《常见光无源器》PPT课件.ppt
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1、燕山大学信息工程学院光燕山大学信息工程学院光电子系子系第第3章章常常见光无源器件光无源器件第第3章章常常见光无源器件光无源器件v光无源器件是光路的重要光无源器件是光路的重要组成部分。成部分。v光无源器件与光无源器件与电无源器件有无源器件有许多相似之多相似之处,电无源器件如无源器件如插插头、开关、开关、电容、容、电阻、阻、电感等,是感等,是电路的重要路的重要组成部成部分。分。常常见的光无源器件有的光无源器件有光光纤连接器、光耦合器、光波分接器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光衰减器、光开关复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。等。v光无源器件遵守光学的基本理光无源器件遵守光学的基本理论,即光
2、,即光线理理论和和电磁磁场理理论。3.1 光光纤连接器接器1 3.2 光光 耦耦 合合 器器2 3.3 光光 隔隔 离离 器器3第第3章章常常见光无源器件光无源器件3.1 光光纤连接器接器v光光纤连接器可分接器可分为两大两大类:活活动连接器接器和和固定固定连接器接器。1 3.1.1 光光纤活活动连接器接器2 3.1.2 光光纤固定固定连接器接器3.1.1 光光纤活活动连接器接器v1基本基本结构及工作原理构及工作原理v光光纤活活动连接器基本上是采用某种机械和光学接器基本上是采用某种机械和光学结构,使两构,使两根光根光纤的的纤心心对接,保接,保证95以上的光能通以上的光能通过连接器。接器。v目前,
3、活目前,活动连接器有代表性且正在使用的接器有代表性且正在使用的结构有以下几种,构有以下几种,如如图3.1图所示。所示。图3.1 套管套管结构构3.1.1 光光纤活活动连接器接器v 图3.2 双双锥结构构图3.4 球面定心球面定心结构构v 图3.3 V形槽形槽结构构图3.5 透透镜耦合耦合结构构3.1.1 光光纤活活动连接器接器v套管套管结构的核心是插构的核心是插针与套筒。与套筒。v插插针是一个是一个带有微孔的精密有微孔的精密圆柱体,其柱体,其结构和主要尺寸如构和主要尺寸如图所示。所示。图3.6 插插针的的结构与主要尺寸构与主要尺寸3.1.1 光光纤活活动连接器接器v插插针的精度要求是:外径不的
4、精度要求是:外径不圆度小于度小于0.0005 mm;外;外圆柱柱面光面光洁度度为 ;微孔偏心量小于;微孔偏心量小于 ;插;插针端面端面为球面,球面,其曲率半径其曲率半径为20 60 mm。v套筒是与插套筒是与插针相配合的零件,它有两种相配合的零件,它有两种结构,如构,如图所示。所示。3.1.1 光光纤活活动连接器接器图3.7 套筒的套筒的结构与尺寸构与尺寸v套筒的精度要求是:内孔光套筒的精度要求是:内孔光洁度度为;拔插力;拔插力为 3.92 5.88 N。开口套筒使用。开口套筒使用弹性好的材料,如磷青性好的材料,如磷青铜、铍青青铜、氧化、氧化锆陶瓷等。陶瓷等。3.1.1 光光纤活活动连接器接器
5、v光光纤活活动连接器接器结构上差构上差别很大,品种也很多,很大,品种也很多,但按功能可分成如下几部分:但按功能可分成如下几部分:v(1)连接器插接器插头(Plug Connector):由插:由插针体和若干外部体和若干外部零件零件组成。成。v(2)转换器或适配器器或适配器(Adapter):即插座,可以:即插座,可以连接同型号接同型号插插头,也可以,也可以连接不同型号插接不同型号插头,可以,可以连一一对插插头,也可,也可以以连接几接几对插插头或多心插或多心插头。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v(3)转换器器(Converter):将某一种型号的插:将某一种型号的插头变换成另一成另一种型号的
6、插种型号的插头,由一种型号的,由一种型号的转换器加上另外其他型号的器加上另外其他型号的插插头组成。成。v(4)光光缆跳跳线(Cable Jumper):一根光:一根光缆两端面装上插两端面装上插头,称称为跳跳线。两个插。两个插头型号可以不同,可以是型号可以不同,可以是单心的,也可心的,也可以是多心的。以是多心的。v(5)裸光裸光纤转换器器(Bare Fiber Adapter):将裸光将裸光纤穿入裸穿入裸光光纤转换器,器,处理好光理好光纤端面,形成一个插端面,形成一个插头。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v2主要性能指主要性能指标及及测试方法方法v(1)插入插入损耗耗v插入插入损耗是指光信号通
