2014光纤通信幻灯片—常用光无源器.ppt

哈尔滨工业大学 光纤通信第四章 常用光无源器件 张文彬哈尔滨工业大学通信技术研究所 2014 7 14 2 第四章常用光无源器件的目录 2014 7 14 3 概述 光纤通信中所用的光器件可分成光有源器件和光无源器件两大类 二者的区别在于器件在实现本身功能的过程中 其内部是否发生光电能量转换 若出现光电能量转换 则称其为有源光器件 若未出现光电能量转换 即便也需要一些电信号的介入 均称为光无源器件 光无源器件有多种分类方法 目前最常用的是按功能分类 按照器件在光纤传输路上所发挥的功能可分为光隔离器 光纤连接器 光合 分路器光耦合器 光开关 光衰减器以及光极化控制器 光环形器 滤波器等 本章主要介绍目前常用的光无源器件的结构 工作原理及特性参数 2014 7 14 4 4 1光纤连接器 光纤连接器可分为 固定连接器 活动连接器 多模光纤连接器 单模光纤连接器等 光纤连接器的结构与种类 固定连接器 又称为固定接头或接线子 是使一对或几对光纤之间形成永久性的连接 不一定要求重复使用 但要求损耗低 后向反射光小 操作简便 性能稳定 制作固定接头的方法有熔接法 V形槽法 毛细管法 套管法等 这些方法各有优缺点 都能制作出满足工程需要的固定接头 我国光纤干线中 熔接法用得最多 2014 7 14 5 4 1光纤连接器 活动连接器 定义 光纤 缆 活动连接器是实现光纤 缆 之间活动连接的光无源器件 它还具有将光纤 缆 与其他无源器件 光纤 缆 与系统和仪表进行活动连接的功能 是光纤应用领域中不可缺少的 应用最广光无源器件之一 1 套管结构 这种结构设计合理 加工技术能够达到要求的精度 因而得到广泛应用 FC SC D4等型号的连接器均采用这种结构 2014 7 14 6 4 1光纤连接器 2 双锥结构 利用锥面定位 此结构由AT T创立和采用 3 V形槽结构 将两个插针放入V形槽基座中 再用盖板将插针压紧 利用对准原理使纤芯对准 精度较高 但结构复杂 零件数量多 2014 7 14 7 4 1光纤连接器 4 球面定心结构 两根插针插入基座 球面与锥面接合将纤芯对准 并保证纤芯之间的间距控制在要求的范围内 设计巧妙 但零件形状复杂 实现难度大 5 透镜耦合结构 又称远场耦合 结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种 降低了加工的精度要求 容易实现 但结构复杂 体积大 元件多 损耗大 2014 7 14 8 4 1光纤连接器 光纤连接器特性参数 评价一个光纤连接器的主要性能指标有4个 即插入损耗 回波损耗 重复性和互换性 插入损耗 是指光纤中的光信号通过活动连接器后 其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数 表达式为 式中 为连接器插入损耗 为输入端的光功率 为输出端光功率 对于多模光纤连接器来讲 注入的光功率应当经过稳模器 滤去高次模 使光纤中的模式为稳态分布 这样才能准确地衡量连接器的插入损耗 2014 7 14 9 4 1光纤连接器 插入损耗的补充 造成损耗的原因 1 横向错位 对于多模阶跃折射率光纤来说 假定纤心横截面内光功率均匀分布 纤心的横向对准差错损耗仅由发射光纤和接收光纤纤心的不重叠部分决定 如下图所示 耦合效率是重叠面积 阴影部分 与纤心面积的比值 可以计算出耦合效率为 式中 反余弦函数的单位是弧度 相应的以分贝为单位计算的损耗为 2014 7 14 10 4 1光纤连接器 1 横向错位 SI 阶跃型 单模光纤和抛物线折射率单模光纤的连接损耗为 式中 是光斑尺寸 计算公式为 例题 对于多模阶跃折射率光纤来说 假设纤心直径均为50微米 要求耦合损耗小于1dB 试问允许的轴向位移是多少 并重复计算耦合损耗为0 5dB和0 1dB的情况 例题 某一单模玻璃光纤 相对横向偏移值从0到5um 工作波长为1 3um和1 55um 绘出损耗与偏移之间的曲线 1 2 V 2 4 2014 7 14 11 4 1光纤连接器 2 角度错位 对于多模阶跃折射率光纤来说 耦合效率为 是两根光纤端面之间形成的楔形缝隙内填充材料的折射率 是错位的角度 单位为弧度 由此产生的耦合损耗为 对于单模光纤来说 耦合损耗为 式中 单位是弧度 是高斯光斑尺寸 是包层材料的折射率 例题 某SI光纤 阶跃型光纤 归一化频率为2 4 计算该光纤的纤心半径 数值孔径和0 8um波长处的光斑尺寸 单模光纤 角度错位结论 数值孔径越大 角度错位对耦合效率 损耗的影响越小 数值孔径越大 耦合损耗随错位角度的增加越慢 2014 7 14 12 4 1光纤连接器 3 端面分离 a 多模阶跃光纤的端面间隙产生的损耗在光纤纤心截面内功率均匀分布的前提下 由小的端面间隙导致的损耗为 式中 是匹配液的折射率 在没有匹配液的情况下 b 单模光纤的端面间隙产生的损耗 式中 c 总结 对于单模或多模光纤来说 端面分离间隙并不是关键的损耗因素 而横向对准差错是最严重的损耗因素 2014 7 14 13 4 1光纤连接器 