第4讲无源光器件.ppt

无源光器件2023-11-152主要内容主要内容 一、光纤的连接与光纤连接器一、光纤的连接与光纤连接器 二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器三、光合波器、光分波器三、光合波器、光分波器四、光隔离器四、光隔离器 五、光开关五、光开关六、光可变衰减器六、光可变衰减器七、七、光纤光栅光纤光栅八、光锁相环与非线性光环镜八、光锁相环与非线性光环镜NLOM2023-11-153l概述概述 构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件，光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件，如如连接器连接器、衰减器衰减器、隔离器隔离器、滤波器滤波器、分路器分路器、复用器复用器、光开关光开关和和调制器调制器等。等。它们在系统中各起着光学连接、光功率分它们在系统中各起着光学连接、光功率分配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用的无源光器件的原理及性能。的无源光器件的原理及性能。2023-11-154一、光纤的连接与光纤连接器一、光纤的连接与光纤连接器光纤连接器光纤连接器 fiber optic connectorfiber optic connector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用于设备与光纤之间的连接。于设备与光纤之间的连接。光纤连接器的作用是将需要连接起来的单光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的断面根或多根光纤芯线的断面对准对准、贴紧贴紧，并能多，并能多次使用。次使用。光纤连接器在工艺上应满足的条件：光纤连接器在工艺上应满足的条件：1 1）连接损耗要小于）连接损耗要小于 0.5dB0.5dB；2 2）装、拆方便，重复性好；）装、拆方便，重复性好；3 3）体积小，成本低等。）体积小，成本低等。光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。2023-11-155 光纤与光纤的连接有两种形式，一种是光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性永久性连接连接，另一种是，另一种是活动连接活动连接。永久性连接具有永久性连接具有粘接法粘接法和和熔接法熔接法之分，目前之分，目前多采用多采用熔接法熔接法。l光纤连接器的基本构成光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图所示。管的作用。如图所示。2023-11-156 光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下以下，因此熔接必须使用机器才行。，因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在良好的接续是指在接续点上没有光传输的不连续现象接续点上没有光传输的不连续现象。下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会等等。由于这些不连续性，也会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射率的差异，也会引起反射，此现象又称率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（菲涅耳（Fresnel）反射）反射。2023-11-157接续点上的不连续现象接续点上的不连续现象2023-11-158l 由于折射率不同引起的反射可用由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式菲涅耳公式计算。计算。设玻璃的折射率为设玻璃的折射率为n1时，时，光功率的反射系数光功率的反射系数可用下式求可用下式求出：出：r=(n1-n2)/(n1+n2)2 例如例如:当当 n1 1.45，n2 1，r 3.4%时，即有时，即有14.7dB的反射损耗。的反射损耗。在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要的是要求在实质上代表分布宽度的的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径（模场直径（MFD：Mode Field Diameter）一致。）一致。目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头附加损耗可控制在附加损耗可控制在0.1dB以下。以下。2023-11-159 使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射角余角调整到大于临界角余角，角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏使反射光进入包层并最终泄漏出去出去。为此把连接器的。为此把连接器的管芯端面按管芯端面按8进行倾斜研磨，就可以进行倾斜研磨，就可以实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC(Physical Contact)型连接器型连接器。实际使用的实际使用的PC型连接器如图所型连接器如图所示，把套管端面研磨成球面。示，把套管端面研磨成球面。PC接续的反射很小，它的反射接续的反射很小，它的反射损耗可达损耗可达25dB以上。如果经以上。如果经过精密加工研磨，就可将反射过精密加工研磨，就可将反射损耗指标提高到损耗指标提高到40dB以上。以上。2023-11-1510 光纤连接器又分为光纤连接器又分为多模连接器多模连接器和和单模连接器单模连接器。