第3章 光纤通信器件.ppt

1 第1 2章提问问题 2 选择题 7 普通单模光纤是 a G 652光纤 b G 654光纤8 G 652光纤在1 3 m的损耗是 a 0 35dB b 0 2dB 3 二 填空题 1 用光导纤维进行通信最早在1966年由英籍华人提出 2 单模光纤的传输特性用 表示 3 越大 光纤接收光的能力越强 从光源到光纤的耦合效率越高 纤芯对光能量的束缚越强 光纤抗弯曲性能越好 4 色散导致光脉冲 从而构成对系统BL乘积的限制 5 不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度 而且还可以测量连接器和熔接头的损耗 观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置 在工程上获得了广泛地使用 4 6 色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时 因速度不同产生不同的时间延迟引起的一种物理效应 7 光纤的最小损耗在 m波段 8 引起光纤衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗 散射损耗和辐射损耗 其中损耗是可以改善的 9 光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外 还需满足传输过程中的条件 5 三 简答题 简述点对点光纤通信系统的组成和各部分的作用 6 点对点光纤通信系统通常由光发射机 光纤 光中继器和光接收机四部分组成 光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输 它通常由调制器和光源组成 调制器的作用是用复用信号直接调制 IM 激光器 LD 的光强 或通过外调制器调制LD的相位 光源是把电信号转换为光信号 以便在光纤中传输 光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号 对其放大并解调出原基带信号 光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大 光中继器有光 电 光中继器和全光中继器 如需对业务进行分出和插入 可使用光 电 光中继器 如只要求对光信号进行放大 则可以使用光放大器 光纤是光信号传输的介质 7 名词解释 TDMWDMIM DDLEDLDNAOTDR 8 TDM TimeDivisionMultiplexingWDM WavelengthDivisionMultiplexingIM DD IntensityModulationwithDirectDetectionLED LightEmittingDiodeLD LaserDiodeNA NumericalApertureOTDR OpticalTimeDomainReflectometer 9 第三章光纤通信无源器件 3 1连接器3 2耦合器3 3调制器3 4光开关3 5光隔离器3 6光环行器3 7波分复用 解复用器件3 8光分插复用器 OADM 10 3 1连接器 连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件 连接器是把两个光纤端面结合在一起 以实现光纤与光纤之间可拆卸 活动 连接的器件 对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤 连接器 跳线 用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连 11 对连接器的要求 连接损耗 插入损耗 小 回波损耗大 多次插拨重复性好 互换性好 环境温度变化时 性能保持稳定 并有足够的机械强度 因此 需要精密的机械和光学设计和加工装配 以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配 并保持适当的间隙 12 图3 1 1连接损耗的机理 13 图3 1 1连接损耗的机理 14 连接器的基本结构包括接口零件 光纤插针和对中三部分 光纤插针的端面有平面 球面 PC 或斜面 APC AngledPhysicalContact 对中可以采用套管结构 双锥结构 V形槽结构或透镜耦合结构 插针可以是微孔结构 三棒结构或多层结构 因此 连接器的结构也是多种多样的 采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固定效果最好 又适合大批量生产 得到了广泛的应用 如图3 1 2 b 所示 图3 1 2活动连接器结构和特性 15 连接器的种类 两插头与转接器的连接有FC型 SC型和ST型 FC 表示用螺纹连接 SC Square SubscriberConnector 表示轴向插拔矩形外壳结构 ST SpringTension 表示弹簧带键卡口结构 通常我们把光纤插针端面结构和两插头与转接器的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类型 