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1、Optical Communications华东师范大学 East China Normal University第四章第四章 常用的光无源器件常用的光无源器件Optical Communications华东师范大学 East China Normal University4.1 光纤的连接光纤的连接光纤的融接（光纤的融接（fusion splicing） （补充）（补充）Optical Communications华东师范大学 East China Normal University光纤融接机：光纤融接机：Optical Communications华东师范大学 East China Nor
2、mal University 连连接接器器是是实实现现光光纤纤与与光光纤纤之之间间可可拆拆卸卸(活活动动)连连接接的的器器件件， 主主要要用用于于光光纤纤线线路路与与光光发发射射机机输输出出或或光光接接收收机机输输入入之之间间，或或光光纤线路与其他纤线路与其他光无源器件光无源器件光无源器件光无源器件之间的连接。之间的连接。4.1.1 光纤连接器光纤连接器Optical Communications华东师范大学 East China Normal University图 4.3 精密套管结构连接器简图 Connection principle：Optical Communications华东师范
3、大学 East China Normal UniversityFC Connector：Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityOptical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityST Connector:光纤跳线适配器光纤跳线适配器Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFC Connector，具有螺旋口。具有螺旋口。Optical Communications华东师范大学 East
4、 China Normal UniversitySC Connector，直接插进、拔出。直接插进、拔出。Optical Communications华东师范大学 East China Normal University光纤适配器（转换器）光纤适配器（转换器）:Optical Communications华东师范大学 East China Normal University该图为FC/PC型光纤跳纤（非正规叫法是双头尾纤），英文名为PATCH CORD即两头带光纤连接器的软光纤。光跳线颜色为黄色，表示单模跳纤。 Optical Communications华东师范大学 East China N
5、ormal University该图为MTRJ-SC型光纤跳纤， 光跳线颜色为橙色，表示多模跳纤。 Optical Communications华东师范大学 East China Normal University4.1.2 光纤连接器特性光纤连接器特性1.1.插入损耗插入损耗 A Ac c：插入损耗：插入损耗 P P1 1：输入端光功率：输入端光功率P P2 2：输出端光功率输出端光功率2.2.回波损耗回波损耗 A Ar r：回波损耗：回波损耗 P P0 0：输入端光功率：输入端光功率P PR R：后向反射光功率后向反射光功率Optical Communications华东师范大学 East
6、 China Normal University4.2 光纤耦合器光纤耦合器Optical Communications华东师范大学 East China Normal Universityu 当传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，当传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，V值逐渐值逐渐减小，减小，越来越多的光功率深入光纤包层中越来越多的光功率深入光纤包层中越来越多的光功率深入光纤包层中越来越多的光功率深入光纤包层中。u 在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合弱耦合弱耦合弱耦合，一根光纤构成对另一根光纤的，一根光纤构成对另
7、一根光纤的扰动扰动扰动扰动。4.2.1 光纤耦合器的结构与原理光纤耦合器的结构与原理(1) 单模光纤单模光纤Optical Communications华东师范大学 East China Normal University耦合方程：耦合方程：假设：假设：自耦合系数自耦合系数 和和 可以忽略；可以忽略； 互耦合系数互耦合系数 C 取决于光纤参数取决于光纤参数（两个光纤芯之间的距离）（两个光纤芯之间的距离）和和光波长光波长。 耦合方程耦合方程简化为简化为：（自学）（自学）Optical Communications华东师范大学 East China Normal University耦合方程的解（
8、一般解）：耦合方程的解（一般解）：其中：其中：K0和和K1：零阶和一阶修：零阶和一阶修正的第二类贝赛尔函数正的第二类贝赛尔函数d：两光纤中心的间距：两光纤中心的间距（自学）（自学）Optical Communications华东师范大学 East China Normal University假定光功率由一根光纤注入，初始条件为假定光功率由一根光纤注入，初始条件为F2：光纤之间的最大耦合功率；：光纤之间的最大耦合功率；两根光纤相同（两根光纤相同（identical），），C C 取决于光纤参数取决于光纤参数（两个光纤芯之间的距离（两个光纤芯之间的距离d d）和和光波长光波长。Optical C