多模连接器用于多模光纤系统，它有多模连接器用于多模光纤系统，它有U型型环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器（FA）以及）以及C型连接器等，它们的损耗在型连接器等，它们的损耗在0.4-0.5dB以下。以下。单模光纤连接器有单模光纤连接器有PC型（直接接触型）、型（直接接触型）、FC型（平面对接型）、型（平面对接型）、SC型（矩形）、型（矩形）、ST型型等几种。等几种。2023-11-1511l FC型型(平面对接型平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成，其连接器是由连接插头、插座组成，其结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很高的精度。高的精度。2023-11-1512l SF型连接器（矩形）是室外用连接器，具有防型连接器（矩形）是室外用连接器，具有防水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管，水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管，其价格便宜，可以和其价格便宜，可以和FC型连接器进行互换。型连接器进行互换。lMF型连接器用于隧型连接器用于隧（通）道里敷设光缆（通）道里敷设光缆的缆间接续中，可以的缆间接续中，可以对带状对带状5芯光纤进行一芯光纤进行一次性连接，由于体积次性连接，由于体积小，可以装在标准接小，可以装在标准接头盒内，实现光纤的头盒内，实现光纤的高密度接续，其结构高密度接续，其结构如图所示。如图所示。2023-11-1513二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器l 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个或把多个输入的光信号组合成一个输出。输出。l 这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。损耗，还有一定的反射和串扰噪声。l 耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器器专称为波分复用器/解复用器。解复用器。2023-11-1514二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器l 图表示了图表示了波导型分支器波导型分支器的结构。它是一种的结构。它是一种Y型型分支，一根芯线一端输入的光可用它加以分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分等分。当分支器分支路的开角增大时当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光向包层中泄露的光将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在12左右，因此左右，因此分支器分支器的长度不可能太短。的长度不可能太短。2023-11-1515l光纤耦合器光纤耦合器 fiber optic coupler 将不同方向的光信号将不同方向的光信号耦合耦合送入一根光纤中传输，或送入一根光纤中传输，或者相反。结构：者相反。结构：棱镜耦合式棱镜耦合式光纤耦合式光纤耦合式Port 1Port 1Port 4Port 4Port 3Port 3Port 2Port 22023-11-1516l 2x2定向耦合器及定向耦合器及1N、NN星形星形 耦合器大多数采用耦合器大多数采用熔熔融渐变双锥融渐变双锥的制造方法，即将多根的制造方法，即将多根裸裸光纤绞合在一光纤绞合在一 起，火起，火焰加热到软化温度后适当拉焰加热到软化温度后适当拉 伸，在熔融区形成渐变双锥结伸，在熔融区形成渐变双锥结构。构。图图b是是 X型型22定向耦合器。定向耦合器。2023-11-1517图图c c为为8 8路传输型星型耦合器路传输型星型耦合器图图d d为为8 8路反射型星型耦合器路反射型星型耦合器2023-11-1518l 光纤耦合器的光纤耦合器的指标指标有插入损耗、分光比与隔离度有插入损耗、分光比与隔离度（或方向性）等。例如（或方向性）等。例如22定向耦合器定向耦合器插入损耗插入损耗为：为：L1,2=10lg(P1,2/(P 3+P 4)(dB)式中，式中，P1,2 为从输入端为从输入端1或或2输入的光功率，输入的光功率，P 3,P 4 为输出端为输出端3、4的输出功率。定向耦合器的的输出功率。定向耦合器的分光比为输分光比为输出端的功率分配比出端的功率分配比，即，即 =P 3/P 4 隔离度反映定向耦合器隔离度反映定向耦合器反向散射信号的大小反向散射信号的大小。当从。当从1端注入光功率，端注入光功率，3、4端输出功率时，端输出功率时，2端对端对1端的端的隔离隔离度度定义为：定义为：I=10lg(P 3+P 4)/P2)(dB)光纤定向耦合器的插入损耗为光纤定向耦合器的插入损耗为0.21dB,分光比分光比199（根据需要（根据需要)，隔离度可大于，隔离度可大于65dB。2023-11-1519l 星形耦合器的星形耦合器的插入损耗插入损耗为从输入端口把光功率为从输入端口把光功率耦合到所有输出口的光功率损耗，即耦合到所有输出口的光功率损耗，即 Lin=10lgPj/Pi j=1.N 式中式中Pj为从各端口输出的功率，为从各端口输出的功率，Pi为从某个输为从某个输入端上输入的功率。对传输型耦合器，入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端为输出端数；对于反射型耦合器，数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数为输入端数与输出端数之和。之和。进入星形耦合器的光功率分配是进入星形耦合器的光功率分配是等分等分到到N个输个输出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出端口输出的功率和的端口输出的功率和的1N，它称为，它称为功率