光纤线路技术应用与器件

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1、第3章光纤线路技术及器件 3 1光隔离器和光环形器3 2光纤的连接3 3光衰减器和光开关3 4光纤耦合器3 5光纤光栅3 6波分复用器件3 7平面及矩形光波导技术及器件3 8光放大器3 9色散补偿技术 3 1光隔离器和光环形器 3 1 1光隔离器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 它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响 例如 在半导体激光源和光传输系统之间安装一个光隔离器 可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响 在高速直接调制 直接检测光纤通信系统中 后向传输光会产生附加噪声 使系统的性能

2、劣化 这也需要光隔离器来消除 在光纤放大器中的掺杂光纤的两端装上光隔离器 可以提高光纤放大器的工作稳定性 如果没有它 后向反射光将进入信号源 激光器 中 引起信号源的剧烈波动 在相干光长距离光纤通信系统中 每隔一段距离安装一个光隔离器 可以减少受激布里渊散射引起的功率损失 因此 光隔离器在光纤通信 光信息处理系统 光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应 法拉第效应 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 也称磁致旋光效应 公式 沿磁场方向传输的偏振光 其偏振方向旋转角度 和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例 有 VBL 3

3、1 式中 V为材料的特性常数 称维尔德 Verdet 常数 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 1 偏振相关型光隔离器工作原理如图3 1所示 偏振相关光隔离器主要由起偏器 检偏器和旋光器三部分组成 起偏器 可从入射到自身上的偏振混乱的光中选出与自身透光轴方向一致的线偏振光 检偏器 是相对于起偏器来说的 其构造和作用与起偏器相同 旋光器 由旋光性晶体材料和产生强度适当磁场的装置构成 借助磁光效应 法拉第效应 使晶体的偏振面发生一定程度的旋转 图3 1中 产生适当强度磁场的装置是通电流的线圈 此外 还可用永久磁铁等方法来产生磁场 图3 1偏振相关型光隔离器结构示意图 在光隔

4、离器的结构中 起偏器与检偏器的透光轴之间成45 的夹角 旋光器在加电时可使通过的光的偏振方向发生45 的旋转 如图中逆光方向看逆时针旋转了45 当平行于纸面的偏振光按光隔离器通光方向入射时 由于该光与起偏器透光轴方向一致 因此全部通过 经旋光器后 其光轴旋转了45 角 恰好与检偏器透光轴的方向相同 也全部通过 因此 在光隔离器通光方向传输的光可以获得低损耗传输 反之 逆光隔离器通光方向入射的光能到达旋光器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光 这一部分光经过旋光器后偏振方向发生了45 角旋转 变成水平线偏振光 正好与透光轴垂直 被起偏器阻止而不能够通过 因此 在逆光隔离器通光方向上传输的光可以获得

5、高损耗传输 2 偏振无关型光隔离器上述光隔离器是偏振相关光隔离器 由于光纤通信中光波的偏振态是随机变化的 因此需采用偏振无关光隔离器 Wedge型偏振无关光隔离器如图3 2所示 其中P1与P2是以光轴夹角为45 放置的楔型双折射晶体 FR是45 的非互易磁致法拉第旋光器 自输入光纤来的入射光被光纤准直器耦合为准直平行光 通过P1后光束被分为两束具有不同的折射方向与偏振方向的线性偏振光 当它们经过45 法拉第旋转器时 由P1出射的o光和e光的振动面各自向同一个方向旋转45 夹角 所以o光和e光通过P2后又被折射到一起 合成两束间距很小的平行光 并被准直透镜耦合到输出光纤里 根据这个过程 来自输入

