光纤通信 第4章 常用光无源器件.ppt

1、光无源器件,第4章 常用光无源器件,光有源器件：,光源 光放大器 光检测器,光无源器件：,光连接器,光耦合器,光开关,光隔离器,光衰减器,光调制器,光器件的分类,作用 参数 原理 类型,光环行器,光波分复用器,4.1 光纤连接器,一、功能：,用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间, 光纤 与其它部件之间，设备和设备之间的连接。 又叫活接头。,光源,光中继,光检测器,尾纤,光耦合器,光测试仪器,光跳线,二、光纤连接器的典型类型及工作原理,1、平面对接型光纤连接器 （FC型face connect）,FC 型光纤连接器,光连接器,使用方法： 将带有接收光纤和发射光纤的插针体分别插入 套筒中，将螺旋

2、拧紧，就实现了光纤的耦合。,材料：合金,螺旋式连接,菲涅耳反射：光在不同折射率的介质平面的交界面上会发生入射光的部分反射 。,问题所在：FC 型光纤连接器的接头时平面型，产生菲涅尔反射， 形成损耗和引入噪声 。,2、直接接触型光纤连接器（PC型physical connect）,插针体（包括光纤）的端面研磨成凸面球，使得被连接的光纤的端面可以直接接触，实现 物理结构的直接连接。,特点：,优点： 减少了光的菲涅尔反射，避免了回波噪声。,材料：陶瓷,端面的制备：,光连接器,3、矩形光连接器（SC）,预留空间以便耦合部分旋转，不能满足高密度安装要求。,卡口式，能自锁和开启,SC 型光纤连接器,4、S

3、T型连接器,插销锁定式连接方式,5、FO 型光纤连接器,结构图：,作用：将带状光纤的光纤一根根分开，与单芯光纤连接。,6、MT型光纤连接器,结构图：,作用：多模带状光缆的光纤的一次连接。,三、 光纤连接器的参数,1、插 入衰减,意义：表征光连接器插入后引起的光路中的光信号 衰减的程度。,定义： ac=10 Lg(Pin / Pout) (dB),影响光纤连接器衰减的因素： 参数不匹配：折射率、纤径 耦合缺陷：,间隙,横向偏移,倾斜角,端面不平,2、重复性,意义：在使用寿命期间允许实际插入损耗值偏离标称值的最大变化量。,ac =ac-acimax,3、互换性,描述同一种光纤连接器在相互代换时允许

4、插入损耗的最大差值。,意义：,定义：,意义：表征连接时光纤端面对光的反射程度。,回波损耗（反射损耗）：10Lg(P入/P反),4、回波损耗,5、工作寿命,意义：可插拔的最大次数,四、 光纤通信对光连接器的要求,连接损耗低,0.5dB连接损耗5km光纤损耗,0.4dB,重复性好,寿命长,一般1000次,强度高,环境稳定性好,反射低,体积小，成本低，操作方便,五、陶瓷PC型光纤连接器的主要技术指标,4.2 光纤耦合器,一 、光纤耦合器,对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件。 实现光功率的分配，对光的波长没有影响。,功能：,插入,合路,分配,二、 参数,（1）插入损耗,合路器：,n,分路

5、器：,意义： 表征插入光方向耦合器后对链路的光信号的衰减。,定义：,一般要求ai0.5dB,（2）隔离度,又称光方向性串扰度，用于衡量合路时各个端口的干扰度。,定义：Ai j=10Lg(Pi/Pj) (dB),i,j,意义：,一般要求A20dB,光连接器,（3）、分路比,分路时各个输出端口的光功率之比。,i,j,定义：Tij=Pi/Pj,光方向耦合器,意义：,一般要求T在0.1：110：1,三、光纤耦合器的分类,1、T型耦合器,功能：将一个光纤的输入光功率按照一定的比例分配给两根光纤，或者将两根光纤的输入 光信号合在一起送入一根 光纤。,用途： 光功率分配器或光功率组合器,2、星型耦合器,功能

6、：将n根光纤的输入光功率合 在一起，均匀的分给m 根光纤。,用途：多端口功率分配器,3、 定向耦合器,功能： 取出光纤中向不同方向传送的光信号,1,2,3,4,1,2,3,4,用途：只能用于功率分路器。,四、基本结构,1、 光纤型,将几根光纤去涂覆后排列在一起，用熔断拉锥技术制作成光耦合器。,工作原理：,光功率的比例分配与锥形的长度和包层的厚度有关,2、 微光器件型,主要采用自聚焦渐变透镜,半透镜,A,B,GRIN圆柱透镜,GRIN圆柱透镜,3、波导型,在一个平面板的衬底上制作 需要形状的光波导，衬底既可以做支撑体也可以做波导的包层。,玻璃 衬底,嵌 入波导,4、对接型偶合器,五、 耦合级联,

7、12型,22型,级联,1N型,NN型,从22的光方向耦合器来推导NN型星型耦合器的参数特性：,结论：（N 2N）/ 2个22的星型耦合器可以按照这样的思路组成2 N级阵列，形成NN型星型耦合器，其分路损耗为32 NdB.,4.3波分复用器Wavelength-division multiplexers (WDM),-波分复用器-的形式: 3 端口器件 (第4端口不用) 1310 / 1550 nm (“经典” WDM技术) 1480 / 1550 nm 和 980 / 1550 nm 用于光放大器(后面章节详述) 1550 / 1625 nm 用于网络监控 插入损耗和隔离度: 对传输通道的波长

