1、光纖通信 Fiber-Optic Communication Technology第五章 光纖線路技術(shù)及器件 主要內(nèi)容n一、一、光隔離器和光環(huán)形器光隔離器和光環(huán)形器 n二、二、光纖的連接光纖的連接n三、三、光衰減器和光開關(guān)光衰減器和光開關(guān)n四、四、光纖耦合器光纖耦合器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為了實現(xiàn)光信號從發(fā)射機(jī)至接收機(jī)的傳為了實現(xiàn)光信號從發(fā)射機(jī)至接收機(jī)的傳送，在整個光纖的傳輸線路上既需要解送，在整個光纖的傳輸線

2、路上既需要解決由光纖損耗、色散及非線性引起的信決由光纖損耗、色散及非線性引起的信號衰減和畸變等問題，還需要解決信號號衰減和畸變等問題，還需要解決信號的調(diào)制、信號的選路、線路的連接、光的調(diào)制、信號的選路、線路的連接、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踐問題。隔離等一系列工程實踐問題。無源器件和有源器件n無源器件無源器件( (passive device) )：本身不發(fā)生本身不發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件。如光隔離器、光電或電光轉(zhuǎn)換的器件。如光隔離器、光耦合器、光環(huán)形器等實現(xiàn)連接光路、光耦合器、光環(huán)形器等實現(xiàn)連接光路、分配光功率以及合波和分波等作用

3、。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) )：本身會發(fā)生光本身會發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件，如激光器、光電電或電光轉(zhuǎn)換的器件，如激光器、光電檢測器、光放大器等。檢測器、光放大器等。光隔離器(isolator) n光隔離器光隔離器是一種只允許光沿一個方向通是一種只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件件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：例如：半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器、光纖放大器光纖放大器n應(yīng)用：光纖通信、光信息處

4、理系統(tǒng)、光應(yīng)用：光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學(xué)測量系統(tǒng)等纖傳感以及精密光學(xué)測量系統(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光隔離器主要利用光隔離器主要利用磁光晶體磁光晶體的法拉第效應(yīng)。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1845年首先觀察到的年首先觀察到的不具有旋光性的材料在磁場作用下使通過該不具有旋光性的材料在磁場作用下使通過該物質(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窆猓淦窆庑?yīng)。沿磁場方向傳輸?shù)钠窆猓淦穹较蛐D(zhuǎn)角度方向旋轉(zhuǎn)角度q=q=V

5、BL (B磁場強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度，L材料長材料長度，度，V維爾德常數(shù)為材料的特性常數(shù)維爾德常數(shù)為材料的特性常數(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磁光材料有釔鐵石榴石磁光材料有釔鐵石榴石（YIG）、）、鉍鐵石榴鉍鐵石榴石（石（SIC）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)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) n插入損耗插入損耗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（P

6、DL） 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。Pi：輸入的光信號功率：輸入的光信號功率，Po ：經(jīng)過光隔離器后的功率：經(jīng)過光隔離器后的功率，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。)(log10dBPPILio=PiPo回波損耗回波損耗(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

7、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造成的對入射光信號的衰減。射造成的對入射光信號的衰減。Pi：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Pr ：返回輸入端口的光功率返回輸入端口的光功率 )(log10dBPPRLir=PiPr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 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 Po：返回輸入端口的光功率返回輸入端口的光功率n值越大越好值越大越好 )(log10dBPPIoiso=偏振相

8、關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗和偏振模色散偏振模色散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，器件插態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時，器件插入損耗的入損耗的最大變化量最大變化量，是衡量器件插入，是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。n偏振模色散（偏振模色散（PMD）：）：指通過器件的信指通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) ) n多端口非互易多端口非互易nN（N2）個端口）個端口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

9、; n若端口若端口N輸入的光可由輸入的光可由端口端口1輸出，稱為環(huán)行輸出，稱為環(huán)行器，若不可以，稱為準(zhǔn)器，若不可以，稱為準(zhǔn)環(huán)行器環(huán)行器應(yīng)用應(yīng)用n雙向通信雙向通信中的重要器件，完成正反向傳中的重要器件，完成正反向傳輸光的分離輸光的分離n單纖雙向通信、上單纖雙向通信、上/下話路、合波下話路、合波/分波分波及色散補(bǔ)償?shù)燃吧⒀a(bǔ)償?shù)?結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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)鏡鏡分分束束合合束束鏡鏡端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6分束分束/合束鏡合束鏡 n將任意狀態(tài)的輸入光變成分解成兩束偏將任意狀

