有关光纤传输和光器件的基本概念

有关光纤传输和光器件的一些基本概念 本文根据网络多篇文章整理 光纤光纤是一种高度透明的玻璃纤维是一种高度透明的玻璃纤维 由纯石英拉制而成 由纯石英拉制而成 从横截面上看光纤由三部分组成从横截面上看光纤由三部分组成 即折射率较高的纤芯即折射率较高的纤芯 折射率较低的包层以及表面涂层 折射率较低的包层以及表面涂层 光纤有多模光纤和单模光纤两种基本类型 光纤有多模光纤和单模光纤两种基本类型 不同的折射率分布及不同模式的光纤不同的折射率分布及不同模式的光纤 传输特性完全不同 传输特性完全不同 光纤传输的条件要满足光线在纤芯和包光纤传输的条件要满足光线在纤芯和包 层界面上层界面上 的全反射条件的全反射条件 同时还需满足传输过程中的相同时还需满足传输过程中的相 干加强条件 干加强条件 单模光纤 只能传播一种模式的光纤称为单模光纤 标准单模单模光纤 只能传播一种模式的光纤称为单模光纤 标准单模 single mode SM 光纤折射率呈阶光纤折射率呈阶 跃型分布跃型分布 纤芯直径较小纤芯直径较小 模场直径只有模场直径只有 8 10 m 光线沿轴直线传播 光线沿轴直线传播 多模光纤 多模多模光纤 多模 multi mode MM 光纤纤芯直径较大光纤纤芯直径较大 可以传播数百到上千个模式可以传播数百到上千个模式 根据折射率在纤根据折射率在纤 芯和包层的径向分布的不同芯和包层的径向分布的不同 又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤 又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤 对于特定的光纤结构对于特定的光纤结构 只有满足一定条件的电磁波可以在光纤中有效地传输只有满足一定条件的电磁波可以在光纤中有效地传输 这些特定的电磁波称这些特定的电磁波称 为光纤模式 为光纤模式 光纤中的模式是指光纤中的光在传播过程中所呈现出的空间分布形式光纤中的模式是指光纤中的光在传播过程中所呈现出的空间分布形式 它是由入射光它是由入射光 的角度和频的角度和频 率以及光纤参数决定的率以及光纤参数决定的 在光纤参数一定时就只由入射光的角度和频率在光纤参数一定时就只由入射光的角度和频率 前提是光纤不受扰动且前提是光纤不受扰动且 均匀均匀 确定 确定 每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束 每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束 以不同角度入射到光纤的射线将形成光纤中不同的以不同角度入射到光纤的射线将形成光纤中不同的模式模式 完全沿着光纤中心轴线传播的模式称为完全沿着光纤中心轴线传播的模式称为 基模基模 模式的传播角度越大 它的级就越高 模式的传播角度越大 它的级就越高 最高级的模式就是以临界角传播的模式 最高级的模式就是以临界角传播的模式 只支持一个模式 基模 的光纤被称作只支持一个模式 基模 的光纤被称作单模光纤单模光纤 可支持多个模式的光纤为可支持多个模式的光纤为多模光纤多模光纤 对于某个特定波长 要实现单模的条件 对于某个特定波长 要实现单模的条件 只有芯径足够小的光纤才能传输单一光波模式 只有芯径足够小的光纤才能传输单一光波模式 只要芯径稍大只要芯径稍大 光纤就能传输两个模式光纤就能传输两个模式 光波长越短 光波长越短 将光耦合进单模光纤就越困难 将光耦合进单模光纤就越困难 对于特定芯径的单模传输对于特定芯径的单模传输 存在一个特殊的波长值存在一个特殊的波长值 必须大于此值才能实现单模传输必须大于此值才能实现单模传输 这个波长值这个波长值 称为截止波长称为截止波长 c 单模波长必须大于 单模波长必须大于 c 若波长低于若波长低于 c 时就会出现多模传输 时就会出现多模传输 例如例如 普通阶跃折射率单模光纤通常用普通阶跃折射率单模光纤通常用 于于 1310nm 波段波段 其规定的截止波长一般为其规定的截止波长一般为 1 26 m 介质纤芯并不能约束所有的光介质纤芯并不能约束所有的光 一部分被传导的单模会延伸到包层中 