光纤通信 第五章 光纤线路技术及器件 光环形器

活动连接器
连接两根光纤或光缆使其成为光通路的 可以重复装拆 重复装拆的活接头 可以重复装拆的活接头 用于光源到光纤、光纤到光纤、 用于光源到光纤、光纤到光纤、光纤与 深测器、 深测器、器件之间等的连接 必须具备损耗低、体积小、重量轻、 必须具备损耗低、体积小、重量轻、可 靠性高、便于操作、 靠性高、便于操作、重复性和互换性好 以及价格低廉等优点。 以及价格低廉等优点。要求能承受机械 振动和冲击、 振动和冲击、适应一定的温度和湿度环 境条件、 境条件、装拆时防止杂质污染的保护措 施。
法拉第旋光效应
光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。 磁光晶体的法拉第效应 法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到的 法拉第效应是法拉第在 年首先观察到的 不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该 物质的光的偏振方向发生旋转， 物质的光的偏振方向发生旋转 ， 也称磁致旋 光效应。沿磁场方向传输的偏振光， 光效应 。 沿磁场方向传输的偏振光 ， 其偏振 磁场强度， 材料长 方向旋转角度 θ=VBL (B磁场强度， L材料长 磁场强度 维尔德常数为材料的特性常数) 度，V维尔德常数为材料的特性常数)。 维尔德常数为材料的特性常数 偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关， 偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关 ， 而与光传播的方向无关。 而与光传播的方向无关。 磁光材料有钇铁石榴石（ 磁光材料有钇铁石榴石 （ YIG）、 铋铁石榴 ） 石（SIC）等。 ）
Pr RL = −10 log Pi
(dB )
Pi Pr
Pi：正向输入光隔离器的光信号功率 Pr ：返回输入端口的光功率
隔离度
指在逆光隔离器通光方向上传输的光信 号由于引入光隔离器而产生的损耗
Pi′ I so = −10 log Po′
(dB )
Pi’：反向输入光隔离器的光信号功率 ： Po’：返回输入端口的光功率 ：
光纤线路技术
为了实现光信号从发射机至接收机的传 送，在整个光纤的传输线路上既需要解 决由光纤损耗、 决由光纤损耗、色散及非线性引起的信 号衰减和畸变等问题， 号衰减和畸变等问题，还需要解决信号 的调制、信号的选路、线路的连接、 的调制、信号的选路、线路的连接、光 功率的分配、光功率的控制、 功率的分配、光功率的控制、杂散光的 隔离等一系列工程实践问题。 隔离等一系列工程实践问题。
φ 0.125±0.001
4
套管
常用开口套管， 常用开口套管，选用弹性好的材料如磷 青铜、铍青铜、 青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作
+0 3.2 −0.02 −0.002 2.5 −0.007
0.005±0.0001
φ φ
双锥结构
利用锥面定位 双锥 套筒 光纤 锥型 插针
光纤Байду номын сангаас
V型槽结构 型槽结构
插针 光纤
(a)横向错位 横向错位
(b)端面间隙 端面间隙
(c)角度倾斜 (d)端面形状 (d)纤芯直径差异 角度倾斜 端面形状 纤芯直径差异
改进回波损耗的办法
光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到 折射率不同的界面时会出现菲涅尔反射 折射率不同的界面时会出现菲涅尔反射 如果两光纤对接处存在端面间隙或者光纤端 面存在高折射率的变质层或者光纤端面存在 划痕、凹坑、 划痕、凹坑、污物都会引起光线在对接处产 生菲涅尔反射从而造成了光纤连接器的回波 损耗 将原来的平面接触更改为球面接触、 将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面 接触等
影响插入损耗的因素
光纤连接时， 光纤连接时 ，产生的损耗主要来自制造技 术和光纤本身的不完善。 术和光纤本身的不完善。 光纤的横向错位、角度倾斜、端面间隙、 光纤的横向错位 、 角度倾斜、 端面间隙 、 端面形状、端面光洁度以及纤芯直径、 端面形状 、 端面光洁度以及纤芯直径 、 数 值孔径、 值孔径、 折射率分布的差异和光纤的椭圆 偏心度等都会影响连接质量。 度、偏心度等都会影响连接质量。
