光纤通信系统51光隔离器课件

第五章 光纤线路技术及器件第五章光纤线路技术及器件1光纤线路技术光纤线路技术 为了实现光信号从发射机至接收机为了实现光信号从发射机至接收机的传送，在整个光纤的传输线路上既需的传送，在整个光纤的传输线路上既需要解决由光纤损耗、色散及非线性引起要解决由光纤损耗、色散及非线性引起的信号衰减和畸变等问题，还需要解决的信号衰减和畸变等问题，还需要解决信号的调制、信号的选路、线路的连接、信号的调制、信号的选路、线路的连接、光功率的分配、光功率的控制、杂散光光功率的分配、光功率的控制、杂散光的隔离等一系列工程实践问题。的隔离等一系列工程实践问题。光纤线路技术为了实现光信号从发射机至接收机的传送2光器件光器件 根据在实现功能过程中根据在实现功能过程中是否发生能是否发生能量转换量转换，可将光器件分为有源器件和无，可将光器件分为有源器件和无源器件源器件n有源器件有源器件(active device)：如激光器、：如激光器、光电检测器、光放大器等。光电检测器、光放大器等。n无源器件无源器件(passive device)：如光隔离器、：如光隔离器、光耦合器、光环形器等实现连接光路、光耦合器、光环形器等实现连接光路、分配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。光器件根据在实现功能过程中是否发生能量转换，可将3主要内容主要内容n一、一、光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器 n二、二、光纤的连接光纤的连接n三、三、光衰减器和光开关光衰减器和光开关n四、四、光纤耦合器光纤耦合器n五、光纤光栅五、光纤光栅n六、波分复用器件六、波分复用器件n七、平面及矩形光波导技术及器件七、平面及矩形光波导技术及器件n八、光放大器八、光放大器n九、色散补偿技术九、色散补偿技术主要内容一、光隔离器和光环形器4l 光隔离器光隔离器(isolator)光隔离器(isolator)5n光隔离器光隔离器是一种只允许光沿一个方向通是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件件n作用：防止光路中的后向传输光对光源作用：防止光路中的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。例如：以及光路系统产生不良影响。例如：半半导体激光器导体激光器、光纤放大器光纤放大器n应用：光纤通信、光信息处理系统、光应用：光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统等纤传感以及精密光学测量系统等n类型：偏振相关型和偏振无关型两类类型：偏振相关型和偏振无关型两类光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的6法拉第旋光效应法拉第旋光效应n光隔离器主要利用光隔离器主要利用磁光晶体磁光晶体的法拉第效应。的法拉第效应。n法法拉拉第第效效应应是是法法拉拉第第在在1845年年首首先先观观察察到到的的不不具具有有旋旋光光性性的的材材料料在在磁磁场场作作用用下下使使通通过过该该物物质质的的光光的的偏偏振振方方向向发发生生旋旋转转，也也称称磁磁致致旋旋光光效效应应。沿沿磁磁场场方方向向传传输输的的偏偏振振光光，其其偏偏振振方方向向旋旋转转角角度度q=q=VBL(B磁磁场场强强度度，L材材料料长长度，度，V维尔德常数为材料的特性常数维尔德常数为材料的特性常数)。n偏偏振振方方向向的的旋旋转转只只与与磁磁场场强强度度的的方方向向有有关关，而与光传播的方向无关。而与光传播的方向无关。n磁磁光光材材料料有有钇钇铁铁石石榴榴石石（YIG）、铋铋铁铁石石榴榴石（石（SIC）等。）等。法拉第旋光效应光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。7偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器n由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。偏振相关型光隔离器由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。8偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器9主要技术指标主要技术指标n插入损耗插入损耗n回波损耗回波损耗 n隔离度隔离度n偏振相关损耗（偏振相关损耗（PDL）n偏振模色散（偏振模色散（PMD）主要技术指标插入损耗10插入损耗插入损耗(IL)n指指在在光光隔隔离离器器通通光光方方向向上上传传输输的的光光信信号号由由于引入光隔离器而产生的附加损耗。于引入光隔离器而产生的附加损耗。