光钎通信技术教学课件第三章光器件

1、第1页，共79页。3-1 光纤连接器件；3-2 光纤耦合器 ；3-3 光隔离器；3-4 光纤光栅；3-5 波分复用器 ；3-6 光环形器；3-7 光开关； 本章思考题。第二章的主要内容8/3/2022第2页，共79页。一、 光纤的接头及熔接光纤通信线路中，光纤接头不可避免。1. 光纤的熔接工艺步骤 (1) 将待熔接的光纤端头切割成平整且垂直于轴线的端面； (2) 利用微调装置将两根光纤调准直； (3) 利用电弧放电将两根光纤熔接在一起。电弧的强度和熔接时间应调整妥当，既保证熔接点有足够的机械强度，又不会造成形变而增加损耗。3-1 光纤连接器件8/3/2022第3页，共79页。2. 光纤熔接引起

2、损耗的原因(1) 光纤轴线的横向相对误差（错位）；(2) 两根光纤的纤芯直径不同； (3) 两根光纤的性能参数不同； (5) 角向相对偏离。 (4) 光纤端头之间的相对距离； 3-1 光纤连接器件8/3/2022第4页，共79页。3-1 光纤连接器件8/3/2022第5页，共79页。3-1 光纤连接器件OffsetAngular MisalignmentSeparationCore EccentricityCore EllipticityReflections &Interference8/3/2022第6页，共79页。3-1 光纤连接器件Medium insertion loss:Worst

3、 return loss: 14 dB (Fresnel)Common multimode fiber connector Air Gaptyp. 0.5 dBLowest insertion loss: 40 dBHighest insertion loss:Best return loss:Cable TV, highperformance systemsAngled PhysicalContact (APC) 0.4 to 0.9 dB 60 dB88/3/2022第7页，共79页。3-1 光纤连接器件光纤剥离钳8/3/2022第8页，共79页。3-1 光纤连接器件光纤切割刀8/3/20

4、22第9页，共79页。光纤熔接机3-1 光纤连接器件8/3/2022第10页，共79页。3-1 光纤连接器件8/3/2022第11页，共79页。3-1 光纤连接器件光纤自动熔接以后的液晶显示界面Protective sleeveSplice8/3/2022第12页，共79页。3-1 光纤连接器件8/3/2022第13页，共79页。二、光纤连接器 光纤连接器是光纤技术应用中使用量最大的光无源器件，和光纤接头一样，光纤连接器也是对两光纤端面进行对接，所不同的是光纤接头是永久性的熔接，而光纤连接器是临时性连接，具有使用的灵活性。损耗是它们重要的光学参数。1. 光纤连接器损耗的分类(1) 插入损耗；(

5、2) 回波损耗。3-1 光纤连接器件8/3/2022第14页，共79页。2. 光纤连接器的插损机理 光纤公差引起的固有损耗：主要由光纤制造公差，即纤芯尺寸、数值孔径及纤芯/包层同心度等。 连接器加工装配引起的固有损耗：主要由光纤制造公差，即端面间隙、轴线倾角及横向偏移等。3. 光纤连接器的回损机理 光纤端面菲涅耳反射引起的光能量损耗。这种损耗发生在纤芯空气交界面，有效的解决方法是设计两个连接器的物理接触面。3-1 光纤连接器件8/3/2022第15页，共79页。4. 光纤连接器的损耗表达式NA引起的损耗端面间隙引起的插损回波损耗主观因素损耗：端面划伤、尘粒、定位不准。3-1 光纤连接器件8/3