10、態(tài)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13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6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端口端口3端口端口4端端口口13端端口口24xyz1 2 3 4 5 6技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 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串音指兩個不相鄰端口之間理論上不能串音指兩個

11、不相鄰端口之間理論上不能接收到光信號但實際中由于種種原因而接收到光信號但實際中由于種種原因而接收到的功率以接收到的功率以dB表示的相對值，表示的相對值， 光纖的連接光纖的連接n光纖的連接將兩根光纖端面結(jié)合在一起，光纖的連接將兩根光纖端面結(jié)合在一起，實現(xiàn)光信號的持續(xù)傳輸。實現(xiàn)光信號的持續(xù)傳輸。n根據(jù)連接方式的不同，可分為根據(jù)連接方式的不同，可分為活動活動連接和連接和固定固定連接。連接。n利用利用活動連接器活動連接器是實現(xiàn)活動連接的主要方是實現(xiàn)活動連接的主要方法法n熔接法熔接法是固定連接的主要方法是固定連接的主要方法 活動連接器活動連接器n連接兩根光纖或光纜使其成為光通路的連接兩根光纖或光纜使其成

12、為光通路的可以可以重復(fù)裝拆重復(fù)裝拆的活接頭的活接頭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、器件之間等的連接深測器、器件之間等的連接n必須具備損耗低、體積小、重量輕、可必須具備損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復(fù)性和互換性好靠性高、便于操作、重復(fù)性和互換性好以及價格低廉等優(yōu)點。要求能承受機(jī)械以及價格低廉等優(yōu)點。要求能承受機(jī)械振動和沖擊、適應(yīng)一定的溫度和濕度環(huán)振動和沖擊、適應(yīng)一定的溫度和濕度環(huán)境條件、裝拆時防止雜質(zhì)污染的保護(hù)措境條件、裝拆時防止雜質(zhì)污染的保護(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

13、單模n單芯型按結(jié)構(gòu)可分為調(diào)心型和非調(diào)心型：非單芯型按結(jié)構(gòu)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),靠光纖活動連接靠光纖活動連接器結(jié)構(gòu)器結(jié)構(gòu)組件之間的精密配合組件之間的精密配合來達(dá)到最佳耦合來達(dá)到最佳耦合n常用的非調(diào)心型結(jié)構(gòu)有以下幾種：套管結(jié)構(gòu)、常用的非調(diào)心型結(jié)構(gòu)有以下幾種：套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V型槽結(jié)構(gòu)、微透鏡結(jié)構(gòu)以及自型槽結(jié)構(gòu)、微透鏡結(jié)構(gòu)以及自聚焦透鏡結(jié)構(gòu)等聚焦透鏡結(jié)構(gòu)等n按連接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式按連接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式套管結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu)n由由插針和套管組成，插針和套管組成，都是精密的機(jī)械結(jié)都是精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)和光學(xué)

14、結(jié)構(gòu) n光纖固定在插針里，兩個插針在套管中光纖固定在插針里，兩個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、可用不銹鋼、陶瓷陶瓷、玻璃、塑料等材料制作、玻璃、塑料等材料制作n陶瓷材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，線膨脹系陶瓷材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脹系數(shù)接近，使用最多使用最多 f f 2.4990.0005f f 0.1250.0014套管套管n常用開口套管，選用彈性好的材料如磷常用開口套管，選用彈性好的材料如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷制作青銅、鈹青銅、氧化鋯

