《光电子技术基础》(第二版).ppt
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1、第第8章章 光通信无源器件技术光通信无源器件技术大家好1第第8章章 光通信无源器件技术光通信无源器件技术v8.1光纤连接器光纤连接器v8.2光衰减器光衰减器v8.3光耦合器光耦合器v8.4光波分复用器光波分复用器v8.5光隔离器光隔离器v8.6 光开关光开关 光纤通信、光纤传感及其他光纤应用领域不可缺少的光器件,光纤通信、光纤传感及其他光纤应用领域不可缺少的光器件,工作原理:遵守光线理论和电磁波理论,工作原理:遵守光线理论和电磁波理论,各项技术指标、计算公式、测试方法等与纤维光学、集成光学息息相关。各项技术指标、计算公式、测试方法等与纤维光学、集成光学息息相关。大家好28.1光纤连接器光纤连接
2、器v以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来的器件以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来的器件v方法方法采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准v性能性能实现光路接续,保证光纤网络实现光路接续,保证光纤网络90%以上光通过。以上光通过。v分类:分类:永久性:采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现永久性:采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现活动性,光纤活动连接器。活动性,光纤活动连接器。v指标指标插入损耗插入损耗(简称插损简称插损)、回波损耗、回波损耗(简称回损简称回损)、以及谱损耗、以及谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等等;背景光耦合、串扰、带宽等等;对于
3、活动光纤连接器还有重复性和互换性对于活动光纤连接器还有重复性和互换性大家好38.1.1 光纤连接器主要指标光纤连接器主要指标(1)插损插损v光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的分贝数入光功率比值的分贝数:其中其中IL为插损,为插损,Pi 为输入端光功率,为输入端光功率,Po为输出端光功率为输出端光功率。插损越小越好,插损越小越好,ITU建议应不大于建议应不大于0.5dB。多模光纤连接器注入的光功率应当经过稳模器以滤多模光纤连接器注入的光功率应当经过稳模器以滤去高次模,使光纤中的模式为稳态分布,以准确衡去高次模,使光纤中的模式为稳
4、态分布,以准确衡量连接器插损量连接器插损大家好48.1.1 光纤连接器主要指标光纤连接器主要指标(2)回损回损(后向反射损耗后向反射损耗)v用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输入光功率的份额。的光功率占输入光功率的份额。v会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射飘移等,使会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射飘移等,使通信系统性能恶化。通信系统性能恶化。v光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数:光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数:其中其中RL为插损,为插损,Pi 为输入端光功率,为输入端光功率,P
5、r为后向反射光功率为后向反射光功率。回损越大越好,以减少反射光对光源和系统的影响。回损越大越好,以减少反射光对光源和系统的影响。典型值初期要求应不小于典型值初期要求应不小于25dB,现要求不小于,现要求不小于38dB。大家好58.1.1 光纤连接器主要指标光纤连接器主要指标(3)重复性与互换性重复性与互换性重复性重复性 光纤(光缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况,光纤(光缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况,用用dB表示。表示。互换性互换性 连接器插头与转换器两部分的任意互换或有条件互换的性能连接器插头与转换器两部分的任意互换或有条件互换的性能指标,可以考核连接器结构设计和加工工