通常有FC PC FC APC SC PC SC APC和ST PC型等 16 表3 1 1各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标 17 接头 接头是把两个光纤端面结合在一起 以实现光纤与光纤之间的永久性 固定 连接 接头用于相邻两根光缆 纤 之间的连接 以形成长距离光缆线路 永久性连接一般在现场实施 这种连接是光缆线路建造中的重要技术 对接头的要求主要是连接 接头 损耗小 有足够的机械强度 长期的可靠性和稳定性 以及价格便宜等 18 接头制作方法 热熔连接 把端面切割良好的两根光纤放在V形槽内 用微调器使纤芯精确对中 用高压电弧加热把两个光纤端面熔合在一起 用热缩套管和钢丝加固形成接头 接头的质量不仅受光纤公差而且受电弧电流和加热时间的影响 热熔连接方法在世界范围得到广泛应用 市场上有多种规格的自动控制熔接机 使用方便 19 接头制作方法 机械连接 用V形槽 准直棒或弹性夹头等机械夹具 使两根端面良好的光纤保持外表面准直 用热固化或紫外固化 并用光学兼容环氧树脂粘结加固 这种连接方法接头损耗大 因为纤芯对中的程度完全取决于光纤外径公差和机械夹具对光纤的控制能力 20 毛细管粘结连接 把光纤插入精制的玻璃毛细管中 用紫外固化粘结剂固定 对端面进行抛光 在支架上用压缩弹簧把毛细管挤压在一起 调节光纤位置 使输出功率达到最大 从而实现对中 用光学兼容环氧树脂粘结形成接头 这种连接方法接头损耗很低 21 图3 1 2把端面切割良好的两根光纤放在V形槽内 微调架对中 用高压电弧加热熔合在一起 22 3 2耦合器 耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出 耦合器对线路的影响是附加插入损耗 可能还有一定的反射和串音 选择耦合器的主要依据是实际应用场合 23 T形耦合器是一种3端耦合器或2 2耦合器 它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给2根光纤 这种耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器 或局域网终端的光输入或光输出耦合器 星形耦合器是一种N N耦合器 它的功能是把N根光纤输入的光功率组合在一起 并均匀分配给N根输出光纤 这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器 耦合器基本结构 24 N N星形耦合器可以由几个2 2耦合器组合而成 这种组合星形耦合器的缺点是元件多 体积大 熔拉双锥星形耦合器是一种紧凑的单体星形耦合器 这种耦合器的制造技术是把许多光纤部分熔化在一起 并把熔化部分拉伸形成双锥形结构 锥形部分的作用是把每根光纤输入的信号混合在一起 并近似相等地分配给每个输出端 图3 2 2用熔拉双锥方法制造的星形耦合器 25 另一种制造单模光纤星形耦合器的方法是新颖的集成光学结构 即在扇形的输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区 即自由空间区 该区可用硅平面波导电路技术制成 它的作用是将输入光功率均匀地分配到每个输出端 如图3 2 3所示 这种结构的星形耦合器适合构成大规模的N N星形耦合器 利用这种技术已制成用于1 55 m波段的64 64和144 144星形耦合器 图3 2 3采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器 26 3 3光调制器 直接调制信号直接调制光源的输出光强外调制信号通过外调制器对连续输出光进行调制 27 调制有直接调制和外调制两种方式 直接调制是信号直接调制光源的输出光强 外调制是信号通过外调制器对连续输出光进行调制 用直接调制来实现AM和ASK时 注入电流的变化要非常大 并会引入不希望有的线性调频 图3 3 1调制方式比较 28 直接调制不能用于高速系统 直接检测接收机不能用于高速系统 相干系统或波分复用系统中 因为激光器出现的线性调频使输出线宽增大 信道能量损失 并产生对邻近信道的串扰 从而成为系统设计的主要限制 如果把激光的产生和调制过程分开 就完全可以避免这些有害影响 29 外调制 外调制方式是让激光器连续工作 把外调制器放在激光器输出端之后 用承载信息的信号通过调制器对激光器的连续输出进行调制 只要调制器的反射足够小 激光器的线宽就不会增加 为此 通常要插入光隔离器 最常用的调制器是电光调制器和电吸收调制器 30 3 4光开关 光开关的功能是转换光路 实现光信号的交换 对光开关的要求是插入损耗小 串音低 重复性高 开关速度快 回波损耗小 消光比大 寿命长 结构小型化和操作方便 31 光开关分类 机械光开关包括微机械光开关波导光开关利用电光 磁光 热光和声光效应 32 机械光开关 33 机械光开关优缺点 在插入损耗 隔离度 消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能 但开关时间较长 几十毫秒到毫秒量级 开关尺寸较大 