第4章 光通信器件3

1、1 课程 物理与材料科学学院安徽大学 4.5 4.5 其他光通信器件其他光通信器件 l为什么光纤需要接续? l光纤接续的方法? l如何实现光纤的接续? l光纤接续的过程如何? 4.5.1 4.5.1 连接器连接器 2 课程 物理与材料科学学院安徽大学 1、光纤连接的类型和方法 光纤的连接 固定接接是永久性连接，一般用于光纤传输线路的 两段光纤的连接。 连接方法：熔接法和粘接法； 活动连接是可拆卸连接，通常用活动连接器在光纤 与设备或仪表的尾纤之间连接。 3 课程 物理与材料科学学院安徽大学 2、光纤固定连接 光纤熔接的基本原理是使被接光纤的轴心对准以后， 用加热的方式将光纤端面熔化而使其熔为一

2、体。最常用 的方法是电弧熔接法，它是利用两个电极之间的高压电 弧产生高温使被接光纤的端面熔接的方法。 电弧熔接法操作步骤 l光纤端面的制备 l光纤的电弧熔接 l接头的保护 4 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光纤端面的制备 l先将任意一段待接光纤套上一 根热可缩保护套管，以备接续后 保护接头。 l用专用光纤剥线钳剥出约40 mm的裸光纤，并用干净的软纸或 无水酒精棉球将其擦干净。 l用专用光纤切割器切割出平整 无倾斜的光纤端面。 5 课程 物理与材料科学学院安徽大学 刀口 拉紧状态拉紧状态 裂缝处 切割的原理 6 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光纤的电弧熔接 l将制备好的两段光纤放入光纤

3、熔接 机调整架的V型槽中固定，并将两光 纤的端面置于熔接的电极之间，相 距适当距离。 l调节调整架，使光纤轴心对准。 l预放电对光纤端面进行加热整形， 使光纤端面无毛刺、清洁、平整。 l将光纤沿轴向稍加推进，使两端面 直接接触并有一定相互挤压时停止 移动。 l继续放电直至光纤端面充分熔融连 为一体。 7 课程 物理与材料科学学院安徽大学 接头的保护 l将预先套好的热可缩管轻轻 移到接头处。 l把套有热可缩管的光纤放入 加热器中，加热至热可缩管 熔化成可塑状，紧贴光纤对 接头部位进行保护。 8 课程 物理与材料科学学院安徽大学 粘接法是将轴心对准的光纤用折射率与纤芯接近的粘接 剂粘接固定的方法。

4、一般分为槽接法和套管法。 l槽接法是把两根光纤放入精密的V型槽中并加以调整，然后 该上盖板对光纤加压是光纤轴心对准后再用粘接剂固定。 l套管法是从玻璃套管的两端分别插入待接的光纤，通过套 管内径使轴心对准后，从套管中部的横向孔注入粘接剂将 光纤粘接固定。 待连接的光纤 在此处使用环氧 化物将光纤端面 粘贴在一起或将 光纤夹紧以定位 V型槽基底 9 课程 物理与材料科学学院安徽大学 3、光纤活动连接 连接器和接头连接器和接头 连接器连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件， 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线 路与其他之间的连接。 光纤套管插针粘结剂 连接器的分

5、类：单纤单纤(芯芯)连接器连接器和多纤多纤(芯芯)连接器连接器。 10 课程 物理与材料科学学院安徽大学 4.光纤连接器的特性： l插入损耗： 连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。存 在各种可能的原因引起光的损耗。这个损耗一般在 0.5dB以下。 为了减小插入损耗，一般使用三种方法。第一种 方法是使用保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的 弯曲损耗。第二种方法是将加固件与连接器连接在一 起，这样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就是 用插针体来保护裸光纤。 11 课程 物理与材料科学学院安徽大学 l回波损耗： 对连接器来说， 回波损耗的问题起源于一个简单 的矛盾现象：为了最小化插入损耗，需要

