光纤通讯基本元件及基本知识

2013-5-11光纖通訊基本元件及基本知識目錄簡要﹕•光连接器•光耦合器件•光隔离器•光环形器•光衰减器•光纤通信常用单位2013-5-12一、光连接器件•光纤连接器件的作用是一根光纤中的光最大限度地传到另一光纤中，或光信号在不同光纤之间耦合传递。•广义上连接器分为两种类型：•可拆卸型连接器。它被设计成可被连接，必要时又可拆开。•永久型连接器。它被一次型连接使用，不能在拆开后重复使用。连接器的组成部分：连接器插头、光缆跳线、转换器、变换器、裸光纤连接器。2013-5-13制作光纤连接器的光纤要求•纤芯直径:单模9um0.5,多模501um.•纤芯不圆度:小于0.5um•包层直径:125um2um•包层不圆度小于2%•同轴度:小于1um•抗拉强度:大于0.5kg2013-5-14光纤的基本类型2013-5-152013-5-16精密套管结构连接器简图光纤套管插针粘结剂活动连接器的基本结构(1)2013-5-17活动连接器的基本结构(2)•双锥形结构•V形槽结构2013-5-18活动连接器的基本结构(3)•球透镜耦合与自聚焦透镜耦合2013-5-19活动连接器的核心部件2013-5-1102013-5-1112013-5-1122013-5-113连接器的品种、型号（1）1.FC系列连接器FC型连接器是一种镙纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器。2013-5-114FC型连接器的插头、转换器和内部结构连接器的品种、型号（1）2013-5-1152.SC系列连接器SC型连接器采用插拔连接，外壳使用工程塑料制作、矩形结构，便于密集安装，可以制成多芯连接器。SC型插头SC型转换器连接器的品种、型号（2）2013-5-1163.ST型连接器ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构。ST型连接器的插头与转换器连接器的品种、型号（3）2013-5-1174.不同型号插头相互连接的转换器（法兰盘）FC/SC，FC/ST，SC/ST5.不同种类的变换器SC→FC，ST→FC，FC→SC，FC→ST，SC→ST，ST→SC6.各种裸光纤转接器连接器的品种、型号（4）2013-5-118连接头端面类型Ferrule+FlangeInsertionLoss(插入损耗)0.3dBReturnLoss(回波损耗)PC40dBSPC45dBUPC50dBAPC60dB2013-5-119光在光纤中的衰减2013-5-120光衰减中的规律2013-5-121连接器的主要指标连接器的主要指标:1.插入损耗•基准法：（国家标准）•替代法：（国家标准）•跳线插入损耗测试)(log10dBPPIinoutL2013-5-122连接器的主要指标2.回波损耗在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率的分贝数。3.重复性和互换性重复性是指同一对插头，在同一只转换器中多次插拔之后，其插入损耗的变化范围。插拔次数一般取5次。互换性是指不同插头之间。或者不同连接器任意置换之后，其插入损耗的变化范围，性能一致性。)(log10dBPPRinreflectL2013-5-123光纤连接器一般性能1.040~50PC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4102013-5-124纤芯错位损耗影响连接损耗的因素光纤连接时，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗。1.纤芯错位损耗2013-5-1252013-5-126光纤倾斜损耗2)/(log10dLdeIaVV)879.2619.165.0(62/3其中（2）光纤倾斜损耗对单模光纤当错位损耗取0.1DB，并假定a=5um,则横向错位d=0.72um.对于单模光纤横向错位小于0.8um2013-5-1272013-5-12822)/(log10neIL（3）光纤端面间隙损耗)41log(10KaZILZ其中Z是端面间隙，K=n1/n2。当端面间隙控制在1um以内损耗小于0.006db，可以忽略。（4）光纤端面多次反射（Snell反射）引起的损耗42)1(16log10KKILf光纤端面间隙损耗光纤端面间隙损耗对于要求倾斜损耗小于0.1DB，则单模光纤的倾斜角度应小于0。3度。生产中小于0。1度其中k=n1/n0,n0为空气折射率，取n0=1,n1=1.46计算得到Ilf=0.32db2013-5-129（5）纤芯（或模场）尺寸失配引起的连接损耗（6）数值孔径失配引起的连接损耗21221)(41logLaI212)log(10NANAILNANA1≧NA2NA1﹤NA20LNAI失配引起的连接损耗失配引起的连接损耗aVV)879.2619.165.0(62/3其中2013-5-130其他原因引起的损耗•光纤端面不平滑，会导致散射损耗•光纤端面与轴线不垂直，会产生连接损耗。•上述的各种因素不仅影响插入损耗，也同时影响着连接器件的重复性和互换性。因此各种因素的改善，也会提高重复性和互换性指标。2013-5-131改进回波损耗的方法•平面接触•球面接触•斜球面接触•ReturnLoss(回波损耗)•PC40dBSPC45dB•UPC50dBAPC60dB2013-5-132光纤连接器的测试方法•基准法•替代法•跳线插入损耗测试•重复性•互换性•回波损耗测试2013-5-133连接器的发展方向（1）•1、进一步提高性能指标•插入损耗和回波损耗是今后有待改善的主要指标。•插入损耗目前是0.1dB到0.5dB之间，平均为0.3dB,逐步到平均值0.1dB,变化范围小至0.2dB.