约一部分被传导的单模会延伸到包层中 约 20 是由包层传输的 是由包层传输的 纤芯和包层热膨胀系数的不同也会导致内部受力不对称纤芯和包层热膨胀系数的不同也会导致内部受力不对称 所以温度变化也会影响光在光纤中的传所以温度变化也会影响光在光纤中的传 播质量 播质量 一般情况下 多模光纤光源是 LED 单模则是 LD 激光器 单模适合于短 中 长距离的低频或高频信号传输 多模只适用于低频短距离传输 光纤耦合器 注 也有叫光光分分路路器器 光纤耦合器 Coupler 又称分歧器 Splitter 是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件 属于光被动元件领域 在电信网路 有线电视网路 用户回路系统 区域网路中都会应用到 与光纤连 接器分列被动元件中使用最大项的 光纤耦合器可分标准耦合器 双分支 单位 1 2 亦即将光讯号分 成两个功率 星状 树状耦合器 以及波长多工器 WDM 若波长属高密度分出 即波长间距窄 则 属于 DWDM 制作方式则有烧结 Fuse 微光学式 Micro Optics 光波导式 Wave Guide 三种 而以烧结式方法生产占多数 约有 90 光光分分路路器器的的分分光光原原理理 光分路器按原理可以分为 熔熔融融拉拉锥锥型型 和平平面面波波导导型型两种 熔融拉锥型产品 是将两 根或多根光纤进行侧面熔接而成 平面波导型是微光学元件型产品 采用光刻技术 在 介质或半导体基板上形成光波导 实现分支分配功能 这两种型式的分光原理类似 它 们通过改变光纤间的消逝场相互 耦合 耦合度 耦合长度 以及改变光纤纤半径来实现 不同大小分支量 反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器 熔锥型光纤耦合 器因制作方法简单 价格便宜 容易与外部光纤连接成为一整体 而且可以耐受机械 振动和温度变化等优点 目前成为市场的主流制造技术 熔融拉锥法 就是将两根 或两根以上 除去涂覆层的光纤以一定的方法靠扰 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 通过 控制光纤扭转的角度和拉伸的长度 可得到不同的分光比例 光耦合 最后把拉锥区 用固化胶固化在石英基片上插入不锈 钢管内 这就是光分路器 对于更多路数的分路器 生产可以用多个二分路器组成 熔融拉锥法其中最重要的生产设备是融熔机 也是生产光分路器的重要步骤 虽然重要步骤部分可 由机器代工 但烧结之后 仍须人工作检测封装 因此人工成本约占 10 15 左右 再者采用人工检测 封装须保证品质的一致性 这也是量产时所必须克服的 但技术困难度不若 DWDM module 及光主动元 件高 因此初期想进入光纤产业的厂商 大部分会从光耦合器切入 毛利则在 20 30 这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片 不锈钢管的不一致 在环境温度变 化时热胀冷缩的程度就不一致 此种情况容易导致光分路器损坏 尤其把光分路放在野 外的情况更甚 这也是光分路容易损坏得最主要原因 融锥型耦合器 分光器 平面波导型耦合器 PLC Splitter 星型耦合器 树形耦合器 星形耦合器 这是一种 n m 耦合器 其功能是把 n 根光纤输入的光功率组合在 一起 均匀地分配给 m 根光纤 m 和 n 不一定相等 通常用作多端功率分配器 波分复用器 光通讯器件分类 光光分分路路器器的的常常用用技技术术指指标标 1 插插入入损损耗耗 光分路器的插入损耗是指每一路输出相对于输入光损失的dB 数 其数学表达式为 Ai 10lg Pouti Pin 其中 Ai 是指第 i 个输出口的插入损耗 Pouti 是第 i 个输出 端口的光功率 Pin 是输入端的光功率值 2 附附加加损损耗耗 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于输入光功率损失的DB 数 值得 一提的是 对于光纤耦合器 附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标 