光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器

1、光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤通信 Fiber-Optic Communication Technology 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 第五章 光纤线路技术及器件 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 主要内容 n一、一、光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器 n二、二、光纤的连接光纤的连接 n三、三、光衰减器和光开关光衰减器和光开关 n四、四、光纤耦合器光纤耦合器 n五、光纤光栅五、光纤光栅 n六、波分复用器件六、波分复用器件 n七、平面及矩形光波导技术及器件七、平面及矩形光波导技术及器件 n八、光放大器八、光放大器 n九、色散补偿技术九、色散补偿技术

2、 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤线路技术光纤线路技术 n为了实现光信号从发射机至接收机的传为了实现光信号从发射机至接收机的传 送，在整个光纤的传输线路上既需要解送，在整个光纤的传输线路上既需要解 决由光纤损耗、色散及非线性引起的信决由光纤损耗、色散及非线性引起的信 号衰减和畸变等问题，还需要解决信号号衰减和畸变等问题，还需要解决信号 的调制、信号的选路、线路的连接、光的调制、信号的选路、线路的连接、光 功率的分配、光功率的控制、杂散光的功率的分配、光功率的控制、杂散光的 隔离等一系列工程实践问题。隔离等一系列工程实践问题。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 无源器件

3、和有源器件 n无源器件无源器件( (passive device) )：本身不发生本身不发生 光电或电光转换的器件。如光隔离器、光电或电光转换的器件。如光隔离器、 光耦合器、光环形器等实现连接光路、光耦合器、光环形器等实现连接光路、 分配光功率以及合波和分波等作用。分配光功率以及合波和分波等作用。 n有源器件有源器件( (active device) )：本身会发生光本身会发生光 电或电光转换的器件，如激光器、光电电或电光转换的器件，如激光器、光电 检测器、光放大器等。检测器、光放大器等。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光隔离器(isolator) n光隔离器光隔离器是一种只允许

4、光沿一个方向通是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件件 n作用：防止光路中的后向传输光对光源作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响以及光路系统产生不良影响 n例如：例如：半导体激光器半导体激光器、光纤放大器光纤放大器 n应用：光纤通信、光信息处理系统、光应用：光纤通信、光信息处理系统、光 纤传感以及精密光学测量系统等纤传感以及精密光学测量系统等 n分类：偏振相关型和偏振无关型两类分类：偏振相关型和偏振无关型两类 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 法拉第旋光效应 n光隔离器主要利用光隔离器主要利用磁光晶

5、体磁光晶体的法拉第效应。的法拉第效应。 n法拉第效应是法拉第在法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到的年首先观察到的 不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该 物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋 光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振 方向旋转角度方向旋转角度q=q=VBL (B磁场强度，磁场强度，L材料长材料长 度，度，V维尔德常数为材料的特性常数维尔德常数为材料的特性常数) )。 n偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关，偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关， 而与光传播的方

6、向无关。而与光传播的方向无关。 n磁光材料有钇铁石榴石磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、）、铋铁石榴铋铁石榴 石（石（SIC）等。等。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器 n由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器 n 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 主要技术指标主要技术指标 n插入损耗插入损耗 n回波损耗回波损耗 n隔离度隔离度 n偏振相关损耗（偏振相关损耗（PDL） n偏振模色散（偏振模色散（PMD） 光纤通信第五章光纤线

7、路技术及器 件光环形器 插入损耗插入损耗(IL) n指在光隔离器通光方向上传输的光信号由指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。于引入光隔离器而产生的附加损耗。 Pi：输入的光信号功率：输入的光信号功率， Po ：经过光隔离器后的功率：经过光隔离器后的功率， 显然，显然， IL值越小越好。值越小越好。 n光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。第旋转器等各部分的插入损耗。 )(log10dB P P IL i o = Pi Po 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 回波损耗回波损耗(RL) n回

8、波损耗：指由于构成光隔离器的各元回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。射造成的对入射光信号的衰减。 Pi：正向输入光隔离器的光信号功率正向输入光隔离器的光信号功率 Pr ：返回输入端口的光功率返回输入端口的光功率 )(log10dB P P RL i r = Pi Pr 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 隔离度隔离度 n指在逆光隔离器通光方向上传输的光信指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损耗号由于引入光隔离器而产生的损耗 Pi：反向输入光隔离器的光信号功率反向输

9、入光隔离器的光信号功率 Po：返回输入端口的光功率返回输入端口的光功率 n值越大越好值越大越好 )(log10dB P P I o i so = 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 偏振相关损耗偏振相关损耗和偏振模色散偏振模色散 n偏振相关损耗（偏振相关损耗（PDL）：）：指输入光偏振指输入光偏振 态发生变化而其它参数不变时，器件插态发生变化而其它参数不变时，器件插 入损耗的最大变化量，是衡量器件插入入损耗的最大变化量，是衡量器件插入 损耗受偏振态影响程度的指标。损耗受偏振态影响程度的指标。 n偏振模色散（偏振模色散（PMD）：）：指通过器件的信指通过器件的信 号光不同偏振态之间的相位

