode

fiberconnectorAirGaptyp.0.5dBLowestinsertionloss:<0.25dBGoodreturnloss:Commonsingle-mode

fiberconnectorPhysicalContact(PC)>40dBHighestinsertionloss:Bestreturnloss:CableTV,high

performancesystemsAngledPhysicalContact(APC)0.4to0.9dB>60dB8o27七月2023§3-1光纖連接器件光纖剝離鉗27七月2023§3-1光纖連接器件光纖切割刀27七月2023光纖熔接機§3-1光纖連接器件27七月2023§3-1光纖連接器件27七月2023§3-1光纖連接器件光纖自動熔接以后的液晶顯示界面ProtectivesleeveSplice27七月2023§3-1光纖連接器件27七月2023二、光纖連接器

光纖連接器是光纖技術(shù)應用中使用量最大的光無源器件，和光纖接頭一樣，光纖連接器也是對兩光纖端面進行對接，所不同的是光纖接頭是永久性的熔接，而光纖連接器是臨時性連接，具有使用的靈活性。損耗是它們重要的光學參數(shù)。1.光纖連接器損耗的分類(1)插入損耗；(2)回波損耗?！?-1光纖連接器件27七月20232.光纖連接器的插損機理

光纖公差引起的固有損耗：主要由光纖制造公差，即纖芯尺寸、數(shù)值孔徑及纖芯/包層同心度等。

連接器加工裝配引起的固有損耗：主要由光纖制造公差，即端面間隙、軸線傾角及橫向偏移等。3.光纖連接器的回損機理

光纖端面菲涅耳反射引起的光能量損耗。這種損耗發(fā)生在纖芯空氣交界面，有效的解決方法是設計兩個連接器的物理接觸面?！?-1光纖連接器件27七月20234.光纖連接器的損耗表達式NA引起的損耗端面間隙引起的插損回波損耗主觀因素損耗：端面劃傷、塵粒、定位不準?！?-1光纖連接器件27七月20235.光纖連接器的組成光纖連接器由跳線、尾纖或尾纜、適配器組成。

跳線:在一段光纖(或單芯光纜)的兩頭都裝上插頭，主要作光配線用；

尾纖:在一段光纖(或單芯光纜)的一頭裝上插頭，主要與光器件相連；

尾纜:在一段多芯光纜的一頭裝上插頭，主要用于連接干線和光配線；

適配器:將兩個插頭連接起來的器件。§3-1光纖連接器件27七月20236.光插頭的組成(1)光纖或單芯光纜：多?；騿文?；(2)插針體：是連接器的關鍵部件，制作材料有不繡鋼、不銹鋼鑲陶瓷、全陶瓷、玻璃或塑料，目前多采用全陶瓷插針體，插針體直徑2.5mm；(3)外部零件：光纖連接器的輔助部件，是插針體的固定部件和光纖對接的定位部件，制作材料依據(jù)型號而定，有金屬和塑料。§3-1光纖連接器件27七月20237.光纖連接器的技術(shù)指標插入損耗：光通過連接器后，光功率損耗的大小；回波損耗：光通過連接器后，后向反射光與入射光的比值；重復性：重復插拔后插損的變化值，1000次插拔后，小于±0.1dB；互換性：插頭和適配器按一定的規(guī)則互換后，插入損耗的變化值，互換性小于±0.2dB。§3-1光纖連接器件27七月20238.光纖連接器的分類(1)按光纖的模式分(2)按插針體的端面分單模、多模光纖連接器;端面一般都是加工成球面、精拋球面和斜球面等。PC、SPC、APC。APC:將端面拋磨成與插針體中心線成80角?！?-1光纖連接器件27七月2023(3)按連接器的類型分FC、SC、ST:目前應用最廣泛的三種,體積比較大。LC、MU、MT-RJ:第三代光纖連接器，具有體積小，便于密集安裝等優(yōu)點。FC:螺紋鎖緊式SC:插拔式/咬合式ST:卡口旋轉(zhuǎn)鎖緊式§3-1光纖連接器件27七月20239.光纖連接器的形狀FCSCST§3-1光纖連接器件27七月2023FCSC§3-1光纖連接器件27七月2023需要光配線連接的設備光纜與收發(fā)機光纜與大樓的接線板設備與局域網(wǎng)間的接口處連接樓內(nèi)較短的數(shù)據(jù)鏈路樓內(nèi)路由信號的接線板電信系統(tǒng)進入大樓的位置網(wǎng)絡與終端設備間的連接遠處可移動視頻設備與錄音設備或攝影棚的連接10.光纖連接器的應用場合§3-1光纖連接器件27七月2023三、光纖接續(xù)子可作永久性接續(xù)，也可作臨時接續(xù)無需粘合劑和環(huán)氧膠，內(nèi)有折射率匹配膏(液)通用性強，適合不同涂敷層種類(250/250um、250/900um或900/900um)的光纖光纖無需研磨光纖中心自對準

