光纤通信 第五章 光纤线路技术及器件 光环形器课件

光纤通信

Fiber-OpticCommunicationTechnology2005/2006学年第二学期光纤通信

Fiber-OpticCommunicatio1第五章光纤线路技术及器件

第五章光纤线路技术及器件2主要内容一、光隔离器和光环形器

二、光纤的连接三、光衰减器和光开关四、光纤耦合器五、光纤光栅六、波分复用器件七、平面及矩形光波导技术及器件八、光放大器九、色散补偿技术主要内容一、光隔离器和光环形器3光纤线路技术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、杂散光的隔离等一系列工程实践问题。光纤线路技术为了实现光信号从发射机至接收机的传送，在整个光纤4无源器件和有源器件无源器件(passivedevice)：本身不发生光电或电光转换的器件。如光隔离器、光耦合器、光环形器等实现连接光路、分配光功率以及合波和分波等作用。有源器件(activedevice)：本身会发生光电或电光转换的器件，如激光器、光电检测器、光放大器等。无源器件和有源器件无源器件(passivedevice)：5光隔离器(isolator)

光隔离器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件作用：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：半导体激光器、光纤放大器应用：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分类：偏振相关型和偏振无关型两类

光隔离器(isolator)光隔离器是一种只允许光沿一个方6法拉第旋光效应光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845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，其偏振方向旋转角度q=VBL(B磁场强度，L材料长度，V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，而与光传播的方向无关。磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石榴石（SIC）等。

法拉第旋光效应光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。7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。

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。8偏振无关型光隔离器

偏振无关型光隔离器9主要技术指标

插入损耗回波损耗

隔离度偏振相关损耗（PDL）

偏振模色散（PMD）

主要技术指标插入损耗10插入损耗(IL)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。Pi：输入的光信号功率，Po：经过光隔离器后的功率，显然，IL值越小越好。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。PiPo插入损耗(IL)指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光11回波损耗(RL)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Pr：返回输入端口的光功率

PiPr回波损耗(RL)回波损耗：指由于构成光隔离器的各元件、光纤以12隔离度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

Pi’：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值越大越好

隔离度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13偏振相关损耗和偏振模色散偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振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，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。偏振模色散（PMD）：指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟差。

偏振相关损耗和偏振模色散偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振14

15光环形器(circulator)

多端口非互易N（N>2）个端口光由端口1->端口2； 由端口2->端口3;……若端口N输入的光可由端口1输出，称为环行器，若不可以，称为准环行器光环形器(circulator)多端口非互易16应用双向通信中的重要器件，完成正反向传输光的分离单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等

应用双向通信中的重要器件，完成正反向传输光的分离17结构光

纤准直器分束合束镜偏振旋转镜光束变换器光

纤准直器偏振旋转镜分束合束镜端口13端口24xyz123456结构光纤准直器分束合束镜偏振旋转镜光束变换器光纤准直18分束/合束镜

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双折射平行平板、楔形双折射晶体分束/合束镜将任意状态的输入光变成分解成两束偏振方向垂直的19偏振旋转镜

90度非互易旋转器

偏振旋转镜90度非互易旋转器20光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器课件21端口1→端口2

端口13端口24xyz123456端口1→端口2端口13端口24xyz12322端口2→端口3端口13端口24xyz123456端口2→端口3端口13端口24xyz12323端口3→端口4端口13端口24xyz123456端口3→端口4端口13端口24xyz12324技术指标

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

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的功率以dB表示的相对值，

技术指标包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗25光纤的连接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。根据连接方式的不同，可分为活动连接和固定连接。利用活动连接器是实现活动连接的主要方法熔接法是固定连接的主要方法

光纤的连接光纤的连接将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持26活动连接器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境条件、装拆时防止杂质污染的保护措施。

活动连接器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27分类可分为单芯型和多芯型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：非调心型内部没有调心机构,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常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、双锥结构、V型槽结构、微透镜结构以及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分类可分为单芯型和多芯型28套管结构由插针和套管组成，都是精密的机械结构和光学结构