8、，具有低插入损耗 ( 1 dB) 传输通道波长对另一波长有高损耗 (20 to 50 dB) : I10=-10log10P1(1)/P0 (1), I20=-10log10P2(1)/P0 (1),A、分类 熔锥型(粗WDM) 多层干涉滤光膜型(细WDM DWDM) 棱镜分光型(粗WDM) 光栅型-体光栅、光纤光栅(粗WDM，细WDM ) 阵列波导光栅(细WDM DWDM) B、原理,熔锥型波分复用器,P1=Pincos2K()z P2=Pinsin2K()z,其中z是耦合区的长度，K()为耦合系数，当K()z= /2， P1=0， P2=Pin,棱镜分光型波分复用器,Multiplexer

9、s (MUX) / Demultiplexers (DEMUX),DWDM的关键器件 技术分类： 串联介质滤光器 Cascaded FBGs Phased arrays (see later) 低串扰，有利于解复用,干涉滤光片型波分复用器,光栅型波分复用器-体光栅,主最大强度的方向由下式给出：d sin=m / = m/ d cos 其中d为光栅周期， 为衍射角， m = 0，1， 2，等等， 为角分离， 为波长间隔。,光纤光栅型波分复用器,其反射波长成为布拉格波长（ B ）由下面的布拉格条件确定：,2neff=B,其中为光栅周期，,neff为有效纤芯折射率。,Array Waveguide

10、Grating (AWG),NTT：256波，间隔0.2nm，3dB带宽0.12nm，插入损耗4.4-6.4dB，串扰-33dB，偏振相关波长差0.03nm，需要温控。,光开关,4.4 光开关,一 、功能,光开关是一种光路控制器，起转换光路的作用。,如：保护倒换,光开关,全光交换：,12空间光交换,12时隙光交换,光纤延时线,T,.,T3,T2,T1,T4,T1,T2,T3,T4,复合光交换,2t,4t,6t,光开关或耦合器,T2,T3,T4,T1,光开关,光开关,二、光开关的类型,（1）机械式光开关,移动光纤式,移动棱镜式,原理,光开关,光纤1,玻璃套筒,方空玻璃套筒,套管,光 纤2,光纤3

11、,光纤1,光纤2,光纤3,移动光纤式：,光开关,移动棱镜式：,棱 镜,自聚焦透镜,光开关,新型的微光机电系统光开关,微光机电系统（MOEMS）光开关微机电系统（MEMS）技术与传统的光技术的结合,光开关,光开关,（2）电光式光开关,（3）热光开关,（4）SOA光开关,半导体光放大器,控制电压,光开关,二、 参数,（1）插入损耗,ai=10Lg(Pin/Pout),(dB),(2) 通断消光比,开关处于接通状态的输出光功率和处于断开状态的输出光功率之比。,a=10Lg(P通/P断),光开关,(3)寿命,允许转换光路的次数,（4）转换速度,光通道的设置开关：110ms,保护倒换：110us,分组交

12、换：1ns,外调制：10ps,光隔离器,4.6 光隔离器,一、 定义,光隔离器是一种防止光沿传输光程返回的无源器件。,光隔离器,光隔离器,光隔离器,二、工作原理,基于法拉第效应,光隔离器,B,B,光的不可逆 性,光隔离器,光隔离器的工作原理：,偏振器,法拉第旋转器,B,偏振器,NO PASS,45,光隔离器,三、参数,（1）正向插入衰减 沿光传播方向的衰减。,a fi=10Lg (Pin/Pout)（dB）,(2)隔离度,反向衰减，反向光被阻止的程度。,A=10Lg(Pin/Pout) (dB),以反向方向为参考方向,光环行器,光环形器,基本功能：,1,2,3,用途：用于光放大器和光时域反射仪

13、。,要点总结,1、光器件与电器件的比较,电源,电探头,电阻,电混频器,电插头,二极管,激光器,光检测器,光衰减器,波分复用器,光纤连接器,隔离器,分支器（三通）,光方向耦合器,MODEL,光调制器,要点总结,2、 FC 型光纤连接器的结构、缺点,光纤,插针体,套筒,平面对接型光纤连接器产生菲涅尔反射,要点总结,3、PC 型光纤连接器、SC 型 光纤连接器、FO型光纤连接器各自的特点。,PC 型光纤连接器：,物理接触型，实现物理上的直接接触，克服了菲涅尔反射。,SC 型 光纤连接器：,矩形，方便安装，降低精度要求,FO型光纤连接器：用于将带状光纤的每 一根光纤单独分离出来,要点总结,3、 光耦合器与光波分复用器的区别：,光耦合器,光功率的合与分,光波分复用器,光波长的分与合,要点总结,4、 22型光纤耦合器的级联,要点总结,6、光开关在光纤通信中的用途,倒换备用,光交换,空分光交换,时分光交换,复合光交换,要点总结,7、 光隔离器的作用及工作 原理,光隔离器是一种防止光沿传输光程 返回的无源器件。,基于法拉第效应,在偏振光的传播方向外加电磁场时 ，其偏振方向会旋转一定的角度。 =VBL 无论