6、/2022第16页，共79页。5. 光纤连接器的组成光纤连接器由跳线、尾纤或尾缆、适配器组成。 跳线: 在一段光纤(或单芯光缆)的两头都装上插头，主要作光配线用； 尾纤: 在一段光纤(或单芯光缆)的一头装上插头，主要与光器件相连； 尾缆: 在一段多芯光缆的一头装上插头，主要用于连接干线和光配线； 适配器: 将两个插头连接起来的器件。3-1 光纤连接器件8/3/2022第17页，共79页。6. 光插头的组成(1) 光纤或单芯光缆：多模或单模；(2) 插针体：是连接器的关键部件，制作材料有不绣钢、不锈钢镶陶瓷、全陶瓷、玻璃或塑料，目前多采用全陶瓷插针体，插针体直径2.5mm；(3) 外部零件：光纤

7、连接器的辅助部件，是插针体的固定部件和光纤对接的定位部件，制作材料依据型号而定，有金属和塑料。3-1 光纤连接器件8/3/2022第18页，共79页。7. 光纤连接器的技术指标插入损耗：光通过连接器后，光功率损耗的大小；回波损耗：光通过连接器后，后向反射光与入射光的比值；重复性：重复插拔后插损的变化值，1000次插拔后，小于0.1dB；互换性：插头和适配器按一定的规则互换后，插入损耗的变化值，互换性小于0.2dB。3-1 光纤连接器件8/3/2022第19页，共79页。8. 光纤连接器的分类(1) 按光纤的模式分(2) 按插针体的端面分单模、多模光纤连接器;端面一般都是加工成球面、精抛球面和斜

8、球面等。PC、SPC、APC。APC: 将端面抛磨成与插针体中心线成80角。3-1 光纤连接器件8/3/2022第20页，共79页。(3) 按连接器的类型分FC、SC、ST: 目前应用最广泛的三种,体积比较大。LC、MU、MT-RJ: 第三代光纤连接器，具有体积小，便于密集安装等优点。FC: 螺纹锁紧式SC: 插拔式/咬合式ST: 卡口旋转锁紧式3-1 光纤连接器件8/3/2022第21页，共79页。9. 光纤连接器的形状FCSCST3-1 光纤连接器件8/3/2022第22页，共79页。FCSC3-1 光纤连接器件8/3/2022第23页，共79页。需要光配线连接的设备光缆与收发机光缆与大楼

9、的接线板设备与局域网间的接口处连接楼内较短的数据链路楼内路由信号的接线板电信系统进入大楼的位置网络与终端设备间的连接远处可移动视频设备与录音设备或摄影棚的连接10. 光纤连接器的应用场合3-1 光纤连接器件8/3/2022第24页，共79页。三、光纤接续子可作永久性接续，也可作临时接续无需粘合剂和环氧胶，内有折射率匹配膏(液) 通用性强，适合不同涂敷层种类(250/250 um、250/900 um或 900/900 um)的光纤光纤无需研磨光纤中心自对准 3-1 光纤连接器件8/3/2022第25页，共79页。光纤耦合器是用来连接3个或3个以上的光接点。 光信号经过光纤耦合器后，在多个输出端

10、口之间分配，降低了每个信号输出端的信号强度。输出端口数输出端口所占比例损耗(dB)输出端口数输出端口所占比例损耗(dB)20.53.01200.0513.0140.256.0225.0413.9850.26.99500.0216.9980.1259.031000.0120100.1102000.00523.01150.06711.764000.002526.023-2 光纤耦合器8/3/2022第26页，共79页。1. 光纤耦合器的性能参数1243(1) 插入损耗(2) 耦合比(3) 附加损耗3-2 光纤耦合器8/3/2022第27页，共79页。2. 光纤耦合器的特性输入端口和输出端口的数量N

11、M，数量取决于具体的应用，一般，输入端口有别于输出端口，但也可对调。信号的衰减和分束光传输的方向性波长选择性光纤类型，即多模和单模偏振敏感3-2 光纤耦合器8/3/2022第28页，共79页。(1) 光传输的方向性(2) 定向耦合器: 对所通过的光的方向敏感，虽然不是单行道，但是却趋向于使光沿相同的方向传输。1243(3) 非定向耦合器：对所通过的光的方向敏感度很低或不敏感，这种耦合器将所有的入射光混合在一起并传输到所有的端口包括入射的端口。3-2 光纤耦合器8/3/2022第29页，共79页。(4) 光纤耦合器的波长选择性 波长选择性是指耦合器分、合光的机制在某种程度上依赖于所有传输光的波长

