光纖耦合器的發(fā)展與制作

光纖耦合器的發(fā)展與制作第1頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖耦合器光纖的發(fā)展光纖無源器件的蓬勃發(fā)展耦合器件種類及應(yīng)用熔錐型光纖耦合器的制作新型熔錐型光纖耦合器件的展望新型熔錐型光纖耦合器研究第2頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光纖的發(fā)展光纖的誕生光纖的構(gòu)造與分類光纖傳光原理光纖光纜的制作第3頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光纖的誕生在光纖出現(xiàn)之前，人們一直在追尋一種性能穩(wěn)定的，廉價的，方便使用的介質(zhì)來傳輸光信號。最初人們認(rèn)識到光的直線傳播，反射特性后除了利用大氣做為波導(dǎo)，還開始采用各種介質(zhì)利用作為光的傳輸介質(zhì)。例如介質(zhì)透鏡、反射鏡波導(dǎo)、氣體透鏡波導(dǎo)等，使光束限制在一定范圍內(nèi)并沿確定路線傳播。在半導(dǎo)體激光器和集成光路中用到的平面型介質(zhì)波導(dǎo)也被嘗試作為光波導(dǎo)使用，由于制作成本高，工藝復(fù)雜，不適于大量鋪設(shè)。能不能象電信號依靠銅纜傳輸一樣，找到一種光波導(dǎo)來實現(xiàn)光信號廉價、低損耗的穩(wěn)定傳輸呢？

第4頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光纖的誕生早在古希臘的玻璃制作工人就發(fā)現(xiàn)玻璃可以傳輸可見光，他們利用玻璃的這種性質(zhì)，制作了各種流光異彩的玻璃工藝品。十九世紀(jì)中期英國的丁達(dá)爾(J.Tyndall)利用實驗證明利用光的全反射原理，光線在水中可以實現(xiàn)彎曲傳播。第5頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光纖的誕生1927年英國的貝爾德(J.G.Baird)提出利用光的全反射現(xiàn)象制成石英光纖，從此以后人們把注意力集中到石英這種材料上。早期的光纖只有纖芯，利用空氣－石英構(gòu)成的界面實現(xiàn)光線的全反射，由于這種結(jié)構(gòu)的開放性，經(jīng)常引起光線的泄漏。為解決這一問題人們實驗在玻璃纖維上涂覆塑料，以降低光線的泄漏同時對玻璃芯起一定的保護(hù)。這時初步形成了光纖纖芯－包層結(jié)構(gòu)，但由于塑料包層難以做到均勻一致，而且塑料包層與玻璃纖芯之間界面不夠平滑理想，光能量損失很大。

第6頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光纖的誕生1955年，美國人B.I.Hirschowitz(西斯喬威茲)把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，將它們放在高溫爐中拉制，得到玻璃(纖芯)－玻璃(包層)結(jié)構(gòu)的光纖，解決了光纖的漏光問題，這一結(jié)構(gòu)在后來被廣泛采用，就是今天的光纖結(jié)構(gòu)。但這時的光纖損耗是非常大高于1000dB/km，即使是利用優(yōu)質(zhì)的光學(xué)玻璃制作光纖也無法得到低損耗的光纖。人們曾經(jīng)一度對玻璃這種材料產(chǎn)生懷疑，轉(zhuǎn)向塑料光纖、液芯光纖的研制。第7頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向第8頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)碌?頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月2、光纖標(biāo)準(zhǔn)通信用光纖經(jīng)過二十幾年的發(fā)展形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)。ITU-T國際電信聯(lián)盟目前將單模光纖分為G.652（G.652A、G.652B、G.652C和G.652D）、G.653（G.653A和G.653B）、G.654（G.654A、G.654B和G.654）、G.655（G.655A、G.655B和G.655C）以及用于S+C+L三波段傳輸?shù)腉.656光纖（標(biāo)準(zhǔn)名稱為《寬帶光傳輸用非零色散單模光纖和光纜特性》）第10頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月按照零色散波長將單模光纖分為6種非色散位移光纖：G.652色散位移光纖：G.653截止波長位移光纖：G.654非零色散位移光纖：G.655色散平坦光纖色散補(bǔ)償光纖第11頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月3、光纖的構(gòu)造纖芯，光信號的傳輸