7、耗是指光信号通过活活动连接器后,接器后,输出光功率相出光功率相对输入光功率的分入光功率的分贝数,其表达式数,其表达式为(dB)(3.1)式中,式中,为输入光功率;入光功率;为输出光功率。插入出光功率。插入损耗耗越小越好。越小越好。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v(2)回波回波损耗耗v回波回波损耗又称耗又称为后向反射后向反射损耗,是指光耗,是指光纤连接接处,后向反,后向反射光功率相射光功率相对入射光功率的分入射光功率的分贝数,其表达式数,其表达式为 (dB)(3.2)式中,式中,为输入光功率;入光功率;为后向反射光功率。回波后向反射光功率。回波损耗越大越好。耗越大越好。3.1.1 光光纤活活
8、动连接器接器v(3)重复性和互重复性和互换性性v重复性重复性是指光是指光纤活活动连接器多次插拔后,插入接器多次插拔后,插入损耗的耗的变化,化,用用dB表示。表示。v互互换性性是指是指连接器各部件互接器各部件互换时,插入,插入损耗的耗的变化,也用化,也用dB表示。表示。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v影响光影响光纤活活动连接器插入接器插入损耗的因素耗的因素很多,很多,现简述如下:述如下:v(1)两个光两个光纤纤心位置的心位置的错位,如位,如图所示。所示。实际有三种情况,即横向有三种情况,即横向错位、角度位、角度倾斜和端面斜和端面间隙。隙。图3.8 光光纤纤心位置的心位置的错位位3.1.1 光
9、光纤活活动连接器接器v(2)在两个光在两个光纤端面之端面之间,由于存在不同的介,由于存在不同的介质(如空气)(如空气),光在介,光在介质之之间多次反射,多次反射,产生生损耗,称耗,称为菲涅耳反射引菲涅耳反射引起的起的损耗,其表达式耗,其表达式为 (3.3)式中,式中,。当。当时,。v(3)由于两根光由于两根光纤纤心直径不同,数心直径不同,数值孔径不同也会引起孔径不同也会引起光光纤连接器接器损耗。耗。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v光光纤固定固定连接器的作用是使一接器的作用是使一对或几或几对光光纤之之间永久性的永久性的连接。接。v制作固定接制作固定接头的方法有的方法有熔接法、熔接法、V形槽
10、法、毛形槽法、毛细管法、套管法、套管法等。管法等。v1熔接法熔接法v用熔接法制作固定用熔接法制作固定连接器,接器,是光是光纤固定固定连接的主要方法。接的主要方法。v它采用加它采用加热的方法的方法将光将光纤熔接在一起,只要操作得当,熔熔接在一起,只要操作得当,熔接机接机设计合理,合理,连接插入接插入损耗很小,后向反射光近似耗很小,后向反射光近似为零,零,可以得到非常理想的光可以得到非常理想的光纤固定接固定接头。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v光光纤加加热和熔化的方法有三种,如和熔化的方法有三种,如图所示。所示。其特点如下其特点如下:v(1)电弧熔接弧熔接(2)氢氧焰熔接氧焰熔接(3)激光熔
11、接激光熔接图3.9 光光纤熔接方法熔接方法3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v(1)电弧熔接弧熔接v用高用高压电极放极放电来加来加热光光纤,使之熔融,使之熔融连接,接,电弧放弧放电和和光光纤的的对准可以由微机控制,准可以由微机控制,实现自自动化操作。化操作。电弧熔接弧熔接是熔接法中是熔接法中应用广泛的方法。用广泛的方法。v(2)氢氧焰熔接氧焰熔接v用于一些特殊的用于一些特殊的场合,如海底光合,如海底光缆的光的光纤熔接,其特点是熔接,其特点是接接头强度高,但火焰的控制度高,但火焰的控制较为困困难。v(3)激光熔接激光熔接v如用激光器加如用激光器加热并熔接光并熔接光纤,其特点是加,其特点是加热环
12、境非常干境非常干净,接接头强度高,但度高,但设备昂昂贵。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v实现光光纤熔接的熔接的设备是光是光纤熔接机,它由下述部分熔接机,它由下述部分组成成:(1)光光纤的准直与的准直与夹紧结构;构;(2)光光纤的的对准机构;准机构;(3)电弧弧放放电机构;机构;(4)电弧放弧放电和和电机机驱动的控制机构。的控制机构。v以下是以下是详细介介绍。v(1)光光纤的准直与的准直与夹紧结构构v光光纤的准直与的准直与夹紧结构由精密构由精密V形槽和形槽和压板构成,板构成,v精密精密V形槽的作用是使一形槽的作用是使一对光光纤不不产生生轴偏移,偏移,压板使光板使光纤固定在固定在V形槽内。形