12、。(5) 波长不敏感耦合器：这种耦合器在它们的工作范围内耦合器的特性几乎不随波长变化，应用在对不同波长应该同等处理的场合。(6) 波长选择耦合器：这种耦合器有意地将不同波长的光送到不同的方向，根据波长分配信号，可以用来分离不同波长间隔的多波长光信号。3-2 光纤耦合器8/3/2022第30页，共79页。3. 光纤耦合器的分类按结构分：Y型光纤耦合器树型光纤耦合器熔融型光纤耦合器nm按制作方法分：平面波导光纤耦合器星型光纤耦合器微型光器件型光纤耦合器3-2 光纤耦合器8/3/2022第31页，共79页。光隔离器是只沿一个方向传输的光器件，阻止了后向反射和散射的光到达敏感器件，比如激光器和光放大器

13、，是一种光学单行道器件。光隔离器是内部工作机制依赖于偏振。一、 光隔离器的基本组成一对线偏振器: 偏振面放置成450角；法拉第旋转器: 将偏振光的振动方向旋转450角，法拉第旋转器对光的偏振面旋转具有互异性，与磁场方向有关，与光的传播方向没有关系。3-3 光隔离器8/3/2022第32页，共79页。二、光隔离器的工作原理图偏振器1偏振器2法拉第旋转器光光光被透射 光被正交偏振器挡住YVO4或LiNO3晶体。3-3 光隔离器8/3/2022第33页，共79页。三、光隔离器的性能参数要求(1) 隔离度大，单芯隔离器的典型值是40dB;(2) 插入损耗小，单芯隔离器的典型值是0.2dB。这种简单的设

14、计带来了偏振器的3dB损耗，阻挡了入射光信号中非垂直偏振部分。设计器件时可以将入射光信号分成两束，一束垂直偏振，另一束水平偏振，垂直偏正光按照原理图所示工作，水平偏振光可以先被旋转900，然后通过相同的隔离器。四、光隔离器的优化设计3-3 光隔离器8/3/2022第34页，共79页。消除偏振损耗的隔离器结构图：SWPSWP法拉第旋转片光纤输入光纤输出波片SWPSWP法拉第旋转片光纤输入光纤输出波片3-3 光隔离器8/3/2022第35页，共79页。器件说明：SWP (Spatial Walk-off Polarizer): 空间分离偏振器 (或偏振敏感的光束位移器)，由强双折射晶体制成，将不同

15、偏振的光沿有微小差别的方向偏折，即非偏振光入射到该晶体后分成两束，一束垂直偏振，另一束水平偏振，两束偏振光在SWP的不同位置出射。法拉第旋转片: 一束光在其中通过一个来回，其偏振方向将旋转900，这是使光隔离器工作的一个本质特征。3-3 光隔离器8/3/2022第36页，共79页。波片: 波片的工作方式与法拉第旋转片不同，没有互异性，当光从一个方向入射时，将偏振方向旋转450，而光从另一个方向进入时，将偏振方向旋转 - 450 ，或者说方向+ 450 。即，光在波片中往返一次，偏振方向的总旋转为00，因此在波片中往返一次后的光束具有与初始状态相同的偏振方向。五、光隔离器的应用场合光隔离器主要应