包層，限制光信號溢出一次涂敷層（預(yù)涂層），保護(hù)光纖增加韌性

緩沖層，減少對光纖的壓力二次涂敷層（套塑層），加強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度第12頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月纖芯：位于光纖中心部位，主要成分是高純度的SiO2,純度可達(dá)99.99999%，其余成份為摻入極少量摻雜劑，如P2O5和GeO2，摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率。纖芯直徑一般為2a＝3～100μm包層：含有少量摻雜劑的高純度SiO2,摻雜劑有氟或硼，其作用是降低包層折射率，包層直徑2b＝125～140μm一次涂層：厚度5～40μm，材料一般為環(huán)氧樹脂或硅橡膠，可承受7kg拉力緩沖層：厚度100μm二次涂敷層：原料大都采用尼龍或聚乙烯1層＋2層＝光纖3＋4＋5層＝護(hù)層5層大約0.9mm左右第13頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月3、光纖的分類－1從原材料分：石英系光纖多組份玻璃光纖氟化物光纖塑料光纖液芯光纖摻雜光纖，如摻鉺光纖由于石英系光纖具有傳輸衰減小，通信頻帶寬，機(jī)械強(qiáng)度較高等特點，在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。第14頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖分類－2按照光纖橫截面上折射率分布特征n(r)分：階躍型光纖，也稱突變型光纖（常用SI表示—StepIndexfibber）纖芯與包層的折射率均為一常數(shù)，其界面處呈階躍式變化。漸變型光纖，也稱梯度光纖或自聚焦光纖（常用GI表示—GradedIndexfibber）纖芯折射率連續(xù)變化，包層的折射率則為一常數(shù)。W型光纖等第15頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2階躍型光纖漸變型光纖

n1r≤an1[1-2Δ(r/a)

g]1/2

r≤an2a<r≤bn2[1-2Δ]1/2a<r≤bn(r)=n(r)=Δ—相對折射率差，Δ＝（n1-n2)/n1第16頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月a雙包層b三角芯c橢圓芯典型特種單模光纖第17頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖分類－3按光纖內(nèi)的導(dǎo)模數(shù)分多模光纖(MM—MultiModefiber)

可傳輸多種模式，或允許多種場結(jié)構(gòu)存在2a=50～75μm，2b=100-200μm（多模）單模光纖(SM—SingleModefiber)

只傳輸一種模式2a=4~10μm，2b=125μm(單模)第18頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖分類－4按套塑的情況分松套緊套按工作波長分短波長光纖：0.8～0.9μm長波長光纖：1.0～1.7μm超長波長光纖：>2μm

短波長與長波長光纖為石英系光纖，而超長波長光纖為非石英系光纖，如重金屬氧化物、硫硒碲化合物和鹵化物光纖等第19頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月3、光纖的傳光原理

分析光纖的傳輸原理有兩種方法：幾何光學(xué)法：將光看成一條條的幾何射線來分析，也稱射線理論

應(yīng)用條件：光波的波長遠(yuǎn)小于光纖的幾何尺寸，只適用于多模光纖波動光學(xué)法：光波按電磁場理論，用麥克斯韋方程組求解，也稱模式理論。它既可用于多模光纖，也可用于單模光纖第20頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月4光纖光纜制造技術(shù)選材的準(zhǔn)則：1.能拉長、拉細(xì)、具有一定的柔韌性、可卷繞2.在特定波長損耗低3.能使纖芯的折射率略高于包層，滿足波導(dǎo)條件按材料分類：1.無源玻璃纖維；2.有源玻璃纖維；3.塑料纖維4.1光纖材料第21頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月無源玻璃纖維玻璃纖維的主材：SiO2

