光纖通信光纖線路技術(shù)及器件 光環(huán)形器 ppt課件

1、光纖通訊 Fiber-Optic Communication Technology第五章 光纖線路技術(shù)及器件 主要內(nèi)容n一、光隔離器和光環(huán)形器一、光隔離器和光環(huán)形器 n二、光纖的銜接二、光纖的銜接n三、光衰減器和光開關(guān)三、光衰減器和光開關(guān)n四、光纖耦合器四、光纖耦合器n五、光纖光柵五、光纖光柵n六、波分復(fù)用器件六、波分復(fù)用器件n七、平面及矩形光波導(dǎo)技術(shù)及器件七、平面及矩形光波導(dǎo)技術(shù)及器件n八、光放大器八、光放大器n九、色散補(bǔ)償技術(shù)九、色散補(bǔ)償技術(shù)光纖線路技術(shù)光纖線路技術(shù)n為了實(shí)現(xiàn)光信號從發(fā)射機(jī)至接納機(jī)的傳為了實(shí)現(xiàn)光信號從發(fā)射機(jī)至接納機(jī)的傳送，在整個(gè)光纖的傳輸線路上既需求處送，在整個(gè)光纖的傳輸線

2、路上既需求處理由光纖損耗、色散及非線性引起的信理由光纖損耗、色散及非線性引起的信號衰減和畸變等問題，還需求處理信號號衰減和畸變等問題，還需求處理信號的調(diào)制、信號的選路、線路的銜接、光的調(diào)制、信號的選路、線路的銜接、光功率的分配、光功率的控制、雜散光的功率的分配、光功率的控制、雜散光的隔離等一系列工程實(shí)際問題。隔離等一系列工程實(shí)際問題。無源器件和有源器件n無源器件無源器件(passive device)(passive device)：本身不發(fā)：本身不發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件。如光隔離器、生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件。如光隔離器、光耦合器、光環(huán)形器等實(shí)現(xiàn)銜接光路、光耦合器、光環(huán)形器等實(shí)現(xiàn)銜接光路、分配

3、光功率以及合波和分波等作用。分配光功率以及合波和分波等作用。n有源器件有源器件(active device)(active device)：本身會(huì)發(fā)生：本身會(huì)發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件，如激光器、光光電或電光轉(zhuǎn)換的器件，如激光器、光電檢測器、光放大器等。電檢測器、光放大器等。光隔離器(isolator) n光隔離器是一種只允許光沿一個(gè)方向經(jīng)光隔離器是一種只允許光沿一個(gè)方向經(jīng)過而在相反方向阻撓光經(jīng)過的光無源器過而在相反方向阻撓光經(jīng)過的光無源器件件n作用：防止光路中的后向傳輸光對光源作用：防止光路中的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響n例如：半導(dǎo)體激光器、光纖放大器例如

4、：半導(dǎo)體激光器、光纖放大器n運(yùn)用：光纖通訊、光信息處置系統(tǒng)、光運(yùn)用：光纖通訊、光信息處置系統(tǒng)、光纖傳感以及精細(xì)光學(xué)丈量系統(tǒng)等纖傳感以及精細(xì)光學(xué)丈量系統(tǒng)等n分類：偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型兩類分類：偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型兩類 法拉第旋光效應(yīng)n光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。n法拉第效應(yīng)是法拉第在法拉第效應(yīng)是法拉第在18451845年首先察看到的年首先察看到的不具有旋光性的資料在磁場作用下使經(jīng)過該不具有旋光性的資料在磁場作用下使經(jīng)過該物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱磁致旋物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱磁致旋光效應(yīng)。沿磁場方向傳輸?shù)钠窆?，其偏振光效?yīng)。沿磁