16、用在激光器或者是光放大器的输出端，以防止光纤线路中的后向反射光造成激光器或光放大器的工作不稳定性。3-3 光隔离器8/3/2022第37页，共79页。六、实物结构图法拉第旋转片磁环YVO4或LiNO3楔角片自聚焦透镜(径向：同渐变折射率)光纤头光纤准直器光纤准直器3-3 光隔离器8/3/2022第38页，共79页。楔角型商用化光隔离器3-3 光隔离器8/3/2022第39页，共79页。双级光隔离器3-3 光隔离器 正向光在第一级和第二级中分别为o光和e光，两级产生的PMD相互补偿，缺点是对装配精度要求非常高，否则隔离度指标比单级光隔离器还差。8/3/2022第40页，共79页。封装的光隔离器3

17、-3 光隔离器8/3/2022第41页，共79页。3-3 光隔离器光隔离器中的光路传输8/3/2022第42页，共79页。一、光纤的光敏性-FBG 广义上，光敏性是指物质的物理或化学性质在外部光作用下发生暂时或永久性改变的材料属性。 就光纤材料而言，光敏性是指光纤材料的折射率在外部光的作用下发生永久性的改变。 光纤光敏性的微观机理是一个非常活跃的研究领域。从科研人员的实验结果看，光纤材料的光敏效应在微观上可能与众多的物理因素有关，是一个非常复杂的过程，目前还不能给出完全定量化的描述。3-4 光纤光栅8/3/2022第43页，共79页。二、什么是光纤光栅 光纤光栅就是利用光纤的光敏性，用特定波长

18、的激光以特定方式照射光纤，导致光纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间分布，从而把光纤做成具有精确控制谐振波长的光栅。3-4 光纤光栅8/3/2022第44页，共79页。三、光纤光栅的工作原理光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：1、2是正、反向传输常数，是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。 3-4 光纤光栅8/3/2022第45页，共79页。1. 光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理 当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。 光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心

19、波长（布拉格波长）表达式： 3-4 光纤光栅8/3/2022第46页，共79页。：零点几到几十微米;反射率：可以达到100，也可以小到0；反射谱的FWHM: 可以达到零点零几纳米。特点FBG的光谱3-4 光纤光栅8/3/2022第47页，共79页。2. 长周期光纤光栅(LPG)的工作原理 当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选择损耗特性。 为光栅周期，n01为纤芯模式折射率，n(m)为m阶包层模式的折射率

20、。 3-4 光纤光栅8/3/2022第48页，共79页。长周期光纤光栅的光谱特点3-4 光纤光栅8/3/2022第49页，共79页。波分复用技术要求光器件在光发射机端合并多个信号进入单根光纤同时向前传输，并在光接收机端分离这些信号，以便分立的光接收机进行处理，实现这种功能的光器件就是波分复用器。波分复用器从功能上分为两部分: 发射机端的为复用器，其作用是合并光信道；接收机端的为解复用器，其作用正好相反，分离复用在一起的光信道，而且必须完全分离光信道，且串扰要低。3-5 波分复用器8/3/2022第50页，共79页。一、WDM系统复用系统: WDM、CWDM、DWDM 12n 12n复用器光放大

21、器解复用器 3-5 波分复用器8/3/2022第51页，共79页。二、信道间隔(信道密度)信道间隔在200GHz或更小时的技术称为密集波分复用技术(DWDM)。ITU标准，确定波分复用系统的绝对参考频率规范为193.1THz，对应的波长为1552.52nm。波分复用系统中的信道间隔与对应的波长间隔之间的转换为:200GHz(100或50GHz) 1.6nm(0.8或0.4nm)3-5 波分复用器8/3/2022第52页，共79页。三、 波长路由波长路由是其中的一种解复用方法，要分离的光信号在不同的透射带内。也就是说，波长路由的方法适合于解复用那些波长间隔比较大的光信号。比如分离EDFA的泵浦光

