光纤通信光纤线路技术及器件 光环形器 ppt课件

1、光纤通讯 Fiber-Optic Communication Technology第五章 光纤线路技术及器件 主要内容n一、光隔离器和光环形器一、光隔离器和光环形器 n二、光纤的衔接二、光纤的衔接n三、光衰减器和光开关三、光衰减器和光开关n四、光纤耦合器四、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纳机的传为了实现光信号从发射机至接纳机的传送，在整个光纤的传输线路上既需求处送，在整个光纤的传输线

2、路上既需求处理由光纤损耗、色散及非线性引起的信理由光纤损耗、色散及非线性引起的信号衰减和畸变等问题，还需求处理信号号衰减和畸变等问题，还需求处理信号的调制、信号的选路、线路的衔接、光的调制、信号的选路、线路的衔接、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际问题。隔离等一系列工程实际问题。无源器件和有源器件n无源器件无源器件(passive device)(passive device)：本身不发：本身不发生光电或电光转换的器件。如光隔离器、生光电或电光转换的器件。如光隔离器、光耦合器、光环形器等实现衔接光路、光耦合器、光环形器等实现衔接光路、分配

3、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)(active device)：本身会发生：本身会发生光电或电光转换的器件，如激光器、光光电或电光转换的器件，如激光器、光电检测器、光放大器等。电检测器、光放大器等。光隔离器(isolator) n光隔离器是一种只允许光沿一个方向经光隔离器是一种只允许光沿一个方向经过而在相反方向阻挠光经过的光无源器过而在相反方向阻挠光经过的光无源器件件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：半导体激光器、光纤放大器例如

4、：半导体激光器、光纤放大器n运用：光纤通讯、光信息处置系统、光运用：光纤通讯、光信息处置系统、光纤传感以及精细光学丈量系统等纤传感以及精细光学丈量系统等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 法拉第旋光效应n光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。n法拉第效应是法拉第在法拉第效应是法拉第在18451845年首先察看到的年首先察看到的不具有旋光性的资料在磁场作用下使经过该不具有旋光性的资料在磁场作用下使经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

5、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=VBL (Bq=VBL (B磁场强度，磁场强度，L L资料长度，资料长度，V V维尔德常数为资料的特性常数维尔德常数为资料的特性常数) )。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，而与光传播的方向无关。而与光传播的方向无关。n磁光资料有钇铁石榴石磁光资料有钇铁石榴石YIGYIG、铋铁石榴石、铋铁石榴石SICSIC等。等。 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。 偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器n 主要技术目的主要技术目的 n插

6、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 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。nPi：输入的光信号功率，：输入的光信号功率，nPo ：经过光隔离器后的功率，：经过光隔离器后的功率，n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。)(log10dBPPILioPiPo回波损耗回波

7、损耗(RL)n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呵斥的对入射光信号的衰减。射呵斥的对入射光信号的衰减。nPiPi：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nPr Pr ：前往输入端口的光功率：前往输入端口的光功率 )(log10dBPPRLirPiPr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 n Pi 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n Po

8、 Po：前往输入端口的光功率：前往输入端口的光功率n值越大越好值越大越好 )(log10dBPPIoiso偏振相关损耗和偏振模色散偏振相关损耗和偏振模色散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目的。损耗受偏振态影响程度的目的。n偏振模色散偏振模色散PMD：指经过器件的信：指经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。 n 光环形器光环形器(circulator) (circulator

9、) n多端口非互易多端口非互易nNN2个端口个端口n光由端口光由端口1-端口端口2；n 由端口由端口2-端口端口3;n n假设端口假设端口N输入的光可输入的光可由端口由端口1输出，称为环输出，称为环行器，假设不可以，称行器，假设不可以，称为准环行器为准环行器运用运用n双向通讯中的重要器件，完成正反向传双向通讯中的重要器件，完成正反向传输光的分别输光的分别n单纤双向通讯、上单纤双向通讯、上/ /下话路、合波下话路、合波/ /分涉分涉及色散补偿等及色散补偿等 构造构造光光 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

10、合合束束镜镜端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5 6分束分束/ /合束镜合束镜 n将恣意形状的输入光变成分解成两束偏将恣意形状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 端口端口1端口端口2 端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5 6端口端口2端口端口3端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5 6端口端口3端口端口4端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5

11、 6技术目的技术目的 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实际上不能串音指两个不相邻端口之间实际上不能接纳到光信号但实践中由于种种缘由而接纳到光信号但实践中由于种种缘由而接纳到的功率以接纳到的功率以dBdB表示的相对值，表示的相对值， 光纤的衔接光纤的衔接n光纤的衔接将两根光纤端面结合在一同，光纤的衔接将两根光纤端面结合在一同，实现光信号的继续传输。实现光信号的继续传输。n根据衔接方式的不同，可分为活动衔接和根据衔接方式的不同，可分为活动衔接和固定衔接。固定衔接。n利用活动

