第4章 光通信器件3 (2)

1、1課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)4.5 4.5 其他光通信器件其他光通信器件l為什么光纖需要接續(xù)?l光纖接續(xù)的方法?l如何實(shí)現(xiàn)光纖的接續(xù)?l光纖接續(xù)的過程如何?4.5.1 4.5.1 連接器連接器2課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)1、光纖連接的類型和方法光纖的連接固定接接是永久性連接，一般用于光纖傳輸線路的兩段光纖的連接。連接方法：熔接法和粘接法；活動連接是可拆卸連接，通常用活動連接器在光纖與設(shè)備或儀表的尾纖之間連接。3課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)2、光纖固定連接 光纖熔接的基本原理是使被接光纖的軸心對準(zhǔn)以后，用加熱的方式將光纖端面熔化而使其熔為一體。最常用的方法是電弧熔接法，它是利用兩個電極

2、之間的高壓電弧產(chǎn)生高溫使被接光纖的端面熔接的方法。 電弧熔接法操作步驟l光纖端面的制備 l光纖的電弧熔接l接頭的保護(hù) 4課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光纖端面的制備l先將任意一段待接光纖套上一根熱可縮保護(hù)套管，以備接續(xù)后保護(hù)接頭。l用專用光纖剝線鉗剝出約40 mm的裸光纖，并用干凈的軟紙或無水酒精棉球?qū)⑵洳粮蓛?。l用專用光纖切割器切割出平整無傾斜的光纖端面。5課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)刀口拉緊狀態(tài)拉緊狀態(tài)裂縫處 切割的原理6課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光纖的電弧熔接l將制備好的兩段光纖放入光纖熔接機(jī)調(diào)整架的V型槽中固定，并將兩光纖的端面置于熔接的電極之間，相距適當(dāng)距離。l調(diào)節(jié)調(diào)整架，使光

3、纖軸心對準(zhǔn)。l預(yù)放電對光纖端面進(jìn)行加熱整形，使光纖端面無毛刺、清潔、平整。l將光纖沿軸向稍加推進(jìn)，使兩端面直接接觸并有一定相互擠壓時(shí)停止移動。l繼續(xù)放電直至光纖端面充分熔融連為一體。7課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)接頭的保護(hù)l將預(yù)先套好的熱可縮管輕輕移到接頭處。l把套有熱可縮管的光纖放入加熱器中，加熱至熱可縮管熔化成可塑狀，緊貼光纖對接頭部位進(jìn)行保護(hù)。8課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué) 粘接法是將軸心對準(zhǔn)的光纖用折射率與纖芯接近的粘接劑粘接固定的方法。一般分為槽接法和套管法。l槽接法是把兩根光纖放入精密的V型槽中并加以調(diào)整，然后該上蓋板對光纖加壓是光纖軸心對準(zhǔn)后再用粘接劑固定。l套管法是從玻璃套

4、管的兩端分別插入待接的光纖，通過套管內(nèi)徑使軸心對準(zhǔn)后，從套管中部的橫向孔注入粘接劑將光纖粘接固定。 待連接的光纖在此處使用環(huán)氧化物將光纖端面粘貼在一起或?qū)⒐饫w夾緊以定位V型槽基底9課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)3、光纖活動連接連接器和接頭連接器和接頭 連接器連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他之間的連接。光纖套管插針粘結(jié)劑連接器的分類：單纖單纖(芯芯)連接器連接器和多纖多纖(芯芯)連接器連接器。10課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)4.光纖連接器的特性：l插入損耗：連接器的一個最重要的性能參數(shù)是插入損耗。存在各種可