5、場方向傳輸?shù)钠窆?，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角度方向旋轉(zhuǎn)角度q=VBL (Bq=VBL (B磁場強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度，L L資料長度，資料長度，V V維爾德常數(shù)為資料的特性常數(shù)維爾德常數(shù)為資料的特性常數(shù)) )。n偏振方向的旋轉(zhuǎn)只與磁場強(qiáng)度的方向有關(guān)，偏振方向的旋轉(zhuǎn)只與磁場強(qiáng)度的方向有關(guān)，而與光傳播的方向無關(guān)。而與光傳播的方向無關(guān)。n磁光資料有釔鐵石榴石磁光資料有釔鐵石榴石YIGYIG、鉍鐵石榴石、鉍鐵石榴石SICSIC等。等。 偏振相關(guān)型光隔離器偏振相關(guān)型光隔離器 n由起偏器、檢偏器和旋光器三部分組成。由起偏器、檢偏器和旋光器三部分組成。 偏振無關(guān)型光隔離器偏振無關(guān)型光隔離器n 主要技術(shù)目的主要技術(shù)目的 n插

6、入損耗插入損耗n回波損耗回波損耗 n隔離度隔離度n偏振相關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗PDL n偏振模色散偏振模色散PMD 插入損耗插入損耗(IL)n指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍芍冈诠飧綦x器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的附加損耗。于引入光隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。nPi：輸入的光信號功率，：輸入的光信號功率，nPo ：經(jīng)過光隔離器后的功率，：經(jīng)過光隔離器后的功率，n顯然，顯然， IL值越小越好。值越小越好。n光隔離器的插入損耗來源于偏振器、法拉光隔離器的插入損耗來源于偏振器、法拉第旋轉(zhuǎn)器等各部分的插入損耗。第旋轉(zhuǎn)器等各部分的插入損耗。)(log10dBPPILioPiPo回波損耗回波

7、損耗(RL)n回波損耗：指由于構(gòu)成光隔離器的各元回波損耗：指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射呵斥的對入射光信號的衰減。射呵斥的對入射光信號的衰減。nPiPi：正向輸入光隔離器的光信號功率：正向輸入光隔離器的光信號功率nPr Pr ：前往輸入端口的光功率：前往輸入端口的光功率 )(log10dBPPRLirPiPr隔離度隔離度n指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑胖冈谀婀飧綦x器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的損耗號由于引入光隔離器而產(chǎn)生的損耗 n Pi Pi：反向輸入光隔離器的光信號功率：反向輸入光隔離器的光信號功率n Po

8、 Po：前往輸入端口的光功率：前往輸入端口的光功率n值越大越好值越大越好 )(log10dBPPIoiso偏振相關(guān)損耗和偏振模色散偏振相關(guān)損耗和偏振模色散n偏振相關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗PDL：指輸入光偏振：指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時(shí)，器件插態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時(shí)，器件插入損耗的最大變化量，是衡量器件插入入損耗的最大變化量，是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的目的。損耗受偏振態(tài)影響程度的目的。n偏振模色散偏振模色散PMD：指經(jīng)過器件的信：指經(jīng)過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲差。號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲差。 n 光環(huán)形器光環(huán)形器(circulator) (circulator

9、) n多端口非互易多端口非互易nNN2個(gè)端口個(gè)端口n光由端口光由端口1-端口端口2；n 由端口由端口2-端口端口3;n n假設(shè)端口假設(shè)端口N輸入的光可輸入的光可由端口由端口1輸出，稱為環(huán)輸出，稱為環(huán)行器，假設(shè)不可以，稱行器，假設(shè)不可以，稱為準(zhǔn)環(huán)行器為準(zhǔn)環(huán)行器運(yùn)用運(yùn)用n雙向通訊中的重要器件，完成正反向傳雙向通訊中的重要器件，完成正反向傳輸光的分別輸光的分別n單纖雙向通訊、上單纖雙向通訊、上/ /下話路、合波下話路、合波/ /分涉分涉及色散補(bǔ)償?shù)燃吧⒀a(bǔ)償?shù)?構(gòu)造構(gòu)造光光 纖纖準(zhǔn)準(zhǔn)直直器器分分束束合合束束鏡鏡偏偏振振旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鏡鏡光光束束變變換換器器光光 纖纖準(zhǔn)準(zhǔn)直直器器偏偏振振旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鏡鏡分分束束