13、槽内。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v(2)光光纤的的对准机构准机构v在熔接光在熔接光纤之前,一般要通之前,一般要通过手手动或自或自动装置使装置使纤心完全心完全对准。常用如下三种方法来准。常用如下三种方法来实现光光纤的的对准:准:功率功率监测 纤心直心直视包包层对准准v(3)电弧放弧放电机构机构v熔接机的熔接机的电弧放弧放电由两根由两根电极完成,极完成,电极由极由钼丝制成。制成。v(4)电弧放弧放电和和电机机驱动的控制机构的控制机构v在在电极放极放电过程中,程中,电机的机的驱动都由微都由微处理机控制,按理机控制,按预定程序工作。定程序工作。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v2其他固定
14、其他固定连接方式接方式v(1)V 形槽固定接形槽固定接头v这种接种接头携携带方便,操作方便,操作简单,不需要,不需要贵重的重的仪表和表和设备。V 形槽的形槽的结构是多构是多样的,的,图为 FMS-1 型光型光纤固定固定连接器接器的的结构构图。图3.10 FMS-1型光型光纤固定固定连接器的接器的结构构图3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v(2)毛毛细管固定接管固定接头v毛毛细管固定接管固定接头一般采用玻璃材料制作,将两根一般采用玻璃材料制作,将两根处理好的理好的光光纤从两从两头穿入玻璃毛穿入玻璃毛细管内,利用其精密内孔使两根光管内,利用其精密内孔使两根光纤纤心心对准。在两根光准。在两根光纤端
15、面加入匹配液,消除菲涅端面加入匹配液,消除菲涅尔反反射。射。v(3)套管式固定接套管式固定接头v与活与活动连接器一接器一样,其主要零件也是插,其主要零件也是插针和套筒。插入和套筒。插入损耗在耗在0.1 dB以下,回波以下,回波损耗达耗达45 dB以上。以上。3.2 光光 耦耦 合合 器器v光耦合器光耦合器(Coupler)是是能使光信号在特殊能使光信号在特殊结构的耦合区构的耦合区发生耦合,并生耦合,并进行光功率再分配的器件。行光功率再分配的器件。v从功能上,从功能上,可分可分为光功率分配器和光波光功率分配器和光波长分配(合分配(合/分波)分波)耦合器。耦合器。v从端口形式上,从端口形式上,可分
16、可分为X 形形()、Y 形形()、星形、星形(N N,N2 )以及以及树形形(1 N,N2)耦合器。耦合器。3.2 光光 耦耦 合合 器器v从工作从工作带宽上,上,可分可分为单工作窗口的窄工作窗口的窄带耦合器、耦合器、单工作工作窗口的窗口的宽带耦合器和双工作窗口的耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。耦合器。v另外,由于另外,由于传导光模式的不同光模式的不同,又有多模光,又有多模光纤耦合器和耦合器和单模光模光纤耦合器之分。耦合器之分。1 3.2.1描描述述光光耦耦合合器器特特性性的的一一些些技技术参数参数2 3.2.2 光光耦耦合合器器 的的制制作作方方法法3 3.2.3 耦合机理耦合机理4 3.2
17、.4 波波导型型光光耦合器耦合器5 3.2.5 光光波波分分复复用用器器(WDM)和和解复用器解复用器 3.2 光光 耦耦 合合 器器 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v1插入插入损耗耗(Insertion Loss)(3.4)式中,式中,为第第i个个输出端口的插入出端口的插入损耗;耗;为第第i个个输出端出端口的光功率;口的光功率;为输入的光功率。入的光功率。v2附加附加损耗耗(Excess Loss)(3.5)v插入插入损耗是各耗是各输出端口的出端口的输出功率状况,不出功率状况,不仅与固有与固有损耗耗有关,而且与分光比有很大的关系。有关,而且与分光比有很