5、能的原因引起光的損耗。這個損耗一般在0.5dB以下。為了減小插入損耗，一般使用三種方法。第一種方法是使用保護(hù)套來最小化連接和拆開光纜時(shí)產(chǎn)生的彎曲損耗。第二種方法是將加固件與連接器連接在一起，這樣就釋放了光纖自身的張力。第三種方法就是用插針體來保護(hù)裸光纖。11課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)l回波損耗：對連接器來說， 回波損耗的問題起源于一個簡單的矛盾現(xiàn)象：為了最小化插入損耗，需要盡可能地將光纖端面拋光，而拋光的端面對光的反射增強(qiáng)，這樣回波損耗就產(chǎn)生了。回射發(fā)生在纖芯之間空氣的交界面上，為此安裝人員提出了有效的解決方法：將兩個連接器通過物理接觸(PC)來減小它們之間的空氣縫隙?，F(xiàn)在多數(shù)連接器都是利

6、用這種方法安裝的。由于制造完美的平面來實(shí)現(xiàn)理想的物理接觸是不可能的，因此制造商將插針體的端面做成不同的形狀，如圓弧形等。 l一般應(yīng)大于45dB12課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)l重復(fù)性（耐用性）：連接器是作為臨時(shí)連接使用的， 應(yīng)在多次插拔之后仍保持它們的特性。 所以可重復(fù)性是連接器的一個重要特性。 資料表明， 連接器在多次插拔之后其插入損耗將增加， 通常多次次插拔之后其損耗的變化范圍應(yīng)小于0.1dB。l互換性：是指同一種連接器不同插針替換時(shí)損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于0.1dB l插拔次數(shù)：一般應(yīng)在千次以上 l工作溫度：在工作溫度范圍內(nèi)（一般在-2570），損耗變化應(yīng)在 0.2dB范圍內(nèi)13課程

7、物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)連接類型連接類型一般插入損耗: typ. 0.5 dB回波損耗: 14 dB普通多模光纖連接有縫隙插入損耗 40 dB有線電視，高性能系統(tǒng)有角度物理連接 (APC) 插入損耗：0.4 to 0.9 dB回波損耗 60 dB85.幾種常用的光纖連接器幾種常用的光纖連接器14課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)連接頭類型連接頭類型15課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type16課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光纖耦合器（Optic fiber Coupler）是一種定向耦合器，它是一種四端口器件（兩個輸入口，兩個輸出口）是光波技術(shù)

8、中必不可少的一部分。它的功能是將一光場分為相干的兩部分，光輸入端口的一個端口入射，直接耦合進(jìn)兩個輸出端口，因?yàn)檩敵鲴詈系絻蓚€不同的方向，所以這樣的器件也稱為定向耦合器。4.5.2 4.5.2 光纖耦合器光纖耦合器17課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)NN1N22P1/NP1/NP1/N18課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)T形(a)星 形(b)定向(c)2314l1l2lNl1l2lN(d)波分19課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)耦合區(qū)W錐形區(qū)L錐形區(qū)L拉伸區(qū)2L + WL：由拉伸時(shí)決定W：由加熱的火焰寬度決定22 光纖耦合器20課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)P1和P2跟什么因素有關(guān)?P2P1光耦合示意

9、21課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué) zPP202sin zPPPP20201cos假設(shè)耦合器無損耗 是耦合系數(shù)P1和P2與拉伸區(qū)寬度有關(guān)z耦合器內(nèi)的光功率分布：隨位移的變化22課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)P1和P2與入射波長有關(guān)例如成品上會標(biāo)注：1550 nm 50 : 50耦合器內(nèi)的光功率分布：隨波長的變化23課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)NNlog101log10分路損耗NiioutinPP1,log10附加損耗多根光纖一起熔融技術(shù)難度大，主要是眾多光纖之間的耦合響應(yīng)控制比較困難，因此難以制作大規(guī)模的光耦合器PP/NNN 星型耦合器24課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)級聯(lián)的辦法構(gòu)造大規(guī)模光

10、耦合器25課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光纖耦合器主要參數(shù)（1）插入損耗它表示耦合器總的功率衰減量。定義為：其中，Poi對應(yīng)于輸入端第m 根光纖中輸入光功率Pim時(shí)，輸出端第i根光纖的輸出光功率。,.),(m (dB)PPILnimoi21 )lg(10126課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)（2）均勻性表示耦合器輸出各端口的功率與功率平均值的最大偏差。偏差越小，表示光功率分配越均勻。dB )()(lg10outoutPMAXPMINFL（3）分光比（耦合比）它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，常用相對輸出總功率的百分比來表示。如50:50,30:70等。對于22耦合器，有：%100212P