10、合合束束鏡鏡端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5 6分束分束/ /合束鏡合束鏡 n將恣意形狀的輸入光變成分解成兩束偏將恣意形狀的輸入光變成分解成兩束偏振方向垂直的偏振分量振方向垂直的偏振分量n雙折射平行平板、楔形雙折射晶體雙折射平行平板、楔形雙折射晶體偏振旋轉(zhuǎn)鏡偏振旋轉(zhuǎn)鏡 n90度非互易旋轉(zhuǎn)器度非互易旋轉(zhuǎn)器 端口端口1端口端口2 端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5 6端口端口2端口端口3端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5 6端口端口3端口端口4端端口口1 13 3端端口口2 24 4xyz1 2 3 4 5

11、 6技術(shù)目的技術(shù)目的 n包括插入損耗、回波損耗、隔離度、串包括插入損耗、回波損耗、隔離度、串音、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散等音、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散等 n串音指兩個(gè)不相鄰端口之間實(shí)際上不能串音指兩個(gè)不相鄰端口之間實(shí)際上不能接納到光信號但實(shí)踐中由于種種緣由而接納到光信號但實(shí)踐中由于種種緣由而接納到的功率以接納到的功率以dBdB表示的相對值，表示的相對值， 光纖的銜接光纖的銜接n光纖的銜接將兩根光纖端面結(jié)合在一同，光纖的銜接將兩根光纖端面結(jié)合在一同，實(shí)現(xiàn)光信號的繼續(xù)傳輸。實(shí)現(xiàn)光信號的繼續(xù)傳輸。n根據(jù)銜接方式的不同，可分為活動(dòng)銜接和根據(jù)銜接方式的不同，可分為活動(dòng)銜接和固定銜接。固定銜接。n利用活動(dòng)

12、銜接器是實(shí)現(xiàn)活動(dòng)銜接的主要方利用活動(dòng)銜接器是實(shí)現(xiàn)活動(dòng)銜接的主要方法法n熔接法是固定銜接的主要方法熔接法是固定銜接的主要方法 活動(dòng)銜接器活動(dòng)銜接器n銜接兩根光纖或光纜使其成為光通路的銜接兩根光纖或光纜使其成為光通路的可以反復(fù)裝拆的活接頭可以反復(fù)裝拆的活接頭n用于光源到光纖、光纖到光纖、光纖與用于光源到光纖、光纖到光纖、光纖與深測器、器件之間等的銜接深測器、器件之間等的銜接n必需具備損耗低、體積小、分量輕、可必需具備損耗低、體積小、分量輕、可靠性高、便于操作、反復(fù)性和互換性好靠性高、便于操作、反復(fù)性和互換性好以及價(jià)錢低廉等優(yōu)點(diǎn)。要求能接受機(jī)械以及價(jià)錢低廉等優(yōu)點(diǎn)。要求能接受機(jī)械振動(dòng)和沖擊、順應(yīng)一定的

13、溫度和濕度環(huán)振動(dòng)和沖擊、順應(yīng)一定的溫度和濕度環(huán)境條件、裝拆時(shí)防止雜質(zhì)污染的維護(hù)措境條件、裝拆時(shí)防止雜質(zhì)污染的維護(hù)措施。施。 分類分類n可分為單芯型和多芯型可分為單芯型和多芯型n可分為多模和單模可分為多模和單模n單芯型按構(gòu)造可分為調(diào)心型和非調(diào)心型：非單芯型按構(gòu)造可分為調(diào)心型和非調(diào)心型：非調(diào)心型內(nèi)部沒有調(diào)心機(jī)構(gòu)調(diào)心型內(nèi)部沒有調(diào)心機(jī)構(gòu), ,靠光纖活動(dòng)銜接靠光纖活動(dòng)銜接器構(gòu)造組件之間的精細(xì)配合來到達(dá)最正確耦器構(gòu)造組件之間的精細(xì)配合來到達(dá)最正確耦合合n常用的非調(diào)心型構(gòu)造有以下幾種：套管構(gòu)造、常用的非調(diào)心型構(gòu)造有以下幾種：套管構(gòu)造、雙錐構(gòu)造、雙錐構(gòu)造、V V型槽構(gòu)造、微透鏡構(gòu)造以及自型槽構(gòu)造、微透鏡構(gòu)造以