而且不易集成 34 微机电系统 微机电系统 MEMS Micro Electro MichanicalSystems 构成的微机电光开关已成为DWDM网中大容量光交换技术的主流 它是一种在半导体衬底材料上 用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰 上下移动或旋转的微反射镜阵列 在驱动力的作用下 对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统 通常微反射镜的尺寸只有140 m 150 m 驱动力可以利用热力效应 磁力效应和静电效应产生 这种器件的特点是体积小 消光比大 60dB左右 对偏振不敏感 成本低 其开关速度适中 约5ms 插入损耗小于1dB 35 图3 6 3可旋转微反射镜MEMS光开关 36 微机械光开关优缺点 具有机械光开关和波导光开关的优点 却克服了它们所固有的缺点 采用了机械光开关的原理 但又能象波导开关那样 集成在单片硅基上 基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面 主要开发商有美国Lucent 德克萨斯仪表公司和康宁等公司 37 微机械光开关进展 用贝尔实验室开发的MEMs技术 微透镜 已实现256 256的光交叉连接 交换能力10万亿比特 s 是世界上第一个10G全光交叉连接系统 2001年已达到1024 1024 它可以运行在任何光层速率 包括40Gb s以及更高的速率 38 波导开关 开关时间短 毫秒到亚毫秒量级 体积非常小 而且易于大规模集成 但插入损耗 隔离度 消光比和偏振敏感性指标都比较差 39 图3 6 5马赫 曾德尔1 1光开关 40 波导光开关原理 41 互易器件和非互易器件 连接器 耦合器等大多数无源器件的输入和输出端是可以互换的 称之为互易器件 然而光通信系统也需要非互易器件 如光隔离器 光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件 某些光器件特别是激光器和光放大器 对于从连接器 接头 调制器或滤波器反射回来的光非常敏感 因此通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔离器 以消除反射光的影响 使系统工作稳定 对光隔离器的要求是隔离度大 插入损耗小 饱和磁场低和价格便宜 42 3 5光隔离器 43 隔离器用法拉第磁光效应原理制成 44 隔离器工作原理 起偏器P使入射光的垂直偏振分量能通过调整加在法拉第介质的磁场强度 使偏振面旋转45o 然后通过检偏器A 反射光返回时 通过法拉第介质又一次旋转45o 正好和入射光偏振面正交 因此不会使入射光受到影响 等于把入射光和反射光相互隔离开来 光隔离器的两个主要参数是隔离度和插入损耗 45 光隔离器 46 3 6光环行器 用途和原理 光环行器除了有多个端口外 其工作原理与光隔离器类似 也是一种单向传输器件 主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中 方向性一般大于50dB 47 端口1输入的光信号只有在端口2输出 端口2输入的光信号只有在端口3输出 在所谓 理想 的环行器中 在端口3输入的信号只会在端口1输出 但是在许多应用中 这最后一种状态是不必要的 因此 大多数商用环行器都设计成 非理想 状态 即吸收从端口3输入的任何信号 方向性一般大于50dB 3 6光环行器 用于单纤双向传输系统 48 3 7波分复用 解复用器件 波分复用器 WDM 的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起 并注入到一根光纤 解复用器的功能与波分复用器正好相反 棱镜对不同波长的光有不同的折射角 当这些分开的光从棱镜进入空气时 又一次发生折射 从而进一步把复用光束分开 完成解复用 49 衍射光栅解复用器 输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上 光栅对不同波长光的衍射角不一样 从而把复合信号分解为不同波长的分量 然后由透镜聚焦在每根输出光纤上 50 3 8光分插复用器 OADM 在WDM网络中 需要光分插复用器 OADM 在保持其它信道传输不变的情况下 将某些信道取出而将另外一些信道插入 可以认为 这样的器件是一个波分复用 解复用对 右图表示固定波长光分插复用器 它是对光信号实现分路 和路 插入和分配的无源器件 51 可编程分插复用器 可编程分插复用器通过对光纤光栅调谐取出所需要的波长 而让其它波长信道通过 所以这样的分插复用器又称为分插滤波器 52 光交叉连接 OXC 光交叉连接 OXC 具有传输速率高 容量大 抗干扰能力强和对速率 信号格式透明等优点 是最有前途的下一代交换设备的基础 右图表示具有M个端口的OXC 每个端口接收N个波长的WDM信号 解复用器后分配每个波长到相应的空分交换矩阵 每个交换矩阵的输入信号的波长都相同 并有一个额外的输入和输出口 容许插入和分出信道 交换后再将它们的输出信号送到M个复用器 以便构成W