4 光纤端面不平滑 粗糙的光纤端面产生散射 将导致比较显著的损耗 如果光纤端面不平行 会使光纤端面与光纤轴线不垂直 这种情形也会导致连接损耗的增加 用匹配液填充凹凸不平的端面并消除倾斜造成的间隙 有助于解决这一问题 若要求非常低的连接损耗 光纤端面必须是平滑且平行的 5 不同光纤之间的连接 直径差异 数值孔径差异 类型差异 将有不同数值孔径或纤心直径的光纤相互连接是经常会遇到的事情 同样结构的光纤的纤心直径也可能会有差异 假设光从纤心半径为的光纤传送到纤心半径为的光纤 如果 则损耗为 阶跃 渐变光纤都成立 如果接收光纤比发射光纤粗一些 则没有损耗 2014 7 14 14 4 1光纤连接器 光线从具有较高数值孔径的光纤传输到较低数值孔径的光纤 一些发射光线将落在接收光纤接收角之外 如果 则连接损耗为 多模阶跃和渐变光纤都有效 如果接收光纤的数值孔径比发射光纤的数值孔径大 则没有损耗 5 不同光纤之间的连接 续 不同光纤之间的连接结论 光功率从SI光纤传输到抛物线折射率的GRIN光纤 如果两者的轴心有相同的数值孔径且纤心半径相等 则连接损耗为3dB 光功率从GRIN光纤传输到SI光纤则没有损耗 SI Step indexfiberGRIN Graded indexfiber渐变折射率光纤 2014 7 14 15 4 1光纤连接器 回波损耗 又称后向反射损耗 是指光纤连接处 后向反射光对输入光的功率比率的分贝数 表达式为 式中 表示回波损耗 表示输入光功率 表示后向反射光功率 回波损耗愈大愈好 以减少反射光对光源和系统的影响 重复性和互换性 重复性是指光纤 缆 活动连接器多次插拔后插入损耗的变化 用dB表示 互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化 用dB表示 这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性 也是表明连接器实用化的重要标志 2014 7 14 16 4 2光纤耦合器 光纤耦合器概述 定义 简称耦合器 是将光信号进行分路或合路 插入 分配的一种器件 简单地讲 光耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结构耦合区发生耦合 并进行再分配的器件 分类 光纤耦合器目前已形成一个多功能 多用途的系列产品 从功率上看 分为功率分配器和光波长 合 分波 耦合器 从端口形式上划分 分为X形 2x2 耦合器 Y形 1x2 耦合器 星形 NxNN 2 耦合器 树形 1xN N 2 耦合器 从工作带宽的角度划分 分为单工作窗口的窄带耦合器或标准耦合器 StandardCoupler SC 单工作窗口的宽带耦合器 双工作窗口的宽带耦合器 从传导模式划分 分为多模耦合器和单模耦合器 2014 7 14 17 4 2光纤耦合器 2014 7 14 18 4 2光纤耦合器 光纤耦合器的结构与原理 制作方法 分立光学元件组合型 全光纤型 平面波导型 其中属于全光纤型的光纤熔融拉锥法因为具有各种优势 成为当前光耦合器的主要制作方法 熔融拉锥法 将两根 或两根以上 除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢 在高温加热下熔融 同时向两侧拉伸 最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构 实现传输光功率耦合的一种方法 2014 7 14 19 4 2光纤耦合器 2014 7 14 20 4 2光纤耦合器 熔融拉锥法的工作原理 入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配 一部分光功率从 直通臂 继续传输 另一部分则由 耦合臂 传到另一光路 单模耦合器和多模耦合器具有完全不同的耦合机理 1 熔融拉锥型单模光纤耦合器 光纤归一化频率先减小 然后增加包层为芯 空气为包层构成新波导光功率以特定比例 捕获 2014 7 14 21 4 2光纤耦合器 2 熔融拉锥型多模光纤耦合器 较高阶模式被捕获 获得耦合光功率 低阶模不参与耦合 只能从直通臂输出 改进后的工艺保证了直通臂和耦合臂的输出模式一致 光纤耦合器的特性参数 特性参数 光纤耦合器除了具有光无源器件的一般技术术语外 还有一些体现自身特点的技术术语 插入损耗 附加损耗 分光比 方向性 均匀性 偏振光损耗 隔离度 2014 7 14 22 4 2光纤耦合器 1 插入损耗 定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值 该值通常以分贝表示 数学表达式为 其中 ILi是第i个输出端口的插入损耗 是第i个输出端口测到的光功率值 是输入端的光功率值 2 分光比 是光耦合器所特有的技术术语 定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比 在具体应用中常用数字表达式表示为 对于标准X形耦合器 1 