11、PPSR27課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)例：22雙錐形光纖耦合器的輸入光功率為P0 = 200 mW，另外兩個端口的輸出功率分別為P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，可以求得為：48.6%100859085%100122PPP耦合比dB58. 08590200log10log10120PPP附加損耗dB3.4790200log10log10)10(10PP端口端口到插入損耗dB3.7285200log10log10)20(20PP端口端口到插入損耗28課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)1.薄膜干涉濾波器多層介質(zhì)膜：通過某一波長，阻止其它波長4.5.3 4.5.3 光濾波器光濾波器29課

12、程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)30課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)2 2 可調(diào)諧濾波器可調(diào)諧濾波器31課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)RRFFSRF132課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)33課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)馬赫曾德干涉濾波器MZI34課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)35課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)太強(qiáng)的光可能使接收機(jī)過載，這時(shí)需要一種能過減弱光信號的器件光衰減器。光衰減器是用來穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小光信號的無源器件。光衰減器通常吸收多余的光能量，這些能量對于衰減器來說很弱，不會引起顯著的熱量；光衰減器不能將不需要的光返回，否則會引起系統(tǒng)的噪聲。4.5.4 4.5.4 光衰減器光衰減器大部分光

13、衰減器都以分貝分貝來定義衰減的大小。其定義式類似于光纖衰減的定義。衰減器按其衰減量的變化情況可以分為固定衰減器，固定衰減器，步進(jìn)式衰減器，連續(xù)可變衰減器步進(jìn)式衰減器，連續(xù)可變衰減器等。光衰減器的主要技術(shù)指標(biāo)：插入損耗，衰減的變化范插入損耗，衰減的變化范圍，衰減的穩(wěn)定性圍，衰減的穩(wěn)定性等。36課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)實(shí)用光衰減器的工作原理37課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光信號的交換。對光開關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。4.5.4 4.5.4 光開關(guān)光開關(guān)光開關(guān)分類機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)包括

14、機(jī)械式光開關(guān)、微機(jī)械光開關(guān)波導(dǎo)光開關(guān)波導(dǎo)光開關(guān)利用電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng)38課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)移移動動臂臂光光纖纖準(zhǔn)準(zhǔn)直直頭頭固固定定輸輸出出光光纖纖1234NN光光纖纖旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸反反射射鏡鏡輸輸入入光光纖纖-1（ a ） 1 N 移移 動動 光光 纖纖 開開 關(guān)關(guān)（ b） 1 2 移移 動動 反反 射射 鏡鏡 開開 關(guān)關(guān)（1）機(jī)械光開關(guān)優(yōu)：在插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；缺：開關(guān)時(shí)間較長（幾十毫秒到毫秒量級）；開關(guān)尺寸較大，而且不易集成。39課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)LiNbO3 tV共共平平面面條條形形電電極極偏偏振振光光輸輸入入波波導(dǎo)導(dǎo)3L

15、iNbO-Ti輸輸出出DCEa+ +- - -A AB B控控制制信信號號控控制制信信號號t tt t輸輸出出光光 tVtAEcoscos2output非機(jī)械式光開關(guān)40課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)特點(diǎn)：l開關(guān)時(shí)間短（毫秒到亞毫秒量級）；l體積非常小，而且易于大規(guī)模集成；l但插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標(biāo)都比較差。LiNbO3 tV共共平平面面條條形形電電極極偏偏振振光光輸輸入入波波導(dǎo)導(dǎo)3LiNbO-Ti輸輸出出DCEa+ +- - -A AB B控控制制信信號號控控制制信信號號t tt t輸輸出出光光 tVtAEcoscos2output41課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光開關(guān)的