Pi：输入的光信号功率，：输入的光信号功率，Po：经过光隔离器后的功率，：经过光隔离器后的功率，显然，显然，IL值越小越好。值越小越好。n光光隔隔离离器器的的插插入入损损耗耗来来源源于于偏偏振振器器、法法拉拉第旋转器等各部分的插入损耗。第旋转器等各部分的插入损耗。PiPo插入损耗(IL)指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光11回波损耗回波损耗(RL)n回回波波损损耗耗：指指由由于于构构成成光光隔隔离离器器的的各各元元件件、光光纤纤以以及及空空气气折折射射率率失失配配引引起起的的反反射造成的对入射光信号的衰减。射造成的对入射光信号的衰减。Pi：正向输入光隔离器的光信号功率：正向输入光隔离器的光信号功率Pr：返回输入端口的光功率返回输入端口的光功率 PiPr回波损耗(RL)回波损耗：指由于构成光隔离器的各元件、光纤以12隔离度隔离度n指在逆光隔离器通光方向上传输的光信指在逆光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的损耗号由于引入光隔离器而产生的损耗 Pi：反向输入光隔离器的光信号功率反向输入光隔离器的光信号功率 Po：返回输入端口的光功率返回输入端口的光功率n值越大越好值越大越好隔离度指在逆光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而13偏振相关损耗偏振相关损耗和偏振模色散偏振模色散n偏偏振振相相关关损损耗耗（PDL）：指指输输入入光光偏偏振振态态发发生生变变化化而而其其它它参参数数不不变变时时，器器件件插插入入损损耗耗的的最最大大变变化化量量，是是衡衡量量器器件件插插入入损耗受偏振态影响程度的指标。损耗受偏振态影响程度的指标。n偏偏振振模模色色散散（PMD）：指指通通过过器器件件的的信信号光不同偏振态之间的相位延迟差号光不同偏振态之间的相位延迟差。偏振相关损耗和偏振模色散偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振14l光环形器光环形器(circulator)光环形器(circulator)15n多端口非互易多端口非互易nN（N2）个端口）个端口n光由端口光由端口1-端口端口2；由端口由端口2-端口端口3;n若若端端口口N输输入入的的光光可可由由端端口口1输输出出，称称为为环环行行器器，若若不不可可以以，称称为为准准环行器环行器多端口非互易16应用应用n双向通信双向通信中的重要器件，完成正反向传中的重要器件，完成正反向传输光的分离输光的分离n单纤双向通信、上单纤双向通信、上/下话路、合波下话路、合波/分波分波及色散补偿等及色散补偿等应用双向通信中的重要器件，完成正反向传输光的分离17结构结构光光 纤纤准准直直器器分分束束合合束束镜镜偏偏振振旋旋转转镜镜光光束束变变换换器器光光 纤纤准准直直器器偏偏振振旋旋转转镜镜分分束束合合束束镜镜端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6结构光纤准直器分束合束镜偏振旋转镜光束变换器光纤准直18分束分束/合束镜合束镜n将任意状态的输入光变成分解成两束偏将任意状态的输入光变成分解成两束偏振方向垂直的偏振分量振方向垂直的偏振分量n双折射平行平板、楔形双折射晶体双折射平行平板、楔形双折射晶体分束/合束镜将任意状态的输入光变成分解成两束偏振方向垂直的19偏振旋转镜偏振旋转镜n90度非互易旋转器度非互易旋转器偏振旋转镜90度非互易旋转器20光纤通信系统51光隔离器课件21端口端口1端口端口2端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6端口1端口2端口13端口24xyz12322端口端口2端口端口3端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6端口2端口3端口13端口24xyz12323端口端口3端口端口4端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6端口3端口4端口13端口24xyz12324技术指标技术指标n包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音、包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗、偏振模色散等偏振相关损耗、偏振模色散等 n串音指两个不相邻端口之间理论上不能接串音指两个不相邻端口之间理论上不能接收到光信号但实际中由于种种原因而接收收到光信号但实际中由于种种原因而接收到的功率以到的功率以dB表示的相对值，表示的相对值，技术指标包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗25l光纤的连接光纤的连接光纤的连接26n光纤的连接将两根光纤端面结合在一光纤的连接将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持续传输。