第4章常用光无源器件课件.ppt

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1、第四章-常用光无源器件,1,电子与信息工程学院通信技术研究所,目 录,4.1光纤连接器(1)光纤连接器的结构与种类(2)光纤连接器特性4.2光纤耦合器(1)光纤耦合器的结构与原理(2)光纤耦合器的特性4.3波分复用/解复用器(1)波分复用/解复用器原理与分类(2)波分复用/解复用器的特性4.4光开关(1)光开关的种类(2)光开关的特性参数4.5光隔离器及光环行器(1)光隔离器(2)光环形器4.6小结,2,概 述,光纤通信中所用的光器件可分成光有源器件和光无源器件两大类。二者的区别在于器件在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电能量转换。若出现光电能量转换，则称其为有源光器件；若未出现光电能量

2、转换，即便也需要一些电信号的介入，均称为光无源器件。光无源器件有多种分类方法，目前最常用的是按功能分类。按照器件在光纤传输路上所发挥的功能可分为光隔离器、光纤连接器、光合/分路器光耦合器、光开关、光衰减器以及光极化控制器、光环形器滤波器等。本章主要介绍目前常用的光无源器件的结构、工作原理及特性参数。,3,4.1光纤连接器,4,4.1光纤连接器,4.1.1光纤连接器的结构与种类分类：固定连接器、活动连接器、多模光纤连接器、单模光纤连接器等。1.固定连接器又称为固定接头或接线子，是使一对或几对光纤之间形成永久性的连接，不一定要求重复使用，但要求损耗低，后向反射光小，操作简便，性能稳定。制作固定接头

3、的方法又熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等，这些方法各有优缺点，都能制作出满足工程需要的固定接头。我国光纤干线中，熔接法用得最多。,5,4.1光纤连接器,2.活动连接器定义：光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广光无源器件之一。(1)套管结构这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，因而得到广泛应用。FC、SC、D4等型号的连接器均采用这种结构。,4.1光纤连接器,(2)双锥结构利用锥面定位，此结构由AT&T创立和采用。(3)V形槽结构将两个插针放入V

4、形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准，精度较高，但结构复杂，零件数量多。,7,4.1光纤连接器,(4)球面定心结构两根插针插入基座，球面与锥面接合将纤芯对准，并保证纤芯之间的间距控制在要求的范围内，设计巧妙，但零件形状复杂，实现难度大。(5)透镜耦合结构又称远场耦合，结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，降低了加工的精度要求，容易实现。但结构复杂、体积大、元件多、损耗大,8,4.1光纤连接器,3.光纤活动连接器的种类光纤活动连接器的品种、型号很多。据不完全统计，国际上常用的不下30余种。其中有代表性的有：FC、ST、SC、D4、双锥、VFo、F-SMA等，这些连接器都是

5、不同国家、不同公司研制的产品，在一定的时期内，还会在一些国家和地区使用。在我国用得最多的是FC系列的连接器，SC型也将逐步推广使用，ST型连接器也有一定数量的应用。(1)FC(Face Connect)系列连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国家标准。(2)SC型连接器它的插针、套筒与FC完全一样。外壳采用工程塑料制作、采用矩形结构便于密集安装。不用螺纹连接、可以直接插拔，使用方便，操作空间小可以密集安装，可以做成多芯连接器，因此应用前景更为广阔。,9,4.1光纤连接器,(3)ST型连接器ST型连接器采用带键的卡口式

6、锁紧机构，确保连接时准确对中。(4)不同型号插头互相连接的转换器在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。主要有以下几种：ST/FC；FC/SC；FC/ST；SC/ST；ST/SC。(5)活动连接器跳线的规格选择跳线时，需要明确以下这些参数：插头型号；光纤型号；光纤芯径；光纤芯数；光缆外径；插头数；插头损耗；回波损耗；插针材料；插针端面形状；套筒材料。(6)新型多芯光纤连接器光缆向多芯、高密度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接，多芯带状光纤MT连接器就应运而生。,10,4.1光纤连接器,11,平面对接型光纤连接器(FC型face connect),4.1光纤连接器,12,