9、ommunications华东师范大学 East China Normal University熔锥光纤型耦合器熔锥光纤型耦合器 / / 波分复用器结构和特性波分复用器结构和特性P P1 1(z)(z)最大，最大，P P2 2(z)(z)为零。为零。(2)且且(1)P P1 1( (1 1) )最大最大，P P2 2( (1 1) )为零；但为零；但P P1 1( (2 2) )为零，为零，P P2 2( (2 2) )最大最大。( (对于同一个长度对于同一个长度z)z)Optical Communications华东师范大学 East China Normal University假设：假设
10、：特定波长特定波长1和和2，选择光纤参数，调整有效作用长度，选择光纤参数，调整有效作用长度使得：使得：(1) 当光纤当光纤a输出输出Pa(1)最大时，光纤最大时，光纤b输出输出Pb(1)=0 (2) 当当Pa(2)=0时，时，Pb(2)最大最大 解复用器解复用器例子：例子：1和和2分别为分别为1.31m和和1.55 m的的光纤型光纤型光纤型光纤型解复用器解复用器解复用器解复用器， 可以做到可以做到附加损耗附加损耗为为0.5 dB，波长隔离度波长隔离度大于大于20 dB。 1 1， 2 2 2 2 1 1直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1
11、 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2公共臂公共臂Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure: Wavelength division multiplexing coupler response made of three identical couplers in seriesOptical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityOptical Communications华东师范大学 East China Normal Uni
12、versityFigure: Spectral response of a Mach-Zehnder interferometer for dense wavelength division multiplexing application. The phase difference comes from the adiabatic tapering of one of the arms.Optical Communications华东师范大学 East China Normal University(2) 多模光纤多模光纤u 熔锥区特点熔锥区特点： (1) 纤芯变细，纤芯变细，V值减小，纤芯
13、中束缚的模式数减少，值减小，纤芯中束缚的模式数减少，较高较高 阶的模进入包层，阶的模进入包层，形成包层模；形成包层模； (2) 两光纤的包层合并。两光纤的包层合并。u 导致：耦合臂纤芯导致：耦合臂纤芯“捕获捕获”包层中较高阶模，获得耦合包层中较高阶模，获得耦合u 注意：注意：直通臂纤芯中传输的低阶模，只能从直通臂输出直通臂纤芯中传输的低阶模，只能从直通臂输出u 模式敏感：模式敏感：多模耦合器两输出端的传导模一般不同。多模耦合器两输出端的传导模一般不同。u 现在：现在：可使模式混合，各阶模式均参与耦合过程，使输出可使模式混合，各阶模式均参与耦合过程，使输出 端的模式一致，消除模式敏感。端的模式一
14、致，消除模式敏感。Optical Communications华东师范大学 East China Normal University4.2.2 光纤耦合器的特性光纤耦合器的特性 1. 插入损耗（插入损耗（insertion loss） 2. 附加损耗附加损耗 （excess loss）（dB）Optical Communications华东师范大学 East China Normal University 3. 分光比（分光比（Coupling Ratio）（dB） 4. 隔离度隔离度 （Isolation）（dB）P Pt t：某一光路：某一光路输出端测输出端测到其它光路信号的功率到其它光路
15、信号的功率值；值；P Pinin：被检测光信号的输：被检测光信号的输入功率值。入功率值。波长耦合器的隔离度一般要达到波长耦合器的隔离度一般要达到40dB以上。以上。Optical Communications华东师范大学 East China Normal University 光纤型耦合器光纤型耦合器 (a)定定向向耦耦合合器器； (b) 88星星形形耦耦合合器器； (c) 由由12个个22耦耦合合器器组组成成的的 88星星形耦合器形耦合器(switching fabric) Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityO
16、ptical Communications华东师范大学 East China Normal University-40+70-40+70-40+70-40+70工作温度工作温度工作温度工作温度/ /CC11.2511.250.82.00.82.0稳定性稳定性稳定性稳定性/dB/dB40554055方向性方向性方向性方向性/dB/dB0 04 44 784 78 88 88 1112111232 32 32 32 171917193.43.45.6/1.85.6/1.810.8/0.710.8/0.7插入损耗插入损耗插入损耗插入损耗/dB/dB分路比分路比分路比分路比 0.5/0.50.5/0.