6、艺的合理性,也是指标,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,用户和厂家一般要求互换连表明连接器实用化的重要标志,用户和厂家一般要求互换连接器的附加损耗应限制在小于接器的附加损耗应限制在小于0.2dB的范围内。的范围内。大家好68.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗纤芯错位损耗v由于纤芯横向错位由于纤芯横向错位(如图如图8-1a)引起的损耗。引起的损耗。v连接损耗的重要原因连接损耗的重要原因大家好78.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗纤芯错位损耗v芯径芯径2a渐变多模光纤模式稳态分布时错
7、位渐变多模光纤模式稳态分布时错位d 引起的损耗:引起的损耗:v单模光纤传输半径单模光纤传输半径w的高斯分布时错位的高斯分布时错位d引起的损耗引起的损耗:其中其中令错位损耗为令错位损耗为0.1dB 多模渐变光纤芯径多模渐变光纤芯径50 m、,算得横向错位,算得横向错位2.46 m;统计值统计值3 m 单模光纤芯径单模光纤芯径10 m,算得横向错位,算得横向错位0.72 m;统计值统计值0.8 m。理论与实践符合良好理论与实践符合良好大家好88.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(2)光光纤倾斜损耗纤倾斜损耗v由于两光纤轴线的角度倾斜由于两光纤轴线的角度倾斜 (如图如图8-2a)
8、而引起在连接处而引起在连接处的光功率损耗的光功率损耗。大家好98.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(2)光光纤倾斜损耗纤倾斜损耗v多模渐变光纤模式稳态分布时倾角多模渐变光纤模式稳态分布时倾角 引起的引起的倾斜损耗为:倾斜损耗为:其中其中v单模光纤传输半径单模光纤传输半径w的高斯分布时倾角的高斯分布时倾角 引起引起的损耗表示为:的损耗表示为:图图8-2(b)实际光纤倾斜损耗统计平均值,倾角以弧度表示,实际光纤倾斜损耗统计平均值,倾角以弧度表示,包层折射率包层折射率n2=1.455,芯折射率,芯折射率n1=1.46,=1.31 m。损耗损耗0.1dB对应多模渐变型光纤倾角对应多
9、模渐变型光纤倾角0.7,单模光纤,单模光纤0.3。实际生产中倾角可控制在实际生产中倾角可控制在0.1内内常可忽略不计常可忽略不计大家好108.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(3)端面间隙损耗端面间隙损耗 v由于光纤连接端面处存在间隙由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗而引起的损耗v多模渐变光纤在模式稳态分布时,端面间隙损耗:多模渐变光纤在模式稳态分布时,端面间隙损耗:n0:空气折射率,:空气折射率,Z:端面间隙。端面间隙。v单模光纤端面间隙单模光纤端面间隙Z引起的损耗:引起的损耗:v n2=1.455,n1=1.46,=1.31 m,Z=1 m时,时,v芯径芯径50
10、m多模渐变光纤端面间隙损耗为多模渐变光纤端面间隙损耗为0.006dBv芯径芯径10 m单模光纤端面间隙损耗为单模光纤端面间隙损耗为0.089dB 只要端面间隙控制在只要端面间隙控制在1 m之内,端面间隙损耗即可忽略不计。之内,端面间隙损耗即可忽略不计。这一点目前工艺可保证这一点目前工艺可保证大家好118.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(4)菲涅耳反射损耗菲涅耳反射损耗 v由于光纤两个端面间隙中存在不同的介质,当光进入其中由于光纤两个端面间隙中存在不同的介质,当光进入其中时就会产生多次反射,从而产生的损耗,表示为时就会产生多次反射,从而产生的损耗,表示为n0:空气折射率,:
11、空气折射率,n1:纤芯折射率。纤芯折射率。v n1=1.46,=1.31 m时算得菲涅耳反射损耗为时算得菲涅耳反射损耗为0.32dB大家好128.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(5)芯径失配损耗芯径失配损耗v多模渐变光纤芯径失配损耗多模渐变光纤芯径失配损耗:v单模光纤芯径失配损耗:单模光纤芯径失配损耗:v图图8-3为实际单模光纤芯径失配为实际单模光纤芯径失配损耗曲线损耗曲线光从纤芯半径为光从纤芯半径为a1的光纤射向纤芯半径为的光纤射向纤芯半径为a2(a2a1)的光纤时的光纤时导致的损耗导致的损耗图图8-3单模光纤芯径失配损耗曲线单模光纤芯径失配损耗曲线 大家好138.1.
