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1、 9.19.1 1 1 第第9 9章章 分布式光网络和光纤器件分布式光网络和光纤器件 光纤网络光纤网络: : 点对点传输：单路传输，一个发送器和一个接收器点对点传输：单路传输，一个发送器和一个接收器 分布式网络：大量发送器和接收器共用传输线路分布式网络：大量发送器和接收器共用传输线路 9.19.1 2 2 9.1 9.1 分布式网络分布式网络 对于分布式网络，对于分布式网络，定向耦合器定向耦合器是个重要的器件是个重要的器件 为了接下来的讨论，假设为了接下来的讨论，假设 并且并且光功率从端口光功率从端口1 1输入，以下讨论定向耦合器的损耗输入，以下讨论定向耦合器的损耗问题问题 P P1 1 P
2、P2 2 P P3 3 P P4 4 9.19.1 3 3 1. 1. 直通损耗直通损耗 L LTHPTHP = = - - 10 log (P10 log (P2 2 /P/P1 1 ) ) (9(9- -1)1) 从端口从端口1 1到端口到端口2 2的功率损耗的功率损耗 2 2. . 抽头损耗抽头损耗 L LTAPTAP = = - - 10 log (P10 log (P3 3 /P/P1 1 ) ) (9(9- -2 2) ) 端口端口1 1到端口到端口3 3的功率减少量的功率减少量 9.1 9.1 分布式网络分布式网络 9.19.1 4 4 3. 3. 方向性系数方向性系数 L LD
3、 D = = - - 10 log (P10 log (P4 4 /P/P1 1 ) ) (9(9- -3)3) 理想情况下理想情况下 P P4 4 = = 0 0，因此，因此 L LD D = = 无穷大无穷大 典型情况下：典型情况下：L LD D 40 40 dBdB 9.1 9.1 分布式网络分布式网络 9.19.1 5 5 4 4. . 附加损耗附加损耗 L LE E = = - - 10 log (P10 log (P2 2 + P+ P3 3) ) /P/P1 1 (9(9- -4)4) 理想情况下，理想情况下，P P2 2 + P+ P3 3 = = P P1 1 ，因此，因此
4、L LE E = 0 dB= 0 dB 用用L LE E表示其它不希望存在的损耗，如散射表示其它不希望存在的损耗，如散射，制造，制造缺陷等缺陷等， 所以所以( (P P2 2 + P+ P3 3 ) 1010） 9.1.29.1.2 T T形网络形网络 9.19.1 1818 9.1.39.1.3 星形网络星形网络 星形网络中包含星形网络中包含N N个终端。每个终端具有发送器和个终端。每个终端具有发送器和接收器，因此星形网络中有接收器，因此星形网络中有N N个发送器和个发送器和N N个接收器，个接收器，共有共有2N2N个端口个端口。 9.19.1 1919 9.1.39.1.3 星形网络星形网
5、络 理想理想星形耦合器将所有的输入功率等分到所有输出星形耦合器将所有的输入功率等分到所有输出（接收）端口上，耦合器的插入损耗为：（接收）端口上，耦合器的插入损耗为： L LIN IN = = - - 10 log (1/N)10 log (1/N) (9(9- -9)9) 9.19.1 2020 计入附加损耗（计入附加损耗（L LE E）和连接器损耗（）和连接器损耗（L LC C），总插入损耗为：），总插入损耗为： L L = = - - 10 log (1 / N) + L10 log (1 / N) + LE E + 2L+ 2LC C (9(9- -10)10) 相比于相比于T T型网络
6、的损耗：型网络的损耗： L L = (N = (N - - 1) + L1) + LTHP THP + L+ LTAP TAP + 2NL+ 2NLC C (9(9- -8)8) 9.1.39.1.3 星形网络星形网络 结论：星形网络损耗随终端数量增加远慢于结论：星形网络损耗随终端数量增加远慢于T T型网络型网络 9.19.1 2121 9.1.39.1.3 星形网络星形网络 结论：结论： 1. 1. 对于终端数对于终端数N N 5 5的情况，相较于的情况，相较于T T型网络，选择星型网络，选择星形网络更合适形网络更合适 2. 2. 星形网络的缺点是耗费更多的光纤星形网络的缺点是耗费更多的光纤
7、 9.19.1 2222 9.1.49.1.4 环形网络环形网络 环形网络是由一系列的点对点光纤链路构成的环形网络是由一系列的点对点光纤链路构成的 每个结点是一个信号再生器，其检测传输的信息并将信息每个结点是一个信号再生器，其检测传输的信息并将信息再生成光信号发送至下一个结点再生成光信号发送至下一个结点 9.19.1 2323 9.1.49.1.4 环形网络环形网络 每个结点同样将信息传送至与之相连的站中去每个结点同样将信息传送至与之相连的站中去 由于不共享光功率，因此可以连接大量的终端由于不共享光功率，因此可以连接大量的终端 9.19.1 2424 环形网络缺点：环形网络缺点： 可靠性差，如
8、果任何一个结点或者光线失效，则系统停可靠性差，如果任何一个结点或者光线失效，则系统停止运行。止运行。 解决办法：冗余设计解决办法：冗余设计 加入第二级环形网络，环路方向相反加入第二级环形网络，环路方向相反 加入旁路开关加入旁路开关 9.1.49.1.4 环形网络环形网络 9.19.1 2525 次通路只有当主通路次通路只有当主通路 无法运行时才投入使用无法运行时才投入使用 反向环形网络反向环形网络 9.1.49.1.4 环形网络环形网络 9.19.1 2626 9.1.5 9.1.5 混合分布式系统混合分布式系统 9.1.6 9.1.6 混合分布式系统混合分布式系统 I I 2727 9.2