14、及自聚焦透鏡構(gòu)造等聚焦透鏡構(gòu)造等n按銜接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式按銜接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式套管構(gòu)造套管構(gòu)造n由插針和套管組成，都是精細(xì)的機(jī)械構(gòu)由插針和套管組成，都是精細(xì)的機(jī)械構(gòu)造和光學(xué)構(gòu)造造和光學(xué)構(gòu)造 n光纖固定在插針里，兩個(gè)插針在套管中光纖固定在插針里，兩個(gè)插針在套管中對接并保證兩根光纖的對準(zhǔn)對接并保證兩根光纖的對準(zhǔn)套管套管插針插針光纖光纖光纖光纖插針插針n可用不銹鋼、陶瓷、玻璃、塑料等資料制造可用不銹鋼、陶瓷、玻璃、塑料等資料制造n陶瓷資料具有極好的溫度穩(wěn)定性，線膨脹系陶瓷資料具有極好的溫度穩(wěn)定性，線膨脹系數(shù)很小，且與石英光纖的線膨脹系數(shù)接近，數(shù)很小，且與石英光纖的線膨

15、脹系數(shù)接近，運(yùn)用最多運(yùn)用最多 f 2.499f 2.4990.00050.0005f 0.125f 0.1250.0010.0014套管套管n常用開口套管，選用彈性好的資料如磷常用開口套管，選用彈性好的資料如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷制造青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷制造f 2.5f 2.5f 3.2f 3.20.0020.0020.0070.007+0+00.020.020.0050.0001雙錐構(gòu)造雙錐構(gòu)造n利用錐面定位利用錐面定位錐型錐型插針插針雙錐雙錐套筒套筒光纖光纖光纖光纖V型槽構(gòu)造型槽構(gòu)造壓蓋壓蓋光纖光纖V形槽形槽插針插針主要性能目的主要性能目的n插入損耗：普通在插入損耗：普通在0.5d

16、B以下。以下。n回波損耗：普通應(yīng)大于回波損耗：普通應(yīng)大于45dB。n反復(fù)性：每次插拔后其損耗的變化范圍，普通反復(fù)性：每次插拔后其損耗的變化范圍，普通應(yīng)小于應(yīng)小于0.1dB。n互換性：是指同一種銜接器不同插針交換時(shí)損互換性：是指同一種銜接器不同插針交換時(shí)損耗的變化范圍，普通應(yīng)小于耗的變化范圍，普通應(yīng)小于0.1dB。n插拔次數(shù)：銜接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插插拔次數(shù)：銜接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔的次數(shù)，普通應(yīng)在千次以上。拔的次數(shù)，普通應(yīng)在千次以上。n任務(wù)溫度：在任務(wù)溫度范圍內(nèi)任務(wù)溫度：在任務(wù)溫度范圍內(nèi)-2570范圍內(nèi)，銜接器的損耗變化量應(yīng)在范圍內(nèi)，銜接器的損耗變化量應(yīng)在0.2dB范范圍內(nèi)變化。

17、圍內(nèi)變化。影響插入損耗的要素影響插入損耗的要素n光纖銜接時(shí)，產(chǎn)生的損耗主要來自制造技光纖銜接時(shí)，產(chǎn)生的損耗主要來自制造技術(shù)和光纖本身的不完善。術(shù)和光纖本身的不完善。n光纖的橫向錯(cuò)位、角度傾斜、端面間隙、光纖的橫向錯(cuò)位、角度傾斜、端面間隙、端面外形、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)端面外形、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差別和光纖的橢圓值孔徑、折射率分布的差別和光纖的橢圓度、偏心度等都會(huì)影響銜接質(zhì)量。度、偏心度等都會(huì)影響銜接質(zhì)量。 (a)橫向錯(cuò)位橫向錯(cuò)位 (b)端面間隙端面間隙(c)角度傾斜角度傾斜 (d)端面外形端面外形 (d)纖芯直徑差別纖芯直徑差別改良回波損耗的方法改良回波損耗的

