光纤通信chap3-3

3.3光无源器件3.3.1连接器和接头3.3.2光耦合器3.3.3光隔离器与光环行器3.3.4光调制器3.3.5光开关3.3光无源器无源光器件的要求：插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成等。3.3.1连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。光纤连接器按连接头结构形式可分为：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种形式。按光纤端面形状分有PC（包括SPC或UPC）和APC；按光纤芯数划分还有单芯和多芯（如MT-RJ）之分。光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。连接器的类型—按接头外形分类：FCNTT公司开发：其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣连接器的类型—按接头外形分类：SCNTT公司开发：外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转，具有安装密度高的特点由AT＆T开发出来，是双锥型连接器。ST光纤连接器有一个直通和卡口式锁定机构。连接器的类型—按接头外形分类：ST连接器的类型—按接头外形分类：LCBellLab开发：采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中连接器的密度。连接器剖面连接器的类型——按插针端面分类PCAPC•PC:微球面研磨抛光•SPC:端面为180度球面。•APC:呈8度角并做微球面研磨抛光。•UPC：平面研磨抛光。FC/PC-FC/PC:光纤连接器件两端均为圆形螺旋式接头FC/PC-SC/PC:光纤连接器件一端为圆形螺旋式接头,一端为方形插拔式接头。光纤ODF是光纤配线架的英文缩写，用于光缆和光缆之间的跳接和连接。表3.5光纤连接器一般性能1.040~50SC型陶瓷-40~+80陶瓷-20~+70不锈钢工作温度/ºC不锈钢寿命（插拔次数）35~40FC型反射损耗/dB互换性/dB重复性/dB0.2~0.3插入损耗/dB性能型号或材料项目3101.0410光纤的连接光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，另一种是活动连接。永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。熔接法如图所示。单模光纤的纤芯直径要在10μm以下，因此熔接必须使用机器才行。3.3.2光耦合器耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。1.T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分复用器/解复用器图3.28常用耦合器的类型T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分2.光纤型微器件型波导型N×N1×N光纤耦合器(1)两根以上光纤除去涂覆层并靠拢(2)在高温加热下熔融并向两侧拉伸(3)加热区形成双锥体形式的波导光纤型图3.29(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12个2×2耦合器组成的8×8星形耦合器输入光光强度光纤a光纤b输出光2341(a)(b)123456789101112(c)LCPPbl20sinLCPPPPbal200cos耦合器内的光功率分布：随位移的变化假设耦合器无损耗f2=f1-p/2f1=f2-p/2Pa和Pb与拉伸区宽度有关zCλL为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。L是光在耦合区的传播距离LClCλL=0Pa/P0Pb/P0CλL=0CλL耦合器内的光功率分布：随波长的变化P1和P2与入射波长有关例如成品上会标注：1550nm50:50给定拉伸区长度(如15mm)设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0；当Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大。对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55μm的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5dB，波长隔离度大于20dB。影响耦合光功率的参数耦合光功率P2跟以下参数有关：拉伸区长度2L+W注入光束的波长l拉伸区内逐渐变小的光纤半径rCλ耦合区中两根光纤的半径差DrCλ纤芯间的距离Cλ光纤折射率分布Cλ图3.31(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复用器光纤自聚焦透镜自聚焦透镜光纤滤光片l1、l2l1l2l1l2l3l1＋l2＋l3光纤自聚焦透镜硅光栅光纤自聚焦透镜分光片1342(b)(a)(c)(d)微器件型用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图3.31所示。衍射光栅型波分复用器结构示意图光纤透镜光栅l1+l2+l3l1+l2+l3l1+l2+l3l1l2l3采用棒透镜的光栅型WDM光纤棒透镜光栅l1+l2+l3l1l2l3图3.32波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；光波导开角(a)(b)(c)多模波导多层膜滤光片单模波导1.55m1.55m1.3m1.3m波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。3.说明耦合器参数的模型如图3.33所示，主要参数定义如下。耦合比CR是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用%表示NnonocOtOCPPPPCR1(3.29)由此可定义功率分路损耗Ls：Ls=10lg)1(CR(3.30)附加损耗Le由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率Pit和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示NnonNninotitePPpPL11lg10lg10(3.31)ocictppLlg10(3.32)方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示一致性U是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。ricppDIRlg10(3.33)例2×2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200W，另外三个端口的输出功率分别为P1=90W，P2=85W，P3=6.3nW，可以求得为：48.6%%100859085%100122PPP耦合比dB58.08590200log10log10120PPP附加损耗dB3.4790200log10log10)10(10PP端口端口到插入损耗dB45200103.6log10log10303PP串扰dB3.7285200log10log10)20(20PP端口端口到插入损耗3.3.3光隔离器与光环行器耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器。光偏振(极化)单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。隔离器工作原理如图3.34所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45°，并且其旋转方向与光传播方向无关。偏振器图3.34隔离器的工作原理法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45°方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45°后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45°方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45°，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图3.35所示。图3.35一种与输入光的偏振态无关的隔离器光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)2l具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45°。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片(plate或halfwaveplate)。这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出，如图3.35(a)所示。另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图3.35(b)所示，于是就起到隔离作用。环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图3.36所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。光环行器主要用于光分插复用器中。图3.36(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)13243.3.4光调制器调制器可以用电光效应、磁光效应或声光效应来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。这种晶体的折射率n和外加电场En=n0+αE+βE2(3.34)式中，n0为E=0时晶体的折射率。α和β是张量，称为电光系数。根据不同取向，当β=0时，n随E按比例变化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。当α=0时，n随E2按比例变化，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，改变了入射光的相位和输出光功率。ppUUUPbScos1(3.35)图3.37是马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器的简图。在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率式中Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，Uπ为光功率变化半个周期(相位为0~π)所需的外加电压，并称为半波电压。由式(3.35)可以看到，当Us+Ub=0时，P=2为最大；当Us+Ub=Uπ时，P=0。图3.37马赫-曾德尔干涉仪型调制器信号电压电极输出光电光晶体光波导输入光图3.38马赫-曾德尔干涉仪型调制器特性2102πp输出波形输入波形相位差输出光功率P外调制得到的NRZ信号0p0NRZinput3.3.5光开关光