9、9.2 定向耦合器定向耦合器 本节我们描述几种定向耦合器的物理结构本节我们描述几种定向耦合器的物理结构 （1 1）熔融双锥形定向耦合器）熔融双锥形定向耦合器 结构：结构： 将两根裸光纤绞合在一起将两根裸光纤绞合在一起 加热绞合点直至光纤熔融加热绞合点直至光纤熔融 施加施加拉伸拉伸力于光纤两端，形成锥形的耦合区力于光纤两端，形成锥形的耦合区 9.29.2 2828 工作原理：工作原理： A.A. 对于多模光纤，在锥形耦合区域，高阶模转变成包层对于多模光纤，在锥形耦合区域，高阶模转变成包层模，由于包层由两个光纤共用（熔融粘连），因此光模，由于包层由两个光纤共用（熔融粘连），因此光能量也会共用，输出
10、锥形区域将包层模再转为纤芯模能量也会共用，输出锥形区域将包层模再转为纤芯模 B.B. 对于单模光纤，对于单模光纤，包层模中的消逝场是共用的，由此产包层模中的消逝场是共用的，由此产生生耦合耦合 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 9.29.2 2929 第四章中的集成光波导实现的定向耦合器：第四章中的集成光波导实现的定向耦合器： 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 对于理想情况下没有损耗的耦合，功率比为：对于理想情况下没有损耗的耦合，功率比为： P P2 2/ /P P1 1 = cos= cos2 2 ( (p pL L/2/2L Lc c) ) P P3 3/ /P P1 1 = sin
11、= sin2 2 ( (p pL L/2/2L Lc c) ) 其中其中 L Lc c 是能量完全偶合进下面波导所需要的长度，称为耦是能量完全偶合进下面波导所需要的长度，称为耦合长度合长度 ，通过选择合适的，通过选择合适的L L，可以实现，可以实现0 0- -100%100%的耦合。的耦合。 9.29.2 3030 熔融耦合器的单模耦合公式：熔融耦合器的单模耦合公式： 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 L = L = 耦合区域长度耦合区域长度. . 对于理想的耦合器：对于理想的耦合器： 直通损耗：直通损耗：( (P P2 2 / P/ P1 1) = cos) = cos2 2( (DbD
12、bL L) ) (9(9- -11)11) 抽头损耗：抽头损耗：( (P P3 3 / P/ P1 1) = sin) = sin2 2( (DbDbL L) ) (9(9- -11)11) DbDb 是耦合系数（弧度是耦合系数（弧度 / / 米）米） (P(P2 2 / P/ P1 1) + (P) + (P3 3 / P/ P1 1) = cos) = cos2 2( (DbDbL L) + sin) + sin2 2( (DbDbL L) = 1) = 1 附加损耗通常只有附加损耗通常只有0 0点几个点几个dBdB. . 9.29.2 3131 熔融耦合器的单模耦合公式：熔融耦合器的单模
13、耦合公式： 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 令令L LC C 为耦合长度，为耦合长度， 定义为功率全部由端口定义为功率全部由端口3 3输出的长度，则有：输出的长度，则有： sinsin2 2( (DbDb L LC C ) = ) = 1 1， DbDb L LC C = = p p / 2/ 2 L LC C = = p p / 2/ 2DbDb (9(9- -12)12) DbDb = = p p / 2L/ 2LC C 因此可以写成：因此可以写成： ( (P P2 2 / P/ P1 1) = cos) = cos2 2( (p pL L/2L/2LC C) ) ( (P P3 3
14、 / P/ P1 1) = sin) = sin2 2( (p pL L/2L/2LC C) ) 9.29.2 3232 熔融耦合器的单模耦合公式：熔融耦合器的单模耦合公式： 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 P P2 2/ /P P1 1 = cos= cos2 2 ( (p pL L/2/2L Lc c) ) P P3 3/ /P P1 1 = sin= sin2 2 ( (p pL L/2/2L Lc c) ) 3333 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 （2 2）偏移对接式定向耦合器：）偏移对接式定向耦合器： 端口端口2 2 的功率由横向偏移决定（第的功率由横向偏移决定（第8
15、8章）章） 通过平板介质波导实现功率的分流通过平板介质波导实现功率的分流 9.29.2 3434 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 （3 3）分束型定向耦合器：）分束型定向耦合器： 分束平板由透明衬底和部分反射膜组成分束平板由透明衬底和部分反射膜组成 体体结构分束器解决结构分束器解决了平板造成的光线平移了平板造成的光线平移 分束器不用分隔光线功率（发散问题）分束器不用分隔光线功率（发散问题） 9.29.2 3535 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 （4 4）GRINGRIN棒分束定向耦合器：棒分束定向耦合器： 结构：结构： GRINGRIN棒透镜对光纤中的光线准直棒透镜对光纤中的光线准直 GRINGRIN棒透镜棒透镜对光线聚焦后送入光纤对光线聚焦后送入光纤 9.29.2 3636 9.2 9.2 定向耦合器定向耦合器 （5 5）紧凑
