第5章 光功率发射和耦合

下面针对FC、SC和ST这三种连接器作简单的 介绍。

Connector Brands
Photo courtesy of: Diamond SA
(1) FC系列连接器

FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采 用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采 用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国 家标准。
光 纤 连 接 器
光纤连接器的结构与种类

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。
Connector Brands
Photo courtesy of: Diamond SA
1. 光纤连接器的结构
第5章 光功率发射和耦合
光源与光纤的耦合 光纤与光纤的耦合
本章主要学习
光源至光纤的功率发射 光路无源器件
教学内容和基本要求
1、教学内容 （1）光源至光纤的功率发射 光源的输出方向、功率 耦合计算、发射功率与波长的关系、稳态数值孔径； （2）光源与光纤的连接、光纤与光纤的连接、连接损 耗、连接方法 ； （3）光纤连接器 。 2、基本要求 了解光源至光纤、光纤与光纤连接过程的基本原理及 连接方法，影响连接的损耗等其它因素。
光隔离器
保证光信号只能正向传输的器件， 避免线路中由于各种因素而产生的反 射光再次进入激光器，而影响激光器 的工作稳定性。 由两个偏振器和一个法拉第旋转器 组成。 主要参数和指标： 插入损耗低，隔离性能好。 隔离衰减的大小用 αi 表示 ： αi=10lg(Pr/Pout) (dB)
A Simple Isolator
二、光纤与光纤的连接
（a）当所有的模式处于 相同的激励状态，则发射 光束充满了光纤的全部输 出数值孔径
（b）对于一个稳态的模 式分布，输出的光束只充 满稳态的数值孔径
1. 光纤与光纤的偶合效率为：
F
M
模式容量
comm E
M
模式数量
2. 光纤与光纤的偶合损耗：
L F 10 log F
5.4 光路无源器件
一．光纤连接器 ——称光纤活动连接器，活动接头。用于设备（光端机、光 测试仪表等）与光纤之间的连接，光纤与光纤之间的连接或 光纤与其它无源器件的连接。 是组成光纤通信系统和测试系统不可缺少的一种重要无源器 件。
光纤连接器应满足如下条件： （1）连接损耗小：单模光纤连接器的插入损耗为0.5dB左右； （2）装、拆方便； （3）稳定性好：连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大； （4）重复性好：一般要求重复使用次数大于1000次； （5）互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换； （6）体积小，成本低
a 2 Ps ( NA ) r s
rs>a
当光纤端面的介质折射率n不同于纤芯折射率n1，耦合进光 纤的功率将降低一个因子大小。
n n R 1 n n 1
2
Pcouple (1 R ) Pemitted
5.2 光源与光纤、光纤与光纤的偶合

图5.3 V形槽结构
图5.5 球透镜耦合结构
图5.6 自聚焦透镜耦合
Connector Brands
Photo courtesy of: Diamond SA
2. 光纤活动连接器的种类

光纤活动连接器的品种、型号很多，其中有代 表性的有：FC、ST、SC、D4 、双锥、VF O(球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。
一、光源与光纤的偶合 对光功率的注入分析是基于将光纤的平面端面中心尽 可能地靠近光源。 如果光源发射面积大于光纤纤芯的面积，则最终偶合 进光纤的光功率可以达到最大值。如果光源的发射面积 小于纤芯的面积，可以在光源和光纤之间设置微型透镜 来改善功率偶合效率。 微型透镜功能是扩大光源的发射面积，使之与光纤纤 芯区域精确匹配。
1. 插入损耗

插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后， 其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达 式为：
Ac＝-10lgP1/P0 (dB)
式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1 为输出端的光功率。
2. 回波损耗

回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连 接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数， 表达式为：
(4) 活动连接器跳线的规格