反映的是器件 制作过程的固有损耗 这个损耗越小越好 是制作质量优劣的考核指标 而插入损耗则 仅表示各个输出端口的输出功率状况 不仅有固有损耗的因素 更考虑了分光比的影响 因此不同的光纤耦合器之间 插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣 对于 1 N 单模标准型光分路器附加损耗如下表所示 分路数 2345678910111216 附加损耗 DB 0 20 30 40 450 50 550 60 70 80 91 01 2 3 分分光光比比 分光比定义为光分路器各输出端口的输出功率比值 在系统应用中 分光比的确是 根据实际系统光节点所需的光功率的多少 确定合适的分光比 平均分配的除外 光 分路器的分光比与传输光的波长有关 例如一个光分路在传输1 31 微米的光时两个输 出端的分光比为 50 50 在传输 1 5um 的光时 则变为 70 30 之所以出现这种情况 是因为光分路器都有一定的带宽 即分光比基本不变时所传输光信号的频带宽度 所 以在订做光分路器时一定要注明波长 4 隔隔离离度度 隔离度是指光分路器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力 在以上各指标 中 隔离度对于光分路器的意义更为重大 在实际系统应用中往往需要隔离度达到 40dB 以上的器件 否则将影响整个系统的性能 5 稳稳定定性性 所谓稳定性是指在外界温度变化 其它器件的工作状态变化时 光分路器的分光比 和其它性能指标都应基本保持不变 这也是光分路器的一个重要的指标 实际上光分 路器的稳定性完全取决于生产厂家的工艺水平 不同厂家的产品 质量悬殊相当大 光纤熔融拉锥器件 将两根光纤绞在一起 加热至熔融状态 并同时缓慢拉伸光纤 可以制成各种光纤熔融拉锥 器件 FBT FBT 属于全光纤型器件 具有损耗小和体积小的优点 在光通信系统中得到 广泛应用 1 单窗窄带耦合器 耦合比随波长近似线性变化 且满足耦合比为 50 3 的带宽仅为 0 20nm 0表示中心波长 2 单窗宽带耦合器 耦合比满足 50 3 的带宽达 0 40nm 0表示中心波长 3 双窗宽带耦合器 耦合比满足 50 3 的带宽达 1 40nm 和 2 40nm 1 2表示各窗口中心波长 目前单模光纤一般使用 1250 1600nm 范围 若耦合器在 1250nm 至 1600nm 的 350nm 带宽内耦合比满足 50 6 则被称为 波长无关型耦合器 WIC 4 FBT 波分复用器 WDM 以输入光纤端包含 1310nm 1550nm 两种波长为例 若在输出光纤端 1550nm 的光全 部耦合到另一根光纤中 而 1310nm 的光留在原光纤中 这样就得到一个 1310 1550nm 的波分复用器 在实际工艺中 耦合比不可能达到 100 取为 99 5 这是一般能够达到的指标 一般公司保证的指标是在中心波长 15nm 内 隔离度大于 16dB 常采用两级 WDM 串联 以进一步滤波 提高隔离度 两级串连的 WDM 使其中心波 长反向偏移相同波长 比如分别取 1290nm 1530nm 和 1330nm 1570nm 可以得到较平坦 的隔离度 在 50nm 带宽内的隔离度大于 30dB 5 多模光纤耦合器 多模光纤耦合器表现出很好的带宽特性 可以做到在 800nm 1700nm 共 900nm 的带宽 内 耦合比为 50 5 光纤的信息最大传输量和带宽 当前运用的单模石英光纤 如 G 652C G 652D 它们的传输带宽 可以从 1260nm 到 1675nm 共有 415nm 宽度 一般把这 415nm 宽度划分成 O E S C L U六个波段 具体划分 方法如下 初始 O 波段 1260nm 1360nm 扩展 E 波段 1360nm 1460nm 短 S 波段 1460nm 1530nm 常规 C 波段 1530nm 1565nm 长 L 波段 1565nm 1625nm 超常 U 波段 1625nm 1675nm 目前光纤通信提高最大传输量的方法主要有两种 一种是提高传输码速 如 155Mbt s 622Mbt s