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件 作用： 作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响 例如：半导体激光器、 例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、 应用：光纤通信、光信息处理系统、光 纤传感以及精密光学测量系统等 分类： 分类：偏振相关型和偏振无关型两类
值越大越好
偏振相关损耗和偏振模色散 偏振相关损耗 偏振模色散
偏振相关损耗（ 偏振相关损耗 （ PDL）： 指输入光偏振 ） 态发生变化而其它参数不变时， 态发生变化而其它参数不变时 ， 器件插 入损耗的最大变化量 最大变化量， 入损耗的 最大变化量 ， 是衡量器件插入 损耗受偏振态影响程度的指标。 损耗受偏振态影响程度的指标。 偏振模色散（ 偏振模色散 （ PMD）： 指通过器件的信 ） 号光不同偏振态之间的相位延迟差。 号光不同偏振态之间的相位延迟差。
x z 端 口 1 3 1 2 3 4 5 6 端 口 2 4
y
端口3→端口 端口4 端口 端口
x z 端 口 1 3 1 2 3 4 5 6 端 口 2 4
y
技术指标
包括插入损耗、回波损耗、隔离度、 包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串 偏振相关损耗、 音、偏振相关损耗、偏振模色散等 串音指两个不相邻端口之间理论上不能 接收到光信号但实际中由于种种原因而 接收到的功率以dB表示的相对值 表示的相对值， 接收到的功率以 表示的相对值，
压盖 V形槽 形槽
主要性能指标
插入损耗：一般在 以下。 插入损耗：一般在0.5dB以下。 以下 回波损耗：一般应大于45dB。 回波损耗：一般应大于 。 重复性：每次插拔后其损耗的变化范围， 重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般 应小于0.1dB。 应小于 。 互换性： 互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损 耗的变化范围，一般应小于0.1dB。 耗的变化范围，一般应小于 。 插拔次数： 插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插 拔的次数，一般应在千次以上。 拔的次数，一般应在千次以上。 工作温度：在工作温度范围内（ ～＋70℃ 工作温度：在工作温度范围内（-25～＋ ℃ ～＋ 范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范 ），连接器的损耗变化量应在 范围内），连接器的损耗变化量应在 范 围内变化。 围内变化。
无源器件和有源器件
无源器件( 无源器件(passive device)：本身不发生 ) 光电或电光转换的器件。如光隔离器、 光电或电光转换的器件。如光隔离器、 光耦合器、光环形器等实现连接光路、 光耦合器、光环形器等实现连接光路、 分配光功率以及合波和分波等作用。 分配光功率以及合波和分波等作用。 有源器件( 有源器件(active device)：本身会发生光 ) 电或电光转换的器件，如激光器、 电或电光转换的器件，如激光器、光电 检测器、光放大器等。 检测器、光放大器等。
光环形器( 光环形器(circulator) )
多端口非互易 N（N>2）个端口 （ ） 光由端口1− 端口 端口2； 光由端口 −>端口 ； 由端口2− 端口 端口3; 由端口 −>端口 …… 若端口N输入的光可由 若端口 输入的光可由 端口1输出 输出， 端口 输出 ， 称为环行 若不可以， 器，若不可以，称为准 环行器
球面接触
斜球面接触
连接器的表示
/ 表示外部连接方式 外部连接方式， ：表示外部连接方式，有FC、SC、ST、 、 、 、 FDDI、D4、MU、MC、E2000等 、 、 、 、 等 ：表示插针端面形状，有FC、PC、UPC、 表示插针端面形状 表示插针端面形状， 、 、 、 APC等 APC等
套管结构
由插针和套管组成，都是精密的机械结 插针和套管组成， 构和光学结构 光纤固定在插针里， 光纤固定在插针里，两个插针在套管中 对接并保证两根光纤的对准 套管 插针 光纤 光纤
插针
可用不锈钢、陶瓷、玻璃、 可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作 陶瓷材料具有极好的温度稳定性， 陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系 数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近， 数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近， 使用最多 φ 2.499±0.0005