22、和信号光。EDFA是由半导体激光器的980nm或1480nm泵浦的，它们通过同一根EDF，但在某处泵浦光必须与放大信号分离，这种合波和分离一般由波长敏感光纤耦合器实现。3-5 波分复用器8/3/2022第53页，共79页。波长敏感光纤耦合器分离两个波长：100上面光纤所占的百分比980nm输出1550nm输出所有980nm的光均在上面的光纤中耦合区长度耦合区起点耦合区终点所有1550nm的光均在下面的光纤中980nm1550nm03-5 波分复用器8/3/2022第54页，共79页。波长敏感光纤耦合器，不同波长在光纤之间转换的光能量取决于耦合区的长度，经过一定的特征长度后，光从一根光纤完全转移

23、到另一根光纤。开始进入耦合器时，光进入两根熔融光纤上面的一根，然后逐渐转移到下面的光纤，如果耦合区足够长，所有的光都会转移到下面的光纤，并且重复此过程；短波长的光先于长波长的光转移。980nm的光从上面的光纤转移到下面的光纤，在耦合器结束时又转移到上面的光纤，而1550nm的光只从上面的光纤在耦合器结束时转移到下面的光纤。波长敏感光纤耦合器不用来分离DWDM系统的光信道，而对于间隔很大的波长分离效果很好。波长敏感光纤耦合器：3-5 波分复用器8/3/2022第55页，共79页。四、WDM的种类色散元件棱镜光栅传统光栅光纤光栅波导阵列光栅平面光栅凹面光栅干涉元件带通滤波器截止型滤波器限波滤波器吸

24、收型滤波器一般带宽超窄宽耦合元件全光纤型混合型偏振无关偏振相关1. 无源WDM器件3-5 波分复用器8/3/2022第56页，共79页。2. 有源WDM器件阵列发射或接收器件可调波长激光器可调波长选择光开关可调波长滤波器3-5 波分复用器8/3/2022第57页，共79页。3. 干涉滤波器干涉滤波器的介质层选择性地透过一个窄范围的波长，并反射其他的光。 透射和反射波长选择的精确性，以及反射和透射的曲线形状依赖于具体的滤波器设计: 包括层的厚度和成份，以及镀膜的层数。 通过调整干涉滤波器的厚度、成份和层数，干涉滤波器可以被制成不同类型的透射。3-5 波分复用器8/3/2022第58页，共79页。

25、线通滤波器、带通滤波器、截止滤波器：截止滤波器(较短波长透射)线通滤波器带通滤波器透射波长也可以反过来设计。截止滤波器设计成在特定波长处的透射和反射有一个突变，比如分离EDFA的C带和L带在1567nm处有一个突变，使短波长信号反射回C带EDFA,长波长信号透射到L带EDFA。3-5 波分复用器8/3/2022第59页，共79页。4. 基于各种技术的波分复用器(1) 干涉滤波器型WDM输入 16135642级联滤波器每次解复用选出一个波长:3-5 波分复用器8/3/2022第60页，共79页。 低通、高通滤波器组合使用，将光信道分成组，然后再将每组分成单独的信道。解复用2532140解复用18

26、116解复用916916解复用17241740解复用324025403-5 波分复用器8/3/2022第61页，共79页。 为什么要进行光信道分组，然后再将每组分成单独的信道呢？ (1) 干涉滤波器不是非常完美的，实质上并不能反射其他所有波长的信号光能量，有一部分会被漏掉，而这些泄漏经过一系列的滤波器后会叠加。采用先进行光信道分组的办法可大大减少这种泄漏。 (2) 干涉滤波器型WDM是一个模块，很容易进行系统升级扩容，因此在短期内可以节省开支，长期上又可降低系统设备成本。3-5 波分复用器8/3/2022第62页，共79页。(2) 光纤光栅型WDM3-5 波分复用器8/3/2022第63页，共