12、衔接器是实现活动衔接的主要方利用活动衔接器是实现活动衔接的主要方法法n熔接法是固定衔接的主要方法熔接法是固定衔接的主要方法 活动衔接器活动衔接器n衔接两根光纤或光缆使其成为光通路的衔接两根光纤或光缆使其成为光通路的可以反复装拆的活接头可以反复装拆的活接头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、器件之间等的衔接深测器、器件之间等的衔接n必需具备损耗低、体积小、分量轻、可必需具备损耗低、体积小、分量轻、可靠性高、便于操作、反复性和互换性好靠性高、便于操作、反复性和互换性好以及价钱低廉等优点。要求能接受机械以及价钱低廉等优点。要求能接受机械振动和冲击、顺应一定的

13、温度和湿度环振动和冲击、顺应一定的温度和湿度环境条件、装拆时防止杂质污染的维护措境条件、装拆时防止杂质污染的维护措施。施。 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单芯型按构造可分为调心型和非调心型：非单芯型按构造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, ,靠光纤活动衔接靠光纤活动衔接器构造组件之间的精细配合来到达最正确耦器构造组件之间的精细配合来到达最正确耦合合n常用的非调心型构造有以下几种：套管构造、常用的非调心型构造有以下几种：套管构造、双锥构造、双锥构造、V V型槽构造、微透镜构造以及自型槽构造、微透镜构造以

14、及自聚焦透镜构造等聚焦透镜构造等n按衔接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式按衔接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式套管构造套管构造n由插针和套管组成，都是精细的机械构由插针和套管组成，都是精细的机械构造和光学构造造和光学构造 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插针插针n可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等资料制造可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等资料制造n陶瓷资料具有极好的温度稳定性，线膨胀系陶瓷资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

15、胀系数接近，运用最多运用最多 f 2.499f 2.4990.00050.0005f 0.125f 0.1250.0010.0014套管套管n常用开口套管，选用弹性好的资料如磷常用开口套管，选用弹性好的资料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制造青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制造f 2.5f 2.5f 3.2f 3.20.0020.0020.0070.007+0+00.020.020.0050.0001双锥构造双锥构造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V型槽构造型槽构造压盖压盖光纤光纤V形槽形槽插针插针主要性能目的主要性能目的n插入损耗：普通在插入损耗：普通在0.5d

16、B以下。以下。n回波损耗：普通应大于回波损耗：普通应大于45dB。n反复性：每次插拔后其损耗的变化范围，普通反复性：每次插拔后其损耗的变化范围，普通应小于应小于0.1dB。n互换性：是指同一种衔接器不同插针交换时损互换性：是指同一种衔接器不同插针交换时损耗的变化范围，普通应小于耗的变化范围，普通应小于0.1dB。n插拔次数：衔接器具有上述损耗参数范围内插插拔次数：衔接器具有上述损耗参数范围内插拔的次数，普通应在千次以上。拔的次数，普通应在千次以上。n任务温度：在任务温度范围内任务温度：在任务温度范围内-2570范围内，衔接器的损耗变化量应在范围内，衔接器的损耗变化量应在0.2dB范范围内变化。

17、围内变化。影响插入损耗的要素影响插入损耗的要素n光纤衔接时，产生的损耗主要来自制造技光纤衔接时，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、端面外形、端面光洁度以及纤芯直径、数端面外形、端面光洁度以及纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差别和光纤的椭圆值孔径、折射率分布的差别和光纤的椭圆度、偏心度等都会影响衔接质量。度、偏心度等都会影响衔接质量。 (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)端面外形端面外形 (d)纤芯直径差别纤芯直径差别改良回波损耗的方法改良回波损耗的

18、方法n光纤衔接器存在回波损耗是由于光线在遇到光纤衔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假设两光纤对接处存在端面间隙或者光纤端假设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蜕变层或者光纤端面存在面存在高折射率的蜕变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呵斥了光纤衔接器的回波生菲涅尔反射从而呵斥了光纤衔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n球面接触球面接触n斜球面接触斜球面接触衔接

19、器的表示衔接器的表示n/ n ：表示外部衔接方式，有：表示外部衔接方式，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等等 n ：表示插针端面外形，有：表示插针端面外形，有FC、PC、UPC、APC等等常用术语常用术语n衔接器插头衔接器插头(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FC Connector ST Connector SC Connector SMA Connector Opt-Jack Connector MT-R

20、J FDDI Connector MPO Connector MU Connector LC Connector E2000 Connector D4 Connector Biconic Connector adaptoradaptoradaptoradaptorconverterconverter裸光纤转接器裸光纤转接器PolisherPolisherPolisherPolisher实践器件目的实践器件目的光纤的固定衔接光纤的固定衔接 n使一对光纤之间构成永久性的衔接，用于使一对光纤之间构成永久性的衔接，用于不需求装配或反复运用的场所。不需求装配或反复运用的场所。n有熔接法、有熔接法、V型槽

21、法、毛细管法等。型槽法、毛细管法等。n熔接法在实践中运用最为普遍，是光纤通熔接法在实践中运用最为普遍，是光纤通讯干线中光纤衔接的主要方法，它是利用讯干线中光纤衔接的主要方法，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而将光纤熔融结合在一同。光纤熔融结合在一同。n电弧放电是熔接法中运用最广的方法。利电弧放电是熔接法中运用最广的方法。利用电弧放电进展光纤熔接的设备称为光纤用电弧放电进展光纤熔接的设备称为光纤熔接机。熔接机。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 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端面，套塑层，利用光纤切割刀切割光纤端面，到达端面平整，并使端面与光纤轴线垂到达端面平整