光纤技术及应用---第五章

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1、第五章 光 纤 器 件,2018/10/15,2,为实现光波的传输： 传统方法：采用分立光学元件构成光学系统 缺点：体积大、质量大、结构松散、可靠性差、与光纤不兼容 光纤技术的发展：以光纤为基质构成光纤器件，弥补不足,光纤器件是构成光纤通信系统和光纤传感系统不可缺少的部件。,按照能量的产生和消耗可分为光纤无源器件和光纤有源器件： (a)光纤无源器件：指用光纤构成的一种能量消耗型器件； 如：光纤连接器、光纤定向耦合器、光波分复用器、光纤隔离器和环形器、光纤滤波器、光纤衰减器等， 功能：对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换及衰减等,(b)光纤有源器件：用光纤构成的一种能量产生型器件 如：光纤放大

2、器、光纤激光器等 功能：主要是扩大通信容量、增大中继距离、提高传感效能等。,本章主要讲：光纤无源器件 （光纤连接器、光纤定向耦合器、光波分复用器、光纤隔离器和环形器、光纤滤波器、光纤光栅、光开关、光纤衰减器等）,,光无源器件是光路的重要组成部分。 光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件如插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部分。常见的光无源器件有光纤连接器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。 光无源器件遵守光学的基本理论，即光线理论和电磁场理论。,,5.1 光纤无源器件,1、光纤无源器件的主要性能参数,广义讲：光纤无源器件可以看成一个多端口耦合器，每一

3、个端口对应一条信号通道（简称“信道”），光信号由耦合器的一个端口或几个端口输入，经过某种变换或处理之后，从另一个或几个端口输出。,（1）信道插入损耗：表示由输入信道(j)至指定输出信道(i)的功率传输损耗，即：,其中：,-是第j信道的输入功率,-是第i信道的输出功率,2018/10/15,6,（2）信道隔离比：表示由输入信道(j)至非指定输出信道(k)的功率传输损耗，即：,（3）过剩损耗：表示当由第 j 信道输入功率 时，由器件所引起的总附加功率传输损耗 ，即：,（4）回波损耗：表示由输入端口返回输入信道的功率损耗，即：,回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率

4、的分贝数，回波损耗越大越好。,2018/10/15,7,（5）信道工作波长：表示相应于最低插入损耗值的光信号波长，在波分复用器中这一参数尤为重要。,（6）信道带宽 ：表示相应于标定插入损耗值的光信号波长范围，如：0.5dB带宽或3dB带宽等。,此外：各种不同的无源器件还具有一些特定的性能参数， 如：隔离器的“反向隔离比”、波分复用器的“信道间隔”、以及光开关的“开关速度”等,2018/10/15,8,2、光纤连接器,（1）光纤连接器-是光纤与光纤之间的活动接头，把光纤的两个端面精密对接起来。是一种可拆卸的光纤接插件，用于反复地连接或断开光纤。 （2）光纤连接器的主要技术要求： 插入损耗小；(b

5、)重复插拔损耗变化小；(c ) 一致性（互换性）好。此外，要求安装方便、性能稳定、可靠性高、价格低廉。在距离光源较近处的光纤连接器还必须具有较大的回波损耗，以消除端面反馈光对光源的不利影响。,（3）光纤连接器的分类： 端面对接式连接器、透镜扩束式连接器、阵列光纤连接器,光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95以上的光能通过连接器。 目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种。图 套管结构,结构图,分为：直插（ST)型、双锥(BC)型；书上P83页,图 双锥结构图 球面定心结构,图 V形槽结构图 透镜耦合结构,图 常用光纤连接器的对准方案示意图 (a)

6、 直套筒； (b) 锥形套筒； (c) 扩展光束,常用连接器类型,FC Type,SC Type,SC2 Type,FDD Type,2018/10/15,13,3、光纤定向耦合器（简称光纤耦合器）,在光纤通信和光纤测量中， 有时需要把光信号在光路上由一路向两路或多路传送， 有时需把N路光信号合路再向M路或N路分配， 能完成上述功能的器件就是光耦合器。 光耦合器按制作方法分为微镜片耦合器、 波导耦合器和光纤耦合器等。,通常，光信号功率由耦合器的一个端口输入，然后按照一定的比例分配至几个指定端口输出，称为分路； 光信号功率由几个端口输入，经耦合器进入同一个端口输出，称为分路。,光纤定向耦合器特点

7、： 器件的主体是光纤，不含其它光学元件；光的耦合功能是通过光纤中传输模式的耦合实现的；光信号的传送方向是固定的。,光纤定向耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器件。,在各种光纤通信网中，要用到大量的光纤定向耦合器，作为光纤线路的分路、合路以及节点互联耦合器件。,由于制作时只需要光纤， 不需要其他光学元件， 具有与传输光纤容易连接且损耗较低、 耦合过程无需离开光纤， 不存在任何反射端面引起的回波损耗等优点， 因而更适合光纤通信， 有时也称为全光纤元件,2018/10/15,15,1、光纤耦合器类型：根据光纤耦合器的工作原理分 (a)部分反射式光纤耦合器：利用光学部分反射原理来实现的。端口输出分