27、79页。(3) 基于熔融光纤耦合器的WDM耦合区长度耦合区起点耦合区终点短+长短长利用耦合区长度可以将不同透射带的光能量定向到不同端口来分离波长。不同透射带内的波长光能量转移的程度依赖于耦合区长度，短波首先来回转移，然后才是长波。3-5 波分复用器8/3/2022第64页，共79页。(4) 基于马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪的WDM是熔融型光纤耦合器的一种，这种器件称为熔融型光纤马赫-曾德尔干涉仪，或者简单地称为interleaver(交错复用器)。特点: 利用光纤中的干涉将间隔均匀的一组光信道分离成一组奇数信道和一组偶数信道，即: 马赫-曾德尔干涉仪交错的复用波长，分离奇信道和偶信道。3-5

28、波分复用器8/3/2022第65页，共79页。干涉仪两臂的出射光的相对相位决定了输出耦合器端口的分束比。干涉臂输入光信号输入耦合器输出耦合器分束合束干涉后 交替输出上端口出射的光1357下端口出射的光24683-5 波分复用器8/3/2022第66页，共79页。因此，熔融型光纤马赫-曾德尔干涉仪可以解复用一系列均匀间隔信道的光信号。100GHz interleaver1,3 ,5,7200GHz interleaver200GHz interleaver2,4 ,6,8400GHz interleaver1,515400GHz interleaver3 ,737400GHz interleav

29、er2,6264 , 8400GHz interleaver48输入光信号183-5 波分复用器8/3/2022第67页，共79页。Interleaver采用多级结构来分离或合并光信道。Interleaver除了采用熔融型光纤耦合技术以外，也可采用平面波导技术制作。Interleaver型WDM和干涉滤波器型WDM的区别:对8个复用波长的WDM系统，所需要的器件数相同，都是7个，但对于interleaver所有的信号都是通过3个器件，而干涉滤波器中最后两个信道必须通过所有7个滤波器，因此要比其他信道经受更多的损耗。3-5 波分复用器8/3/2022第68页，共79页。(5) 体衍射光栅型WDM

30、测量仪器经常采用衍射光栅来展开所需要测量的光谱，而且可以提供很好的分辨率，在WDM系统中，利用衍射光栅展开光谱分离光信道。采用合适的光器件聚焦输入光、收集反射光并聚焦到输出光纤中，从而达到合波的目的；同样，根据光的可逆性，利用这种器件也可以达到分离光信道的目的。3-5 波分复用器8/3/2022第69页，共79页。从底部的光纤中输入三个波长的光信号1、2、3，自聚焦透镜在后端面将输入光聚焦到衍射光栅上光栅呈一定角度以便以适当的角度反射光信号。光栅以不同的角度反射不同的波长，然后自聚焦透镜将每个波长聚焦到对应的光纤输出。输出光纤光栅自聚焦透镜输入光纤1 , 2 , 3以不同角度衍射3213-5

31、波分复用器8/3/2022第70页，共79页。这种简单的体衍射光栅解复用器对分离几个间隔比较大的波长时工作效果很好，但是他们不能为紧密间隔的波长提供较高的信道隔离度。(6) 波导阵列型WDM18波导阵列输出耦合器输入耦合器183-5 波分复用器8/3/2022第71页，共79页。多波长光信号从右下方的输入耦合器输入，然后由该耦合器将信号分离到输入耦合器与输出耦合器之间的弯曲波导阵列。和M-Z干涉仪的干涉臂一样，这些波导长度不同，它们在输出耦合器混合产生干涉效应。弯曲的平面波导阵列可以同时分离多个光信道。输出耦合器和输出波导的设计将光聚焦到左下方分立的输出波导中，每个信道有一个输出波导；波长间隔取决于弯曲波导之间的光程差。波导阵列WDM可以应用于密集波分复用技术，而且输入耦合损耗很小，但价格高、技术较复杂。3-5 波分复用器8/3/2022第72页，共79页。五、构建复用器和解复用器以上所讲的复用技术是用来构建模块的。从成本、技术的复杂性角度出发，实际的系统可能集成两种或多种复用技术，从而达到性价比的最优化。在讨论各种复用技