10、延迟差。号光不同偏振态之间的相位延迟差。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 n 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光环形器光环形器( (circulator) ) n多端口非互易多端口非互易 nN（N2）个端口）个端口 n光由端口光由端口1 端口端口2； 由端口由端口2 端口端口3; n若端口若端口N输入的光可由输入的光可由 端口端口1输出，称为环行输出，称为环行 器，若不可以，称为准器，若不可以，称为准 环行器环行器 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 应用应用 n双向通信中的重要器件，完成正反向传双向通信中的重要器件，完成正反向传 输光的分离输光的分离 n单纤双

11、向通信、上单纤双向通信、上/下话路、合波下话路、合波/分波分波 及色散补偿等及色散补偿等 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 结构结构 光 光 纤纤 准准 直直 器器 分分 束束 合合 束束 镜镜 偏偏 振振 旋旋 转转 镜镜 光光 束束 变变 换换 器器 光 光 纤纤 准准 直直 器器 偏偏 振振 旋旋 转转 镜镜 分分 束束 合合 束束 镜镜 端端 口口 1 3 端端 口口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 分束分束/合束镜合束镜 n将任意状态的输入光变成分解成两束偏将任意状态的输入光变成分解成两束偏 振方向垂直的偏振分量振方向

12、垂直的偏振分量 n双折射平行平板、楔形双折射晶体双折射平行平板、楔形双折射晶体 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 偏振旋转镜偏振旋转镜 n90度非互易旋转器度非互易旋转器 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 端口端口1端口端口2 端端 口口 1 3 端端 口口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 端口端口2端口端口3 端端 口口 1 3 端端 口口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 端口端口3端口端口4 端端 口口 1 3 端端

13、 口口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 技术指标技术指标 n包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串 音、偏振相关损耗、偏振模色散等音、偏振相关损耗、偏振模色散等 n串音指两个不相邻端口之间理论上不能串音指两个不相邻端口之间理论上不能 接收到光信号但实际中由于种种原因而接收到光信号但实际中由于种种原因而 接收到的功率以接收到的功率以dB表示的相对值，表示的相对值， 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤的连接光纤的连接 n光纤的连接将两根光纤端面结合在一起，光纤的连接将两根光纤端面结合在一起， 实现光

14、信号的持续传输。实现光信号的持续传输。 n根据连接方式的不同，可分为活动连接和根据连接方式的不同，可分为活动连接和 固定连接。固定连接。 n利用活动连接器是实现活动连接的主要方利用活动连接器是实现活动连接的主要方 法法 n熔接法是固定连接的主要方法熔接法是固定连接的主要方法 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 活动连接器活动连接器 n连接两根光纤或光缆使其成为光通路的连接两根光纤或光缆使其成为光通路的 可以重复装拆的活接头可以重复装拆的活接头 n用于光源到光纤、光纤到光纤、光纤与用于光源到光纤、光纤到光纤、光纤与 深测器、器件之间等的连接深测器、器件之间等的连接 n必须具备损耗低、体积

15、小、重量轻、可必须具备损耗低、体积小、重量轻、可 靠性高、便于操作、重复性和互换性好靠性高、便于操作、重复性和互换性好 以及价格低廉等优点。要求能承受机械以及价格低廉等优点。要求能承受机械 振动和冲击、适应一定的温度和湿度环振动和冲击、适应一定的温度和湿度环 境条件、装拆时防止杂质污染的保护措境条件、装拆时防止杂质污染的保护措 施。施。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 分类分类 n可分为单芯型和多芯型可分为单芯型和多芯型 n可分为多模和单模可分为多模和单模 n单芯型按结构可分为调心型和非调心型：非单芯型按结构可分为调心型和非调心型：非 调心型内部没有调心机构调心型内部没有调心机构,

16、靠光纤活动连接靠光纤活动连接 器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦合器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦合 n常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、 双锥结构、双锥结构、V型槽结构、微透镜结构以及自型槽结构、微透镜结构以及自 聚焦透镜结构等聚焦透镜结构等 n按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 套管结构套管结构 n由由插针和套管组成，插针和套管组成，都是精密的机械结都是精密的机械结 构和光学结构构和光学结构 n光纤固定在插针里，两个插针在套管中光纤固定在插针里，两个插针

17、在套管中 对接并保证两根光纤的对准对接并保证两根光纤的对准 套管套管 插针插针 光纤光纤 光纤光纤 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 插针插针 n可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作 n陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系 数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近， 使用最多使用最多 f f 2.4990.0005 f f 0.1250.001 4 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 套管套管 n常用开口套管，选用弹性好的材料如磷常用开口套管，选用弹性好的材料如磷