6、尽可能地将 光纤端面抛光，而抛光的端面对光的反射增强，这样 回波损耗就产生了。 回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为此安装 人员提出了有效的解决方法：将两个连接器通过物理 接触(PC)来减小它们之间的空气缝隙。现在多数连接 器都是利用这种方法安装的。由于制造完美的平面来 实现理想的物理接触是不可能的，因此制造商将插针 体的端面做成不同的形状，如圆弧形等。 l一般应大于45dB 12 课程 物理与材料科学学院安徽大学 l重复性（耐用性）： 连接器是作为临时连接使用的， 应在多次插拔之 后仍保持它们的特性。 所以可重复性是连接器的一 个重要特性。 资料表明， 连接器在多次插拔之后其 插入损耗将增加

7、， 通常多次次插拔之后其损耗的变 化范围应小于0.1dB。 l互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损耗的变 化范围，一般应小于0.1dB l插拔次数：一般应在千次以上 l工作温度：在工作温度范围内（一般在-25 70），损耗变化应在 0.2dB范围内 13 课程 物理与材料科学学院安徽大学 连接类型连接类型 一般插入损耗: typ. 0.5 dB 回波损耗: 14 dB 普通多模 光纤连接 有缝隙 插入损耗 40 dB 有线电视， 高性能系统 有角度物理连接 (APC) 插入损耗： 0.4 to 0.9 dB 回波损耗 60 dB 8 5.几种常用的光纤连接器几种常用的光纤连接器 14 课程

8、 物理与材料科学学院安徽大学 连接头类型连接头类型 15 课程 物理与材料科学学院安徽大学 FC Type SC Type SC2 TypeFDD Type 16 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光纤耦合器（Optic fiber Coupler） 是一种定向耦合器，它是一种四端口 器件（两个输入口，两个输入口）是 光波技术中必不可少的一部分。它的 功能是将一光场分为相干的两部分， 光输入端口的一个端口入射，直接耦 合进两个输出端口，因为输出耦合到 两个不同的方向，所以这样的器件也 称为定向耦合器。 4.5.2 4.5.2 光纤耦合器光纤耦合器 17 课程 物理与材料科学学院安徽大学 NN1

9、N 22 P1/N P1/N P1/N 18 课程 物理与材料科学学院安徽大学 T形 (a) 星 形 (b) 定向 (c) 2 3 1 4 l1 l2 lN l1l2lN (d) 波分 19 课程 物理与材料科学学院安徽大学 耦合区 W 锥形区 L 锥形区 L 拉伸区 2L + W L：由拉伸时决定W：由加热的火焰宽度决定 22 光纤耦合器 20 课程 物理与材料科学学院安徽大学 P1和P2跟什么因素有关? P2 P1 光耦合示意 21 课程 物理与材料科学学院安徽大学 zPP 2 02 sin zPPPP 2 0201 cos 假设耦合器无损耗 是耦合系数 P1和P2与拉伸区宽度有关 z 耦

10、合器内的光功率分布：随位移的变化 22 课程 物理与材料科学学院安徽大学 P1和P2与入射波长有关 例如成品上会标注：1550 nm 50 : 50 耦合器内的光功率分布：随波长的变化 23 课程 物理与材料科学学院安徽大学 N N log10 1 log10 分路损耗 N i iout in P P 1 , log10附加损耗 多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合 响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器 P P/N NN 星型耦合器 24 课程 物理与材料科学学院安徽大学 级联的办法构造大规模光耦合器 25 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光纤耦合器主要参数 （1）

11、插入损耗 它表示耦合器总的功率衰减量。定义为： 其中，Poi对应于输入端第m 根光纤中输入光功率Pim时， 输出端第i根光纤的输出光功率。 ,.),(m (dB) P P IL n i m oi 21 )lg(10 1 26 课程 物理与材料科学学院安徽大学 （2）均匀性 表示耦合器输出各端口的功率与功率平均值的最大偏 差。偏差越小，表示光功率分配越均匀。 dB )( )( lg10 out out PMAX PMIN FL （3）分光比（耦合比） 它定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，常用 相对输出总功率的百分比来表示。如50:50,30:70等。 对于22耦合器，有： %100 21

12、2 PP P S R 27 课程 物理与材料科学学院安徽大学 例：22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 = 200 mW，另 外两个端口的输出功率分别为P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，可以 求得为： 48.6%100 8590 85 %100 12 2 PP P 耦合比 dB58. 0 8590 200 log10log10 12 0 PP P 附加损耗 dB3.47 90 200 log10log10)10( 1 0 P P 端口端口到插入损耗 dB3.72 85 200 log10log10)20( 2 0 P P 端口端口到插入损耗 28 课程 物理与材料科学学院安徽大学