7、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，将螺旋拧紧，就实现了光纤的耦合。,螺旋式连接,4.1光纤连接器,13,问题所在：FC 型光纤连接器的接头是平面型，产生菲涅尔反射，形成损耗和引入噪声。,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。,4.1光纤连接器,14,矩形光连接器（SC）,结构图：,卡口式，能自锁和开启,4.1光纤连接器,15,4.1光纤连接器,16,ST型连接器,插销锁定式连接方式,4.1光纤连接器,17,MF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。,4.1光纤连接器,4.1.2光纤连接器特性参数评价一个光纤连接器的主

8、要性能指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。1.插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为：式中：为连接器插入损耗；为输入端的光功率；为输出端光功率。对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器，滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，这样才能准确地衡量连接器的插入损耗。,18,注释：引起光纤与光纤之间连接损耗的诸多因素,4.1光纤连接器,2.回波损耗又称后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光对输入光的功率比率的分贝数，表达式为：式中，表示回波损耗；表示输入光功率；表示后向反射光功率。回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系

9、统的影响。3.重复性和互换性重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，用dB表示。这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。,4.2光纤耦合器,20,4.2光纤耦合器,光纤耦合器定义：简称耦合器，是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。简单地讲，光耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结构耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。分类：光纤耦合器目前已形成一个多功能、多用途的系列产品。从功率上看：分为功率分配器和光波长(合/分波)耦合器；从端口形式上划分：分为X形(2x2)耦合器、

10、Y形(1x2)耦合器、星形(NxNN2)耦合器、树形(1xN，N2)耦合器；从工作带宽的角度划分：分为单工作窗口的窄带耦合器或标准耦合器(Standard Coupler，SC)、单工作窗口的宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器；从传导模式划分：分为多模耦合器和单模耦合器。,21,4.2光纤耦合器,4.2.1 光纤耦合器的结构与原理制作方法：分立光学元件组合型、全光纤型、平面波导型。其中属于全光纤型的光纤熔融拉锥法因为具有各种优势，成为当前光耦合器的主要制作方法。熔融拉锥法：将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波

11、导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。,22,4.2光纤耦合器,4.2光纤耦合器,熔融拉锥法的工作原理：入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配,一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。单模耦合器和多模耦合器具有完全不同的耦合机理。(1)熔融拉锥型单模光纤耦合器光纤归一化频率先减小，然后增加包层为芯，空气为包层构成新波导光功率以特定比例“捕获”。(2)熔融拉锥型多模光纤耦合器较高阶模式被捕获，获得耦合光功率；低阶模不参与耦合，只能从直通臂输出；改进后的工艺保证了直通臂和耦合臂的输出模式一致。,24,4.2光纤耦合器,4.2.2 光纤耦合器的特性参数光纤耦合器除

12、了具有光无源器件的一般技术术语外，还有一些体现自身特点的技术术语。1.插入损耗(Inserting Loss，IL)定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值。该值通常以分贝表示，数学表达式为：其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；是第i个输出端口测到的光功率值；是输入端的光功率值。2.附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝表示的数学表达式为：,25,4.2光纤耦合器,式中：为第i个输出口的输出功率；为输入光功率。3.分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，定义为耦合器各输出端口

13、的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数字表达式表示为：应特别指出的是，光纤耦合器的附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，而且也有分光比的影响。因此，不同类型的光纤耦合器之间，插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣。,26,4.2光纤耦合器,4.方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝为单位的数学表达式为：式中：代表总注入光功率；代表

14、输入端非注入光端口的输出光功率。5.均匀性是衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为：式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。实际制作要求均匀分光的耦合器时，因为工艺的局限，往往不可能做到绝对的均匀分光。,27,4.2光纤耦合器,6.偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生

15、的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。7.隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高,也就意味着线路之间的“串话”小。实际工程中，可直接用于反映WDM器件对不同波长光信号的分离能力，对于分波耦合器往往需要隔离度达到40dB以上的器件；而合波耦合器的隔离度要求并不苛刻，20dB左右即可。其数学表达式为：式中：是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；是被检测光信号的输入功率值。,28,4.3波分复用/解复用器,29,4.3波分复用/解复用器,概述光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。具有广阔的应用前景。对波分复用器与解复用器共同的要求