-物理和化學(xué)穩(wěn)定性好 -對通信光波段的透明性好折射率差的引入：通過在SiO2中摻入不同雜質(zhì)增加非線性效應(yīng)：通過摻入硫?qū)僭谿eO2-SiO2纖芯，SiO2包層P2O5-SiO2纖芯，SiO2包層SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層在0.2~8mm具有極低損耗SiO2中摻GeO2或P2O5，折射率增加SiO2中摻氟或B2O3，折射率減小典型組合：1、GeO2-SiO2纖芯，SiO2包層2、P2O5-SiO2纖芯，SiO2包層3、SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層4、GeO2-B2O3-SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層第22頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月鹵化物玻璃纖維紅外光纖（氟化物光纖）：低損耗范圍：0.2~8m，最低損耗窗口：2.55m，理論最小損耗：0.01~0.001dB/km。缺點：不成熟，性能不穩(wěn)定有源玻璃纖維摻稀土光纖：在SiO2中摻入稀土元素實現(xiàn)光放大（或吸收），如：摻鉺光纖（EDF）、摻釹光纖。硫?qū)倩衔锊ＡЮw維非線性光纖：用作非線性光學(xué)器件。如：As40S58Se2纖芯－As2S3包層第23頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月塑料光纖（POF）參數(shù)有機(jī)玻璃POFPMMAPOF加氟聚合物POFPFPPOF纖芯直徑0.4mm0.125~0.3mm包層直徑1mm0.25~0.6mm數(shù)值孔徑0.250.2損耗150dB/km@650nm60~80dB/km@650~1300nm帶寬2.5Gb/s,100km2.5Gb/s,300km特點：更好的韌性、更耐用，可用于環(huán)境惡劣的場合低成本、低續(xù)接成本損耗比玻璃纖維高，一般用于短距離傳輸使用范圍還十分有限，主要用于接入網(wǎng)第24頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2光纖制造兩種基本方法1.直接熔化法：按傳統(tǒng)制造玻璃的工藝將處在熔融狀態(tài)的石英玻璃的純凈組分直接制造成光纖2.汽相氧化過程：-高純度金屬鹵化物(如SiCl4和GeCl4)與氧反應(yīng)生成SiO2微粒-(通過四種不同的方法)將微粒收集在玻璃容器的表面

-燒結(jié)(在尚未熔化的狀態(tài)將SiO2轉(zhuǎn)化成玻璃體)制成預(yù)制棒-拉絲成纖第25頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月直接熔化法：雙坩堝法纖芯坯料棒內(nèi)坩堝包層坯料棒纖芯玻璃外坩堝熔爐拉制光纖(到拉絲機(jī))包層玻璃直接熔化法：可用于制造石英光纖、鹵化物光纖和硫?qū)俟饫w具有可連續(xù)制造的優(yōu)點但坯料棒熔化過程中容易帶來雜質(zhì)，它的最低損耗值為5dB/km第26頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖預(yù)制棒置備好之后進(jìn)行光纖拉絲光纖拉絲機(jī)d=10~25mm;L=60~120cm精密輸送機(jī)構(gòu)夾具預(yù)制棒拉絲爐光纖粗細(xì)監(jiān)測儀裸光纖涂覆機(jī)已涂覆光纖光纖卷繞第27頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月汽相氧化法：外部汽相氧化法(OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽餌棒(中心棒)粉層狀預(yù)制棒噴嘴玻璃微粒粉層沉積粉狀預(yù)制棒剖面芯包層粉狀預(yù)制棒加熱爐1400度玻璃預(yù)制棒預(yù)制棒燒結(jié)拉制光纖加熱爐玻璃預(yù)制棒1970年康寧第一根損耗小于20dB/km的光纖第28頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月汽相軸向沉積法(VAD)推進(jìn)機(jī)馬達(dá)馬達(dá)輸送桿透明預(yù)制棒容器環(huán)狀加熱器疏松的預(yù)制棒真空泵紅外熱成像儀玻璃微粒反應(yīng)室噴燈口優(yōu)點：1.預(yù)制棒不再具有空洞2.預(yù)制棒可以任意長3.沉積室和熔融室緊密相連，可以保證制作環(huán)境清潔4.單模光纖所含的OH-