18、大的关系。3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v3分光比分光比(Coupling Ration)(3.6)v它是光耦合器特有的技它是光耦合器特有的技术指指标。v4方向性方向性(Directivity)v方向性是光耦合器特有的技方向性是光耦合器特有的技术指指标,是衡量器件定向是衡量器件定向传输特性的参数。以特性的参数。以X形耦合器形耦合器为例,方向性定例,方向性定义为耦合器正耦合器正常工作常工作时,输入一入一侧非注入光的一端非注入光的一端输出的光功率与全部出的光功率与全部注入的光功率的比注入的光功率的比值。3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一
19、些技术参数参数v由由 2 端端输出的光功率出的光功率与全部注入的光功率与全部注入的光功率(即即图中中 1 端注入的光功率端注入的光功率)之比之比为 (3.7)图3.11 X形耦合器的方向性形耦合器的方向性 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v5均匀性均匀性(Uniformity)v对于要求均匀分光的光耦合器(主要是星形和于要求均匀分光的光耦合器(主要是星形和树形),由形),由于工于工艺局限,往往不可能做到局限,往往不可能做到绝对的均匀,用均匀性来衡的均匀,用均匀性来衡量其不均匀程度:量其不均匀程度:(3.8)v6偏振相关偏振相关损耗耗(Polarizatio
20、n Dependent Loss)v衡量器件衡量器件对于于传输光信号的偏振光信号的偏振态的敏感程度的参量,也的敏感程度的参量,也称称为偏振灵敏度。偏振灵敏度。3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v当当传输光信号的偏振光信号的偏振态变化化 时,器件各,器件各输出端出端输出功率的最大出功率的最大变化量:化量:(3.9)v 7隔离度隔离度(Isolation)(3.10)v式中,式中,为在第在第i个光路个光路输出端出端测到的其他到的其他输出端光信出端光信号的功率;号的功率;为输入的光功率。入的光功率。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法v光耦合器大致可分
21、光耦合器大致可分为分立元件分立元件组合型合型、全光全光纤型型和和平面波平面波导型。型。v1、早期采用分立光学元件、早期采用分立光学元件(如棒透(如棒透镜、反射、反射镜、棱、棱镜等)等)组合拼接。合拼接。v 其耦合机理其耦合机理简单直直观,可用一般的几何光学,可用一般的几何光学进行描述。行描述。v 但但损耗大,与光耗大,与光纤耦合困耦合困难,环境境稳定性定性较差。差。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法v 2、全光、全光纤耦合器,即直接在两根(或两根以上)光耦合器,即直接在两根(或两根以上)光纤之之间形成某种形式的耦合。形成某种形式的耦合。v全光全光纤耦合器的耦合器的发展:展:(1)
22、最早是)最早是Sheem和和Giallorenzi发明的明的蚀刻法刻法(2)Bergh等人等人发明了光明了光纤研磨法,研磨法,(3)研磨研磨结束后,在研磨面上加一小滴匹配液,再将光束后,在研磨面上加一小滴匹配液,再将光纤拼接,做成光拼接,做成光纤耦合器。耦合器。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法(4)20世世纪80年代初,人年代初,人们开始用光开始用光纤熔融拉熔融拉锥法制作法制作单模光模光纤耦合器,已成耦合器,已成为当前制作光耦合器的主要方法。当前制作光耦合器的主要方法。v3、集成化是未来光、集成化是未来光纤通信通信发展的必然展的必然趋势。利用利用平面光波平面光波导制作的光耦合器
23、具有体制作的光耦合器具有体积小,分光比控制小,分光比控制精确,易于大批生精确,易于大批生产等特点。等特点。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法v熔融拉熔融拉锥法是:法是:将两根(或两根以上)除去涂覆将两根(或两根以上)除去涂覆层的光的光纤以一定方式靠以一定方式靠拢,在高温下熔融,同,在高温下熔融,同时向两向两侧拉伸,最拉伸,最终在加在加热区形成双区形成双锥形式的特殊波形式的特殊波导结构,构,实现传输光功率光功率耦合的一种方法。耦合的一种方法。v熔融拉熔融拉锥制作系制作系统的示意的示意图如如图所示。所示。图3.12 熔融拉熔融拉锥制作系制作系统示意示意3.2.2 光耦合器的制作方法光
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