15、陶瓷制作f f 2.5f f 3.2 0.002 0.007+ +0 0.020.0050.0001雙錐結(jié)構(gòu)雙錐結(jié)構(gòu)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型槽結(jié)構(gòu)型槽結(jié)構(gòu)壓蓋壓蓋光纖光纖V形槽形槽插針插針主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)n插入損耗插入損耗：一般在：一般在0.5dB以下。以下。n回波損耗回波損耗：一般應(yīng)大于：一般應(yīng)大于45dB。n重復(fù)性重復(fù)性：每次插拔后其損耗的變化范圍，一般：每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于應(yīng)小于0.1dB。n互換性互換性：是指同一種連接器不同插針替換時損：是指同一種連接器不同插針替換時損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于耗的變化范圍，

16、一般應(yīng)小于0.1dB。n插拔次數(shù)插拔次數(shù)：連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插：連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔的次數(shù)，一般應(yīng)在千次以上。拔的次數(shù)，一般應(yīng)在千次以上。n工作溫度工作溫度：在工作溫度范圍內(nèi)（：在工作溫度范圍內(nèi)（-2570范圍內(nèi)），連接器的損耗變化量應(yīng)在范圍內(nèi)），連接器的損耗變化量應(yīng)在0.2dB范范圍內(nèi)變化。圍內(nèi)變化。影響插入損耗的因素影響插入損耗的因素n光纖連接時，產(chǎn)生的損耗主要來自制造技光纖連接時，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光纖的橫向錯位、角度傾斜、端面間隙、光纖的橫向錯位、角度傾斜、端面間隙、端面形狀、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)端面形狀、

17、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差異和光纖的橢圓值孔徑、折射率分布的差異和光纖的橢圓度、偏心度等都會影響連接質(zhì)量。度、偏心度等都會影響連接質(zhì)量。 (a)橫向錯位橫向錯位 (b)端面間隙端面間隙(c)角度傾斜角度傾斜 (d)端面形狀端面形狀 (d)纖芯直徑差異纖芯直徑差異改進(jìn)回波損耗的辦法改進(jìn)回波損耗的辦法n光纖連接器存在回波損耗是由于光線在遇到光纖連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會出現(xiàn)折射率不同的界面時會出現(xiàn)菲涅爾反射菲涅爾反射 n如果兩光纖對接處存在端面間隙或者光纖端如果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變質(zhì)層或者光纖端面存在面存在高折射率的

18、變質(zhì)層或者光纖端面存在劃痕、凹坑、污物都會引起光線在對接處產(chǎn)劃痕、凹坑、污物都會引起光線在對接處產(chǎn)生菲涅爾反射從而造成了光纖連接器的回波生菲涅爾反射從而造成了光纖連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連接器的表示連接器的表示n/ n ：表示表示外部連接方式外部連接方式，有，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等等 n ：表示表示插針端面形狀插針端面形狀，有有FC、PC、UPC、APC等等常用術(shù)語常用術(shù)語n連接器插頭連接器插頭(plug connetor)n光纜跳

19、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-RJ FDDI Connector MPO Connector MU Connector LC Connector E2000 Connector D4 Connector Biconic Connector adaptoradaptoradaptoradaptorconverterconv

20、erter裸光纖轉(zhuǎn)接器裸光纖轉(zhuǎn)接器PolisherPolisherPolisherPolisher實際器件指標(biāo)實際器件指標(biāo)光纖的固定連接光纖的固定連接 n使一對光纖之間形成使一對光纖之間形成永久性永久性的連接，用于的連接，用于不需要拆卸或重復(fù)使用不需要拆卸或重復(fù)使用的場合。的場合。n有熔接法、有熔接法、V型槽法、毛細(xì)管法等。型槽法、毛細(xì)管法等。n熔接法熔接法在實際中應(yīng)用最為普遍，是光纖通在實際中應(yīng)用最為普遍，是光纖通信干線中光纖連接的主要方法，它是利用信干線中光纖連接的主要方法，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光纖熔融熔融結(jié)合在一起。結(jié)合在一起。n電弧放電電弧放電是熔接法中應(yīng)用最廣的方法。利是熔接法中應(yīng)用最廣的方法。利用電弧放電進(jìn)行光纖熔接的設(shè)備稱為光纖用電弧放電進(jìn)行光纖熔接的設(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，達(dá)到端面平整，并使端面與光纖軸線垂達(dá)到端面平整，并使端面與光纖軸線垂直，偏差小于