光纤线路技术及器件

1、光纤通信课程光纤通信课程第五章 光纤线路技术及器件 光纤通信课程光纤通信课程光纤线路技术光纤线路技术 为了实现光信号从发射机至接收机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的传送，在整个光纤的传输线路上既需要解决由光纤损耗、色散及非线性引起要解决由光纤损耗、色散及非线性引起的信号衰减和畸变等问题，还需要解决的信号衰减和畸变等问题，还需要解决信号的调制、信号的选路、线路的连接信号的调制、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。光的隔离等一系列工程实践问题。光纤通信课程光纤通信课程光器件光器件

2、根据在实现功能过程中根据在实现功能过程中是否发生能是否发生能量转换量转换，可将光器件分为有源器件和无，可将光器件分为有源器件和无源器件源器件 有源器件有源器件( (active device) )：如激光器、光如激光器、光电检测器、光放大器等。电检测器、光放大器等。 无源器件无源器件( (passive device) )：如光隔离器如光隔离器、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。光纤通信课程光纤通信课程主要内容主要内容 一、一、光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器 二、二、光纤的连接光纤的连接

3、三、三、光衰减器和光开关光衰减器和光开关 四、四、光纤耦合器光纤耦合器 五、光纤光栅五、光纤光栅 六、波分复用器件六、波分复用器件 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 八、光放大器八、光放大器 九、色散补偿技术九、色散补偿技术光纤通信课程光纤通信课程l 光隔离器光隔离器( (isolator) )光纤通信课程光纤通信课程 光隔离器光隔离器是一种只允许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 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。例如：以及光路

4、系统产生不良影响。例如：半半导体激光器导体激光器、光纤放大器光纤放大器 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 类型：偏振相关型和偏振无关型两类类型：偏振相关型和偏振无关型两类 光纤通信课程光纤通信课程法拉第旋光效应法拉第旋光效应 光隔离器主要利用光隔离器主要利用磁光晶体磁光晶体的法拉第效应。的法拉第效应。 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

5、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) )。 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，而与光传播的方向无关。而与光传播的方向无关。 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。 光纤通信课程光纤通信课程偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器 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

6、成。 光纤通信课程光纤通信课程偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器光纤通信课程光纤通信课程主要技术指标主要技术指标 插入损耗插入损耗 回波损耗回波损耗 隔离度隔离度 偏振相关损耗（偏振相关损耗（PDL） 偏振模色散（偏振模色散（PMD） 光纤通信课程光纤通信课程插入损耗插入损耗(IL) 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。 光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉光

7、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。)(log10dBPPILio=PiPo光纤通信课程光纤通信课程回波损耗回波损耗(RL) 回波损耗：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 )(log10dBPPRLir=PiPr光纤通信课程光纤通信课程隔离度隔离度 指在逆光隔离器通光方向上传输的光信指在

8、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 值越大越好值越大越好 )(log10dBPPIoiso=光纤通信课程光纤通信课程偏振相关损耗偏振相关损耗和偏振模色散偏振模色散 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，器件插入损耗的入损耗的最大变化量最大变化量，是衡量器件插入，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。 偏振模色

9、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延迟差号光不同偏振态之间的相位延迟差。 光纤通信课程光纤通信课程l光环形器光环形器( (circulator) )光纤通信课程光纤通信课程 多端口非互易多端口非互易 N（N2）个端口）个端口 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; 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课程光纤通信课程应用应用 双向通信双向通信中的重要器件，完成正反向传中的重要器件，完成正反向传输光的分离输光的分离 单纤双向通

10、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 光纤通信课程光纤通信课程结构结构光光 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13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6光纤通信课程光纤通信课程分束分束/合束镜合束镜 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垂直的偏振分量 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课程光纤通信课程偏振旋转镜偏振旋转镜 90度非互易旋转器度非互

11、易旋转器 光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程端口端口1端口端口2 端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6光纤通信课程光纤通信课程端口端口2端口端口3端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6光纤通信课程光纤通信课程端口端口3端口端口4端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6光纤通信课程光纤通信课程技术指标技术指标 包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗、偏振模色散等、偏振相关损耗、偏振模色散等 串音指两个不相邻端口之间理论上不能接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

12、接收收到光信号但实际中由于种种原因而接收到的功率以到的功率以dB表示的相对值，表示的相对值， 光纤通信课程光纤通信课程l光纤的连接光纤的连接光纤通信课程光纤通信课程 光纤的连接将两根光纤端面结合在一光纤的连接将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持续传输。起，实现光信号的持续传输。 根据连接方式的不同，可分为根据连接方式的不同，可分为活动连活动连接接和和固定连接固定连接。 利用利用活动连接器活动连接器是实现活动连接的主是实现活动连接的主要方法要方法 熔接法熔接法是固定连接的主要方法是固定连接的主要方法 光纤通信课程光纤通信课程活动连接器活动连接器 连接两根光纤或光缆使其成为光通路的连接两根光纤

13、或光缆使其成为光通路的可以可以重复装拆重复装拆的活接头的活接头 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 必须具备损耗低、体积小、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。 光纤通信课程光纤通信课程分类分类 可分为单芯型和多芯型可分为单芯型和

14、多芯型 可分为多模和单模可分为多模和单模 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,靠光纤活动连接靠光纤活动连接器结构器结构组件之间的精密配合组件之间的精密配合来达到最佳耦合来达到最佳耦合 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、微透镜结构以及型槽结构、微透镜结构以及自聚焦透镜结构等自聚焦透镜结构等 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课程光纤通信课程套管结构套管结构 由由插针和套管组成，插针和套管

15、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 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课程光纤通信课程插针插针 可用不锈钢、可用不锈钢、陶瓷陶瓷、玻璃、塑料等材料制作、玻璃、塑料等材料制作 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 2.4990.0005f f 0.1250.0014光纤通信课程光纤通信课程套管套管 常用开口套管