12、2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(6)数值孔径失配损耗数值孔径失配损耗v光纤数值孔径失配损耗:光纤数值孔径失配损耗:当光从数值孔径为当光从数值孔径为N.A.1的光纤射向数值孔径为的光纤射向数值孔径为N.A.2(N.A.260dB。要求保证连接时插针体严格按要求保证连接时插针体严格按照预定方位对准。照预定方位对准。出发点:光通信系统中需回波损耗出发点:光通信系统中需回波损耗40dB,甚至甚至60dB手段:光纤端面形状改变,或镀增透膜手段:光纤端面形状改变,或镀增透膜(减小菲涅耳损耗减小菲涅耳损耗)大家好168.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(俗称活接头俗称活接头)(1)基础基
13、础v用于连接两根光纤或光缆形成连续光路的可重复使用于连接两根光纤或光缆形成连续光路的可重复使用的无源器件用的无源器件v应用:光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器应用:光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器仪表中仪表中v功能:连接光纤与光纤、光纤与有源器件、光纤与功能:连接光纤与光纤、光纤与有源器件、光纤与其他无源器件、光纤与系统和仪表等,其他无源器件、光纤与系统和仪表等,v目前使用数量最多的光无源器件目前使用数量最多的光无源器件v基本结构含:基本结构含:对中:可以采用套管、双锥、对中:可以采用套管、双锥、V型槽、透镜耦合等结构型槽、透镜耦合等结构插针:可以是微孔、三棒、多层等结构,插针:可以
14、是微孔、三棒、多层等结构,端面:有平面、球面、斜面等结构。端面:有平面、球面、斜面等结构。大家好178.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型类型 根据功能分根据功能分v连接器插头连接器插头(Plug Connector):实现光纤在转换器:实现光纤在转换器或变换器间插拔或变换器间插拔v跳线跳线(Jumper):将一根光纤的两头都装上插头就形:将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线成跳线v转换器转换器(Adaptor):将光纤插头连在一起:将光纤插头连在一起v变换器变换器(Converter):转变光纤插头类型:转变光纤插头类型v裸光纤转接器裸光纤转接器(Bare Fiber Adapto
15、r)。可以单独使用,也可结合为组件使用。可以单独使用,也可结合为组件使用。我国一套光纤活动连接器一般包括两个连接器插头和一我国一套光纤活动连接器一般包括两个连接器插头和一个转换器个转换器。大家好188.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型)类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v套管结构套管结构两个插针和一个套筒组成。插针为一带有微孔的精密圆柱两个插针和一个套筒组成。插针为一带有微孔的精密圆柱体,将光纤插入微孔后用胶固定并加工形成插针体。套筒体,将光纤插入微孔后用胶固定并加工形成插针体。套筒是一种加工精密的套管,有开口和不开口两种,开口套筒是一种加工精密的套管,有开口和不开口两种,
16、开口套筒使用最普遍。使用最普遍。对准时,以插针的外圆柱面为基准面,插针插入套筒并与对准时,以插针的外圆柱面为基准面,插针插入套筒并与其实现紧配合,以保证两根光纤精密对准。其实现紧配合,以保证两根光纤精密对准。连接器发展主流。设计合理、能通过加工达到要求精度,连接器发展主流。设计合理、能通过加工达到要求精度,量产容易,为量产容易,为FC、SC、ST、D4等型号连接器的基本结构等型号连接器的基本结构大家好198.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型)类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v双锥结构双锥结构插针外端面加工成圆锥面,基座内孔也加工成双圆锥面。插针外端面加工成圆锥面,基座内孔
17、也加工成双圆锥面。两个插针插入时利用锥面定位进行对接。两个插针插入时利用锥面定位进行对接。加工精度要求极高,插针和基座常采用聚合物模压成型,加工精度要求极高,插针和基座常采用聚合物模压成型,内外锥面的结合不仅保证纤芯对中,而且保证两光纤端内外锥面的结合不仅保证纤芯对中,而且保证两光纤端面间距恰好符合要求。面间距恰好符合要求。AT&T的专利技术,由其创立和使用。的专利技术,由其创立和使用。大家好208.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型)类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分vV型槽结构型槽结构将两个插针放入精密设计的将两个插针放入精密设计的V型槽中,再用盖板将插针型槽中,再用盖板
18、将插针压紧,使纤芯达到对准。压紧,使纤芯达到对准。荷兰飞利浦的专利技术,荷兰飞利浦的专利技术,单纤连接时一般不被采用,常用于单纤单纤连接时一般不被采用,常用于单纤/多纤与平板波导多纤与平板波导连接或多纤之间互相连接。连接或多纤之间互相连接。大家好218.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型)类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v球面定心结构球面定心结构由装有精密钢球的基座和装有圆锥面的插针组成。钢球由装有精密钢球的基座和装有圆锥面的插针组成。钢球开有一内径比插针外径大的通孔,当两插针插入基座时,开有一内径比插针外径大的通孔,当两插针插入基座时,球面与锥面切合使纤芯对准并使纤芯间距