§3-1光纖連接器件27七月2023光纖耦合器是用來連接3個或3個以上的光接點。

光信號經(jīng)過光纖耦合器后，在多個輸出端口之間分配，降低了每個信號輸出端的信號強度。輸出端口數(shù)輸出端口所占比例損耗(dB)輸出端口數(shù)輸出端口所占比例損耗(dB)20.53.01200.0513.0140.256.0225.0413.9850.26.99500.0216.9980.1259.031000.0120100.1102000.00523.01150.06711.764000.002526.02§3-2光纖耦合器27七月20231.光纖耦合器的性能參數(shù)1243(1)插入損耗(2)耦合比(3)附加損耗§3-2光纖耦合器27七月20232.光纖耦合器的特性輸入端口和輸出端口的數(shù)量N×M，數(shù)量取決于具體的應用，一般，輸入端口有別于輸出端口，但也可對調(diào)。信號的衰減和分束光傳輸?shù)姆较蛐圆ㄩL選擇性光纖類型，即多模和單模偏振敏感§3-2光纖耦合器27七月2023(1)光傳輸?shù)姆较蛐?2)定向耦合器:對所通過的光的方向敏感，雖然不是單行道，但是卻趨向于使光沿相同的方向傳輸。1243(3)非定向耦合器：對所通過的光的方向敏感度很低或不敏感，這種耦合器將所有的入射光混合在一起并傳輸?shù)剿械亩丝冢ㄈ肷涞亩丝凇！?-2光纖耦合器27七月2023(4)光纖耦合器的波長選擇性

波長選擇性是指耦合器分、合光的機制在某種程度上依賴于所有傳輸光的波長。(5)波長不敏感耦合器：這種耦合器在它們的工作范圍內(nèi)耦合器的特性幾乎不隨波長變化，應用在對不同波長應該同等處理的場合。(6)波長選擇耦合器：這種耦合器有意地將不同波長的光送到不同的方向，根據(jù)波長分配信號，可以用來分離不同波長間隔的多波長光信號?！?-2光纖耦合器27七月20233.光纖耦合器的分類按結(jié)構(gòu)分：Y型光纖耦合器樹型光纖耦合器熔融型光纖耦合器n×m按制作方法分：平面波導光纖耦合器星型光纖耦合器微型光器件型光纖耦合器§3-2光纖耦合器27七月2023光隔離器是只沿一個方向傳輸?shù)墓馄骷柚沽撕笙蚍瓷浜蜕⑸涞墓獾竭_敏感器件，比如激光器和光放大器，是一種光學單行道器件。光隔離器是內(nèi)部工作機制依賴于偏振。一、光隔離器的基本組成一對線偏振器:偏振面放置成450角；法拉第旋轉(zhuǎn)器:將偏振光的振動方向旋轉(zhuǎn)450角，法拉第旋轉(zhuǎn)器對光的偏振面旋轉(zhuǎn)具有互異性，與磁場方向有關，與光的傳播方向沒有關系?！?-3光隔離器27七月2023二、光隔離器的工作原理圖偏振器1偏振器2法拉第旋轉(zhuǎn)器光光光被透射