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套管插针光纤光纤套管结构由插针和套管组成，都是精密的机械结构和光学结构套管29插针可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，使用最多

f2.499±0.0005f0.125±0.0014插针可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作f2.499±030套管常用开口套管，选用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作f2.5f3.2-0.002-0.007+0-0.020.005±0.0001套管常用开口套管，选用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶31双锥结构利用锥面定位锥型插针双锥套筒光纤光纤双锥结构利用锥面定位锥型双锥套筒光纤光纤32V型槽结构压盖光纤V形槽插针V型槽结构压盖光纤V形槽插针33主要性能指标插入损耗：一般在0.5dB以下。回波损耗：一般应大于45dB。重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般应小于0.1dB。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。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。工作温度：在工作温度范围内（-25～＋70℃范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范围内变化。主要性能指标插入损耗：一般在0.5dB以下。34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、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度、偏心度等都会影响连接质量。

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术和光35(a)横向错位(b)端面间隙(c)角度倾斜(d)端面形状(d)纤芯直径差异(a)横向错位(b)端面间隙(c)角度倾36改进回波损耗的办法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

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损耗将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面接触等改进回波损耗的办法光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到折射37球面接触斜球面接触球面接触38连接器的表示/

：表示外部连接方式，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等

：表示插针端面形状，有FC、PC、UPC、APC等连接器的表示/39常用术语连接器插头(plugconnetor)光缆跳线(jumpercable)转换器:(adaptor)插座、法兰盘变换器(converter)裸光纤转接器常用术语连接器插头(plugconnetor)40FCConnector

FCConnector41STConnector

STConnector42SCConnector

SCConnector43SMAConnector

SMAConnector44Opt-JackConnector

Opt-JackConnector45MT-RJ

MT-RJ46FDDIConnector

FDDIConnector47MPOConnector

MPOConnector48MUConnector

MUConnector49LCConnector

LCConnector50E2000Connector

E2000Connector51D4Connector

D4Connector52BiconicConnector

BiconicConnector53adaptoradaptor54adaptoradaptor55converterconverter56裸光纤转接器裸光纤转接器57光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器课件58光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器课件59PolisherPolisher60PolisherPolisher61实际器件指标实际器件指标62光纤的固定连接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。有熔接法、V型槽法、毛细管法等。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。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熔接机。光纤的固定连接使一对光纤之间形成永久性的连接，用于不需要拆63光纤熔接机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

光纤熔接机由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电弧放电机构64熔接步骤制备光纤: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，达到端面平整，并使端面与光纤轴线垂直，偏差小于1º。对准光纤: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。

熔接步骤制备光纤:利用光纤剥皮钳去除光纤外的套塑层，利用光纤65熔接步骤熔接光纤: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，对端面加热，实现光纤的熔接。接点的保护:熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。

熔接步骤熔接光纤:根据光纤的类型，选择合适的放电电流、放电时66光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器课件67光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器课件68同时观察X轴和Y轴方向光纤

5英寸LCD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，携带方便交直流两用，适合各种场合

屏幕菜单提示，操作简单方便

深凹式防风盖，在15m/s的强风下能进行工作同时观察X轴和Y轴方向光纤

5英寸LCD大屏幕显示，四种语69光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器课件70光纤通信

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Fiber-OpticCommunicatio71第五章光纤线路技术及器件

第五章光纤线路技术及器件72主要内容一、光隔离器和光环形器

二、光纤的连接三、光衰减器和光开关四、光纤耦合器五、光纤光栅六、波分复用器件七、平面及矩形光波导技术及器件八、光放大器九、色散补偿技术主要内容一、光隔离器和光环形器73光纤线路技术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、杂散光的隔离等一系列工程实践问题。光纤线路技术为了实现光信号从发射机至接收机的传送，在整个光纤74无源器件和有源器件无源器件(passivedevice)：本身不发生光电或电光转换的器件。如光隔离器、光耦合器、光环形器等实现连接光路、分配光功率以及合波和分波等作用。有源器件(activedevice)：本身会发生光电或电光转换的器件，如激光器、光电检测器、光放大器等。无源器件和有源器件无源器件(passivedevice)：75光隔离器(isolator)

光隔离器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件作用：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：半导体激光器、光纤放大器应用：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分类：偏振相关型和偏振无关型两类

光隔离器(isolator)光隔离器是一种只允许光沿一个方76法拉第旋光效应光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845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，其偏振方向旋转角度q=VBL(B磁场强度，L材料长度，V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，而与光传播的方向无关。磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石榴石（SIC）等。

法拉第旋光效应光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。77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。