16、，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 2.5f f 3.2 0.002 0.007+ +0 0.020.0050.0001光纤通信课程光纤通信课程双锥结构双锥结构 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课程光纤通信课程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课程光纤通信课程主要性能指标主要性能指标 插入损耗插入损耗：一般在：一般在0.5dB以下。以下。 回波损耗回波损耗：一般应大于：一般应大于45dB。 重复性重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般：

17、每次插拔后其损耗的变化范围，一般应小于应小于0.1dB。 互换性互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损：是指同一种连接器不同插针替换时损耗的变化范围，一般应小于耗的变化范围，一般应小于0.1dB。 插拔次数插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插：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。 工作温度工作温度：在工作温度范围内（：在工作温度范围内（-2570范围内），连接器的损耗变化量应在范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范范围内变化。围内变化。光纤通信课程光纤通信课程影响插入损耗的因素影响插入损耗的因素 光纤连接时，产生的损耗主要来自制造技

18、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。 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。 光纤通信课程光纤通信课程(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课程光纤通信课程改进回波损耗的办法改进回波损耗的办法 光纤连接器存在回波损耗是由于光

19、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折射率不同的界面时会出现菲涅尔反射菲涅尔反射 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 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课程光纤通信课程 球面接触球面接触 斜球面接触斜球面接触光纤通信课程光纤通

20、信课程连接器的表示连接器的表示/ ：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 ：表示表示插针端面形状插针端面形状，有，有FC、PC、UPC、APC等等光纤通信课程光纤通信课程常用术语常用术语 连接器插头连接器插头(plug connetor) 光缆跳线光缆跳线(jumper cable) 转换器转换器:(adaptor)插座、法兰盘插座、法兰盘 变换器变换器(converter) 裸光纤转接器裸光纤转接器光纤通信课程光纤通信课程FC Connector 光纤通信课程光纤通信课程ST Connector 光纤通信课程光纤通信课程SC C

21、onnector 光纤通信课程光纤通信课程SMA Connector 光纤通信课程光纤通信课程MT-RJ 光纤通信课程光纤通信课程FDDI Connector 光纤通信课程光纤通信课程MPO Connector 光纤通信课程光纤通信课程MU Connector 光纤通信课程光纤通信课程LC Connector 光纤通信课程光纤通信课程E2000 Connector 光纤通信课程光纤通信课程D4 Connector 光纤通信课程光纤通信课程Biconic Connector 光纤通信课程光纤通信课程adaptoradaptor光纤通信课程光纤通信课程adaptoradaptor光纤通信课程光纤通

22、信课程converterconverter光纤通信课程光纤通信课程裸光纤转接器裸光纤转接器光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程实际器件指标实际器件指标光纤通信课程光纤通信课程光纤的固定连接光纤的固定连接 使一对光纤之间形成使一对光纤之间形成永久性永久性的连接，用于的连接，用于不需要拆卸或重复使用不需要拆卸或重复使用的场合。的场合。 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。 熔接法熔接法在实际中应用最为普遍，是光纤通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

23、方法加热从而将电弧放电、氢焰或激光等方法加热从而将光纤熔融结合在一起。光纤熔融结合在一起。 电弧放电电弧放电是熔接法中应用最广的方法。利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。光纤通信课程光纤通信课程光纤熔接机光纤熔接机 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、电弧放电机构以及控制机构等四部分构成成 光纤通信课程光纤通信课程熔接步骤熔接步骤 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端面套

24、塑层，利用光纤切割刀切割光纤端面，达到端面平整，并使端面与光纤轴线，达到端面平整，并使端面与光纤轴线垂直，偏差小于垂直，偏差小于1 。 对准光纤对准光纤: :将制备好端面的光纤放入准直将制备好端面的光纤放入准直与夹持机构中固定，通过手动或自动装与夹持机构中固定，通过手动或自动装置使纤芯在空间三个方向上移动，保证置使纤芯在空间三个方向上移动，保证需要熔接的两根光纤完全对准，消除纤需要熔接的两根光纤完全对准，消除纤芯的横向错位、角度偏差，并将端面之芯的横向错位、角度偏差，并将端面之间的间距调整到预定大小。间的间距调整到预定大小。 光纤通信课程光纤通信课程熔接步骤熔接步骤 熔接光纤熔接光纤: :根据

25、光纤的类型，选择合适的根据光纤的类型，选择合适的放电电流、放电时间，进行电弧放电，放电电流、放电时间，进行电弧放电，对端面加热，实现光纤的熔接。对端面加热，实现光纤的熔接。 接点的保护接点的保护: :熔接结束后加热缩管对光纤熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。熔接处进行保护。 光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程同时观察同时观察X X轴和轴和Y Y轴方向光纤轴方向光纤5 5英寸英寸LCDLCD大屏幕显示，四种语言可选大屏幕显示，四种语言可选内置照明灯，方便夜晚放置方纤内置照明灯，方便夜晚放置方纤内置温度、湿度、气压传感器，适应环境的变化内置温度、湿度、气压传感器，适应环境的变化自动检测光纤端面，自动校准熔接位置自动检测光纤端面，自动校准熔接位置自动选择最佳熔接程序，自动推算接续损耗自动选择最佳熔接程序，自动推算接续损耗体积小重量轻，携带方便体积小重量轻，携带方便交直流两用，适合各种场合交直流两用，适合各种场合屏幕菜单提示，操作简单方便屏幕菜单提示，操作简单方便深凹式防风盖，在深凹式防风盖，在15m/s15m/s的强风下能进行工作的强风下能进行工作光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程光纤通信课程l 光衰减器光衰减器（opt