較低，因此損耗較低在0.2~0.4dB/km1977年日本開發(fā)第29頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法(MCVD)反應(yīng)物質(zhì)金屬鹵化物蒸汽+氧氣粉塵狀生成物排氣口餌管燒結(jié)后的玻璃粉層沉積物來回移動的噴燈貝爾實驗室設(shè)計，用于制造低損耗梯度折射率光纖燒結(jié)后，纖芯由汽相沉積材料構(gòu)成，包層由原始的石英管構(gòu)成H-O化學(xué)反應(yīng):第30頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月等離子體活性化學(xué)汽相沉積法(PCVD)熔融石英管SiCl4+O2+參雜物質(zhì)反應(yīng)物質(zhì)排氣口等離子體玻璃層快速來回移動的微波諧振腔(2.45GHz，8米/分鐘)1000~1200度飛利浦提出1978年應(yīng)用于量產(chǎn)直接玻璃沉積不需高溫?zé)Y(jié)反應(yīng)管不易變形快速移動，使沉積厚度減少，有利于控制折射率分布沉積效率高、沉積速度快有利于消除包層沉積過程中的微觀不均勻第31頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月幾點關(guān)鍵為了防止石墨在高溫下氧化，充入氬氣等惰性氣體加以保護(hù)。送棒機(jī)構(gòu)與牽引輥的速度要一致，以保持光纖外徑的均勻性。激光測徑，紫外固化外徑的波動控制在0.5微米之內(nèi)。拉絲的速度可以調(diào)整，600m/min~1000m/m預(yù)制棒體積：Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm光纖體積：Vfiber=d2l/4,d=125um拉絲長度l：Vpreform=Vfiber

l=6.410-5D2L(km)拉絲原理：保持芯/包層結(jié)構(gòu)不變！第32頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3光纖的機(jī)械和溫度特性1)光纖的抗拉強(qiáng)度很高，接近金屬的抗拉強(qiáng)度2)光纖的延展性(1%)比金屬差(20%)3)當(dāng)光纖內(nèi)存在裂紋、氣泡或雜物，在一定張力下容易斷裂4)包層中摻入二氧化鈦可以增強(qiáng)機(jī)械可靠性5)光纖遇水容易斷裂且損耗增大6)在低溫下?lián)p耗隨溫度降低而增加第33頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月

光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。

（1）光纖的抗拉強(qiáng)度光纖的抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了光纖的制造水平。影響光纖抗拉強(qiáng)度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。①預(yù)制棒的質(zhì)量。②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。③涂覆技術(shù)對質(zhì)量的影響。④機(jī)械損傷。光纖的機(jī)械特性第34頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如圖所示。光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖第35頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）光纖的壽命光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達(dá)到了使用壽命。從機(jī)械性能講，壽命指斷裂壽命。

（4）光纖的機(jī)械可靠性

一般來說，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。

第36頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月

光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對光纖損耗的影響，一般是損耗增大。如圖所示。光纖低溫特性曲線光纖的溫度特性第37頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4成纜對光纖特性的影響a.光纜的構(gòu)造

纜芯:在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，其結(jié)構(gòu)是否合理，與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來說，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時，光纖不應(yīng)承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。

護(hù)層:光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過河、跨海等。對于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。第38頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月b.光纜特性抗拉力特性

光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量(多數(shù)光纜在100～400kg范圍).抗壓特性

光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100～400kg/10cm。彎曲特性彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差Δ以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。溫度特性第39頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月c.成纜對光纖特性的影響改善光纖的溫度特性虛線：光纖自身的特性曲線；實線：成纜后的特性曲線增加機(jī)械強(qiáng)度由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點強(qiáng)度遠(yuǎn)大于光纖；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng)成纜的附加損耗不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會帶來附加損耗，