6、光纤的光信号被高效地传送给输出光纤而几乎不依赖于输入光的偏振状态 由于法拉第效应的非互易性 当光束反向传输时 到达P1斜面上的光与正向传输时的对应的偏振方向相互旋转了90 相当于经过一个渥拉斯顿棱镜 出射的两束偏振光线被P1进一步分开了一个较大的角度 被斜面透镜偏折 而不能耦合进输入光纤 从而达到反向隔离的目的 图3 2偏振无关型光隔离器 3 光隔离器的主要技术指标 1 插入损耗是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 如果输入的光信号功率为Pi 经过光隔离器后的功率为Po 则插入损耗IL为 3 2 显然 其值越小越好 光隔离器的插入损耗来源于偏振器 法拉第旋转器等

7、各部分的插入损耗 2 回波损耗是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 回波损耗RL为 3 3 其中 Pi为正向输入光隔离器的光信号功率 Pr为返回输入端口的光功率 3 隔离度是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 有 3 4 其中 P i为反向输入光隔离器的光信号功率 P o为反向通过光隔离器的光功率 显然 其值越大越好 4 偏振相关损耗 PDL 是指输入光偏振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 它是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标 5 偏振模色散 PMD 是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相

8、位延迟 一般情况下 光通信系统对光隔离器的主要技术指标要求为 插入损耗 1 0dB 隔离度 35dB 回波损耗 50dB PDL 0 2dB PMD 0 2ps 3 1 2光环形器光环行器是一种多端口非互易光学器件 它的典型结构有N N大于等于3 个端口 如图3 3所示 当光由端口1输入时 光几乎毫无损失地由端口2输出 其它端口处几乎没有光输出 当光由端口2输入时 光几乎毫无损失地由端口3输出 其它端口处几乎没有光输出 以此类推 这N个端口形成了一个连续的通道 严格地讲 若端口N输入的光可以由端口1输出 称为环行器 若端口N输入的光不可以由端口1输出 称为准环行器 通常人们并不在名称上做严格区

9、分 一般都称为环行器 在本书中 我们也将它们统称为环行器 图3 3光环形器示意图 光环形器的非互易性使其成为双向通信中的重要器件 它可以完成正反向传输光的分离任务 光环形器在光通信中单纤双向通信 上 下话路 合波 分波及色散补偿等领域有广泛的应用 图3 4为光环形器用于单纤双向通信的例子 图3 4光环形器用于单纤双向通信示意图 光环行器的实现方案很多 分透射式和反射式两大类 下面结合一种透射式光环行器介绍光环行器的原理 图3 5为一种光环行器的结构示意图在两个正交平面上的投影 这是一个有4个端口的光环行器 为了提高光的耦合效率 每个端口均有光纤准直器 环行器由分束 合束镜1 偏振旋转镜1 光束

10、变换器 偏振旋转镜2 分束 合束镜2组成 其中 分束 合束镜为双折射平行平板 它将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量 如图3 6所示 假设双折射平行平板的光轴平行于纸面 当一束任意偏振方向的光束照射在该平板上 其垂直于纸面的偏振分量将直接通过平板 平行于纸面的偏振分量将横向平移 通常将这两个分量光束所在的平面称为走离平面 将这两个光束的分离量称为走离量 将偏振方向平行于光轴的光束的位移方向称为走离方向 这两个分束 合束镜的走离方向相同 走离量相等 偏振旋转镜沿光束走离方向分成两部分 将来自分束 合束镜的两束光变成偏振方向相同的光束 并将发往分束 合束镜的两束光变成偏振方向垂直的光

11、束 偏振旋转镜的每一部分都为90 非互易旋转器 由45 法拉第旋转器和一个 2波片组成 90 非互易旋转器的一种结构如图3 7所示 图3 8 a 是一束偏振光沿z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况 图3 8 b 是一束偏振光沿 z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况 显然正方向通过的光的偏振方向旋转了90 反方向通过的光的偏振方向不变 光束变换器为双折射晶体平行平板 图3 5透射式光环行器结构示意图 a 在x z平面上的投影 b 在y z平面上的投影 图3 6分束 合束镜 图3 790 非互易旋转器的一种结构 图3 8偏振光沿z方向通过旋转器时偏振态的变化 a 沿z轴 b 沿 z轴 在该环行器中