起，实现光信号的持续传输。n根据连接方式的不同，可分为根据连接方式的不同，可分为活动连活动连接接和和固定连接固定连接。n利用利用活动连接器活动连接器是实现活动连接的主是实现活动连接的主要方法要方法n熔接法熔接法是固定连接的主要方法是固定连接的主要方法光纤的连接将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持续传输。27活动连接器活动连接器n连接两根光纤或光缆使其成为光通路的连接两根光纤或光缆使其成为光通路的可以可以重复装拆重复装拆的活接头的活接头n用于光源到光纤、光纤到光纤、光纤与用于光源到光纤、光纤到光纤、光纤与深测器、器件之间等的连接深测器、器件之间等的连接n必须具备损耗低、体积小、重量轻、可必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点。要求能承受机械以及价格低廉等优点。要求能承受机械振动和冲击、适应一定的温度和湿度环振动和冲击、适应一定的温度和湿度环境条件、装拆时防止杂质污染的保护措境条件、装拆时防止杂质污染的保护措施。施。活动连接器连接两根光纤或光缆使其成为光通路的可以重复装拆的活28分类分类n可分为单芯型和多芯型可分为单芯型和多芯型n可分为多模和单模可分为多模和单模n单芯型按结构可分为调心型和非调心型：非单芯型按结构可分为调心型和非调心型：非调心型内部没有调心机构调心型内部没有调心机构,靠光纤活动连接靠光纤活动连接器结构器结构组件之间的精密配合组件之间的精密配合来达到最佳耦合来达到最佳耦合n常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、双锥结构、双锥结构、V型槽结构、微透镜结构以及自型槽结构、微透镜结构以及自聚焦透镜结构等聚焦透镜结构等n按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式分类可分为单芯型和多芯型29套管结构套管结构n由由插针和套管组成，插针和套管组成，都是精密的机械结都是精密的机械结构和光学结构构和光学结构 n光纤固定在插针里，两个插针在套管中光纤固定在插针里，两个插针在套管中对接并保证两根光纤的对准对接并保证两根光纤的对准套管套管插针插针光纤光纤光纤光纤套管结构由插针和套管组成，都是精密的机械结构和光学结构套管30插针插针n可用不锈钢、可用不锈钢、陶瓷陶瓷、玻璃、塑料等材料制作、玻璃、塑料等材料制作n陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，使用最多使用最多f f 2.4990.0005f f 0.1250.0014插针可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作f2.499031套管套管n常用开口套管，选用弹性好的材料如磷常用开口套管，选用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作f f 2.5f f 3.2-0.002-0.007+0-0.020.0050.0001套管常用开口套管，选用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶32双锥结构双锥结构n利用锥面定位利用锥面定位锥型锥型插针插针双锥双锥套筒套筒光纤光纤光纤光纤双锥结构利用锥面定位锥型双锥套筒光纤光纤33V型槽结构型槽结构压盖压盖光纤光纤V形槽形槽插针插针V型槽结构压盖光纤V形槽插针34主要性能指标主要性能指标n插入损耗插入损耗：一般在：一般在0.5dB以下。以下。n回波损耗回波损耗：一般应大于：一般应大于45dB。n重复性重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般：每次插拔后其损耗的变化范围，一般应小于应小于0.1dB。n互换性互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损：是指同一种连接器不同插针替换时损耗的变化范围，一般应小于耗的变化范围，一般应小于0.1dB。n插拔次数插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插：连接器具有上述损耗参数范围内插拔的次数，一般应在千次以上。拔的次数，一般应在千次以上。n工作温度工作温度：在工作温度范围内（：在工作温度范围内（-2570范围内），连接器的损耗变化量应在范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范范围内变化。围内变化。