16、是：复用信道数量要足够多、插入损耗小、串音衰减大和通带范围宽。波分复用器与波分解复用器的不同点在于：复用器的插入损耗一般比较大。解复用器要求如下：给定工作波长应具有最低的插入损耗；其他端口对该光信号应具有理想隔离；,30,4.3波分复用/解复用器,4.3.1 波分复用/解复用器的原理与分类光复用器和解复用器可分为波长选择性和非波长选择性两种，如下图所示，下面只介绍广泛应用的光波分复用系统的器件制造方法和原理。,31,4.3波分复用/解复用器,1.光栅型是近年发展起来的，常用来制作波分复用器的主要分光元件。原理：入射光射到光栅表面，不同波长的衍射角不同，就可以使不同的光送到不同的光纤中去。器件更

17、紧凑、小巧，具有良好的温度特性，可满足工程需要。,32,4.3波分复用/解复用器,2.波导阵列光栅型下图是一种波导阵列光栅型波分复用器件，它由输入、输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。原理：空间耦合器的作用是将各种波长的输入信号，通过空间耦合器进入阵列波导输入端，由于阵列波导是由若干条其光程差为 的波导构成，根据衍射理论，在波导阵列光栅输出端，按波长长短顺序排列输出，并通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，达到分波的目的,33,4.3波分复用/解复用器,3.光纤光栅是利用光纤制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化，在满足布拉格光栅条件的波长上全反射，而其余波长通过

18、的是一种全光纤陷波滤波器。光纤布拉格光栅制作方法一般分为干涉法相位掩膜板法及逐点写入法。,34,注释：可参阅吴重庆编著光通信导论87页-90页,4.3波分复用/解复用器,4.3.2 波分复用/解复用器的特性1.解复用器以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性如下：(1)中心波长(或通带)是由设计、制造者根据相应的国际标准、国家标准或实际应用要求选定的。密集型波分复用器ITU-T规定在1550nm区域，1552.52nm为标准波长。其他波长规定间隔100G(0.8nm)，50G(0.4nm)等，或取其整数倍作复用波长。(2)中心波长工作范围对于每一工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围

19、。该参数限定了我们所选用的光源(LED或LD)的谱宽宽度及中心波长位置。它以1.0nm表示或者是以平均信道之间间隔的10%表示。,35,4.3波分复用/解复用器,(3)中心波长对应的最小插入损耗式中：代表波长为 的光束在输出端的光功率；代表波长为 的光束在输入端合路信号中的光功率。该参数是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好，可以用输入端到N个输出端的各信道的波长插入损耗关系曲线来表达。以小于“X“dB表示。,36,4.3波分复用/解复用器,(4)相邻信道之间串音耦合最大值式中：代表波长为 的光束在输出端串扰到 的输出端口处的光功率；代表波长为 的光束在输出端口处的输出光功率。该参数是衡量解复

20、用器的另一项重要指标。数字通信中一般大于30dB，模拟通信中则应大于50dB。以大于”Y”dB表示。(5)偏振相关损耗偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时(如线偏振、圆偏振、椭圆偏振)，对应输出端口插入损耗最大变化量。2.复用器以光信号波长为函数的复用器的光学特性，可用于给定的输入端口(1#N#端口为输入端口，0#端口为输出端口)。每一端口的各种光学参数与解复用器中对应的参数定义相类似。,37,4.4光开关,38,4.4光开关,概述是光纤通信系统重要的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是数据通信和密集波分复用(DWDM)系统的应用，复杂的网络拓扑对可靠、灵活的网管产生了强烈的需求。D

21、WDM城域网和接入网应用对具有插/分和交换功能的光开关的需求更加迫切。光开关的主要任务是切换光路，下图是1X2光开关切换光路的示意图。,39,4.4光开关,4.4.1 光开关的种类光开关根据驱动方式可分为机械式光开关和非机械式光开关，根据工作原理可分为机械式光开关、液晶光开关、电光式光开关和热光式光开关系统对光开关的要求归纳为：小的串音、小的消光比、低的插入损耗、小的驱动电流(或电流)、无极化依赖性、与光纤有高的耦合效率、紧凑的器件尺寸、根据需求而定的开关速度和频率带宽。,40,4.4光开关,4.4.2 光开关的特性参数1.插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示：式中：为进入