17、5 0.3/0.7 0.3/0.7 0.1/0.9 0.1/0.91.311.31或或或或1.551.551.311.31或或或或1.551.55工作波长工作波长工作波长工作波长/ /n nnn星型星型星型星型2 222型型型型耦合器耦合器耦合器耦合器表表3.6 耦合器的一般特性耦合器的一般特性Optical Communications华东师范大学 East China Normal University产品产品：12耦合器耦合器Optical Communications华东师范大学 East China Normal University产品产品：1N耦合器耦合器Optical Comm
18、unications华东师范大学 East China Normal University4.4 光开关光开关定义：定义： 进行进行光路切换光路切换光路切换光路切换，实现光通道的通断和转换。，实现光通道的通断和转换。应用：应用： (1) (1) 主用光纤和备用光纤之间的切换；主用光纤和备用光纤之间的切换； (2) (2) 光交换机中的光路切换等。光交换机中的光路切换等。工艺：工艺： 目前光开关的制作工艺比较多，这里介绍其中两种。目前光开关的制作工艺比较多，这里介绍其中两种。 Optical Communications华东师范大学 East China Normal University MO
19、EMS switch: (micro-optical-electrical mechanical Systems)MEOMS: micro-electro-opto-mechanicalSystemMEMS + optics 1. 机械式光开关机械式光开关4.4.1 光开关的种类光开关的种类Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityOptical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure. Micromirror SystemOptical Commun
20、ications华东师范大学 East China Normal UniversityMEMSMEMSOptical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure. 2D MEMS arrayOptical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure. 3D MEMSOptical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure 4: Mirror actuatorOptical Communica
21、tions华东师范大学 East China Normal UniversityMOEMS ProductsSIEMENSLUCENTFrom OADM to OXCP: 8 8 D: 128 128R:1000 1000Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure: All-fiber Mach-Zehnder interferometer. 2. 热光效应光开关热光效应光开关Mach-Zehnder Mach-Zehnder 干涉仪：干涉仪：干涉仪：干涉仪：在第二个耦合器处产生在第二个耦合器处产生相长相长或或
22、相消干涉相消干涉，使输出，使输出有有或或无无。Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure. Thermo optic switchOptical Communications华东师范大学 East China Normal University热光效应：热光效应：热光效应：热光效应： 通过对光波导进行加热，达到改变光波导的折通过对光波导进行加热，达到改变光波导的折射率的现象。即：通过加热改变玻璃材料的折射率。射率的现象。即：通过加热改变玻璃材料的折射率。热光效应光开关：热光效应光开关：热光效应光开关：热光效应光
23、开关： 基于基于M-Z干涉仪。利用加热一条光波导，改变干涉仪。利用加热一条光波导，改变这条光波导的折射率，调制输出耦合光的相位差，这条光波导的折射率，调制输出耦合光的相位差，实现光开关。实现光开关。Optical Communications华东师范大学 East China Normal University原理：原理：原理：原理： M MZ Z干涉仪由两端两个耦合器和中间两个单波导组成。干涉仪由两端两个耦合器和中间两个单波导组成。 当一束振幅为当一束振幅为A A的光输入到输入耦合器后，被分成的光输入到输入耦合器后，被分成振幅和振幅和振幅和振幅和相位完全相同相位完全相同相位完全相同相位完全相
24、同的两束光。如果两平行臂完全对称，两分路光束的两束光。如果两平行臂完全对称，两分路光束在输出耦合器内重新合并成在输出耦合器内重新合并成振幅为振幅为振幅为振幅为A A A A的光输出。的光输出。 如果对一个臂进行如果对一个臂进行调制调制调制调制( (如利用热光效应如利用热光效应) )，这个臂的，这个臂的折射折射折射折射率发生改变率发生改变率发生改变率发生改变，从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变，即，从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变，即产生了一相对相位差产生了一相对相位差产生了一相对相位差产生了一相对相位差。这两束光在输出耦合器内发生干涉，。这两束光在输出耦合器内发生干涉，光强将随光强将
25、随的不同而变化，也即的不同而变化，也即输出光强受到了调制输出光强受到了调制输出光强受到了调制输出光强受到了调制。 Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityLL其中其中knkn(2(2)n )n 是传播常数是传播常数 nn：由于热光效应引起波导层中折射率的变化由于热光效应引起波导层中折射率的变化由于热光效应引起波导层中折射率的变化由于热光效应引起波导层中折射率的变化。 (1)(1)当当2n2n2n2n（n n0 0，1 1，2 2）时，）时，I I I IoutoutoutoutI I I Iinininin 相当于没有受