(5) 新型多芯光纤连接器

随着用户通信网规模的扩大、WDM的普及、 电信网／数据网的光纤化乃至多媒体大容量信 息处理设备的发展均推动着光缆向多芯、高密 度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光 纤连接器进行连接，多芯带状光纤MT连接器就 应运而生。
光纤连接器特性 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入 损耗、回波损耗、重复性和互换性。
a)面发射二极管(朗伯源)
b)边发射二极管
c)实际的辐射模式
因为它的辐射模式，SLED（面）比较适合与多模光纤配合使用，而ELED（边）则 比较适合与单模光纤配套。
面发射的LED利用朗伯光源的 输出方向图表示－任何方向观 察，光源都是等亮度的。
在相对于发射面的θ角度上，光源 发出的功率随cosθ变化，朗伯光源的 发射方向图的关系式如下：
检测、控制使用。有时也需要把两个不同方向来的光信号 合起来送入一根光纤中传输，这些都需要定向耦合器来完 成。 分为棱镜式和光纤式两类
Common
l1
l2
主要参数
（1）隔离度A 端1输入，应从端2和端3输出，端4应无光输出，但实 际上端4还是有少量光功率输出。 A1-4=－10lg （P4/P1 ） （dB） 一般，要求A<20 dB （2）插入损耗L L=-10lg （P2+P3 / P1 ） （dB） 一般要求：L≦0.5 dB （3）分光比T T=P3 / P2 一般定向耦合器的分光比为1：1～10：1


0
2
0
[度B对称，光 纤的端面在光源 发射面中心之上 并且位置尽可能 靠近光源。
在允许的角度以 外的光将损失掉
图5.3 光源偶合进光纤示意图
LED光源发射到阶跃折射率光纤中的光功率：
Ps ( NA )
2
2
PLED
, step
rs≤a
纤芯半径
PLED
, step
L log 0 . 5 log(cos 5 )


log 0 . 5 log 0 . 9962
182
该解说明：半导体激光器的更窄的输出光束可以让更多的光功率偶合进 光纤中。
5.1.2 功率耦合计算
P
rm
dA d
s Af
f
s
B ( As , s ) B ( , ) sin d d ] d s rdr
ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
(2) ST型连接器

(3) 不同型号插头互相连接的转换器

对于上述FC、SC、ST三种连接器，在对不同 型号插头连接时，需要转换器进行连接。 由于实际使用情况非常复杂，因而跳线的规格 也多种多样。在选择跳线时，至少有下述几个 参数是需要明确的。
T和L：横向和侧向的功率分 布系数
例5.1：
图5.2 比较了一个朗伯光源和一个半导体激光器的输出 方向图，此半导体激光器具有水平方向（Φ＝0o)的 2θ=10o的半功率光束宽度。在这种情况下，从（5.2） 式可得： B(θ=5o, Φ＝0o)=B0=(cos5o)L=(1/2)B0 求解L，可得到：
三、光衰减器
当输入光功率超过某一范围时，需要对光信号进行 一定程度的衰减，采用金属蒸发膜来吸收光能进行光 衰减，衰减量大小与膜的厚度成正比。 （1）固定衰减器 衰减量固定，具体规格有3、6、10、20、30 dB标准水碱量，误差＜10％ （2）可变衰减器 分为：连续可变和分档可变
光隔离器和环行器

光纤连接器基本上是采用某种机械和光学 结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以 上的光能够通过，目前有代表性并且正在使 用的光纤连接器主要有五种结构。
(1) 套管结构

套管结构的连接器由插针和套筒组成。 双锥结构连接器是利用锥面定位。 V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入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，(如图4.3所示)。
LD
B ( , ) B 0 cos
沿辐射面法线方向 的辐射强度
(5.1)
边发射的LED和半导体激光器有更复杂的 辐射方向图。辐射角分布近似：
1 B ( , ) sin
2
图5.2 朗伯光源和半导体激光器 的水平输出方向图
B 0 cos
T


cos
2
B 0 cos
L

(5.2)
5.1 光源至光纤的功率发射
5.1.1 光源的输出方向图
发出的光束呈锥体。在一个球面坐标系中，用R、θ， φ表征。见图5.1
图5.1 表征光源辐射方向图的球面坐标系
LED的辐射模式
P P0 cos
LED辐射光的方式如同—个朗伯源。其中θ
是观察方向与发射面垂线之间的夹角； 所以当θ ＝0o时有P=Po。朗伯源产生功 率的一半都集中在一个l20o的圆锥之中。
Ar＝-10lgPR/P0 (dB)
式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR 表示后向反射光功率。
3. 重复性

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。
4.互换性

互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变
化，也用dB表示。
二、光定向耦合器
经常遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为