光纤通信-ch4 常用的光无源器件

第四章常用的光无源器件4.1

光纤的连接光纤的融接（fusionsplicing）（补充）光纤融接机：

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。4.1.1光纤连接器图4.3精密套管结构连接器简图

Connectionprinciple：FCConnector：STConnector:光纤跳线＋适配器FCConnector，具有螺旋口。SCConnector，直接插进、拔出。光纤适配器（转换器）:该图为FC/PC型光纤跳纤（非正规叫法是双头尾纤），英文名为PATCHCORD即两头带光纤连接器的软光纤。光跳线颜色为黄色，表示单模跳纤。

该图为MTRJ-SC型光纤跳纤，光跳线颜色为橙色，表示多模跳纤。

4.1.2光纤连接器特性1.插入损耗

Ac：插入损耗

P1：输入端光功率P2：输出端光功率2.回波损耗

Ar：回波损耗

P0：输入端光功率PR：后向反射光功率4.2光纤耦合器

当传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，V值逐渐减小，越来越多的光功率深入光纤包层中。在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合，一根光纤构成对另一根光纤的扰动。4.2.1光纤耦合器的结构与原理(1)单模光纤耦合方程：假设：自耦合系数和可以忽略；互耦合系数C取决于光纤参数（两个光纤芯之间的距离）和光波长。

耦合方程简化为：（自学）耦合方程的解（一般解）：其中：K0和K1：零阶和一阶修正的第二类贝赛尔函数d：两光纤中心的间距（自学）假定光功率由一根光纤注入，初始条件为F2：光纤之间的最大耦合功率；两根光纤相同（identical），C取决于光纤参数（两个光纤芯之间的距离d）和光波长。熔锥光纤型耦合器/波分复用器结构和特性P1(z)最大，P2(z)为零。(2)且(1)P1(λ1)最大，P2(λ1)为零；但P1(λ2)为零，P2(λ2)最大。(对于同一个长度z)假设：特定波长λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度使得：(1)当光纤a输出Pa(λ1)最大时，光纤b输出Pb(λ1)=0(2)当Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大→解复用器例子：λ1和λ2分别为1.31μm和1.55μm的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5dB，波长隔离度大于20dB。1，221直通臂耦合臂1

21212121

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21

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2公共臂Figure:WavelengthdivisionmultiplexingcouplerresponsemadeofthreeidenticalcouplersinseriesFigure:SpectralresponseofaMach-Zehnderinterferometerfordensewavelengthdivisionmultiplexingapplication.Thephasedifferencecomesfromtheadiabatictaperingofoneofthearms.(2)多模光纤

熔锥区特点：

(1)纤芯变细，V值减小，纤芯中束缚的模式数减少，较高阶的模进入包层，形成包层模；

(2)两光纤的包层合并。导致：耦合臂纤芯“捕获”包层中较高阶模，获得耦合

注意：直通臂纤芯中传输的低阶模，只能从直通臂输出

模式敏感：多模耦合器两输出端的传导模一般不同。

现在：可使模式混合，各阶模式均参与耦合过程，使输出端的模式一致，消除模式敏感。4.2.2光纤耦合器的特性

1.插入损耗（insertionloss）

2.附加损耗（excessloss）（dB）

3.分光比（CouplingRatio）（dB）

4.隔离度（Isolation）（dB）Pt：某一光路输出端测到其它光路信号的功率值；Pin：被检测光信号的输入功率值。波长耦合器的隔离度一般要达到40dB以上。

光纤型耦合器

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12个2×2耦合器组成的8×8星形耦合器(switchingfabric)-40~+70-40~+70工作温度/ºC1~1.250.8~2.0稳定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入损耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波长/n×n星型2×2型耦合器表3.6耦合器的一般特性产品：1×2耦合器产品：1×N耦合器4.4光开关定义：进行光路切换，实现光通道的通断和转换。应用：(1)主用光纤和备用光纤之间的切换；

(2)光交换机中的光路切换等。工艺：目前光开关的制作工艺比较多，这里介绍其中两种。

MOEMSswitch:(micro-optical-electricalmechanicalSystems)MEOMS:micro-electro-opto-mechanicalSystemMEMS+optics1.机械式光开关4.4.1光开关的种类Figure.MicromirrorSystemMEMSFigure.2DMEMSarrayFigure.3DMEMSFigure4:MirroractuatorMOEMSProductsSIEMENSLUCENTFromOADMtoOXCP:88D:128128R:10001000Figure:All-fiberMach-Zehnderinterferometer.

2.热光效应光开关Mach-Zehnder干涉仪：

在第二个耦合器处产生相长或相消干涉，使输出有或无。Figure.Thermoopticswitch热光效应：通过对光波导进行加热，达到改变光波导的折射率的现象。即：通过加热改变玻璃材料的折射率。热光效应光开关：基于M-Z干涉仪。利用加热一条光波导，改变这条光波导的折射率，调制输出耦合光的相位差，实现光开关。原理：

M－Z干涉仪由两端两个耦合器和中间两个单波导组成。当一束振幅为A的光输入到输入耦合器后，被分成振幅和相位完全相同的两束光。如果两平行臂完全对称，两分路光束在输出耦合器内重新合并成振幅为A的光输出。如果对一个臂进行调制(如利用热光效应)，这个臂的折射率发生改变，从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变，即产生了一相对相位差Δφ。这两束光在输出耦合器内发生干涉，光强将随Δφ的不同而变化，也即输出光强受到了调制。

Δφ＝ΔβL其中Δβ＝kΔn＝(2π／λ)Δn是传播常数Δn：由于热光效应引起波导层中折射率的变化。

当Δφ＝2nπ（n＝0，1，2…）时，Iout＝Iin

相当于没有受到调制，输出仍然为基模；(2)当Δφ＝(2n＋1)π（n＝0，1，2…）时，Iout＝0

调制后进入输出耦合器的两束光反相----抵消，无输出。应用：依据调制电压Va不同而不同。强度调制器：当Va连续变化，输出光强随之连续变化。光开关：Va为阶跃信号，Iout＝Iin或0，输出或有或无。

Figure:2X2DigitalOpticalSwitch(DOS)

Figure：Thermo-opticalswitchmatrixarchitecture3.安捷伦（Agilent）喷墨液晶气泡光开关（自学）

Agilent于1999年将它成熟的喷墨打印技术与Si平面光路（PlanarLightwaveCircuit－PLC）结合，推出喷墨液晶开关器件。原理：在Si衬底材料上制作出偏振光束分支波导（PBS），并在每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。不加热时，光束直通；当Si材料中相关点被加热器加热时，其上的液晶产生一种气泡，经过它的全反射，使来自输入波导的光改变方向，反射到要求输出的波导上------路由器。开关速度：数十微秒量级。快于MOEMS光开关。4.4.2光开关的特性参数1.开关时间:

指开关从某一状态转为另一状态所需的时间。即由“开”到“关”，或反过来所需的时间。

MOEMS开关：ms量级（非常大型的光开关）

热光效应开关：μs～ms量级

液晶光开关：μs量级2.隔离度：

指对输出光功率的隔离程度。

指从i端口输入时，n端口测得的输出光功率。

书上文字有误用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统本节点信息输入光纤1234DEMMUX输出光纤123411223344RXTX123412341

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3412341234动态交叉连接光开关西门子利用OMM光开关制作的光交换机IOION公司的光开关板

AT&TselectsSiemensforall-opticaltransition

20November2003

UScarrierAT&Thassignedanagreementtobegintestingnext-generatio