光纤通信系统研究光隔离器

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1、第五章 光纤线路技术及器件 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、色散及非线性引起 的信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 、光功率的分配、光功率的控制、杂散 光的隔离等一系列工程实践问题。 光器件 根据在实现功能过程中是否发生能 量转换，可将光器件分为有源器件和无 源器件 n有源器件(active device)：如激光器、光 电检测器、光放大器等。 n无源器件(passive device)：如光隔离器 、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。 主要内容 n一、光隔离

2、器和光环形器 n二、光纤的连接 n三、光衰减器和光开关 n四、光纤耦合器 n五、光纤光栅 n六、波分复用器件 n七、平面及矩形光波导技术及器件 n八、光放大器 n九、色散补偿技术 l 光隔离器(isolator) n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 n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、光纤放大器 n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 n类型：偏振相关型和偏振无关型两类 法拉第旋光效应 n光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。 n法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到的 不

3、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，也称磁致旋 光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振 方向旋转角度q=VBL (B磁场强度，L材料长 度，V维尔德常数为材料的特性常数)。 n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。 n磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石榴 石（SIC）等。 偏振相关型光隔离器 n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 n插入损耗 n回波损耗 n隔离度 n偏振相关损耗（PDL） n偏振模色散（PMD） 插入损耗(IL) n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。

4、 Pi：输入的光信号功率， Po ：经过光隔离器后的功率， 显然， IL值越小越好。 n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。 Pi Po 回波损耗(RL) n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。 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 Pi Pr 隔离度 n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：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 n值越大越好 偏振相关损耗和偏振模色散 n偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振 态发生变化

5、而其它参数不变时，器件插 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。 n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。 l光环形器(circulator) n多端口非互易 nN（N2）个端口 n光由端口1-端口2； 由端口2-端口3; n若端口N输入的光可由 端口1输出，称为环行 器，若不可以，称为准 环行器 应用 n双向通信中的重要器件，完成正反向传 输光的分离 n单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及 色散补偿等 结构 光 纤 准 直 器 分 束 合 束 镜 偏 振 旋 转 镜 光 束 变 换 器 光 纤 准 直 器 偏 振 旋 转 镜 分 束

6、 合 束 镜 端 口 1 3 端 口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 分束/合束镜 n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 n双折射平行平板、楔形双折射晶体 偏振旋转镜 n90度非互易旋转器 端口1端口2 端 口 1 3 端 口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 端口2端口3 端 口 1 3 端 口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 端口3端口4 端 口 1 3 端 口 2 4 x y z 1 2 3 4 5 6 技术指标 n包括插入损耗、回波损耗、隔离度、串音 、偏振相关损耗、偏振模色散等 n串音指两个不相邻端口之间理论上不能接 收到光信号

7、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， l光纤的连接 n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。 n根据连接方式的不同，可分为活动连 接和固定连接。 n利用活动连接器是实现活动连接的主 要方法 n熔接法是固定连接的主要方法 活动连接器 n连接两根光纤或光缆使其成为光通路的 可以重复装拆的活接头 n用于光源到光纤、光纤到光纤、光纤与 深测器、器件之间等的连接 n必须具备损耗低、体积小、重量轻、可 靠性高、便于操作、重复性和互换性好 以及价格低廉等优点。要求能承受机械 振动和冲击、适应一定的温度和湿度环 境条件、装拆时防止杂质污染的保护措 施。 分类 n可分为

8、单芯型和多芯型 n可分为多模和单模 n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 器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦合 n常用的非调心型结构有以下几种：套管结构 、双锥结构、V型槽结构、微透镜结构以及 自聚焦透镜结构等 n按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式 套管结构 n由插针和套管组成，都是精密的机械结 构和光学结构 n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 n可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作 n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， 使用最多 f 2.4

9、990.0005 f 0.1250.001 4 套管 n常用开口套管，选用弹性好的材料如磷 青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作 f 2.5 f 3.2 -0.002 -0.007 +0 -0.02 0.0050.0001 双锥结构 n利用锥面定位 锥型 插针 双锥 套筒 光纤光纤 V型槽结构 压盖 光纤 V形槽 插针 主要性能指标 n插入损耗：一般在0.5dB以下。 n回波损耗：一般应大于45dB。 n重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般 应小于0.1dB。 n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。 n插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插 拔的次数，一