光被正交偏振器擋住YVO4或LiNO3晶體?！?-3光隔離器27七月2023三、光隔離器的性能參數(shù)要求(1)隔離度大，單芯隔離器的典型值是40dB;(2)插入損耗小，單芯隔離器的典型值是0.2dB。這種簡單的設計帶來了偏振器的3dB損耗，阻擋了入射光信號中非垂直偏振部分。設計器件時可以將入射光信號分成兩束，一束垂直偏振，另一束水平偏振，垂直偏正光按照原理圖所示工作，水平偏振光可以先被旋轉(zhuǎn)900，然后通過相同的隔離器。四、光隔離器的優(yōu)化設計§3-3光隔離器27七月2023消除偏振損耗的隔離器結(jié)構(gòu)圖：SWPSWP法拉第旋轉(zhuǎn)片光纖輸入光纖輸出波片SWPSWP法拉第旋轉(zhuǎn)片光纖輸入光纖輸出波片§3-3光隔離器27七月2023器件說明：SWP(SpatialWalk-offPolarizer):空間分離偏振器(或偏振敏感的光束位移器)，由強雙折射晶體制成，將不同偏振的光沿有微小差別的方向偏折，即非偏振光入射到該晶體后分成兩束，一束垂直偏振，另一束水平偏振，兩束偏振光在SWP的不同位置出射。法拉第旋轉(zhuǎn)片:一束光在其中通過一個來回，其偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)900，這是使光隔離器工作的一個本質(zhì)特征?！?-3光隔離器27七月2023波片:波片的工作方式與法拉第旋轉(zhuǎn)片不同，沒有互異性，當光從一個方向入射時，將偏振方向旋轉(zhuǎn)450，而光從另一個方向進入時，將偏振方向旋轉(zhuǎn)-450

，或者說方向+450

。即，光在波片中往返一次，偏振方向的總旋轉(zhuǎn)為00，因此在波片中往返一次后的光束具有與初始狀態(tài)相同的偏振方向。五、光隔離器的應用場合光隔離器主要應用在激光器或者是光放大器的輸出端，以防止光纖線路中的后向反射光造成激光器或光放大器的工作不穩(wěn)定性。§3-3光隔離器27七月2023六、實物結(jié)構(gòu)圖法拉第旋轉(zhuǎn)片磁環(huán)YVO4或LiNO3楔角片自聚焦透鏡(徑向：同漸變折射率)光纖頭光纖準直器光纖準直器§3-3光隔離器27七月2023楔角型商用化光隔離器§3-3光隔離器27七月2023雙級光隔離器§3-3光隔離器

正向光在第一級和第二級中分別為o光和e光，兩級產(chǎn)生的PMD相互補償，缺點是對裝配精度要求非常高，否則隔離度指標比單級光隔離器還差。27七月2023封裝的光隔離器§3-3光隔離器27七月2023§3-3光隔離器光隔離器中的光路傳輸27七月2023一、光纖的光敏性-FBG

廣義上，光敏性是指物質(zhì)的物理或化學性質(zhì)在外部光作用下發(fā)生暫時或永久性改變的材料屬性。

就光纖材料而言，光敏性是指光纖材料的折射率在外部光的作用下發(fā)生永久性的改變。

光纖光敏性的微觀機理是一個非?；钴S的研究領域。從科研人員的實驗結(jié)果看，光纖材料的光敏效應在微觀上可能與眾多的物理因素有關，是一個非常復雜的過程，目前還不能給出完全定量化的描述?！?-4光纖光柵27七月2023二、什么是光纖光柵

光纖光柵就是利用光纖的光敏性，用特定波長的激光以特定方式照射光纖，導致光纖內(nèi)部的折射率沿軸向形成周期性或非周期性的空間分布，從而把光纖做成具有精確控制諧振波長的光柵?！?-4光纖光柵27七月2023三、光纖光柵的工作原理光纖光柵的最基本原理是相位匹配條件：β1、β2是正、反向傳輸常數(shù)，Λ是光纖光柵的周期，在寫入光柵的過程中確定下來。