13、 1.薄膜干涉滤波器 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长 4.5.3 4.5.3 光滤波器光滤波器 29 课程 物理与材料科学学院安徽大学 30 课程 物理与材料科学学院安徽大学 31 课程 物理与材料科学学院安徽大学 2 2 可调谐滤波器可调谐滤波器 32 课程 物理与材料科学学院安徽大学 R R F FSR F 1 33 课程 物理与材料科学学院安徽大学 34 课程 物理与材料科学学院安徽大学 马赫曾德干涉滤波器MZI 35 课程 物理与材料科学学院安徽大学 36 课程 物理与材料科学学院安徽大学 太强的光可能使接收机过载，这时需要一种能过减弱 光信号的器件光衰减器。 光衰减器是用来稳

14、定地、准确地减小光信号的无源器 件。光衰减器通常吸收多余的光能量，这些能量对于衰减 器来说很弱，不会引起显著的热量；光衰减器不能将不需 要的光返回，否则会引起系统的噪声。 4.5.4 4.5.4 光衰减器光衰减器 大部分光衰减器都以分贝分贝来定义衰减的大小。其定义 式类似于光纤衰减的定义。 衰减器按其衰减量的变化情况可以分为固定衰减器，固定衰减器， 步进式衰减器，连续可变衰减器步进式衰减器，连续可变衰减器等。 光衰减器的主要技术指标：插入损耗，衰减的变化范插入损耗，衰减的变化范 围，衰减的稳定性围，衰减的稳定性等。 37 课程 物理与材料科学学院安徽大学 实用光衰减器的工作原理 38 课程 物

15、理与材料科学学院安徽大学 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。 4.5.4 4.5.4 光开关光开关 光开关分类 机械光开关机械光开关 包括机械式光开关、微机械光开关 波导光开关波导光开关 利用电光、磁光、热光和声光效应 39 课程 物理与材料科学学院安徽大学 移移动动臂臂 光光纤纤 准准直直头头 固固 定定 输输 出出 光光 纤纤 12 3 4 N N 光光纤纤 旋旋转转轴轴 反反射射镜镜 输输入入 光光纤纤 -1 （ a ） 1 N 移移 动动 光光 纤纤 开开 关关（

16、 b） 1 2 移移 动动 反反 射射 镜镜 开开 关关 （1）机械光开关 优：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； 缺：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。 40 课程 物理与材料科学学院安徽大学 LiNbO 3 tV 共共平平面面 条条形形电电极极 偏偏振振光光输输入入 波波导导 3 LiNbO-Ti 输输出出 D C Ea + +- - - A A B B 控控制制信信号号 控控制制信信号号 t t t t 输输出出光光 tV tA E coscos2 output 非机械式光开关 41 课程 物理与材料科学学院安徽大学 特点： l开

17、关时间短（毫秒到亚毫秒量级）； l体积非常小，而且易于大规模集成； l但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比 较差。 LiNbO 3 tV 共共平平面面 条条形形电电极极 偏偏振振光光输输入入 波波导导 3 LiNbO-Ti 输输出出 D C Ea + +- - - A A B B 控控制制信信号号 控控制制信信号号 t t t t 输输出出光光 tV tA E coscos2 output 42 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光开关的主要性能参数： （1） 通断消光比。 通断消光比是指光开关处于通（开） 状态时输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率 之比。 通断消光比越大,

18、 光开关性能越好， 这对外调制 器尤为重要。 机械开关的通断消光比大约为4050 dB。 （2） 插入损耗（简称插损）。插损是指由于光开关的使 用而导致的光路上的能量损耗，常以dB表示。插损越小越 好。 当开关处于不同的输入/输出连接状态时，插入损耗 有可能不一致，即插入损耗的一致性差， 这对于实际的 应用是不希望的。 （3） 串扰。串扰是指某输出端口的功率除了有来自希望 的输入端口外，还有来自不希望的输入端口的功率， 二 者的光功率之比称为串扰。 （4） 偏振依赖损耗。 偏振依赖损耗是指由于偏振引起的 光功率的损耗。 43 课程 物理与材料科学学院安徽大学 各种光开关的性能比较 44 课程

