第4章 光通信器件3课件

4.5其他光通信器件为什么光纤需要接续?光纤接续的方法?如何实现光纤的接续?光纤接续的过程如何?4.5.1连接器1、光纤连接的类型和方法光纤的连接 固定接接是永久性连接，一般用于光纤传输线路的两段光纤的连接。 连接方法：熔接法和粘接法； 活动连接是可拆卸连接，通常用活动连接器在光纤与设备或仪表的尾纤之间连接。2、光纤固定连接

光纤熔接的基本原理是使被接光纤的轴心对准以后，用加热的方式将光纤端面熔化而使其熔为一体。最常用的方法是电弧熔接法，它是利用两个电极之间的高压电弧产生高温使被接光纤的端面熔接的方法。电弧熔接法操作步骤①光纤端面的制备②光纤的电弧熔接③接头的保护光纤端面的制备①先将任意一段待接光纤套上一根热可缩保护套管，以备接续后保护接头。②用专用光纤剥线钳剥出约40mm的裸光纤，并用干净的软纸或无水酒精棉球将其擦干净。③用专用光纤切割器切割出平整无倾斜的光纤端面。刀口拉紧状态拉紧状态裂缝处

切割的原理光纤的电弧熔接将制备好的两段光纤放入光纤熔接机调整架的V型槽中固定，并将两光纤的端面置于熔接的电极之间，相距适当距离。调节调整架，使光纤轴心对准。预放电对光纤端面进行加热整形，使光纤端面无毛刺、清洁、平整。将光纤沿轴向稍加推进，使两端面直接接触并有一定相互挤压时停止移动。继续放电直至光纤端面充分熔融连为一体。接头的保护将预先套好的热可缩管轻轻移到接头处。把套有热可缩管的光纤放入加热器中，加热至热可缩管熔化成可塑状，紧贴光纤对接头部位进行保护。

粘接法是将轴心对准的光纤用折射率与纤芯接近的粘接剂粘接固定的方法。一般分为槽接法和套管法。槽接法是把两根光纤放入精密的V型槽中并加以调整，然后该上盖板对光纤加压是光纤轴心对准后再用粘接剂固定。套管法是从玻璃套管的两端分别插入待接的光纤，通过套管内径使轴心对准后，从套管中部的横向孔注入粘接剂将光纤粘接固定。待连接的光纤在此处使用环氧化物将光纤端面粘贴在一起或将光纤夹紧以定位V型槽基底3、光纤活动连接连接器和接头

连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。连接器的分类：单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。4.光纤连接器的特性：插入损耗： 连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。存在各种可能的原因引起光的损耗。这个损耗一般在0.5dB以下。 为了减小插入损耗，一般使用三种方法。第一种方法是使用保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。第二种方法是将加固件与连接器连接在一起，这样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就是用插针体来保护裸光纤。回波损耗： 对连接器来说，回波损耗的问题起源于一个简单的矛盾现象：为了最小化插入损耗，需要尽可能地将光纤端面抛光，而抛光的端面对光的反射增强，这样回波损耗就产生了。 回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为此安装人员提出了有效的解决方法：将两个连接器通过物理接触(PC)来减小它们之间的空气缝隙。现在多数连接器都是利用这种方法安装的。由于制造完美的平面来实现理想的物理接触是不可能的，因此制造商将插针体的端面做成不同的形状，如圆弧形等。

一般应大于45dB重复性（耐用性）： 连接器是作为临时连接使用的，应在多次插拔之后仍保持它们的特性。所以可重复性是连接器的一个重要特性。资料表明，连接器在多次插拔之后其插入损耗将增加，通常多次次插拔之后其损耗的变化范围应小于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：一般应在千次以上工作温度：在工作温度范围内（一般在-25～＋70℃），损耗变化应在0.2dB范围内连接类型一般插入损耗:typ.0.5dB回波损耗:<14dB普通多模光纤连接有缝隙插入损耗<0.25dB普通的单模光纤连接物理平角连接(PC)回波损耗>40dB有线电视，高性能系统有角度物理连接

(APC)插入损耗：0.4to0.9dB回波损耗>60dB8º5.几种常用的光纤连接器连接头类型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType光纤耦合器（OpticfiberCoupler）是一种定向耦合器，它是一种四端口器件（两个输入口，两个输入口）是光波技术中必不可少的一部分。它的功能是将一光场分为相干的两部分，光输入端口的一个端口入射，直接耦合进两个输出端口，因为输出耦合到两个不同的方向，所以这样的器件也称为定向耦合器。4.5.2光纤耦合器N×N1×N2×2P1/NP1/NP1/NT形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分耦合区W锥形区L锥形区L拉伸区2L+WL：由拉伸时决定W：由加热的火焰宽度决定2×2光纤耦合器P1和P2跟什么因素有关?P2P1光耦合示意假设耦合器无损耗k