16、主要性能參數(shù)： （1） 通斷消光比。 通斷消光比是指光開關(guān)處于通（開）狀態(tài)時(shí)輸出的光功率和處于斷（關(guān)）狀態(tài)時(shí)的輸出光功率之比。 通斷消光比越大, 光開關(guān)性能越好， 這對外調(diào)制器尤為重要。 機(jī)械開關(guān)的通斷消光比大約為4050 dB。 （2） 插入損耗（簡稱插損）。插損是指由于光開關(guān)的使用而導(dǎo)致的光路上的能量損耗，常以dB表示。插損越小越好。 當(dāng)開關(guān)處于不同的輸入/輸出連接狀態(tài)時(shí)，插入損耗有可能不一致，即插入損耗的一致性差， 這對于實(shí)際的應(yīng)用是不希望的。 （3） 串?dāng)_。串?dāng)_是指某輸出端口的功率除了有來自希望的輸入端口外，還有來自不希望的輸入端口的功率， 二者的光功率之比稱為串?dāng)_。 （4） 偏振依賴

17、損耗。 偏振依賴損耗是指由于偏振引起的光功率的損耗。 42課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)各種光開關(guān)的性能比較43課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)4.5.6 4.5.6 光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器44課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué) 半導(dǎo)體激光器及光放大器等對來自連接器、熔接點(diǎn)、濾波器等的反射光非常敏感，并導(dǎo)致性能惡化。如何避免反射光如何避免反射光1對光的通過有選擇性對光的通過有選擇性2實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸 3 需要使光路不可逆光纖，透鏡 等對光無選擇，偏振片對光的狀態(tài)有選擇隔離器45課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光隔離器光隔離器l隔離器隔離器是一種非互易器件非互易器件，其主要

18、作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。l隔離器隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。46課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué) 為了檢測偏振于指定方向的線偏振光，需要一種特殊的光學(xué)元件。這種元件只能透過或者反射指定偏振方向的線偏振光，叫做起偏器。其特性如下圖所示：47課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象 線偏光通過某些透明介質(zhì)后，它的電振動方向?qū)⒗@著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)過某一角度某一角度 ，稱為旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象。 對天然旋光效應(yīng)而言，隨著順光線和逆光線方向觀察，線偏振光的振動旋向是相反的，因此，當(dāng)光波往返兩次穿過固有旋

19、光物質(zhì)時(shí)，則會一次沿某一方向旋轉(zhuǎn)，另一次沿相反方向旋轉(zhuǎn)結(jié)果是振動面復(fù)位，即振動面沒有旋轉(zhuǎn)。48課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)一束偏振光穿過置于磁場的介質(zhì)中，光的偏振將會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)的角度正比于與光束傳播方向平行的磁場分量，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。VBLB是磁感應(yīng)強(qiáng)度分量L為光在介質(zhì)中的傳播長度V稱為韋爾德（Verdet）常數(shù)磁致旋光方向和磁場的方向有關(guān)：當(dāng)光傳播方向與磁場方向平行時(shí)，正的V值相應(yīng)于左旋；而當(dāng)光傳播方向與磁場方向相反時(shí)，表現(xiàn)為右旋如果外磁場由螺管電流產(chǎn)生，則旋光方向總是和螺線繞向一致。 磁致旋光現(xiàn)象的這一性質(zhì)表明它是一種過程 49課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)4545起偏器光隔離器通光方向檢偏器旋光器電源光偏振方 向光隔離器結(jié)構(gòu)原理偏振相關(guān)型50課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)雙折射晶體若有一束自然光通過雙折射晶體，會有以下現(xiàn)象：有一部分遵循折射定律，這束光叫做尋常光，簡稱o光；另還有一部分光不遵循折射定律，叫做非常光，簡稱e光。o光和e光都是線偏振光，且o光的電矢量總是垂直于光軸的，且o光的光速與其偏振方向和傳播方向無關(guān)。e光的偏振方向與光軸的夾角因傳播方向不同而異。入射光rBeod51課程物