19、物理与材料科学学院安徽大学 4.5.6 4.5.6 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 45 课程 物理与材料科学学院安徽大学 半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的 反射光非常敏感，并导致性能恶化。 如何避免反射光如何避免反射光 1 对光的通过有选择性对光的通过有选择性2 实现光的单向传输实现光的单向传输 3 需要使光路不可逆 光纤，透镜 等对光无选择， 偏振片对光的状态有选择 隔离器 46 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光隔离器光隔离器 l隔离器隔离器是一种非互易器件非互易器件，其主要作用是只 允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其 他方向特别是反方向传输。 l隔离

20、器隔离器主要用在激光器或光放大器的后面， 以避免反射光返回到该器件致使器件性能变 坏。 47 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光的偏振与偏振态 48 课程 物理与材料科学学院安徽大学 偏振态： 光矢量的振动方式，叫做光波的偏振态。 最简单的偏振态就是光矢量E在一直线上作简 谐振动，这种偏振态叫做线偏振。线偏振光波各 处的光矢量都在该平面上，这个平面叫做偏振面。 线偏振又叫做平面偏振。 任何光波都可以看作是由两个坐标轴方向的线 偏振光合成的。假设两个坐标轴方向的线偏振光 分别为： )cos(E )cos(E 0 0 rKtE rKtE yy xx 49 课程 物理与材料科学学院安徽大学 圆偏振

21、光圆偏振光 线偏光线偏光 椭椭 圆圆 偏偏 振振 光光 光的偏振状态由两列波的相差的大小决定的，如： 。 且振幅相等 偏振为其他值时，称为椭圆当 时，为圆偏振； 2 或 2 时，为线偏振光；或0 50 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光的偏振与偏振态 偏振光的表示法 部分偏振光的表示法 3.3 光隔离器与光环行器 51 课程 物理与材料科学学院安徽大学 为了检测偏振于指定方向的线偏振光，需要一种特殊的光学元件。 这种元件只能透过或者反射指定偏振方向的线偏振光，叫做起偏器。 其特性如下图所示： 3.3 光隔离器与光环行器 52 课程 物理与材料科学学院安徽大学 旋光现象旋光现象 线偏光通过某些

22、透明介质后，它的电振动方向将绕着光的传播方 向旋转旋转过某一角度某一角度 ，称为旋光现象旋光现象。 对天然旋光效应而言，随着顺光线和逆光线方向观察，线偏振光的 振动旋向是相反的，因此，当光波往返两次穿过固有旋光物质时， 则会一次沿某一方向旋转，另一次沿相反方向旋转结果是振动面复 位，即振动面没有旋转。 3.3 光隔离器与光环行器 53 课程 物理与材料科学学院安徽大学 法拉第效应法拉第效应 法拉第发现当一束偏振光穿过置于磁场的介质中， 光的偏振将会发生旋转，且旋转的角度正比于与光束 传播方向平行的磁场分量，这种现象称为法拉第效应。 VBL B是磁感应强度分量 L为光在介质中的传播长度 V称为韦

23、尔德（Verdet）常数 磁致旋光方向和磁场的方向有关： 当光传播方向与磁场方向平行时，正的V 值相应于左旋；而当光传播方向与磁场方 向相反时，表现为右旋 如果外磁场由螺管电流产生，则旋光方向 总是和螺线绕向一致。 磁致旋光现象的这 一性质表明它是一 种过程 3.3 光隔离器与光环行器 54 课程 物理与材料科学学院安徽大学 45 45 起偏器 光隔离器 通光方向 检偏器 旋光器 电源 光偏振 方 向 光隔离器结构原理 偏振相关型 55 课程 物理与材料科学学院安徽大学 双折射晶体 若有一束自然光通过双折射晶体，会有以下现象： 有一部分遵循折射定律，这束光叫做寻常光，简称o 光；另还有一部分光

