光纤通信-第四章

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。
MAX ( Poutj )
波分复用/解复用器
概述
光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。具有广阔的 应用前景。对波分复用器与解复用器共同的要求是：复用信道数量要足 够多、插入损耗小、串音衰减大和通带范围宽。波分复用器与波分解复 用器的不同点在于：解复用器的输出光纤直接与光检测器相连，芯径与 数值孔径可以做得大些，因此，制造低插入损耗的解复用器并不太难； 而复用器的输出光纤必须为传输光纤，不能任意加大芯径和数值孔径， 而减小输入光纤的芯径和数值孔径，又会增加光源到输入光纤的耦合损 耗，所以复用器的插入损耗一般比较大。解复用器要求如下： 给定工作波长应具有最低的插入损耗； 其他端口对该光信号应具有理想隔离；
光纤连接器
MT连接器是为接续多芯带状光纤而开发出的、采用塑料套管的一种光纤 连接器，它具有优良的高密度安装能力和较低的成本。MT连接器的基本 机理是用两根导向销精密的在套管内确定好光纤位置，再用夹箍施压挟 持住对接部分从而保持接续状态稳定。MT连接器关键技术包括塑料成型 套管、金属导向销、套管端面研磨抛光技术和检查技术等，对精度的要 求极高。 MT套管大致分为4种：小型MT套管，最多容纳4根光纤；4芯、8芯类普 通MT套管，最大容纳12根光纤；16MT套管可接续16根光纤；二维MT套 管，最多可容纳60根光纤。 MT连接器的安装密度极高，其中16芯二维MT套管是普通16芯MT套管安 装密度的1.3倍，60芯、80芯二维MT连接器则是普通12芯MT连接器安装 密度的5倍。
第四章-常用光无源器件
目 录
4.1光纤连接器 4.1.1光纤连接器的结构与种类 4.1.2光纤连接器特性 4.2光纤耦合器 4.2.1光纤耦合器的结构与原理 4.2.2光纤耦合器的特性 4.3波分复用/解复用器 4.3.1波分复用/解复用器的原理与分类 4.3.2波分复用/解复用器的特性 4.4光开关 4.4.1光开关的种类 4.4.2光开关的特性参数 4.5光纤光栅 4.5.1光纤光栅原理 4.5.2光纤光栅的特性与应用 4.6光隔离器及光环行器 4.6.1光隔离器 4.6.2光环形器
outi
P 值；in 是输入端的光功率值。 2.附加损耗(Excess Loss，EL) 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：
EL 10lg
P
i
outi
Pin
(dB)
光纤耦合器
P P 式中：outi为第i个输出口的输出功率；in为输入光功率。 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。 3.分光比(Coupling Ratio，CR) 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： P CR outi 100% Pouti
光纤耦合器
光纤耦合器的特性参数
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。 1.插入损耗(Inserting Loss，IL) 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 以分贝表示源自文库数学表达式为： P
(dB) Pin P 其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；outi是第i个输出端口测到的光功率 ILi 10 lg
光纤耦合器
光纤耦合器
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(NxN N>2)耦合器、树形(1xN，N>2)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( Standard Coupler，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。
FL 10 lg
out
MAX ( Pout )
(dB)
式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。 实际制作要求均匀分光的耦合器时，因为工艺的局限，往往不可能做到
光纤耦合器
6.偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL) 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，器件各输出端口输出光功率的最 大变化量： MIN ( Pouty )
光纤连接器
(3)ST型连接器 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。 (4)不同型号插头互相连接的转换器 在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。主要有以下几种： ST/FC；FC/SC；FC/ST；SC/ST；ST/SC。 (5)活动连接器跳线的规格 选择跳线时，需要明确以下这些参数： 插头型号；光纤型号；光纤芯径；光纤芯数；光缆外径；插头数；插头 损耗；回波损耗；插针材料；插针端面形状；套筒材料。 (6)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
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。 1.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： Ac 10lg P / P0 (dB) 1 A为连接器插入损耗； 0 为输入端的光功率；1为输出端光功率。 P P 式中： c 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。 2.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比率的分 贝数，表达式为：
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”。 (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。
i
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： Pin 2
DL 10 lg Pin1 (dB)
P P 式中：in1代表总注入光功率；in 2代表输入端非注入光端口的输出光功率。 5.均匀性 是衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。定义为在器件的工作带宽范 围内 各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为： MIN ( P )
光纤连接器
(4)球面定心结构 由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面 (相当于车灯的反光镜)的插针。钢球开有一个通孔，通孔德内径比插针的 外径大。当两根插针插入基座时，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，这种设计思想是巧妙的，但零件 形状复杂，加工调整难度大。 (5)透镜耦合结构 又称远场耦合，结构分为球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，这 种结构经过透镜来实现光纤的对准。用透镜将一根光纤的出射光变成平 行光，再由另一透镜将平行光聚焦导入另一光纤中去。其优点是降低了 对机械加工的精度要求，使耦合更容易实现。缺点是结构复杂、体积大 调整元件多、接续损耗大。 总结：5种对准结构，各有优缺点，但从结构设计的合理性、批量加工的 可行性及实用效果来看，精密套管占有明显优势，目前应用最广，我国 多采用这种结构的连接器。
Ar 10lg PR / P0
P P A 式中， r 表示回波损耗；0表示输入光功率；R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。
光纤连接器
3.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。另外，还有连接器的温度特性，是指活动连接器随环境 温度变化后的插入损耗的变化。连接器的配件一般分为跳线和转换器两 部分。
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。
光纤连接器
光纤连接器的结构与种类
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.光纤连接器的结构 说明：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，目前有五种常用结构。 (1)套管结构 由插针和套筒组成，应用广泛，FC、SC、D4等连接器均采用此结构。 (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。
光纤连接器
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、VFo(球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等。在我国用得最 多的是FC系列的连接器，它是干线系统中采用的主要型号，在今后一段 较长时间内仍是主要品种。SC型连接器是光纤局域网、CATV和用户网 的主要品种。除此之外，ST型连接器也有一定数量的应用。 (1)FC系列连接器 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。 (2)SC型连接器 它的插针、套筒与FC完全一样。外壳采用工程塑料制作、采用矩形结构 便于密集安装。不用螺纹连接、可以直接插拔，使用方便，操作空间小 可以密集安装，可以做成多芯连接器，因此应用前景更为广阔。
PDL j 10 lg (dB)
在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，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相关损耗。 7.隔离度 是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高,也就意味着线 路之间的“串话”小。实际工程中，可直接用于反映WDM器件对不同波 长 光信号的分离能力，对于分波耦合器往往需要隔离度达到40dB以上的器 件；而合波耦合器的隔离度要求并不苛刻，20dB左右即可。其数学表达 Pt I 10 lg (dB) 式为： Pin Pin Pt 式中： 是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值； 是被检测光信 号的输入功率值。