8、配比取决于反射模反射率的大小；图5.1-5 (b) 波前分割式光纤耦合器：是对输入光束进行空间分割，使其分成几束光束输出，达到分光的目的；图5.1-7 (c )模场耦合式光纤耦合器：依据光纤中传输模式场分布相互耦合来实现光信号的分路和合路。当两光纤相距很近时，在一根光纤中传输的模式场分布会扩展到另一根光纤之中，从而在其中激励起传导模，因此就使得导模场所携带功率由一根光纤耦合到另一根光纤中传输。图5.1-8（X形拼接式耦合器）,5.1-9（双锥形光纤耦合）,图5.1-8（X形拼接式耦合器）,-输出分配比取决于两纤芯间距以及拼接长度。,图5.1-9（双锥形光纤耦合）-可控制耦合区的长度和双锥体的腰

9、径来达到预定要求,光耦合器(Coupler)是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。 从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波）耦合器。 从端口形式上，可分为X 形( )、Y 形( )、星形 ( N N, N2 ) 以及树形 ( 1 N, N2）耦合器。如书上：P86 图5.1-10 星形耦合器,（1）插入损耗(Insertion Loss):定义为指定输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减小值式中， 为第i个输出端口的插入损耗； 为第i个输出端口的光功率； 为输入端的光功率。 （2）附加损耗(Excess Loss)：定义为输出端口的光功率总和相对于全部

10、输入光功率的减小值插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与分光比有很大的关系。,2、光纤耦合器的性能指标,（3）分光比(Coupling Ration)：定义为耦合器各输出端输出功率的比值它是光耦合器特有的技术指标。 （4）方向性(Directivity) 方向性是光耦合器特有的技术指标, 是衡量器件定向传输特性的参数。以X形耦合器为例，方向性定义为耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。,由 2 端输出的光功率 与全部注入的光功率(即图中 1 端注入的光功率 )之比为图 X形耦合器的方向性,（5）均匀性(Uniformity)：是指

11、各端口输出功率偏离平均值的程度 对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树形），由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性来衡量其不均匀程度： N为 相应输出端口总数 （6）偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss) 衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，也称为偏振灵敏度。,指当传输光信号的偏振态变化 时，器件各输出端输出功率的最大变化量： （7）隔离度(Isolation)：指光纤耦合器的某一光路对其他光路中光信号的隔离能力式中， 是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值； 为被检测光信号的输入功率值。 隔离度高，意味着线路之间的“串话”小。,2

12、018/10/15,23,4 光波分复用器(WDM),光波分复用器属于波长选择性耦合器，是一种用来合成不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源器件。用于合成不同波长的称为复用器，用于分离不同波长的称为解复用器。如图5.1-12,在复用器中，由各个信道输入波长为 的单色光信号被耦合进同一根光纤中传输； 在解复用器中，则是将传输光纤中波长为 的复色光信号分解成波长为 的单色光信号，并输入相应的输出信道。,(Wavelength Division Multiplexing),2018/10/15,24,如图5.1-12 光复用器和光解复用器示意图,在复用器中，由各个信道输入波长为 的单色光信号

13、被耦合进同一根光纤中传输；,在解复用器中，则是将传输光纤中波长为 的复色光信号分解成波长为 的单色光信号，并输入相应的输出信道,1、光波分复用器的类型按照光波分复用器的分元件及工作原理，可将其分为棱镜分光型、干涉膜滤光型、光纤定向耦合器、光纤光栅型、以及波导阵列光栅型。,棱镜分光型波分复用器：图5.1-13-利用棱镜的色散作用实现波长分离的； (b) 衍射光栅型波分复用器：图5.1-14 -利用衍射光栅的色散作用实现分光的； (c )干涉膜滤光型波分复用器：图5.1-15 -利用多层光学薄膜干涉原理来分光的；,2018/10/15,26,(d) 光纤定向耦合型波分复用器： -由一根光纤向另一根

14、光纤耦合功率的耦合效率是光波长的函数，当波长满足耦合效率=1时，光信号功率发生完全转移，当波长满足耦合效率=0时，光信号功率不发生转移。 (e) 光纤光栅型波分复用器：图5.1-17 (f) 波导阵列光栅型波分复用器：图5.1-18 -波导阵列光栅型波分复用器由输入和输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。,2018/10/15,27,2、光波分复用器的技术指标 （1）信道插入损耗：表征与光波长相对应的信道功率损耗； （2）信道隔离比（串扰损耗）：表征串入与光波长不相对应的信道的功率大小； （3）信道间隔：表征两相邻信道之间中心波长的差值。,光波分（解）复用器是按光波波长进行功率分离与合成的光

15、无源器件，结构如图所示。图 WDM 光传输原理图,利用色散、偏振、干涉等物理现象都可以制作WDM 器件。以下是几种常见的WDM 器件类型。1介质膜型 利用窄带干涉滤光膜（带通型）进行波长的选择，通道数目48个，其结构如图所示。图 窄带介质膜带通滤光片构成的4通道WDM器件,光栅型 利用光栅的衍射效应，不同波长的光衍射角度不同，实现空间的分离，通道数目64个，其结构如图所示。图 由反射光栅构成的解复用器,波导阵列光栅型 波导阵列光栅型波分复用器由输入和输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。 输入和输出波导用于与单模光纤连接，空间耦合器将各种波长光信号耦合进波导阵列光栅，波导阵列光栅由几百条光程差为 的波导组成。,根据衍射理论，在输出端光按波长大小顺序排列输出，通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，其结构如图所示。 图 波导阵列光栅型D波分复用器,5 光纤隔离器和环行器,光纤隔离器和环行器是一种非互易传输耦合器。在光纤隔离器中，当光信号沿正向传输时，具有很低的损耗，光路被接通；当光信号沿反向传输时，损耗很大，光路被阻断。在光环行器中，光信号只能沿规定的路径环行，否则就具有很大的损耗。,