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。78偏振无关型光隔离器

偏振无关型光隔离器79主要技术指标

插入损耗回波损耗

隔离度偏振相关损耗（PDL）

偏振模色散（PMD）

主要技术指标插入损耗80插入损耗(IL)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。Pi：输入的光信号功率，Po：经过光隔离器后的功率，显然，IL值越小越好。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。PiPo插入损耗(IL)指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光81回波损耗(RL)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Pr：返回输入端口的光功率

PiPr回波损耗(RL)回波损耗：指由于构成光隔离器的各元件、光纤以82隔离度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

Pi’：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值越大越好

隔离度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83偏振相关损耗和偏振模色散偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振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，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。偏振模色散（PMD）：指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟差。

偏振相关损耗和偏振模色散偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振84

85光环形器(circulator)

多端口非互易N（N>2）个端口光由端口1->端口2； 由端口2->端口3;……若端口N输入的光可由端口1输出，称为环行器，若不可以，称为准环行器光环形器(circulator)多端口非互易86应用双向通信中的重要器件，完成正反向传输光的分离单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等

应用双向通信中的重要器件，完成正反向传输光的分离87结构光

纤准直器分束合束镜偏振旋转镜光束变换器光

纤准直器偏振旋转镜分束合束镜端口13端口24xyz123456结构光纤准直器分束合束镜偏振旋转镜光束变换器光纤准直88分束/合束镜

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双折射平行平板、楔形双折射晶体分束/合束镜将任意状态的输入光变成分解成两束偏振方向垂直的89偏振旋转镜

90度非互易旋转器

偏振旋转镜90度非互易旋转器90光纤通信第五章光纤线路技术及器件光环形器课件91端口1→端口2

端口13端口24xyz123456端口1→端口2端口13端口24xyz12392端口2→端口3端口13端口24xyz123456端口2→端口3端口13端口24xyz12393端口3→端口4端口13端口24xyz123456端口3→端口4端口13端口24xyz12394技术指标

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

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的功率以dB表示的相对值，

技术指标包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗95光纤的连接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。根据连接方式的不同，可分为活动连接和固定连接。利用活动连接器是实现活动连接的主要方法熔接法是固定连接的主要方法

光纤的连接光纤的连接将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持96活动连接器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境条件、装拆时防止杂质污染的保护措施。

活动连接器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97分类可分为单芯型和多芯型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：非调心型内部没有调心机构,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常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、双锥结构、V型槽结构、微透镜结构以及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分类可分为单芯型和多芯型98套管结构由插针和套管组成，都是精密的机械结构和光学结构

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套管插针光纤光纤套管结构由插针和套管组成，都是精密的机械结构和光学结构套管99插针可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，使用最多

f2.499±0.0005f0.125±0.0014插针可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作f2.499±0100套管常用开口套管，选用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作f2.5f3.2-0.002-0.007+0-0.020.005±0.0001套管常用开口套管，选用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶101双锥结构利用锥面定位锥型插针双锥套筒光纤光纤双锥结构利用锥面定位锥型双锥套筒光纤光纤102V型槽结构压盖光纤V形槽插针V型槽结构压盖光纤V形槽插针103主要性能指标插入损耗：一般在0.5dB以下。回波损耗：一般应大于45dB。重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般应小于0.1dB。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。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。工作温度：在工作温度范围内（-25～＋70℃范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范围内变化。主要性能指标插入损耗：一般在0.5dB以下。104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、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度、偏心度等都会影响连接质量。

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术和光105(a)横向错位(b)端面间隙(c)角度倾斜(d)端面形状(d)纤芯直径差异(a)横向错位(b)端面间隙(c)角度倾106改进回波损耗的办法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

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损耗将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面接触等改进回波损耗的办法光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到折射107球面接触斜球面接触球面接触108连接器的表示/

：表示外部连接方式，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等

：表示插针端面形状，有FC、PC、UPC、APC等连接器的表示/109常用术语连接器插头(plugconnetor)光缆跳线(jumpercable)转换器:(adaptor)插座、法兰盘变换器(converter)裸光纤转接器常用术语连接器插头(plugconnetor)110FCConnector

FCConnector111STConnector

STConnector112SCConnector

SCConnector113SMAConnector

SMAConnector114Opt-JackConnector

Opt-JackConnector115MT-RJ

MT-RJ116FDDIConnector

FDDIConnector117MPOConnector

MPOConnector118MUConnector

MUConnector119LCConnector

LCConnector120E2000Conn