应用
双向通信中的重要器件， 双向通信中的重要器件，完成正反向传 中的重要器件 输光的分离 单纤双向通信、 下话路、 单纤双向通信、上/下话路、合波 分波 下话路 合波/分波 及色散补偿等
结构
光 纤 准 直 器 x z 端 口 1 3 1 分 束 合 束 镜 偏 振 旋 转 镜 2 3 光 束 变 换 器 4 偏 振 旋 转 镜 5 分 束 合 束 镜 6 光 纤 准 直 器 端 口 2 4
常用术语
连接器插头(plug connetor) 连接器插头 光缆跳线(jumper cable) 光缆跳线 转换器:(adaptor)插座、法兰盘 插座、 转换器 插座 变换器(converter) 变换器(converter) 裸光纤转接器
FC Connector
ST Connector
SC Connector
y
分束/合束镜 分束 合束镜
将任意状态的输入光变成分解成两束偏 振方向垂直的偏振分量 双折射平行平板、 双折射平行平板、楔形双折射晶体
偏振旋转镜
90度非互易旋转器 度非互易旋转器
端口1→端口 端口2 端口 端口
x z 端 口 1 3 1 2 3 4 5 6 端 口 2 4
y
端口2→端口 端口3 端口 端口
光纤的连接
光纤的连接将两根光纤端面结合在一起， 光纤的连接将两根光纤端面结合在一起， 实现光信号的持续传输。 实现光信号的持续传输。 根据连接方式的不同，可分为活动 活动连接和 根据连接方式的不同，可分为活动连接和 固定连接 连接。 固定连接。 利用活动连接器 活动连接器是实现活动连接的主要方 利用活动连接器是实现活动连接的主要方 法 熔接法是固定连接的主要方法 熔接法是固定连接的主要方法
光纤通信
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期 2005/2006学年第二学期
第五章 光纤线路技术及器件
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
分类
可分为单芯型和多芯型 可分为多模和单模 单芯型按结构可分为调心型和非调心型： 单芯型按结构可分为调心型和非调心型：非 调心型内部没有调心机构,靠光纤活动连接 调心型内部没有调心机构 靠光纤活动连接 器结构组件之间的精密配合 组件之间的精密配合来达到最佳耦合 器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦合 常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、 常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、 双锥结构、 型槽结构 型槽结构、 双锥结构、V型槽结构、微透镜结构以及自 聚焦透镜结构等 按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式
偏振相关型光隔离器
由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。 由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。
偏振无关型光隔离器
主要技术指标
插入损耗 回波损耗 隔离度 偏振相关损耗（ 偏振相关损耗（PDL） 偏振模色散（ 偏振模色散（PMD）
插入损耗(IL) 插入损耗
指在光隔离器通光方向上传输的光信号由 于引入光隔离器而产生的附加损耗。 于引入光隔离器而产生的附加损耗。 Po IL = −10 log (dB ) Pi Po Pi P ：输入的光信号功率， 输入的光信号功率，
i
Po ：经过光隔离器后的功率， 经过光隔离器后的功率， 显然， 值越小越好 值越小越好。 显然， IL值越小越好。 光隔离器的插入损耗来源于偏振器、 光隔离器的插入损耗来源于偏振器 、 法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。 第旋转器等各部分的插入损耗。
回波损耗(RL) 回波损耗
回波损耗： 回波损耗 ： 指由于构成光隔离器的各元 件 、 光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。 射造成的对入射光信号的衰减。