光连接器、光衰减器、光耦合器件、光隔离器知识讲解

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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。
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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
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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，N>2）耦合器以及树形耦合器等。
• 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。
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改进回波损耗的方法
• 平面接触 • 球面接触
• 斜球面接触
• Return Loss(回波损耗) • PC>40dB SPC>45dB • UPC>50dB APC>60dB
其中
1.619 2.879 (0.65 V3/2 V6 )a
（6）数值孔径失配引起的连接损耗
NA1≧NA2 NA1﹤NA2
ILNA10logNN( AA12)2 ILNA 0
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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 。
• 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
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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
• 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
件
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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
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光纤固定连接
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光纤的基本类型
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活动连接器的基本结构(1)
光纤 套管
插针 粘结剂
精密套管结构连接器简图
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活动连接器的基本结构(2)
• 双锥形结构 • V形槽结构
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活动连接器的基本结构(3)
• 球透镜耦合与自聚焦透镜耦合
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Insertion Loss(插入损耗) <0.3dB Return Loss(回波损耗)
PC>40dB SPC>45dB UPC>50dB APC>60dB
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光在光纤中的衰减
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光衰减中的规律
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连接器的主要指标
连接器的主要指标:
ST型连接器的插头与转换器
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连接器的品种、型号（4）
4. 不同型号插头相互连接的转换器（法兰盘） FC/SC，FC/ST，SC/ST
5. 不同种类的变换器
SC→FC，ST→FC，FC→SC，FC→ST，SC→ST， ST→SC
6. 各种裸光纤转接器
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连接头端面类型
Ferrule + Flange
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光纤倾斜损耗
其中
ILd10 loeg(d/)2
(0.651V .63/2192V .867)a9
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0.8um
（2） 光纤倾斜损耗
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活动连接器的核心部件
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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。
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FC型连接器的插头、转换器和内部结构
3. 分光比（Coupling Ratio）
分光比是耦合器各输出端口的输出功率与输入
功C率R的比Po值i 。100% Po
Pi1 Pit
PiN
Po1
Pot PoN
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光耦合器的技术参数(3)
4. 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P器i1 件的“不均匀程度Po“1 的
参数。
PiN
PoN
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光耦合器的技术参数(4)
6. 偏振相关损耗（Polarization dependent loss）
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。
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。
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三种熔接方式图
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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。
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互换性是指不同插头之间。或者不同连接器任意置 换20之20/10后/18 ，其插入损耗的变化范围，性能一致性。 24
光纤连接器一般性能
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
性能 0.2~0.3
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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
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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）
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光纤端面间隙损耗
IL 1l0 oe g (n 2 / )2
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
（3） 光纤端面间隙损耗
Z ILZ1l0o1g(4aK)
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。
0.1 0.1
35~40 40~50
10 3
10 4
-20~+70 -40~+80
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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
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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
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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.
1.插入损耗
IL
10lo
gPout(d Pin
B)
•基准法： （国家标准） •替代法： （国家标准） •跳线插入损耗测试
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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。
RL
10logPreflec(tdB) Pin
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。
全部输入光功率的减ILi少值10。logPPoi i(dB) 2. 附加损耗（Excess Loss）
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。
EL10logPoi(dB)
Pi
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光耦合器的技术参数(2)
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。
第二讲 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 • 光连接器 • 光耦合器件 • 光隔离器 • 光环形器 • 光衰减器
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光纤通信常用单位
• 光纤通信中常用单位的定义：
1. dB =- 10 log10 ( Pout / Pin ) Pout :输出功率 ; Pin :输入功率
（4） 光纤端面多次反射（Snell反射）引起的损耗
16K2 ILf 10log(1K)4
其中k=n1/n0,n0为空气折射率，取n0=1,n1=1.46计算得到Ilf=0.32db
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失配引起的连接损耗
（5） 纤芯（或模场）尺寸失2
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。
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连接器的品种、型号（2）
2. 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。
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SC型插头
SC型转换器
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连接器的品种、型号（3）
3. ST型连接器 ST型连接器采 用带键的卡口 式锁紧机构。
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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
TT1121 csions22((ll))
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光纤耦合器的传输特性（3）
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光纤耦合器的传输特性（4）
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光耦合器的技术参数(1)
1. 插入损耗（Insertion Loss） 插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对于
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耦合区
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光纤耦合器的传输特性（1）
Ei1
Eo1
Ei2
Eo2
根据耦合模理论，耦合器的振幅传输特性可
以用下式表示
E Eo o1 2eilicso inlls))((icso inlls))((E Eii1 2
传输矩阵
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光纤耦合器的传输特性（2）
式中，l是耦合区长度，光波传输常数，是耦合
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光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路 集成光路
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制作光纤连接器的光纤要求
• 纤芯直径:单模 9um 0.5,多模50 1um. • 纤芯不圆度:小于0.5um • 包层直径:125um 2um • 包层不圆度 小于2% • 同轴度:小于1um • 抗拉强度:大于0.5kg
2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw) 是通信工程中广泛使用的单位； 通常表示以1毫瓦为参考的光功率； Example: –10dBm表示光功率等于100uw。
3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)
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光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关