10、般应在千次以上。 n工作温度：在工作温度范围内（-2570 范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范 围内变化。 影响插入损耗的因素 n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。 n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、数 值孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆 度、偏心度等都会影响连接质量。 (a)横向错位 (b)端面间隙 (c)角度倾斜 (d)端面形状 (d)纤芯直径差异 改进回波损耗的办法 n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 n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

11、光纤端面存在 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 n将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面 接触等 n球面接触 n斜球面接触 连接器的表示 n/ n ：表示外部连接方式，有FC、SC、ST、 FDDI、D4、MU、MC、E2000等 n ：表示插针端面形状，有FC、PC、UPC 、APC等 常用术语 n连接器插头(plug connetor) n光缆跳线(jumper cable) n转换器:(adaptor)插座、法兰盘 n变换器(converter) n裸光纤转接器 FC Connector ST Connector SC Connecto

12、r SMA Connector MT-RJ FDDI Connector MPO Connector MU Connector LC Connector E2000 Connector D4 Connector Biconic Connector adaptor adaptor converter 裸光纤转接器 实际器件指标 光纤的固定连接 n使一对光纤之间形成永久性的连接，用于 不需要拆卸或重复使用的场合。 n有熔接法、V型槽法、毛细管法等。 n熔接法在实际中应用最为普遍，是光纤通 信干线中光纤连接的主要方法，它是利用 电弧放电、氢焰或激光等方法加热从而将 光纤熔融结合在一起。 n电弧放电是

13、熔接法中应用最广的方法。利 用电弧放电进行光纤熔接的设备称为光纤 熔接机。 光纤熔接机 n由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构 、电弧放电机构以及控制机构等四部分构 成 熔接步骤 n制备光纤:利用光纤剥皮钳去除光纤外的 套塑层，利用光纤切割刀切割光纤端面 ，达到端面平整，并使端面与光纤轴线 垂直，偏差小于1。 n对准光纤:将制备好端面的光纤放入准直 与夹持机构中固定，通过手动或自动装 置使纤芯在空间三个方向上移动，保证 需要熔接的两根光纤完全对准，消除纤 芯的横向错位、角度偏差，并将端面之 间的间距调整到预定大小。 熔接步骤 n熔接光纤:根据光纤的类型，选择合适的 放电电流、放电时间，进行电弧

14、放电， 对端面加热，实现光纤的熔接。 n接点的保护:熔接结束后加热缩管对光纤 熔接处进行保护。 同时观察X轴和Y轴方向光纤 5英寸LCD大屏幕显示，四种语言可选 内置照明灯，方便夜晚放置方纤 内置温度、湿度、气压传感器，适应环境的变化 自动检测光纤端面，自动校准熔接位置 自动选择最佳熔接程序，自动推算接续损耗 体积小重量轻，携带方便 交直流两用，适合各种场合 屏幕菜单提示，操作简单方便 深凹式防风盖，在15m/s的强风下能进行工作 l 光衰减器 （optical attenuator） n用来稳定地、准确地减小信号光功率的 无源器件。它是光功率调节所不可缺少 的器件。 n按衰减光功率的工作机理分有： 耦合型光衰减器 反射型光衰减器 吸收型光衰减器 耦合型光衰减器 n通过输入、输出光束对准偏差的控制来 改变光耦合量的大小，从而达到改变衰 减量的目的。 反射型光衰减器 n是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。 光透过衰减片时主要是反射和透射。由 膜层厚度的不同来改变反射量的大小， 从而达到改变衰减量的目的。 n光衰减器按其衰减量的变化情况可分为 三种类型： n固定式衰减器，即衰减量一定； n步进可变式衰减器，即阶跃式可变，如5 步进式的，每步为10dB，即10dB5 n连续可变式衰减器，如060dB。 主要技术指标 n插入损耗 n衰减量变化范围 n精度 n温度的影响