是耦合系数P1和P2与拉伸区宽度有关z耦合器内的光功率分布：随位移的变化P1和P2与入射波长有关例如成品上会标注：1550nm50:50耦合器内的光功率分布：随波长的变化多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器PP/NN×N星型耦合器级联的办法构造大规模光耦合器

光纤耦合器主要参数

（1）插入损耗 它表示耦合器总的功率衰减量。定义为：

其中，Poi对应于输入端第m根光纤中输入光功率Pim时，输出端第i根光纤的输出光功率。（2）均匀性 表示耦合器输出各端口的功率与功率平均值的最大偏差。偏差越小，表示光功率分配越均匀。

（3）分光比（耦合比） 它定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，常用相对输出总功率的百分比来表示。如50:50,30:70等。 对于2×2耦合器，有：例：2×2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200mW，另外两个端口的输出功率分别为P1=90mW，P2=85mW，可以求得为：1.薄膜干涉滤波器多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长4.5.3光滤波器Thin-FilmresonantMulticavityFilter(TFMF)薄膜多共振腔滤波器TFMF的传输特性：腔越多滤波器顶越平边缘越陡光纤F-P滤波器2可调谐滤波器FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄带滤波器可调光纤F-P滤波器(FFP)马赫－曾德干涉滤波器MZI长度相差L的两根波导，用来在两臂间产生与波长有关的相移对输入信号进行分路的3dB耦合器在输出端将信号复合的3dB耦合器通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk为偶数Output2k为奇数Output1 太强的光可能使接收机过载，这时需要一种能过减弱光信号的器件——光衰减器。 光衰减器是用来稳定地、准确地减小光信号的无源器件。光衰减器通常吸收多余的光能量，这些能量对于衰减器来说很弱，不会引起显著的热量；光衰减器不能将不需要的光返回，否则会引起系统的噪声。4.5.4光衰减器 大部分光衰减器都以分贝来定义衰减的大小。其定义式类似于光纤衰减的定义。 衰减器按其衰减量的变化情况可以分为固定衰减器，步进式衰减器，连续可变衰减器等。 光衰减器的主要技术指标：插入损耗，衰减的变化范围，衰减的稳定性等。实用光衰减器的工作原理

光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。 对光开关的要求是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。4.5.4光开关光开关分类

机械光开关

包括机械式光开关、微机械光开关

波导光开关

利用电光、磁光、热光和声光效应（1）机械光开关优：在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；缺：开关时间较长（几十毫秒到毫秒量级）；开关尺寸较大，而且不易集成。非机械式光开关特点：开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）；体积非常小，而且易于大规模集成；但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。光开关的主要性能参数：

（1）通断消光比。通断消光比是指光开关处于通（开）状态时输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率之比。通断消光比越大,光开关性能越好，这对外调制器尤为重要。机械开关的通断消光比大约为40～50dB。

（2）

插入损耗（简称插损）。插损是指由于光开关的使用而导致的光路上的能量损耗，常以dB表示。插损越小越好。当开关处于不同的输入/输出连接状态时，插入损耗有可能不一致，即插入损耗的一致性差，这对于实际的应用是不希望的。

（3）串扰。串扰是指某输出端口的功率除了有来自希望的输入端口外，还有来自不希望的输入端口的功率，二者的光功率之比称为串扰。

（4）偏振依赖损耗。偏振依赖损耗是指由于偏振引起的光功率的损耗。各种光开关的性能比较4.5.6光隔离器与光环行器半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。如何避免反射光1对光的通过有选择性2实现光的单向传输

3需要使光路不可逆光纤，透镜等对光无选择，偏振片对光的状态有选择隔离器光隔离器隔离器是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。光的偏振与偏振态偏振态：

光矢量的振动方式，叫做光波的偏振态。

最简单的偏振态就是光矢量E在一直线上作简谐振动，这种偏振态叫做线偏振。线偏振光波各处的光矢量都在该平面上，这个平面叫做偏振面。线偏振又叫做平面偏振。

任何光波都可以看作是由两个坐标轴方向的线偏振光合成的。假设两个坐标轴方向的线偏振光分别为：圆偏振光线偏光椭圆偏振光光的偏振状态由两列波的相差的大小决定的，如：光的偏振与偏振态偏振光的表示法部分偏振光的表示法3.3光隔离器与光环行器•••••••••为了检测偏振于指定方向的线偏振光，需要一种特殊的光学元件。这种元件只能透过或者反射指定偏振方向的线偏振光，叫做起偏器。其特性如下图所示：3.3光隔离器与光环行器旋光现象