(比如說不良應(yīng)力造成微彎)稱之為成纜損耗第40頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月d.光纜的典型結(jié)構(gòu) 光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。我國及歐亞各國用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。第41頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖耦合器光纖的發(fā)展光纖無源器件的蓬勃發(fā)展光纖耦合器的制作熔錐型光纖耦合器件種類及應(yīng)用新型熔錐型光纖耦合器件的展望新型熔錐型光纖耦合器研究第42頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光纖無源器件的蓬勃發(fā)展光纖通信元件包括有源器件和無源器件等。光纖通信的發(fā)展促進(jìn)了光源、探測器等有源器件的發(fā)展，同時由于工程應(yīng)用的需要，各種各樣的光無源器件也相應(yīng)的出現(xiàn)。光纖的發(fā)展給光無源器件帶來了新的一頁。第43頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光纖無源器件的蓬勃發(fā)展光纖無源器件包括光纖活動連接器光纖耦合器光纖衰減器光纖濾波器光纖隔離器光開關(guān)光纖環(huán)行器光纖調(diào)制器第44頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月無源器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信號重要應(yīng)用在光纖網(wǎng)絡(luò)尤其是應(yīng)用在局域網(wǎng)在波分復(fù)用器件上應(yīng)用第45頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月無源器件耦合器（coupler）基本結(jié)構(gòu)

耦合器是雙向無源器件

基本形式有樹型、星型

——與耦合器對應(yīng)的有分路器（splitter）第46頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月無源器件耦合器

以圖形表示1423第47頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照結(jié)構(gòu)分12，22，33，1N，NN光耦合器雙環(huán)光緩沖結(jié)構(gòu)圖

第48頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照結(jié)構(gòu)分12，22，33，1N，NN光耦合器1×8單模光纖耦合器的二級構(gòu)造

第49頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照結(jié)構(gòu)分22光耦合器熔錐型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖

第50頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月耦合器實物圖第51頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照傳輸波長分窄帶耦合器，寬帶耦合器，波分復(fù)用器，波長敏感耦合器窄帶耦合器，工作帶寬為±10nm；寬帶耦合器，工作帶寬為±40nm）或不同波段的合波功能（波分復(fù)用器）

第52頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月波分復(fù)用器WDM—WavelengthDivisionMultiplexer

在一條光纖中傳輸多個光信號，這些光信號頻率不同，顏色不同。波分復(fù)用器就是要把多個光信號耦合進(jìn)同一根光纖中；解波分復(fù)用器就是從一根光纖中把多個光信號區(qū)分出來。第53頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月波分復(fù)用器波分復(fù)用器（圖例）

