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1、Fiber Network Components 光纤网络器件,光纤通信第五章,光器件概述,作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。,类型：无源、有源包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等,发展趋势：集成化、全光纤化,第五章 光网络器件,连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filte
2、r 隔离器 Isolator 光开关 Switches 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator,连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件； 连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件； 对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤；,8.1 Connector Principles 连接器原理,对连接器的要求,连接损耗(插入损耗)小:横向（轴向）对准、角度对准（光纤平行）、端面接触（无间隙）、光纤端面平滑，相互平行； 多次插拨重复性好； 互换性好； 环境温度变化时，性能保持稳定； 并有足够的机械强度；,连接损耗
3、的机理,连接损耗的机理,8.1.1 Lateral Misalignment 横向错位,多模光纤纤芯的横向对准差错损耗仅由发射光纤和接收光纤纤芯的不重叠部分决定 多模光纤的耦合效率是重叠面积（阴影部分）与纤芯面积的比值。,例8.1 如果纤芯直径均为50um，要求耦合损耗小于1dB，试问允许的轴向位移是多少？并重复计算耦合损耗为0.5dB和0.1dB的情况。,Lateral Misalignment,相对横向位移,损耗（dB）,多模阶跃光纤的横向错位损耗,Lateral Misalignment,单模光纤的对准差错损耗与传播模的场分布有关。 单模光纤的耦合效率与重叠面积（阴影部分）和模场面积有关
4、。由此产生的耦合损耗为：,Lateral Misalignment,相对横向位移,损耗（dB）,单模阶跃光纤的横向错位损耗,8.1.2 Angular Misalignment 角度错位,多模光纤的角度错位耦合效率是发射光锥和接收光锥相互重叠部分的比值。由此产生的损耗为:,Angular Misalignment,角度错位（度）,损耗（dB）,多模阶跃光纤的角度错位损耗,Angular Misalignment,单模光纤由于角度对准差错所产生的损耗为：,Angular Misalignment,角度错位（度）,损耗（dB）,单模阶跃光纤的角度错位损耗,8.1.3 End Separation
5、端面分离,由于端面之间存在间隙，会有一些发射光线没有被接收光纤所截获。间隙增加时，接收光纤会因为光束的发散而丢失更多的发送功率,End Separation,相对端面间隙,损耗（dB）,多模阶跃光纤的端面间隙损耗,轴向错位导致的损耗最重要！,End Separation,匹配液,填充折射率匹配液可以减少光束发散，从而降低光纤的分离损耗。,例8.4 如果多模SI光纤的每一类对准差错允许产生的损耗为0.25dB，计算允许的对准差错，假设光纤纤芯半径为50um，NA=0.24,Lateral Misalignment,相对横向位移,损耗（dB）,多模阶跃光纤的横向错位损耗,Angular Misal
6、ignment,角度错位（度）,损耗（dB）,多模阶跃光纤的角度错位损耗,End Separation,相对端面间隙,损耗（dB）,多模阶跃光纤的端面间隙损耗,End Separation,相对端面间隙,损耗（dB）,单模阶跃光纤的端面间隙损耗,8.1.4 Smooth and Parallel Ends 平滑而且平行的光纤端面,粗糙的光纤端面由于端面之间存在间隙，会有一些发射光线没有被接收光纤所截获。间隙增加时，接收光纤会因为光束的发散而丢失更多的发送功率。 解决方案：用匹配液填充凸凹不平的端面并消除倾斜造成的间隙。,8.1.5 Connecting Different Fiber 不同光纤
7、之间的连接,假设光从纤芯半径a1的光纤传送到纤芯半径为a2的光纤，如果a1 a2，则损耗：,光功率流,纤芯不匹配可能产生损耗,Connecting Different Fiber,假设光从较高数值孔径的光纤传送到较低数值孔径的光纤，一些光线将落在接收光纤接收角之外，则损耗：,发射光锥,数值孔径不匹配可能产生损耗,接收光锥,功率流,Connecting Different Fiber,损耗（dB）,纤芯半径或数值孔径不相等产生的损耗,8.1.6 Reflection at a connection 连接点的反射,在光纤的任何不连续点，一部分光总是会被反射回发射机。 措施： 在空气间隙中填充折射率
8、匹配液。 使两根光纤的端面紧密接触在一起。,Reflection at a connection,纤芯,减小连接点反射的两种方法 (a)物理接触 physical contact,包层,8.1.6 Reflection at a connection 连接点的反射,在光纤的任何不连续点，一部分光总是会被反射回发射机。 措施： 在空气间隙中填充折射率匹配液。 使两根光纤的端面紧密接触在一起。 将两根光纤的接触面做成倾斜的抛光端面。,Reflection at a connection,减小连接点反射的两种方法 (b)倾斜端面 Oblique end faces,纤芯,包层,8.2 Fiber-E