18、 青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作 f f 2.5 f f 3.2 0.002 0.007 + +0 0.02 0.0050.0001 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 双锥结构双锥结构 n利用锥面定位利用锥面定位 锥型锥型 插针插针 双锥双锥 套筒套筒 光纤光纤光纤光纤 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 V型槽结构型槽结构 压盖压盖 光纤光纤 V形槽形槽 插针插针 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 主要性能指标主要性能指标 n插入损耗插入损耗dB以下。以下。 n回波损耗：一般应大于回波损耗：一般应大于45dB。 n重复性重复性dB。 n互

19、换性互换性dB。 n插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插 拔的次数，一般应在千次以上。拔的次数，一般应在千次以上。 n工作温度工作温度dB范围内变化。范围内变化。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 影响插入损耗的因素影响插入损耗的因素 n光纤连接时，产生的损耗主要来自制造技光纤连接时，产生的损耗主要来自制造技 术和光纤本身的不完善。术和光纤本身的不完善。 n光纤的横向错位、角度倾斜、端面间隙、光纤的横向错位、角度倾斜、端面间隙、 端面形状、端面光洁度以及纤芯直径、数端面形状、端面光洁度以及纤芯直径、数 值孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆值

20、孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆 度、偏心度等都会影响连接质量。度、偏心度等都会影响连接质量。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 (a)横向错位横向错位 (b)端面间隙端面间隙 (c)角度倾斜角度倾斜 (d)端面形状端面形状 (d)纤芯直径差异纤芯直径差异 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 改进回波损耗的办法改进回波损耗的办法 n光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到 折射率不同的界面时会出现菲涅尔反射折射率不同的界面时会出现菲涅尔反射 n如果两光纤对接处存在端面间隙或者光纤端如果两光纤对接处存在端面间隙或者光纤端 面存在高折射率的变

21、质层或者光纤端面存在面存在高折射率的变质层或者光纤端面存在 划痕、凹坑、污物都会引起光线在对接处产划痕、凹坑、污物都会引起光线在对接处产 生菲涅尔反射从而造成了光纤连接器的回波生菲涅尔反射从而造成了光纤连接器的回波 损耗损耗 n将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面 接触等接触等 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 n球面接触球面接触 n斜球面接触斜球面接触 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 连接器的表示连接器的表示 n/ n ：表示表示外部连接方式外部连接方式，有，有FC、SC、ST、 FDDI、D4、MU、MC、E2000等等 n ：

22、表示表示插针端面形状插针端面形状，有有FC、PC、 UPC、APC等等 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 常用术语常用术语 n连接器插头连接器插头(plug connetor) n光缆跳线光缆跳线(jumper cable) n转换器转换器:(adaptor)插座、法兰盘插座、法兰盘 n变换器变换器(converter) n裸光纤转接器裸光纤转接器 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 FC Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 ST Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 SC Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及

23、器 件光环形器 SMA Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 Opt-Jack Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 MT-RJ 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 FDDI Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 MPO Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 MU Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 LC Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 E2000 Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 D4 Con

24、nector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 Biconic Connector 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 adaptoradaptor 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 adaptoradaptor 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 converterconverter 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 裸光纤转接器裸光纤转接器 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 PolisherPolisher 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形

25、器 PolisherPolisher 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 实际器件指标实际器件指标 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤的固定连接光纤的固定连接 n使一对光纤之间形成永久性的连接，用于使一对光纤之间形成永久性的连接，用于 不需要拆卸或重复使用的场合。不需要拆卸或重复使用的场合。 n有熔接法、有熔接法、V型槽法、毛细管法等。型槽法、毛细管法等。 n熔接法在实际中应用最为普遍，是光纤通熔接法在实际中应用最为普遍，是光纤通 信干线中光纤连接的主要方法，它是利用信干线中光纤连接的主要方法，它是利用 电弧放电、氢焰或激光等方法加热从而将电弧放电、氢焰或激光等方法加热从

26、而将 光纤熔融结合在一起。光纤熔融结合在一起。 n电弧放电是熔接法中应用最广的方法。利电弧放电是熔接法中应用最广的方法。利 用电弧放电进行光纤熔接的设备称为光纤用电弧放电进行光纤熔接的设备称为光纤 熔接机。熔接机。 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 光纤熔接机光纤熔接机 n由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、 电弧放电机构以及控制机构等四部分构成电弧放电机构以及控制机构等四部分构成 光纤通信第五章光纤线路技术及器 件光环形器 熔接步骤熔接步骤 n制备光纤制备光纤: :利用光纤剥皮钳去除光纤外的利用光纤剥皮钳去除光纤外的 套塑层，利用光纤切割刀切割光纤