λ1傳送器

λ2傳送器

λ1+

λ2

λ1+

λ2

λ1接收器

λ2接收器第54頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月波分復(fù)用器二類用途一類用于通信系統(tǒng)，作為1300nm和1550nm的合波、分波器；另一類用于摻雜光纖的激光器和放大器，作為信號光和泵浦光的合波器。主要工作波長有1017/1310nm、807/1550nm、980/1550和1480/1550nm等幾種，其中研制1480/1550nm的波分復(fù)用的難度最大。由于其波分間隔小(70nm)，受到熔錐形耦合器中固有的偏振分離現(xiàn)象的限制，它的波長隔離一般只有15dB左右。因此，通過這種研制工藝，要想在同一個光通信波段(1310nm或1550nm)，即在小于40nm的波段內(nèi)實現(xiàn)二個以上的波分復(fù)用，似乎是不可能的。為此，McLandrich通過改變常規(guī)耦合器的拉錐工藝，首先研制成功了1550nm波段最小波分復(fù)用間隔為16nm的窄帶波分復(fù)用器。第56頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照傳輸波長分窄帶耦合器，寬帶耦合器，波分復(fù)用器，波長敏感耦合器第57頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照偏振模式分普通耦合器，保偏耦合器保偏光纖耦合器是應(yīng)用于光纖傳感系統(tǒng)和光纖相干系統(tǒng)等對偏振敏感系統(tǒng)的重要光纖無源器件。保偏光纖耦合器的最大特點是能穩(wěn)定地傳輸兩個正交的線偏振光，并能長距離地保持各自的偏振態(tài)不變。這就為能制造高性能、高精度光纖傳感器和光纖慣性器件提供了條件。保偏光纖耦合器能將在一根保偏光纖中傳輸?shù)木€偏振光分成二路，在二根保偏光纖中傳輸，并保持偏振態(tài)不變，即保持仍沿主軸傳輸，且具有高的消光比。額外損耗、耦合比、消光比受保偏光纖自身因素影響。第58頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照偏振模式分普通耦合器，保偏耦合器保偏光纖耦合器應(yīng)用。保偏光纖耦合器為相干光通信和光纖陀螺等用戶的產(chǎn)品開發(fā)提供了甚為關(guān)鍵的光學(xué)器件。以國外研究非?；钴S的光纖陀螺為例，保偏光纖耦合器以其無與倫比的優(yōu)勢取代了機(jī)械旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺的煩冗操作和諸多的日常維護(hù)，也克服了環(huán)形激光陀螺的鎖定現(xiàn)象，更省去了為保持小轉(zhuǎn)速時的靈敏度所采取的防機(jī)械抖動措施。光纖陀螺則既便于使用又更精確，因此比起傳統(tǒng)的陀螺，它具有更為廣闊的應(yīng)用前景?；赟agnac干涉原理的干涉型光纖陀螺已成為波音777導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分。第59頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月三、耦合器件種類及應(yīng)用按照偏振模式分普通耦合器，保偏耦合器此外，它還可應(yīng)用于小汽車、火車和船舶的導(dǎo)航和運(yùn)動監(jiān)測，如天線、攝像機(jī)的穩(wěn)定器，機(jī)器人、鏟車、農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制和導(dǎo)航，煤氣、電力、通信、電纜光纜的管道測繪，航天飛機(jī)、火箭的導(dǎo)航。僅日本尼桑公司車輛導(dǎo)航系統(tǒng)對光纖陀螺的需求量就達(dá)每月2500～3000個，即2500×3～3000×3個保偏光纖耦合器。播種和噴藥用直升飛機(jī)每年需要1000×3個保偏光纖耦合器。由此可見，隨著相干光通信和光纖陀螺等的快速發(fā)展，保偏光纖耦合器的需求量也會與日俱增。第60頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-制作方法：蝕刻法，研磨法，熔融拉錐法1.蝕刻法：最先是由Sheem和Giallorenzi發(fā)明，將兩根裸光纖扭絞在一起，浸入氫氟酸中，腐蝕掉光纖四周的涂覆層和包層，從而使光纖纖芯相接近，實現(xiàn)兩光纖間的耦合。這種方法雖然簡單，但制作出來的耦合器不僅不耐用，而且對環(huán)境溫度的變化很敏感，缺乏使用價值。第61頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-制作方法：2.研磨法：Bergh等人發(fā)明了光纖研磨法，是將每根光纖預(yù)先埋入玻璃塊的弧形槽中，然后對光纖的側(cè)面進(jìn)行研磨拋光，同時監(jiān)視光通量，研磨結(jié)束后，在磨面上加以小滴匹配液，再將光纖拼接，做成光纖耦合器。這種辦法克服了分立元件法的一些缺點，并可做成分光比可調(diào)的耦合器（目前仍是制作這類器件的一種選擇），器件的實用性也有所提高，但制作困難，成品率低，環(huán)境特性也不理想。第62頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-制作方法：3.熔融拉錐法：具體是將兩根（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)，實現(xiàn)傳輸光的耦合。常用的加熱源是氫氧焰或氫焰等，加熱源有的采用固定式，有的采用可移動式。這種方法可以用計算機(jī)較精確地控制各種過程參量，并隨時監(jiān)控光線輸出端口的光功率變化，從而實現(xiàn)制作各種器件的目的。