18、方法n光纖銜接器存在回波損耗是由于光線在遇到光纖銜接器存在回波損耗是由于光線在遇到折射率不同的界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)菲涅爾反射折射率不同的界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)菲涅爾反射 n假設(shè)兩光纖對接處存在端面間隙或者光纖端假設(shè)兩光纖對接處存在端面間隙或者光纖端面存在高折射率的蛻變層或者光纖端面存在面存在高折射率的蛻變層或者光纖端面存在劃痕、凹坑、污物都會(huì)引起光線在對接處產(chǎn)劃痕、凹坑、污物都會(huì)引起光線在對接處產(chǎn)生菲涅爾反射從而呵斥了光纖銜接器的回波生菲涅爾反射從而呵斥了光纖銜接器的回波損耗損耗n將原來的平面接觸更改為球面接觸、斜球面將原來的平面接觸更改為球面接觸、斜球面接觸等接觸等n球面接觸球面接觸n斜球面接觸斜球面接觸銜接

19、器的表示銜接器的表示n/ n ：表示外部銜接方式，有：表示外部銜接方式，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等等 n ：表示插針端面外形，有：表示插針端面外形，有FC、PC、UPC、APC等等常用術(shù)語常用術(shù)語n銜接器插頭銜接器插頭(plug connetor)n光纜跳線光纜跳線(jumper cable)n轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器:(adaptor)插座、法蘭盤插座、法蘭盤n變換器變換器(converter)n裸光纖轉(zhuǎn)接器裸光纖轉(zhuǎn)接器FC Connector ST Connector SC Connector SMA Connector Opt-Jack Connector MT-R

20、J FDDI Connector MPO Connector MU Connector LC Connector E2000 Connector D4 Connector Biconic Connector adaptoradaptoradaptoradaptorconverterconverter裸光纖轉(zhuǎn)接器裸光纖轉(zhuǎn)接器PolisherPolisherPolisherPolisher實(shí)踐器件目的實(shí)踐器件目的光纖的固定銜接光纖的固定銜接 n使一對光纖之間構(gòu)成永久性的銜接，用于使一對光纖之間構(gòu)成永久性的銜接，用于不需求裝配或反復(fù)運(yùn)用的場所。不需求裝配或反復(fù)運(yùn)用的場所。n有熔接法、有熔接法、V型槽

21、法、毛細(xì)管法等。型槽法、毛細(xì)管法等。n熔接法在實(shí)踐中運(yùn)用最為普遍，是光纖通熔接法在實(shí)踐中運(yùn)用最為普遍，是光纖通訊干線中光纖銜接的主要方法，它是利用訊干線中光纖銜接的主要方法，它是利用電弧放電、氫焰或激光等方法加熱從而將電弧放電、氫焰或激光等方法加熱從而將光纖熔融結(jié)合在一同。光纖熔融結(jié)合在一同。n電弧放電是熔接法中運(yùn)用最廣的方法。利電弧放電是熔接法中運(yùn)用最廣的方法。利用電弧放電進(jìn)展光纖熔接的設(shè)備稱為光纖用電弧放電進(jìn)展光纖熔接的設(shè)備稱為光纖熔接機(jī)。熔接機(jī)。光纖熔接機(jī)光纖熔接機(jī)n由光纖的準(zhǔn)直與夾持機(jī)構(gòu)、光纖對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、由光纖的準(zhǔn)直與夾持機(jī)構(gòu)、光纖對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、電弧放電機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)等四部分構(gòu)成電弧放電機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)等四部分構(gòu)成 熔接步驟熔接步驟n制備光纖制備光纖: :利用光纖剝皮鉗去除光纖外的利用光纖剝皮鉗去除光纖外的套塑層，利用光纖切割刀切割光纖端面，套塑層，利用光纖切割刀切割光纖端面，到達(dá)端面平整，并使端面與光纖軸線垂到達(dá)端面平整