26、到调制，输出仍然为基模；相当于没有受到调制，输出仍然为基模；(2)(2)当当(2n(2n(2n(2n1)1)1)1)（n n0 0，1 1，2 2）时，）时，I I I Ioutoutoutout0 0 0 0 调制后进入输出耦合器的调制后进入输出耦合器的两束光反相两束光反相-抵消，无输出。抵消，无输出。应用：应用：依据依据调制电压调制电压VaVa不同而不同。不同而不同。强度调制器：当强度调制器：当VaVa连续变化，连续变化，连续变化，连续变化，输出光强随之连续变化。输出光强随之连续变化。光开关：光开关： VaVa为为阶跃信号阶跃信号阶跃信号阶跃信号，I I I IoutoutoutoutI
27、I I Iin in in in 或或或或 0 0 0 0，输出或有或无。输出或有或无。 Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityFigure: 2 X 2 Digital Optical Switch (DOS)Optical Communications华东师范大学 East China Normal University Figure：Thermo-optical switch matrix architectureOptical Communications华东师范大学 East China Normal Uni
28、versity3. 安捷伦（安捷伦（Agilent）喷墨）喷墨液晶液晶气泡气泡光开关光开关（自学）（自学）Optical Communications华东师范大学 East China Normal University Agilent于于1999年将它成熟的喷墨打印技术与年将它成熟的喷墨打印技术与Si平面光平面光路（路（Planar Lightwave CircuitPLC）结合，推出喷墨液）结合，推出喷墨液晶开关器件。晶开关器件。原理：原理：原理：原理：在在Si衬底材料上制作出偏振光束分支波导（衬底材料上制作出偏振光束分支波导（PBS），），并在每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内
29、装上并在每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。不加热时，光束直折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。不加热时，光束直通；当通；当Si材料中相关点被加热器加热时，其上的液晶产生一材料中相关点被加热器加热时，其上的液晶产生一种气泡，经过它的全反射，使来自输入波导的光改变方向，种气泡，经过它的全反射，使来自输入波导的光改变方向，反射到要求输出的波导上反射到要求输出的波导上- 路由器路由器路由器路由器。开关速度：开关速度：开关速度：开关速度：数十微秒量级。快于数十微秒量级。快于MOEMS光开关。光开关。Optical Communications华东师范大学
30、 East China Normal University4.4.2 光开关的特性参数光开关的特性参数1. 开关时间开关时间: 指开关从某一状态转为另一状态所需的时间。指开关从某一状态转为另一状态所需的时间。 即由即由“开开”到到“关关”，或反过来所需的时间。，或反过来所需的时间。 MOEMS开关：开关： ms量级（量级（非常大型的光开关非常大型的光开关非常大型的光开关非常大型的光开关） 热光效应开关：热光效应开关：sms量级量级 液晶光开关液晶光开关： s量级量级2.2.隔离度：隔离度： 指对输出光功率的隔离程度。指对输出光功率的隔离程度。 指从指从i i端口输入时，端口输入时，n n端口测
31、得的输出光功率。端口测得的输出光功率。 书上文字有误书上文字有误Optical Communications华东师范大学 East China Normal University用用DWDM+DWDM+光开关光开关可构成可构成OADMOADM、OXCOXC等光交换系统等光交换系统本节点信息本节点信息输入光纤输入光纤 1 2 3 4DEMMUX输出光纤输出光纤 1 2 3 4 1 1 2 2 3 3 4 4RXTXOptical Communications华东师范大学 East China Normal University 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1
32、2 3 4 1 2 3 4动态交叉连接动态交叉连接光开关光开关Optical Communications华东师范大学 East China Normal University西门子利用西门子利用OMMOMM光开关制作的光交换机光开关制作的光交换机Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityIOIONIOION公司的光开关板公司的光开关板 Optical Communications华东师范大学 East China Normal UniversityAT&T selects Siemens for all-optical
33、transition 20 November 2003 US carrier AT&T has signed an agreement to begin testing next-generation optical transport gear from Siemens of Germany. AT&T is assessing the operation of Siemens SURPASS hiT 7500 platform with installed intelligent optical switches prior to deployment on high-capacity routes in its network, scheduled for the first half of 2004.