第63頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法圖3-3耦合器輸出光功率第64頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月第65頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月熔融拉錐法-設(shè)備光源夾具光探測器光纖計算機(jī)第66頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法熔融拉錐工藝的加熱方式在國內(nèi)外目前普遍采用的熔融拉錐工藝中，若按加熱方式分類，可分為直接加熱法、間接加熱法以及介于兩者之間的所謂部分直接加熱法三種方式。直接加熱法是使用可燃?xì)怏w在燃燒器中燃燒形成的火焰直接加熱光纖，在加熱過程中，燃燒器可以固定也可來回移動。這種加熱方式的優(yōu)點在于熱量的利用率高，加熱速度快，裝置較簡單，缺點是由于熔拉過程中噴燈火焰與光纖熔拉區(qū)直接接觸，軟化后的光纖易受火焰的沖擊而產(chǎn)生形變，且光纖的熱熔狀態(tài)難以控制；熔區(qū)外徑難以達(dá)到給定的設(shè)計值，影響成品率，對室內(nèi)的潔凈條件要求高等。第67頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法熔融拉錐工藝的加熱方式間接加熱法是讓火焰對套在光纖外的石英管或陶瓷管加熱，光纖通過受熱石英管或陶瓷管的輻射熱來熔融，此法可以克服直接加熱法的缺點，但須提高加熱溫度，增設(shè)石英管及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動裝置。部分直接加熱法是讓單噴燈火焰在開槽石英管內(nèi)對光纖耦合區(qū)進(jìn)行加熱，與常用的單噴燈直接加熱方式相比，其熱場的均勻性得到改善，由于石英管壁對熱氣流壓力的反作用和熱氣流流向的對稱性，避免了火焰噴力對器件熔錐區(qū)形變的不利影響。第68頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月熔融拉錐法-設(shè)備第69頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法KF－FBT光纖熔融拉錐系統(tǒng)介紹是一種集成了光學(xué)﹑電子學(xué)﹑精密機(jī)械﹑計算機(jī)等多項技術(shù)集制作﹑檢測﹑控制等多項功能于一體的高度自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括拉錐主機(jī)﹑氫氣發(fā)生器﹑啟動控制系統(tǒng)。制作過程完全由計算機(jī)控制，可以通過任意設(shè)置分光比，改變火頭位置，控制光纖拉伸速度制作各種規(guī)格的耦合器。該系統(tǒng)不僅可以制作各種分光比的標(biāo)準(zhǔn)光纖耦合器，而且還可以制作WDM耦合器﹑寬帶單窗口/雙窗口耦合器。在這個系統(tǒng)中，氫氣發(fā)生器用于產(chǎn)生氫氣，為熔融拉錐提供燃料。啟動控制系統(tǒng)是用氮氣的氣壓作為氣動開關(guān)來控制火頭開關(guān)，拉錐夾具開關(guān)以及封裝托架開關(guān)。而拉錐主機(jī)是利用計算機(jī)來設(shè)置、控制及監(jiān)測整個熔融拉錐過程的。第70頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法窄帶耦合器的制作1.用米勒鉗剝?nèi)ブ蓖ū畚捕说耐扛矊樱迦肼憷w適配器中，用紅寶石切割刀沿陶瓷插芯的頂端面將裸纖截斷，將裸纖適配器接入光源。當(dāng)“校正”界面中AD10顯示超過200000時，可繼續(xù)下一步操作。如小于200000，需要重新切割裸纖端面。2.在直通臂和耦合臂光纖上分別用米勒鉗剝?nèi)ラL約20-30mm的涂覆層，用無紡布蘸無水乙醇擦拭兩遍，然后再用干無紡布擦拭一遍第71頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法窄帶耦合器的制作3.在除去涂覆層的窗口部分打結(jié)，打結(jié)時，兩條光纖預(yù)備熔融的兩結(jié)之間要盡量保持平行，結(jié)區(qū)長度在1cm左右，然后打開真空泵，將光纖放置在真空吸附的夾具上，要確定兩根光纖牢牢吸附在真空夾具上，直到調(diào)整到聽不到真空泵的吸氣聲為止。使剝?nèi)ネ扛矊拥慕Y(jié)區(qū)部分正對火焰位置。也可采用先將兩根光纖平行的放置在真空吸附的夾具上，然后在夾具上打結(jié)，打結(jié)之后再調(diào)整結(jié)區(qū)位置。還可利用真空吸附夾具兩端的小夾具，將兩根光纖平行放置在真空吸附夾具上，將兩端的小夾具扣上，旋轉(zhuǎn)小夾具同樣可以達(dá)到打結(jié)的目的。第72頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法窄帶耦合器的制作4.在確定準(zhǔn)備工作完成后，蓋上防護(hù)罩，點擊主頁面上的拉伸，計算機(jī)控制火頭進(jìn)火并按照設(shè)置的參數(shù)自動運(yùn)行到結(jié)區(qū)正上方進(jìn)行加熱，同時真空夾具也按照設(shè)置的拉錐速度向兩端拉伸。我們就開始熔融拉錐耦合器了。整個過程都由計算機(jī)控制與監(jiān)測。這時，我們在主界面上可以同時看到直通臂、耦合臂光強(qiáng)的變化，以及總損耗和分光比的變化。其中，粉線代表直通臂中的光功率，藍(lán)線代表耦合臂中的光功率，紅線代表總損耗，而綠線代表分光比。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)分光比時，真空夾具停止拉伸，火頭自動退火。如達(dá)到期望的效果(分光比和總損耗)，便可以進(jìn)行封裝了(封裝略)。第73頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法表1制作3dB窄帶耦合器參數(shù)設(shè)置分光比113.00分光比241.00拉伸速度12500拉伸速度2850氫流量166氫流量262第74頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法熔錐型寬帶光纖耦合器工藝流程