主要性能指标插入损耗：一般在0.5dB以下。35影响插入损耗的因素影响插入损耗的因素n光光纤纤连连接接时时，产产生生的的损损耗耗主主要要来来自自制制造造技技术和光纤本身的不完善。术和光纤本身的不完善。n光光纤纤的的横横向向错错位位、角角度度倾倾斜斜、端端面面间间隙隙、端端面面形形状状、端端面面光光洁洁度度以以及及纤纤芯芯直直径径、数数值值孔孔径径、折折射射率率分分布布的的差差异异和和光光纤纤的的椭椭圆圆度、偏心度等都会影响连接质量。度、偏心度等都会影响连接质量。影响插入损耗的因素光纤连接时，产生的损耗主要来自制造技术和光36(a)横向错位横向错位 (b)端面间隙端面间隙(c)角度倾斜角度倾斜 (d)端面形状端面形状 (d)纤芯直径差纤芯直径差异异(a)横向错位(b)端面间隙(c)角度倾37改进回波损耗的办法改进回波损耗的办法n光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到折射率不同的界面时会出现折射率不同的界面时会出现菲涅尔反射菲涅尔反射 n如果两光纤对接处存在端面间隙或者光纤端如果两光纤对接处存在端面间隙或者光纤端面存在高折射率的变质层或者光纤端面存在面存在高折射率的变质层或者光纤端面存在划痕、凹坑、污物都会引起光线在对接处产划痕、凹坑、污物都会引起光线在对接处产生菲涅尔反射从而造成了光纤连接器的回波生菲涅尔反射从而造成了光纤连接器的回波损耗损耗n将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面接触等接触等改进回波损耗的办法光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到折射38n球面接触球面接触n斜球面接触斜球面接触球面接触39连接器的表示连接器的表示n/n：表示表示外部连接方式外部连接方式，有，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等等 n：表示表示插针端面形状插针端面形状，有，有FC、PC、UPC、APC等等连接器的表示/40常用术语常用术语n连接器插头连接器插头(plug connetor)n光缆跳线光缆跳线(jumper cable)n转换器转换器:(adaptor)插座、法兰盘插座、法兰盘n变换器变换器(converter)n裸光纤转接器裸光纤转接器常用术语连接器插头(plugconnetor)41FC Connector FCConnector42ST Connector STConnector43SC Connector SCConnector44SMA Connector SMAConnector45MT-RJ MT-RJ46FDDI Connector FDDIConnector47MPO Connector MPOConnector48MU Connector MUConnector49LC Connector LCConnector50E2000 Connector E2000Connector51D4 Connector D4Connector52Biconic Connector BiconicConnector53adaptoradaptoradaptor54adaptoradaptoradaptor55converterconverterconverter56裸光纤转接器裸光纤转接器裸光纤转接器57光纤通信系统51光隔离器课件58光纤通信系统51光隔离器课件59实际器件指标实际器件指标实际器件指标60光纤的固定连接光纤的固定连接 n使使一一对对光光纤纤之之间间形形成成永永久久性性的的连连接接，用用于于不需要拆卸或重复使用不需要拆卸或重复使用的场合。的场合。n有熔接法、有熔接法、V型槽法、毛细管法等。型槽法、毛细管法等。n熔熔接接法法在在实实际际中中应应用用最最为为普普遍遍，是是光光纤纤通通信信干干线线中中光光纤纤连连接接的的主主要要方方法法，它它是是利利用用电电弧弧放放电电、氢氢焰焰或或激激光光等等方方法法加加热热从从而而将将光纤熔融结合在一起。光纤熔融结合在一起。n电电弧弧放放电电是是熔熔接接法法中中应应用用最最广广的的方方法法。利利用用电电弧弧放放电电进进行行光光纤纤熔熔接接的的设设备备称称为为光光纤纤熔接机。熔接机。光纤的固定连接使一对光纤之间形成永久性的连接，用于不需要拆61光纤熔接机光纤熔接机n由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电弧放电机构以及控制机构等四部分构成电弧放电机构以及控制机构等四部分构成光纤熔接机由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电弧放电机构62熔接步骤熔接步骤n制备光纤制备光纤:利用光纤剥皮钳去除光纤外的利用光纤剥皮钳去除光纤外的套塑层，利用光纤切割刀切割光纤端面，套塑层，利用光纤切割刀切割光纤端面，达到端面平整，并使端面与光纤轴线垂达到端面平整，并使端面与光纤轴线垂直，偏差小于直，偏差小于1。