1或50 50代表了同样的分光比 即输出为均分的器件 2014 7 14 23 4 2光纤耦合器 3 附加损耗 定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值 该值以分贝表示的数学表达式为 应特别指出的是 光纤耦合器的附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标 反映的是器件制作过程带来的固有损耗 而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况 不仅有固有损耗的因素 而且也有分光比的影响 因此 不同类型的光纤耦合器之间 插入损耗的差异 并不能反映器件制作质量的优劣 2014 7 14 24 4 2光纤耦合器 4 方向性 也是光耦合器所特有的一个技术术语 它是衡量器件定向传输性的参数以标准X形耦合器为例 方向性定义为在耦合器正常工作时 输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值 以分贝为单位的数学表达式为 式中 Pin1代表总注入光功率 Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率 5 偏振相关损耗 是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量 它是指当传输光信号的偏振态发生360o变化时 器件各输出端口插入损耗的最大变化量 实际应用时 光信号的偏振态经常发生变化 因此为了不影响器件的使用效果 往往要求器件有足够小的偏振损耗 2014 7 14 25 4 2光纤耦合器 6 返回损耗 输入端口的反射功率与输入总功率的比值 以2 2的X形耦合器为例 说明它的各参数 2014 7 14 26 4 3波分复用 解复用器 波分复用 解复用器概述 光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件 具有广阔的应用前景 对波分复用器与解复用器共同的要求是 复用信道数量要足够多 插入损耗小 串音衰减大和通带范围宽 波分复用器与波分解复用器的不同点在于 复用器的插入损耗一般比较大 解复用器要求如下 给定工作波长应具有最低的插入损耗 其他端口对该光信号应具有理想隔离 2014 7 14 27 4 3波分复用 解复用器 波分复用 解复用器的原理与分类 光复用器和解复用器可分为波长选择性和非波长选择性两种 如下图所示 下面只介绍广泛应用的光波分复用系统的器件制造方法和原理 2014 7 14 28 4 3波分复用 解复用器 1 光栅型 是近年发展起来的 常用来制作波分复用器的主要分光元件 原理 入射光射到光栅表面 不同波长的衍射角不同 就可以使不同的光送到不同的光纤中去 器件更紧凑 小巧 具有良好的温度特性 可满足工程需要 2014 7 14 29 4 3波分复用 解复用器 2 波导阵列光栅型 下图是一种波导阵列光栅型波分复用器件 它由输入 输出波导 空间耦合器和波导阵列光栅构成 原理 空间耦合器的作用是将各种波长的输入信号 通过空间耦合器进入阵列波导输入端 由于阵列波导是由若干条其光程差为的波导构成 根据衍射理论 在波导阵列光栅输出端 按波长长短顺序排列输出 并通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口 达到分波的目的 2014 7 14 30 4 3波分复用 解复用器 3 光纤光栅 是利用光纤制造中的缺陷 用紫外光照射 使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化 在满足布拉格光栅条件的波长上全反射 而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波器 光纤布拉格光栅制作方法一般分为干涉法相位掩膜板法及逐点写入法 2014 7 14 31 4 3波分复用 解复用器 波分复用 解复用器的特性 1 中心波长 或通带 是由设计 制造者根据相应的国际标准 国家标准或实际应用要求选定的 密集型波分复用器ITU T规定在1550nm区域 1552 52nm为标准波长 其他波长规定间隔100G 0 8nm 50G 0 4nm 等 或取其整数倍作复用波长 2 中心波长工作范围 对于每一工作通道 器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围 该参数限定了我们所选用的光源 LED或LD 的谱宽宽度及中心波长位置 它以1 0nm表示或者是以平均信道之间间隔的10 表示 2014 7 14 32 4 3波分复用 解复用器 3 中心波长对应的最小插入损耗 式中 代表波长为的光束在输出端的光功率 代表波长为的光束在输入端合路信号中的光功率 该参数是衡量解复用器的一项重要指标 越小越好 可以用输入端到N个输出端的各信道的波长 插入损耗关系曲线来表达 以小于 X dB表示 2014 