19、符合要求球面与锥面切合使纤芯对准并使纤芯间距符合要求结构设计巧妙,但结构复杂,未被广泛采用。结构设计巧妙,但结构复杂,未被广泛采用。大家好228.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型)类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v透镜耦合结构透镜耦合结构通过球透镜或自聚焦透镜来实现光纤的对准。透镜将一通过球透镜或自聚焦透镜来实现光纤的对准。透镜将一根光纤的出射光变成平行光后进入另一透镜聚焦并耦合根光纤的出射光变成平行光后进入另一透镜聚焦并耦合入第二根光纤。入第二根光纤。可以降低对机械加工的精度要求,但结构复杂、体积大、可以降低对机械加工的精度要求,但结构复杂、体积大、调整元件多、损耗大,
20、在短距离便捷通信中采用调整元件多、损耗大,在短距离便捷通信中采用。球透镜耦合自聚焦透镜耦合大家好238.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型)类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分以上五种基本结构的插针体(插针以上五种基本结构的插针体(插针+对中)再加上若干外部对中)再加上若干外部零件就组成连接器插头,零件就组成连接器插头,用来实现光纤在转换器或变换器之间完成插拔功能,用来实现光纤在转换器或变换器之间完成插拔功能,其机械机构必须保证使光纤不受外界损害。其机械机构必须保证使光纤不受外界损害。大家好248.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(3)跳线)跳线结构与功能结构与功能l 将一根
21、光纤的两头都装上插头就形成跳线。将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线。l 可以是单芯的也可以是多芯的可以是单芯的也可以是多芯的l 两个插头的型号可以相同也可以不同。两个插头的型号可以相同也可以不同。l 最常用的光连接器功能元件,用于终端设备和光缆线路及各最常用的光连接器功能元件,用于终端设备和光缆线路及各光无源器件间互连光无源器件间互连大家好258.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(3)跳线)跳线选择参数选择参数插头型号插头型号跳线两头的型号可以相同也可以不同跳线两头的型号可以相同也可以不同光纤型号光纤型号如:单模、多模、色散位移、保偏等如:单模、多模、色散位移、保偏等光纤芯径光纤芯径如:如
22、:62.5 m、50 m、9 m、8 m、4 m光纤芯数光纤芯数如:单芯、双芯、四芯等如:单芯、双芯、四芯等光缆类型光缆类型如:塑料光纤、涂覆光纤、带状光缆等如:塑料光纤、涂覆光纤、带状光缆等光缆外径光缆外径如:如:3.5mm、3mm、2.5mm、2mm、0.9mm等等光缆长度光缆长度如:如:0.5m、1m等等插头数插头数 如:一头装单插头、两头各装单插头、两头各装双插头等如:一头装单插头、两头各装单插头、两头各装双插头等插入损耗插入损耗如:如:0.5dB、40dB、50dB、60dB等等插针材料插针材料如:陶瓷、玻璃、不锈钢、塑料等如:陶瓷、玻璃、不锈钢、塑料等套筒材料套筒材料如:磷青铜、铍
23、青铜、陶瓷等。如:磷青铜、铍青铜、陶瓷等。插针端面形状插针端面形状如:平面、球面、斜球面如:平面、球面、斜球面大家好268.1.5光纤固定连接器(光纤固定连接器(固定接头或接线子)固定接头或接线子)l作用:作用:使一对或几对光纤之间形成永久性连接,使一对或几对光纤之间形成永久性连接,l要求要求 要求损耗低、后向反射光小、操作简便、性能稳定。要求损耗低、后向反射光小、操作简便、性能稳定。对互换性、重复性没有要求对互换性、重复性没有要求l制作方法:制作方法:熔接法:应用最广。插损很小,无后向反射光,理想接头熔接法:应用最广。插损很小,无后向反射光,理想接头V形槽法:多芯连接。插损小,后向反射小,小
24、巧、操作简形槽法:多芯连接。插损小,后向反射小,小巧、操作简毛细管法:插损小,一定后向反射光,小巧、操作简,适合野外作业毛细管法:插损小,一定后向反射光,小巧、操作简,适合野外作业套管法:插损小,一定后向反射光,小巧、操作简便,适合野外作业套管法:插损小,一定后向反射光,小巧、操作简便,适合野外作业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。大家好278.1.5光纤固定连接器光纤固定连接器发展方向发展方向除光纤熔接机外,其他固定连接器发展方向:除光纤熔接机外,其他固定连接器发展方向:多芯化多芯化提高加工精度和研制更好的匹配液提高加工
25、精度和研制更好的匹配液利用利用V形槽和毛细管结构实现带状光纤、光波形槽和毛细管结构实现带状光纤、光波 导阵列、光有源器件阵列导阵列、光有源器件阵列大家好28 8.2 光衰减器光衰减器 l 可按照用户的要求将光信号能量尽量进行预期衰减的器件可按照用户的要求将光信号能量尽量进行预期衰减的器件l 用途:用途:光通信线路系统的评估、研究及调整、校正。光通信线路系统的评估、研究及调整、校正。l 分类分类(根据工作原理分根据工作原理分):大家好29 8.2.1光衰减器结构和工作原理光衰减器结构和工作原理(1)位移型光衰减器位移型光衰减器 l工作原理:工作原理:l 两段光纤进行连接时,纤芯错位、端面间隙都会
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