n对准光纤对准光纤:将制备好端面的光纤放入准直将制备好端面的光纤放入准直与夹持机构中固定，通过手动或自动装与夹持机构中固定，通过手动或自动装置使纤芯在空间三个方向上移动，保证置使纤芯在空间三个方向上移动，保证需要熔接的两根光纤完全对准，消除纤需要熔接的两根光纤完全对准，消除纤芯的横向错位、角度偏差，并将端面之芯的横向错位、角度偏差，并将端面之间的间距调整到预定大小。间的间距调整到预定大小。熔接步骤制备光纤:利用光纤剥皮钳去除光纤外的套塑层，利用光纤63熔接步骤熔接步骤n熔接光纤熔接光纤:根据光纤的类型，选择合适的根据光纤的类型，选择合适的放电电流、放电时间，进行电弧放电，放电电流、放电时间，进行电弧放电，对端面加热，实现光纤的熔接。对端面加热，实现光纤的熔接。n接点的保护接点的保护:熔接结束后加热缩管对光纤熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。熔接处进行保护。熔接步骤熔接光纤:根据光纤的类型，选择合适的放电电流、放电时64光纤通信系统51光隔离器课件65光纤通信系统51光隔离器课件66同时观察同时观察X X轴和轴和Y Y轴方向光纤轴方向光纤5 5英寸英寸LCDLCD大屏幕显示，四种语言可选大屏幕显示，四种语言可选内置照明灯，方便夜晚放置方纤内置照明灯，方便夜晚放置方纤内置温度、湿度、气压传感器，适应环境的变化内置温度、湿度、气压传感器，适应环境的变化自动检测光纤端面，自动校准熔接位置自动检测光纤端面，自动校准熔接位置自动选择最佳熔接程序，自动推算接续损耗自动选择最佳熔接程序，自动推算接续损耗体积小重量轻，携带方便体积小重量轻，携带方便交直流两用，适合各种场合交直流两用，适合各种场合屏幕菜单提示，操作简单方便屏幕菜单提示，操作简单方便深凹式防风盖，在深凹式防风盖，在15m/s15m/s的强风下能进行工作的强风下能进行工作同时观察X轴和Y轴方向光纤5英寸LCD大屏幕显示，四种语67光纤通信系统51光隔离器课件68l 光衰减器光衰减器（optical attenuator）光衰减器（opticalattenuator）69n用来稳定地、准确地减小信号光功率的用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源器件。它是光功率调节所不可缺少无源器件。它是光功率调节所不可缺少的器件。的器件。n按衰减光功率的工作机理分有：按衰减光功率的工作机理分有：耦合型光衰减器耦合型光衰减器 反射型光衰减器反射型光衰减器 吸收型光衰减器吸收型光衰减器用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源器件。它是光功率调节所70耦合型光衰减器耦合型光衰减器n通过输入、输出光束对准偏差的控制来通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。减量的目的。耦合型光衰减器通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量71反射型光衰减器反射型光衰减器n是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。由光透过衰减片时主要是反射和透射。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。从而达到改变衰减量的目的。反射型光衰减器是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光透过衰减片72吸收型光衰减器吸收型光衰减器n采用光学吸收材料制成衰减片，对光的采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，从而因而光线可垂直入射到衰减片上，从而可简化结构和工艺，使器件体积和重量可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得较小。变得较小。吸收型光衰减器采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸73n光光衰衰减减器器按按其其衰衰减减量量的的变变化化情情况况可可分分为为三种类型：三种类型：n固定式衰减器，即衰减量一定；固定式衰减器，即衰减量一定；n步步进进可可变变式式衰衰减减器器，即即阶阶跃跃式式可可变变，如如5步进式的，每步为步进式的，每步为10dB，即，即10dB5n连续可变式衰减器，如连续可变式衰减器，如060dB。光衰减器按其衰减量的变化情况可分为三种类型：74主要技术指标主要技术指标n插入损耗插入损耗n衰减量变化范围衰减量变化范围n精度精度n温度的影响温度的影响主要技术指标插入损耗75