7 14 33 4 3波分复用 解复用器 4 相邻信道之间串音耦合最大值 式中 代表波长为的光束在输出端串扰到的输出端口处的光功率 代表波长为的光束在输入端口处的光功率 该参数是衡量解复用器的另一项重要指标 数字通信中一般大于30dB 模拟通信中则应大于50dB 以大于 Y dB表示 5 偏振相关损耗 偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时 如线偏振 圆偏振 椭圆偏振 对应输出端口插入损耗最大变化量 2014 7 14 34 4 3波分复用 解复用器 2014 7 14 35 4 3波分复用 解复用器 2014 7 14 36 4 3波分复用 解复用器 2014 7 14 37 4 4光开关 光开关概述 是光纤通信系统重要的光器件 随着光纤通信技术的发展 特别是数据通信和密集波分复用 DWDM 系统的应用 复杂的网络拓扑对可靠 灵活的网管产生了强烈的需求 DWDM城域网和接入网应用对具有插 分和交换功能的光开关的需求更加迫切 光开关的主要任务是切换光路 下图是1X2光开关切换光路的示意图 2014 7 14 38 4 4光开关 光开关的种类 光开关根据驱动方式可分为机械式光开关和非机械式光开关 根据工作原理可分为机械式光开关 液晶光开关 电光式光开关和热光式光开关系统对光开关的要求归纳为 小的串音 小的消光比 低的插入损耗 小的驱动电流 或电流 无极化依赖性 与光纤有高的耦合效率 紧凑的器件尺寸 根据需求而定的开关速度和频率带宽 2014 7 14 39 4 4光开关 光开关的特性参数 1 插入损耗 是指输入与输出端口之间光功率的减少 以分贝来表示 式中 为进入输入端的光功率 为输出端接收的光功率 2 隔离度 是指两个相隔离输出端口光功率的比值 以分贝来表示 式中 为开关的两个隔离端口 n m Pin是光从i端口输入时n端口的输出功率 Pi是输入端口i的光功率 输入端口为i 输出端口为m n 输入端口i与m端口接通 CT crosstalk 2014 7 14 40 4 4光开关 3 回波损耗 也称反射损耗或反射率 是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值 以分贝表示 式中 为进入输入端的光功率 为输入端口接收到的返回光功率 4 远端串扰 是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值 表达式为 2014 7 14 41 4 4光开关 5 远端串扰 是指当其他端口接终端匹配 连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比 6 消光比 是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差 式中 为n m端口导通时的插入损耗 为两个端口非导通时的插入损耗 7 开关时间 是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间 开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起 2014 7 14 42 4 5光隔离器及光环行器 光隔离器的定义及原理 互易器件 允许双向光通行 即输入光与输出光可以互换的无源器件 光隔离器 是一种光单向传输的非互易性器件 即光的单向器 光隔离器的用途 主要用在激光器或光放大器的后面 以防止来自连接器 熔接点 滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性 法拉第旋转器 用旋光材料制成法拉第旋转器 是通过它的光的偏振态旋转一定角度 且旋转方向与光传播方向无关 光隔离器的工作原理 是基于法拉第旋转的非互易性 光隔离器的组成 起偏器 检偏器 法拉第旋转器三部分 各部分作用 起偏器允许垂直偏振光顺利通过 检偏器允许45o方向上的偏振光顺利通过 法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o单模光纤隔离器的特点 是隔离器的工作与入射光的偏振态有关 即必须是垂直偏振 单模光纤隔离器的组成 2014 7 14 43 4 5光隔离器及光环行器 光隔离器的工作过程 当入射光从左向右传输时 由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透振方向一致 故入射光无损地通过起偏器 由于法拉第旋转器的作用 使光的偏振态旋转到45o方向上 由于检偏器的透振方向也在45o方向上 于是经过法拉第旋转器旋转45o后的光能顺利通过检偏器 这样 正向传输入射光无损地通过隔离器 当反射波向反方向传输时 由于检偏器的透振方向为45o 只允许45o方向的偏振光通过检偏器 其余偏振态的光全部被检偏器阻止 通过检偏器的光被法拉第旋转器再旋转45o 便成为水平偏振光 该偏振态光被起偏器阻止 这样就阻止了反方向光的传输 2014 7 1