9、nd Preparation 光纤头预处理,光纤预处理有两种方法 切割（刻痕-断裂）Cleaving 研磨-抛光 Lap-and-Polish 剥离光纤的涂覆层使其成为裸光纤 用化学的方法清洗裸的全玻璃光纤,Fiber-End Preparation,研磨-抛光 Lap-and-Polish,环氧树脂,套筒,裸光纤,光缆,8.3 Splices 接 头,接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接。接头用于相邻两根光缆(纤)之间的连接，以形成长距离光缆线路。永久性连接一般在现场实施，这种连接是光缆线路建造中的重要技术。 对接头的要求主要是连接(接头)损耗小，有足够的
10、机械强度，长期的可靠性和稳定性，以及价格便宜等。,8.3.1 Fusion Spling 熔接,熔接：将两根玻璃光纤焊接在一起产生的接头,电极,定位单元,裸光纤,粘接：使用黏合剂或者机械压力在对准设备上将两根光纤连接在一起。 用V形槽、准直棒或弹性夹头等机械夹具，使两根端面良好的光纤保持外表面准直； 用热固化或紫外固化，并用光学兼容环氧树脂粘结加固。 这种连接方法接头损耗大，因为纤芯对中的程度完全取决于光纤外径公差和机械夹具对光纤的控制能力。,8.3.2 Adhesive Spling 粘接,V型槽,光纤,光纤,光纤,光纤,精密套筒,松套管,三根棒,Adhesive Spling,8.4 Co
11、nnectors,低损耗 Low loss 可重复性 Repeatability 可预测性 Predictability 寿命长 Long life 高强度 High Strength 环境适应性 Compatibility with the environment 易于组装 Ease of assembly 易于使用 Ease of use 成本低 Economy,8.4.1 Connector Requirements,技术指标： 插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。重复性和互换性,C
12、onnectors,结构:直管筒结构，锥形套筒结构，交迭型结构 基本功能部件：插针件，闭锁装置，后壳，压接套管和保护套,与光接收机相连的连接器示意图,端面直接对接式连接器,Connectors,Connectors,Connectors,8.4.5 Lensed Connector 透镜式光纤连接器,技术特点：光束准直。 优点：对横向偏移的敏感程度低，允许比较大的端面间隙 缺点：角度差错误差大，成本高，安装复杂困难,连接器外壳,光纤,8.4.6 Lensed Connector 多通道连接器,套筒,插座,套管,套筒,插头,连接器型号和参数,型号：FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/AP
13、C和ST/PC型 分子部分表示两插头与转接器的连接类型； FC 圆型带螺纹(配线架上用的最多) ST 卡接式圆型 SC 卡接式方型(路由器交换机上用的最多) 分母部分表示内部光纤端面的处理形式。 PC 微球面研磨抛光 APC 呈8度角并做微球面研磨抛光,FC型：螺纹连接。外部材料为金属,SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。,ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。,第五章 光网络器件,连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches 隔离器 Isolator 环形器 Ci
14、rculator 衰减器 Attenuator,作用：连接光路，控制光的传输方向，控制光功率的分配，控制光波导之间、器件之间以及光波导与器件之间的光耦合、合波、分波。,8.5 光源耦合 Source Coupling,光从光源到光纤之间的耦合效率一般都比较低。耦合损耗：,8.5.1 Reflection Loss 反射损耗,光纤,光源,如果光源发射面和光纤端面之间存在空气间隙，那么光在分界面上发生反射损耗，大概为0.2dB 解决措施：光源与光纤端面直接接触，使用匹配液填充间隙。,8.5.2 Area-Mismatch Loss 面积失配损耗,纤芯,光源,如果光源面积比纤芯面积大，会损失一部分功
15、率，效率的降低等于纤芯面积与光源面积之比。,8.5.3 Packing-Fraction Loss 封装比损耗,纤芯,光纤束,如果光源发出的光照射光纤的包层上或者光纤的空气间隙上，这部分能量就会损失掉。 封装比：所有光纤的纤芯面积之和与光纤束的横截面积之比，通常在0.4到0.75之间。耦合效率随着封装比变大而变大。,包层,8.5.4 Packing-Fraction Loss 数值孔径损耗（多模）,纤芯,光源,以比波导接收角大的角度入射的光线在光纤中不能传播。低数值孔径光纤的耦合损耗相当大。 光纤耦合效率低主要是因为普通光源发出的光束角分布很宽，而光纤的接收角很有限。 所以光源耦合器的效率取决
16、于光源的发射方向图和光纤的数值孔径。 解决方案：使用透镜可以改进耦合效率。,8.5.5 Packing-Fraction Loss 单模光纤耦合,如果来波的功率呈高斯分布，则单模光纤的耦合效率将非常高，这时候要求两个光波的光斑半径相等。 解决方案：使用透镜,9.1 Distribution Networks 分布式网络,定向耦合器是构成很多分布式网络的基础。 定向耦合器：对同一波长的光功率进行分路或合路类型： Y型、X型22耦合器、1N型、MN型 全光纤型、微光元件型、集成光波导型 功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。,1、Throughput Loss直通损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口0到优势端口1的路径中的插入损耗为：,3、Excess Loss附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。,技术指标：,2、Tap Loss抽头损耗：给定输入端口和抽头端口（端口2）之间传输损耗量,3、Directionality方向性系数：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例：,