12、 光由端口1到端口2过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3 9 a 所示 由端口1输入的光经分束 合束镜1后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光 它们经偏振旋转镜1后 偏振方向都变成沿y方向 再通过光束变换器后 光束偏振态和位置不发生变化 这两束光通过偏振旋转器2后 偏振方向变成互相垂直 分别沿x和y方向 最后由分束 合束镜2合成一束光由端口2输出 图3 9环形器中光束偏振态和位置的变换 在该环行器中 光由端口2到端口3过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3 9 b 所示 由端口2输入的光经分束 合束镜2后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光 它们经偏振旋转镜2后 偏振方向都变成沿x方向

13、再通过光束变换器后 光束偏振态不发生变化 但在x方向却发生位置变化 这两束光通过偏振旋转器1后 偏振方向变成互相垂直 分别沿x和y方向 最后由分束 合束镜1合成一束光由端口3输出 在该环行器中 光由端口3到端口4过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3 9 c 所示 由端口3输入的光经分束 合束镜1后变成与偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光 它们经偏振旋转镜1后 偏振方向都变成沿y方向 再通过光束变换器后 光束偏振态和位置不发生变化 这两束光通过偏振旋转器2后 偏振方向变成互相垂直 分别沿x和y方向 最后由分束 合束镜2合成一束光由端口4输出 光环形器的技术指标包括插入损耗 隔离度 串音 偏振相

14、关损耗 偏振模色散及回波损耗等 光环形器的插入损耗 隔离度 偏振相关损耗 偏振模色散的定义与光隔离器的基本相同 只不过对环形器而言 均指具体的两个相邻端口之间的指标 如端口1 2之间的或端口2 3之间的插入损耗 PDL PMD等 光环形器的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 如端口1输入信号时 在端口3接收到的功率相对于输入功率的dB值 MR1高维尔德常数逆磁性旋光玻璃 全介质自承式ADSS光缆 HYAC自承式 8字形 通信电缆 GJFJV多芯室内布线光缆 GYTS333水下光缆 法拉第旋光器 JW3306光纤识别器是一种光纤维护

15、必备的工具 用于无损的光纤识别工作 可在单模和多模光纤的任何位置进行探测 在维护 安装 布线和恢复期间 常需要在不中断业务的情况下寻找和分离特定的一根光纤 通过在一端把1310nm或1550nm带调制音 270Hz 1kHz 2kHz 的信号射进光纤 用识别器在线路上把它识别出来 JW3306还可以指示业务的方向 偏振旋转器 3 2光纤的连接 3 2 1光纤活动连接器光纤活动连接器是连接两根光纤或光缆使其成为光通路可以重复装拆的活接头 它常被用于光源到光纤 光纤到光纤以及光纤与探测器之间的连接 在光纤通信系统 光信息处理系统 光学仪器仪表中 光纤活动连接器的使用非常广泛 因此实用的连接器必须具

16、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 还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 另外 光纤活动连接器还需要有装拆时防止杂质污染的保护措施 光纤活动连接器的种类五花八门 式样繁多 光纤活动连接器可分为单芯型和多芯型 单芯型光纤活动连接器用于单根光纤之间的连接 多芯型光纤活动连接器用于多根光纤之间的连接 光纤活动连接器分类 多模和单模单模光纤之间的连接需采用单模光纤活动连接器多模光纤之间的连接需采用多模光纤活动连接器 对于单芯型的光纤活动连接器 其结构可分为调心型和非调心型 所谓调心型是指光纤活动连接器内部装有调心机构 它可调整光纤纤芯的位置 使之达到最佳耦合非调心型光纤活动连接器内部没有调心机构 它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 常用的非调心型结构有以下几种 套管结构 双锥结构 V形槽结构 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 各种活动连接器的基本结构和特点列于表3 1中 表3 1光纤活动连接器 单模光纤的模场直径约为10 m 为了减少损耗 被光纤活动连接器连接的两根光纤的