§3-4光纖光柵27七月20231.光纖布拉格光柵(FBG)的工作原理

當一束寬譜帶光波在光柵中傳輸時，入射光在相應的頻率上被反射回來，其余的不受影響從光柵的另外一端透射出來。

光纖光柵起到了光波選頻的作用，反射的條件稱為布拉格條件。由光纖光柵相位匹配條件得到反射中心波長（布拉格波長）表達式：

§3-4光纖光柵27七月2023Λ：零點幾到幾十微米;反射率：可以達到100％，也可以小到0；反射譜的FWHM:可以達到零點零幾納米。特點FBG的光譜§3-4光纖光柵27七月20232.長周期光纖光柵(LPG)的工作原理

當一束光在長周期光纖光柵中傳輸時，滿足相位匹配條件的特定波長的光由纖芯耦合進包層向前傳播，很快被衰減掉。這樣在透射光譜圖上就有一個損耗峰，并且沒有反射波。其他不滿足相位匹配條件的波長，基本上無損耗的在光纖纖芯中傳播，從而實現(xiàn)波長選擇損耗特性。

Λ為光柵周期，n01為纖芯模式折射率，n(m)為m階包層模式的折射率。

§3-4光纖光柵27七月2023長周期光纖光柵的光譜特點§3-4光纖光柵27七月2023波分復用技術(shù)要求光器件在光發(fā)射機端合并多個信號進入單根光纖同時向前傳輸，并在光接收機端分離這些信號，以便分立的光接收機進行處理，實現(xiàn)這種功能的光器件就是波分復用器。波分復用器從功能上分為兩部分:發(fā)射機端的為復用器，其作用是合并光信道；接收機端的為解復用器，其作用正好相反，分離復用在一起的光信道，而且必須完全分離光信道，且串擾要低?！?-5波分復用器27七月2023一、WDM系統(tǒng)復用系統(tǒng):WDM、CWDM、DWDM······λ1λ2λn······λ1λ2λn復用器光放大器解復用器············§3-5波分復用器27七月2023二、信道間隔(信道密度)信道間隔在200GHz或更小時的技術(shù)稱為密集波分復用技術(shù)(DWDM)。ITU標準，確定波分復用系統(tǒng)的絕對參考頻率規(guī)范為193.1THz，對應的波長為1552.52nm。波分復用系統(tǒng)中的信道間隔與對應的波長間隔之間的轉(zhuǎn)換為:200GHz(100或50GHz)→1.6nm(0.8或0.4nm)§3-5波分復用器27七月2023三、波長路由波長路由是其中的一種解復用方法，要分離的光信號在不同的透射帶內(nèi)。也就是說，波長路由的方法適合于解復用那些波長間隔比較大的光信號。比如分離EDFA的泵浦光和信號光。EDFA是由半導體激光器的980nm或1480nm泵浦的，它們通過同一根EDF，但在某處泵浦光必須與放大信號分離，這種合波和分離一般由波長敏感光纖耦合器實現(xiàn)。§3-5波分復用器27七月2023波長敏感光纖耦合器分離兩個波長：100％上面光纖所占的百分比980nm輸出1550nm輸出所有980nm的光均在上面的光纖中耦合區(qū)長度耦合區(qū)起點耦合區(qū)終點所有1550nm的光均在下面的光纖中980nm1550nm0％§3-5波分復用器27七月2023波長敏感光纖耦合器，不同波長在光纖之間轉(zhuǎn)換的光能量取決于耦合區(qū)的長度，經(jīng)過一定的特征長度后，光從一根光纖完全轉(zhuǎn)移到另一根光纖。開始進入耦合器時，光進入兩根熔融光纖上面的一根，然后逐漸轉(zhuǎn)移到下面的光纖，如果耦合區(qū)足夠長，所有的光都會轉(zhuǎn)移到下面的光纖，并且重復此過程；短波長的光先于長波長的光轉(zhuǎn)移。980nm的光從上面的光纖轉(zhuǎn)移到下面的光纖，在耦合器結(jié)束時又轉(zhuǎn)移到上面的光纖，而1550nm的光只從上面的光纖在耦合器結(jié)束時轉(zhuǎn)移到下面的光纖。波長敏感光纖耦合器不用來分離DWDM系統(tǒng)的光信道，而對于間隔很大的波長分離效果很好。波長敏感光纖耦合器：§3-5波分復用器27七月2023四、WDM的種類色散元件棱鏡光柵傳統(tǒng)光柵光纖光柵波導陣列光柵平面光柵凹面光柵干涉元件帶通濾波器截止型濾波器限波濾波器吸收型濾波器一般帶寬超窄寬耦合元件全光纖型混合型偏振無關偏振相關1.無源WDM器件§3-5波分復用器27七月20232.有源WDM器件陣列發(fā)射或接收器件可調(diào)波長激光器可調(diào)波長選擇光開關可調(diào)波長濾波器§3-5波分復用器27七月20233.干涉濾波器干涉濾波器的介質(zhì)層選擇性地透過一個窄范圍的波長，并反射其他的光。