24、不遵循折射定律，叫做非常光， 简称e光。o光和e光都是线偏振光，且o光的电矢量总 是垂直于光轴的，且o光的光速与其偏振方向和传播 方向无关。e光的偏振方向与光轴的夹角因传播方向 不同而异。 入射光 r B e o d 3.3 光隔离器与光环行器 56 课程 物理与材料科学学院安徽大学 准直器 P1P2FR 输出光 输入光 输出光 输入光 准直器 偏振无关型光隔离器 3.3 光隔离器与光环行器 57 课程 物理与材料科学学院安徽大学 光纤输出 SWP半波片法拉弟旋转器SWP SOP 光纤输入 (a) 光纤输出 SWP半波片法拉弟旋转器SWP 光纤输入 (b) 偏振无关型光隔离器 3.3 光隔离器

25、与光环行器 58 课程 物理与材料科学学院安徽大学 l插入损耗：在光隔离器通光方向上传输的光信号由于 引入光隔离器而产生的附加损耗； l回波损耗：输入光由各元件、光纤以及空气折射率失 配引起的、反射回输入端时的损耗； l隔离度：在逆光隔离器通光方向上传输的光信号由于 引入光隔离器而产生的附加损耗； l偏振相关损耗：输入光偏振态变化时插入损耗的最大 变化量； l偏振模色散：通过器件时在正交偏振态之间产生的时 延差。 隔离器的技术指标 3.3 光隔离器与光环行器 59 课程 物理与材料科学学院安徽大学 端口1 端口2 端口3 端口4 光环形器示意图 光环形器 光环行器是一个是一 个多端口非互易光学

26、器件。 光由端口1输入时，几乎全 部由端口2输出，其他端口 都没有光输出；以此类推。 此类器件叫做光环行器。 3.3 光隔离器与光环行器 60 课程 物理与材料科学学院安徽大学 12 3 光环形用于单纤双向通信示意图 光纤 21 3 发送发送 接收接收 光纤环行器的简单应用 3.3 光隔离器与光环行器 61 课程 物理与材料科学学院安徽大学 l核心器件：法拉第旋转器。核心器件：法拉第旋转器。 l原理：利用法拉第旋转器的非互易特性，使沿相反原理：利用法拉第旋转器的非互易特性，使沿相反 方向通过它的偏振光偏振态改变，沿不同的路径传方向通过它的偏振光偏振态改变，沿不同的路径传 播。播。 l结构组成：

27、结构组成：PBSPBS、磁致旋光晶体、磁致旋光晶体 天然旋光晶体天然旋光晶体 直直 角棱镜角棱镜 PBS 块状光学环行器的原理 PBS：偏振分光镜 3.3 光隔离器与光环行器 62 课程 物理与材料科学学院安徽大学 1 2 3 光从光从1 1输入时，磁致旋光晶体和天然旋光晶体旋转方向相同，都为输入时，磁致旋光晶体和天然旋光晶体旋转方向相同，都为 4545o o，偏振面被旋转，偏振面被旋转9090o o；从；从2 2输出。输出。 光从光从2 2输入时，磁致旋光晶体和天然旋光晶体旋转方向相反，偏振输入时，磁致旋光晶体和天然旋光晶体旋转方向相反，偏振 面不旋转，从面不旋转，从3 3输出。输出。 FR

28、AR 早期结构 3.3 光隔离器与光环行器 63 课程 物理与材料科学学院安徽大学 l隔离度偏低，一般在隔离度偏低，一般在20-30dB20-30dB之间；之间； l原因：采用单级磁致旋光晶体，同时对偏振分光镜原因：采用单级磁致旋光晶体，同时对偏振分光镜 的依赖过高；的依赖过高； l改进：（改进：（1 1）采用消光比高的偏振分光镜）采用消光比高的偏振分光镜 （2 2）用双级结构代替单级结构）用双级结构代替单级结构 缺陷 3.3 光隔离器与光环行器 64 课程 物理与材料科学学院安徽大学 波片 对于指定波长，若经过晶体后o光和e光的相位差 满足： 这种晶体叫做这个波长的半波片。 线偏振光经过半波片以后，仍然是线偏振光， 并且会旋转一定的角度。 ) 2 1 (2|l 快轴快轴 3.3 光隔离器与光环行器 65 课程 物理与材料科学学院安徽大学 D0 l/2波片 快轴 偏振分束器（PBD）和1/2波片 3.3 光隔离器与光环行器 66 课程 物理与材料科学学院安徽大学