22、输入端的光功率；为输出端接收的光功率。2.隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示：式中：为开关的两个隔离端口(nm)；Pin 是光从i 端口输入时n 端口的输出功率，Pim是光从n端口输入时在m 端口测得的光功率。,41,4.4光开关,3.回波损耗也称反射损耗或反射率，是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示：式中：为进入输入端的光功率；为输入端口接收到的返回光功率。4.远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。表达式为：,42,4.4光开关,5.近端串扰是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。,

23、43,4.4光开关,6.消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。式中：为n，m端口导通时的插入损耗；为两个端口非导通时的插入损耗。7.开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。,4.5光隔离器及光环行器,45,4.5光隔离器及光环行器,4.5.1 光隔离器互易器件：允许双向光通行，即输入光与输出光可以互换的无源器件。光隔离器：是一种光单向传输的非互易性器件，即光的单向器。光隔离器的用途：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性。1.光隔离器的原理法拉第旋转器：用旋

24、光材料制成法拉第旋转器，是通过它的光的偏振态旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关。光隔离器的工作原理是基于法拉第旋转的非互异性。光隔离器的组成：起偏器、检偏器、法拉第旋转器三部分。各部分作用：起偏器允许垂直偏振光顺利通过；检偏器允许45o方向上的偏振光顺利通过；法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o单模光纤隔离器的特点：是隔离器的工作与入射光的偏振态有关，即必须是垂直偏振。,46,4.5光隔离器及光环行器,2.隔离器的工作过程：当入射光从左向右传输时，由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透振方向一致，故入射光无损地通过起偏器。由于法拉第旋转器的作用，使光的偏振态旋转到45o方向

25、上，由于检偏器的透振方向也在45o方向上，于是经过法拉第旋转器旋转45o后的光能顺利通过检偏器，这样，正向传输入射光无损地通过隔离器。当反射波向反方向传输时，由于检偏器的透振方向为45o，只允许45o方向的偏振光通过检偏器，其余偏振态的光全部被检偏器阻止。通过检偏器的光被法拉第旋转器再旋转45o，便成为水平偏振光，该偏振态光被起偏器阻止，这样就阻止了反方向光的传输。,47,4.5光隔离器及光环行器,2.实用型光隔离器的结构下图是一个实用型的光隔离器。它是由两个空间分离偏振器、法拉第旋转器和一个半波片组成。空间分离偏振器(SWP)：让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过，且偏折方向和光传输方向无

26、关。其作用是将入射的任意偏振态的光分解为水平和垂直的两个正交偏振分量，或者水平和垂直的两个正交偏振分量合成某一偏振光。法拉第旋转器：能使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o。半波片：可以把光的偏振态旋转45o，将从左向右传播光的偏振态顺时针旋转，反之逆时针旋转。隔离器的工作过程：先介绍各部件的功能，然后分别介绍正向传输和反向传输过程，注意反向不能传输的关键是水平偏振光只能偏折通过SWP而垂直偏振光只能直接通过SWP。,48,4.5光隔离器及光环行器,49,实用型隔离器的原理图,4.5光隔离器及光环行器,3.光隔离器的特性参数光隔离器的主要技术参数有插入损耗和隔离度。(1)插入损耗是指增加光隔离

27、器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口的光功率之比，即：式中：为输出端口的光功率，为输入端口的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗是越小越好。(2)隔离度是指光隔离器的正向入射光对反向反射光的隔离能力。定义为：正向入射光信号的功率值与反向反射光信号的功率值的比的分贝数，表示为：式中：表示正向入射光的功率，表示反向反射光的光功率。该器件的性能要求对反向反射光的隔离度值越大越好。,50,4.5光隔离器及光环行器,4.5.2 光环行器是一个多端口器件，一般有3个或4个端口，如下图所示。光环行器的工作原理与隔离器的工作原理类似，也是利用了光的偏振现象，其特点是端口间的输入输出关系是确定的，且只能正向传输，也就是进入端口1的光必须到端口2，进入到端口2的光必须到端口3，以此类推。光环行器主要用于光分插复用器、光放大器等。,51,4.6小结,52,4.6小结,1.掌握各种无源光器件的定义和工作原理。2.掌握各种无源光器件的特性参数。,53,