•采用加工精度，增加一致性和互换性•采用镀膜工艺提高回波损耗2013-5-134连接器的发展方向（2）•2、发展带状光缆连接器•多芯带状连接器，4芯、8芯、10芯等•日本可达到1000芯带状光缆连接器•3、发展多功能的连接器•现已有外形与FC、SC、ST型转换器一样的固定衰减器•外形和各种变换器一样的固定衰减器•外型与FC型转换器一样内部有接收和发光芯片的光电器件2013-5-135连接器的发展方向（3）•预期会产生下面器件：•装有光发光模块和光接收模块的各种型号的转换器•再插针端面，镀各种模组成不同功能的插头•再插针端面生成微透镜，使出射光变成平行光•转换器内部装有光隔离器、调制器的光集成器件•将激光器陈列芯片和接收器件阵列芯片与带状光缆连接集成在一起。2013-5-136光纤固定连接•制作固定接头的方法有：熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法。•熔接法最普遍，是光通信中光纤固定连接的主要方法。•插入损耗小、后向反射光为零。•加热和熔化的方法有三种：•电弧熔接；采用电极高压放电的方法加热光纤，使之熔融连接。电弧放电和光纤对准已实现自动化作业。•氢焰熔接；用于一些特殊场合，如海底光缆熔接，接头强度高，但火焰的控制较为困难。•激光熔接；CO2激光加热熔接光纤。加热环境非常洁净，接头强度高，但设备昂贵。2013-5-137三种熔接方式图2013-5-138其它固定连接方法•V形槽法，毛细管法和套管法；适合野外作业，抢修等。插入损耗小、有一定后向反射光，操作简单、小巧。2013-5-139光纤熔接机•光纤熔接机结构：•光纤准直和夹紧机构•光纤对准结构：可达0.01微米•电弧放电结构•放电和电机驱动的控制机构•光纤熔接机熔接光纤过程2013-5-140作业•如何测量连接器的插入损耗和回波损耗？写成小论文的形式，按学术论文的书写格式。（必做）•降低光纤熔接损耗的措施有哪些？（2，3选一）•简述光纤熔接机纤芯直视原理？（2，3选一）2013-5-141二、光耦合器件–主要功能再分配光信号–重要应用在光纤网络–尤其是应用在局域网–在波分复用器件上应用2013-5-142光耦合器件分类光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端口形式上划分，它包括X型(2×2)耦合器、Y形（1×2）耦合器、星形（N×N，N2）耦合器以及树形耦合器等。2013-5-143光纤耦合器基本原理（1）•按工作原理分：光纤型、微光学机械型、波导型。从性能和价格考虑，光纤型为最好。•下面介绍光纤型耦合器的基本结构和工作原理。把两根或多根光纤排列，用熔融拉锥技术制作。在熔接区，光纤变细，相互靠近，发生了耦合。由于常规单模光纤中大约有20％的光是靠包层传输的，光纤变细就有更多的能量分布于芯线外，加之光纤相互靠近，于是在耦合区就发生了不同程度的耦合。耦合区2013-5-144根据耦合模理论，耦合器的振幅传输特性可以用下式表示Ei1Ei2Eo1Eo22121)cos()sin()sin()cos(iiliooEEllilileEE传输矩阵光纤耦合器的传输特性（1）2013-5-145式中，l是耦合区长度，光波传输常数，是耦合系数，与耦合区宽度、纤芯折射率有关。由上式可得耦合器的功率传输矩阵)(sin)(cos221211llTT光纤耦合器的传输特性（2）2013-5-146光纤耦合器的传输特性（3）2013-5-147光纤耦合器的传输特性（4）2013-5-1481.插入损耗（InsertionLoss）插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减少值。)(log10dBPPILioii2.附加损耗（ExcessLoss）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。)(log10dBPPELioi光耦合器的技术参数(1)2013-5-149附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。3.分光比（CouplingRatio）分光比是耦合器各输出端口的输出功率与输入功率的比值。%100ooiPPCR光耦合器的技术参数(2)Pi1PiNPo1PoNPotPit2013-5-1504.方向性（Directivity）在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端的输出光功率与全部注入光功率的比较值。5均匀性（uniformity)在器件的工作带宽内，各输出端口输出光功率的变大变化量。用来衡量均分器件的“不均匀程度“的参数。光耦合器的技术参数(3)Pi1PiNPo1PoN2013-5-1516.偏振相关损耗（Polarizationdependentloss）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，俗称偏振灵敏度。指当传输光信号的偏振态发生360度变化时，器件个输出端口光功率的最大变化量。7.隔离度（Isolation)是指光纤耦合器件的某一光路对其他光路中的光信号隔离能力。最大应用是用于反映WDM器件对不同波长信号的分离能力。光耦合器的技术参数(4)2013-5-152μm-40~+70-40~+70工作温度/ºC1~1.250.8~2.0稳定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入损耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波长/n×n星型2×2型耦合器光纤耦合器的一般特性2013-5-1531.侵蚀法2.研磨法3.熔融拉锥法熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，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。光耦合器的制作方法2013-5-154熔融拉锥系统示意图熔融拉锥系统2013-5-155树形耦合器拼接示意图星形耦合器和树