第75頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法制作寬帶光纖耦合器實驗步驟(1)光纖的預(yù)處理：我們將檢驗合格的單根單模光纖在耦合段剝?nèi)?0~30mm的一次涂覆層并作清潔處理，然后將光纖置于精密夾具上。(2)單根光纖的預(yù)拉伸：啟動計算機(jī)，由計算機(jī)控制高溫H2-O2焰噴嘴的移動和微電機(jī)的拉伸，使這單根光纖預(yù)拉到預(yù)定的長度。(3)打結(jié)：我們做好另一耦合段，并將其置于精密夾具上，再與預(yù)拉后的耦合段按圖4-2所示絞合，打結(jié)時要使耦合段平行且緊密相靠。第76頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法制作寬帶光纖耦合器實驗步驟(4)熔融拉伸耦合段：為了進(jìn)行熔融拉錐過程的監(jiān)控，實行在線監(jiān)測，即從一根光纖輸入光功率，在直通臂和耦合臂檢測光功率。由于實現(xiàn)在線監(jiān)測，熔融拉錐過程中的能量耦合狀況清晰可見。隨著耦合段的加熱、熔融及拉伸，直通臂的功率P1下降，耦合臂的功率P2上升，計算機(jī)在達(dá)到指定的分光比時使光纖耦合段退出加熱區(qū)，同時停止拉錐。第77頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法制作寬帶光纖耦合器實驗步驟(5)封裝：如此形成的雙錐狀耦合段是極易損壞的，為此必須立即安裝石英玻璃基體以保護(hù)耦合段。把特制的石英半管放在主機(jī)的加熱托架上。點擊進(jìn)鍵，封裝組件將自動移至兩光纖夾具之間的空檔位置，準(zhǔn)確進(jìn)入已熔合的耦合器的正下方。然后，封裝組件會向上升起，直到光纖的熔合部位，將該部位從下向上包裹起來。，按下拉錐機(jī)前面板上的加熱鍵開始加熱。待電阻絲紅熱時在石英半管的兩端點少量的環(huán)氧樹脂膠(注意保持半管不動)。稍候數(shù)秒，等到膠固化好(顏色變?yōu)榧t褐色)后，停止加熱，取出耦合器。點擊觸摸屏上的出鍵，撤回加熱托架。穿入熱縮管并利用火頭外部加熱(通常為了避免穿入熱縮管影響耦合器的參數(shù)，我們在制作前也可以先將熱縮管穿入光纖待用)。最后加不銹鋼管封裝，并用硅膠填滿，再放置在70℃烘箱中烘烤2小時。

第78頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的制作-熔融拉錐法注意事項：在耦合器的制作過程中，要獲得性能優(yōu)良好的耦合器，應(yīng)注意以下幾點：耦合段的清潔處理工作要做好，以免灰塵等異物影響耦合段之間的功率耦合；兩光纖放置在夾具上時，應(yīng)使耦合段平行緊靠，同時，使耦合段的中部正對H2-O2焰；熔拉完成后，