透射和反射波長選擇的精確性，以及反射和透射的曲線形狀依賴于具體的濾波器設計:包括層的厚度和成份，以及鍍膜的層數(shù)。

通過調(diào)整干涉濾波器的厚度、成份和層數(shù)，干涉濾波器可以被制成不同類型的透射。§3-5波分復用器27七月2023線通濾波器、帶通濾波器、截止濾波器：截止濾波器(較短波長透射)線通濾波器帶通濾波器透射波長也可以反過來設計。截止濾波器設計成在特定波長處的透射和反射有一個突變，比如分離EDFA的C帶和L帶在1567nm處有一個突變，使短波長信號反射回C帶EDFA,長波長信號透射到L帶EDFA?！?-5波分復用器27七月20234.基于各種技術(shù)的波分復用器(1)干涉濾波器型WDM輸入λ1～λ6λ1λ3λ5λ6λ4λ2級聯(lián)濾波器每次解復用選出一個波長:§3-5波分復用器27七月2023

低通、高通濾波器組合使用，將光信道分成組，然后再將每組分成單獨的信道。解復用λ25～λ32λ1～λ40解復用λ1～λ8λ1~λ16解復用λ9～λ16λ9~λ16解復用λ17～λ24λ17~λ40解復用λ32～λ40λ25~λ40§3-5波分復用器27七月2023

為什么要進行光信道分組，然后再將每組分成單獨的信道呢？(1)干涉濾波器不是非常完美的，實質(zhì)上并不能反射其他所有波長的信號光能量，有一部分會被漏掉，而這些泄漏經(jīng)過一系列的濾波器后會疊加。采用先進行光信道分組的辦法可大大減少這種泄漏。(2)干涉濾波器型WDM是一個模塊，很容易進行系統(tǒng)升級擴容，因此在短期內(nèi)可以節(jié)省開支，長期上又可降低系統(tǒng)設備成本?！?-5波分復用器27七月2023(2)光纖光柵型WDM§3-5波分復用器27七月2023(3)基于熔融光纖耦合器的WDM耦合區(qū)長度耦合區(qū)起點耦合區(qū)終點λ短+λ長λ短λ長利用耦合區(qū)長度可以將不同透射帶的光能量定向到不同端口來分離波長。不同透射帶內(nèi)的波長光能量轉(zhuǎn)移的程度依賴于耦合區(qū)長度，短波首先來回轉(zhuǎn)移，然后才是長波?！?-5波分復用器27七月2023(4)基于馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀的WDM是熔融型光纖耦合器的一種，這種器件稱為熔融型光纖馬赫-曾德爾干涉儀，或者簡單地稱為interleaver(交錯復用器)。特點:

利用光纖中的干涉將間隔均勻的一組光信道分離成一組奇數(shù)信道和一組偶數(shù)信道，即:馬赫-曾德爾干涉儀交錯的復用波長，分離奇信道和偶信道?！?-5波分復用器27七月2023干涉儀兩臂的出射光的相對相位決定了輸出耦合器端口的分束比。干涉臂輸入光信號輸入耦合器輸出耦合器分束合束干涉后交替輸出上端口出射的光λ1λ3λ5λ7下端口出射的光λ2λ4λ6λ8§3-5波分復用器27七月2023因此，熔融型光纖馬赫-曾德爾干涉儀可以解復用一系列均勻間隔信道的光信號。100GHzinterleaverλ1,λ3

,λ5,λ7200GHzinterleaver200GHzinterleaverλ2,λ4

,λ6,λ8400GHzinterleaverλ1,λ5λ1λ5400GHzinterleaverλ3

,λ7λ3λ7400GHzinterleaverλ2,λ6λ2λ6λ4

,λ8400GHzinterleaverλ4λ8輸入光信號λ1～λ8§3-5波分復用器27七月2023Interleaver采用多級結(jié)構(gòu)來分離或合并光信道。Interleaver除了采用熔融型光纖耦合技術(shù)以外，也可采用平面波導技術(shù)制作。Interleaver型WDM和干涉濾波器型WDM的區(qū)別:對8個復用波長的WDM系統(tǒng)，所需要的器件數(shù)相同，都是7個，但對于interleaver所有的信號都是通過3個器件，而干涉濾波器中最后兩個信道必須通過所有7個濾波器，因此要比其他信道經(jīng)受更多的損耗?！?-5波分復用器27七月2023(5)體衍射光柵型WDM測量儀器經(jīng)常采用衍射光柵來展開所需要測量的光譜，而且可以提供很好的分辨率，在WDM系統(tǒng)中，利用衍射光柵展開光譜分離光信道。采用合適的光器件聚焦輸入光、收集反射光并聚焦到輸出光纖中，從而達到合波的目的；同樣，根據(jù)光的可逆性，利用這種器件也可以達到分離光信道的目的?！?-5波分復用器27七月2023從底部的光纖中輸入三個波長的光信號λ1、λ2、λ3，自聚焦透鏡在后端面將輸入光聚焦到衍射光柵上光柵呈一定角度以便以適當?shù)慕嵌确瓷涔庑盘枴９鈻乓圆煌慕嵌确瓷洳煌牟ㄩL，然后自聚焦透鏡將每個波長聚焦到對應的光纖輸出。輸出光纖光柵自聚焦透鏡輸入光纖λ1,

λ2

,

λ3以不同角度衍射λ3λ2λ1§3-5波分復用器27七月2023這種簡單的體衍射光柵解復用器對分離幾個間隔比較大的波長時工作效果很好，但是他們不能為緊密間隔的波長提供較高的信道隔離度。(6)波導陣列型WDMλ1λ8······波導陣列輸出耦合器輸入耦合器λ1～λ8§3-5波分復用器27七月2023多波長光信號從右下方的輸入耦合器輸入，然后由該耦合器將信號分離到輸入耦合器與輸出耦合器之間的彎曲波導陣列。和M-Z干涉儀的干涉臂一樣，這些波導長度不同，它們在輸出耦合器混合產(chǎn)生干涉效應。彎曲的平面波導陣列可以同時分離多個光信道。輸出耦合器和輸出波導的設計將光聚焦到左下方分立的輸出波導中，每個信道有一個輸出波導；波長間隔取決于彎曲波導之間的光程差。波導陣列WDM可以應用于密集波分復用技術(shù)，而且輸入耦合損耗很小，但價格高、技術(shù)較復雜。§3-5波分復用器27七月2023五、構(gòu)建復用器和解復用器以上所講的復用技術(shù)是用來構(gòu)建模塊的。從成本、技術(shù)的復雜性