线偏光通过某些透明介质后，它的电振动方向将绕着光的传播方向旋转过某一角度，称为旋光现象。对天然旋光效应而言，随着顺光线和逆光线方向观察，线偏振光的振动旋向是相反的，因此，当光波往返两次穿过固有旋光物质时，则会一次沿某一方向旋转，另一次沿相反方向旋转结果是振动面复位，即振动面没有旋转。3.3光隔离器与光环行器法拉第效应

法拉第发现当一束偏振光穿过置于磁场的介质中，光的偏振将会发生旋转，且旋转的角度正比于与光束传播方向平行的磁场分量，这种现象称为法拉第效应。B是磁感应强度分量L为光在介质中的传播长度V称为韦尔德（Verdet）常数磁致旋光方向和磁场的方向有关：当光传播方向与磁场方向平行时，正的V值相应于左旋；而当光传播方向与磁场方向相反时，表现为右旋如果外磁场由螺管电流产生，则旋光方向总是和螺线绕向一致。磁致旋光现象的这一性质表明它是一种不可逆过程3.3光隔离器与光环行器4545起偏器光隔离器通光方向检偏器旋光器电源光偏振方向光隔离器结构原理偏振相关型双折射晶体

若有一束自然光通过双折射晶体，会有以下现象：有一部分遵循折射定律，这束光叫做寻常光，简称o光；另还有一部分光不遵循折射定律，叫做非常光，简称e光。o光和e光都是线偏振光，且o光的电矢量总是垂直于光轴的，且o光的光速与其偏振方向和传播方向无关。e光的偏振方向与光轴的夹角因传播方向不同而异。入射光rBeod3.3光隔离器与光环行器准直器P1P2FR输出光输入光输出光输入光准直器偏振无关型光隔离器3.3光隔离器与光环行器光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)偏振无关型光隔离器3.3光隔离器与光环行器插入损耗：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；回波损耗：输入光由各元件、光纤以及空气折射率失配引起的、反射回输入端时的损耗；隔离度：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附加损耗；偏振相关损耗：输入光偏振态变化时插入损耗的最大变化量；偏振模色散：通过器件时在正交偏振态之间产生的时延差。隔离器的技术指标3.3光隔离器与光环行器端口1端口2端口3端口4光环形器示意图光环形器

光环行器是一个是一个多端口非互易光学器件。光由端口1输入时，几乎全部由端口2输出，其他端口都没有光输出；以此类推。此类器件叫做光环行器。3.3光隔离器与光环行器123

光环形用于单纤双向通信示意图光纤213发送发送接收接收光纤环行器的简单应用3.3光隔离器与光环行器核心器件：法拉第旋转器。原理：利用法拉第旋转器的非互易特性，使沿相反方向通过它的偏振光偏振态改变，沿不同的路径传播。结构组成：PBS、磁致旋光晶体天然旋光晶体直角棱镜PBS块状光学环行器的原理PBS：偏振分光镜3.3光隔离器与光环行器123光从1输入时，磁致旋光晶体和天然旋光晶体旋转方向相同，都为45o，偏振面被旋转90o；从2输出。光从2输入时，磁致旋光晶体和天然旋光晶体旋转方向相反，偏振面不旋转，从3输出。FRAR早期结构3.3光隔离器与光环行器隔离度偏低，一般在20-30dB之间；原因：采用单级磁致旋光晶体，同时对偏振分光镜的依赖过高；改进：（1）采用消光比高的偏振分光镜 （2）用双级结构代替单级结构缺陷3.3光隔离器与光环行器½波片

对于指定波长，若经过晶体后o光和e光的相位差满足：这种晶体叫做这个波长的半波片。 线偏振光经过半波片以后，仍然是线偏振光，并且会旋转一定的角度。快轴3.3光隔离器与光环行器D0l/2波片快轴偏振分束器（PBD）和1/2波片3.3光隔离器与光环行器(a)

沿Z轴

(b)沿-Z轴偏振光沿Z方向通过旋转器时偏振态的变化l/2波片后光传输方向45o旋转器前45o旋转器后45o旋转器前45o旋转器后光传输方向l/2波片后90o非互易旋转器的传光特征3.3光隔离器与光环行器光纤准直器分束/合束镜1分束/合束镜2ZX端口1端口3端口2端口4光束变换器123456光纤准直器ZY端口1端口3端口2端口4光束变换器分束/合束镜1分束/合束镜2偏振旋转镜1偏振旋转镜2环形器结构