XXXX光纤通信幻灯片-常用光无源器件

HITCRC哈尔滨工业大学光纤通信第四章—常用光无源器件张文彬哈尔滨工业大学通信技术研究所2014-7-142第四章常用光无源器件的目录§4.1光纤连接器§4.2光纤耦合器§4.3波分复用/解复用器§4.4光开关§4.5光隔离器及光环形器2014-7-143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。2014-7-144§4.1光纤连接器光纤连接器可分为：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。光纤连接器的结构与种类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。制作固定接头的方法有熔接法、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。2014-7-145§4.1光纤连接器活动连接器定义：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。2014-7-146§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。2014-7-147§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。2014-7-148§4.1光纤连接器光纤连接器特性参数评价一个光纤连接器的主要性能指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。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。1010lg(/)()cAPPdBcA0P1P2014-7-149§4.1光纤连接器插入损耗的补充：造成损耗的原因(1)横向错位对于多模阶跃折射率光纤来说，假定纤心横截面内光功率均匀分布，纤心的横向对准差错损耗仅由发射光纤和接收光纤纤心的不重叠部分决定，如下图所示：耦合效率是重叠面积(阴影部分)与纤心面积的比值，可以计算出耦合效率为：22arccos[1()]222dddaaa式中，反余弦函数的单位是弧度。相应的以分贝为单位计算的损耗为：10lgL2adad2014-7-1410§4.1光纤连接器(1)横向错位SI(阶跃型)单模光纤和抛物线折射率单模光纤的连接损耗为：式中，是光斑尺寸，计算公式为：210lgexp()dLw3/260.651.6192.879wVVaw例题：对于多模阶跃折射率光纤来说，假设纤心直径均为50微米，要求耦合损耗小于1dB，试问允许的轴向位移是多少？并重复计算耦合损耗为0.5dB和0.1dB的情况。例题：某一单模玻璃光纤，，，相对横向偏移值从0到5um，工作波长为1.3um和1.55um，绘出损耗与偏移之间的曲线。11.465n21.46n3.96aum，1.2V2.42014-7-1411§4.1光纤连接器(2)角度错位对于多模阶跃折射率光纤来说，耦合效率为：是两根光纤端面之间形成的楔形缝隙内填充材料的折射率，是错位的角度，单位为弧度，由此产生的耦合损耗为：对于单模光纤来说，耦合损耗为：01nNA0n010lg(1)nLNA2210lgexp[()]nwLw2n式中，单位是弧度，是高斯光斑尺寸，是包层材料的折射率。例题：某SI光纤(阶跃型光纤)，，，归一化频率为2.4。计算该光纤的纤心半径、数值孔径和0.8um波长处的光斑尺寸(单模光纤)。11.465n21.46n角度错位结论：数值孔径越大，角度错位对耦合效率、损耗的影响越小；数值孔径越大，耦合损耗随错位角度的增加越慢。2014-7-1412§4.1光纤连接器(3)端面分离2axa)多模阶跃光纤的端面间隙产生的损耗在光纤纤心截面内功率均匀分布的前提下，由小的端面间隙导致的损耗为：，式中，是匹配液的折射率，在没有匹配液的情况下，。010lg(1)4xNALan0n01nb)单模光纤的端面间隙产生的损耗:22224(41)10lg(42)4ZLZZ式中：22/2Zxnwc)总结：对于单模或多模光纤来说，端面分离间隙并不是关键的损耗因素，而横向对准差错是最严重的损耗因素。2014-7-1413§4.1光纤连接器(4)光纤端面不平滑粗糙的光纤端面产生散射，将导致比较显著的损耗。如果光纤端面不平行，会使光纤端面与光纤轴线不垂直，这种情形也会导致连接损耗的增加。用匹配液填充凹凸不平的端面并消除倾斜造成的间隙，有助于解决这一问题。若要求非常低的连接损耗，光纤端面必须是平滑且平行的。(5)不同光纤之间的连接（直径差异，数值孔径差异，类型差异）将有不同数值孔径或纤心直径的光纤相互连接是经常会遇到的事情，同样结构的光纤的纤心直径也可能会有差异。假设光从纤心半径为的光纤传送到纤心半径为的光纤。如果，则损耗为：(阶跃、渐变光纤都成立)，如果接收光纤比发射光纤粗一些，则没有损耗。1a2a12aa22110lg()aLa2014-7-1414§4.1光纤连接器光线从具有较高数值孔径的光纤传输到较低数值孔径的光纤，一些发射光线将落在接收光纤接收角之外，如果，则连接损耗为：(多模阶跃和渐变光纤都有效)如果接收光纤的数值孔径比发射光纤的数值孔径大，则没有损耗。(5)不同光纤之间的连接（续）12NANA22110lg()NALNA不同光纤之间的连接结论：光功率从SI光纤传输到抛物线折射率的GRIN光纤，如果两者的轴心有相同的数值孔径且纤心半径相等，则连接损耗为3dB。光功率从GRIN光纤传输到SI光纤则没有损耗。（SI：Step-indexfiberGRIN：Graded-indexfiber渐变折射率光纤）2014-7-1415§4.1光纤连接器010lg(/)rRAPPrA0P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统的影响。RP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。2014-7-1416§4.2光纤耦合器光纤耦合器概述定义简称耦合器，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、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(StandardCoupler，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。2014-7-1417§4.2光纤耦合器2014-7-1418§4.2光纤耦合器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导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。2014-7-1419§4.2光纤耦合器2014-7-1420§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”。2014-7-1421§4.2光纤耦合器(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。光纤耦合器的特性参数特性参数光纤耦合器除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：插入损耗，附加损耗，分光比，方向性，均匀性，偏振光损耗，隔离度2014-7-1422§4.2光纤耦合器10lg()outiiinPILdBP(1)插入损耗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。outiPinP(2)分光比是光耦合器所特有的技术术语，定义为耦合器各输出端口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：100%outioutiiPCRP对于标准X形耦合器，1:1或50:50代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。2014-7-1423§4.2光纤耦合器(3)附加损耗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：10lg()outiiinPELdBP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。2014-7-1424§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：2110lg()ininPDLdBP式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。(5)偏振相关损耗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，器件各输出端口插入损耗的最大变化量，实际应用时，光信号的偏振态经常发生变化，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损耗。2014-7-1425§4.2光纤耦合器(6)返回损耗输入端口的反射功率与输入总功率的比值：)/lg(101'1