第4章 线路器件与技术



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1、第4章 线路器件与技术提纲n4.1线路器件4.1.1光隔离器4.1.2光环行器4.1.3光纤连接器4.1.4光耦合器4.1.6光纤光栅4.1.7光衰减器4.1.8光开关4.1.9光调制器n4.2线路技术4.2.1光复用技术4.2.2光放大技术4.2.3色散补偿技术n光信号在光纤传输线路上传送时,要解决由光纤损耗、色散及非线性引起的信号衰减和畸变等问题光信号的调制、信号的选路、线路的连接、光信号的分配与控制、杂散光噪声的隔离等一系列工程实践问题n需要通过具有特定功能的器件及技术来完成n具体包括:光隔离器、光环行器、光耦合器、光衰减器、光纤连接器、光开关、光调制器等线路器件光复用、光放大和色散补偿
2、等线路技术4.1线路器件n分类:n无源器件:本身不发生光电或不进行电光转换的传输器件,如光隔离器、光耦合器、光环行器等。n有源器件:本身会发生光电或电光转换的器件,如激光器、光电检测器、光放大器等。4.1.1光隔离器n有一个输入端、一个输出端的非互易光器件,只允许光信号单向传输端口1输入,端口2可以获得低损耗的传输信号端口2输入,器件产生高损耗,光路被阻断n通常放置在线路中激光器、光放大器等之后,用以防止光路中的后向传输光对光源、光放大器以及光路系统产生不良影响端口1端口2n光隔离器的实现需要利用破坏光路可逆的一些特性,如磁光晶体的法拉第磁致旋光效应。n法拉第1845年观察到不具有旋光性的材料
3、在磁场作用下会使通过该物质的光的偏振发生旋转n常用的磁光材料有钇铁石榴石(YIG)、铋铁石榴石(SIC)等旋光材料B光方向光方向2n分类:偏振相关型:特性与输入光信号的偏振态有关偏振无关型:特性与输入光信号的偏振态无关n主要技术指标:插入损耗(IL)回波损耗(RL)隔离度偏振相关损耗(PDL)偏振模色散(PMD)n插入损耗:器件引入光路后正常使用情况下传输的光信号,由于构成器件的材料各部分对光的吸收、散射等造成的对输入信号的附加损耗希望其值越小越好n回波损耗:构成器件的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射光造成的对入射光信号的衰减希望返回的光功率值尽可能的小,回波损耗的值越大越好n隔离度:
4、指在逆光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的损耗隔离度的值越大越好n偏振相关损耗(PDL):指输入光偏振态发生变化而其它参数不变时,器件插入损耗的最大变化量,是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。n偏振模色散(PMD):指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。4.1.2光环行器n一种有多个端口的只允许光信号单向传输的非互易光器件n光由端口1输入时,光几乎毫无损失地由端口2输出,其它端口处几乎没有光输出;n光由端口2输入时,光几乎毫无损失地由端口3输出,其它端口处几乎没有光输出;n以此类推端口1端口2端口3端口4n双向通信中的重要器件,可以完成正反向传输光的分离,在光通信
5、中单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等领域有广泛的应用。n光环行器用于单纤双向通信123光纤213发送发送接收接收n指标包括插入损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗、偏振模色散及回波损耗等n光环行器的插入损耗、隔离度、偏振相关损耗、偏振模色散的定义与光隔离器的基本相同,只不过对环行器而言,均指具体的两个相邻端口之间的指标。n串音指多端口的光环行器,两个不相邻端口之间理论上不能接收到光信号但实际中由于种种原因而接收到的功率以dB表示的相对值,如端口1输入信号时在端口3接收到的功率相对于输入功率的dB值。4.1.3光纤连接器n光纤的连接:将两根光纤端面结合在一起,实现光信号的持续传输。活动
6、连接:活动连接器是活动连接的主要方法固定连接:熔接法是固定连接的主要方法n应用:活动连接:可以重复装拆的活接头。它常被用于光源到光纤、光纤到光纤以及光纤与深测器之间的连接固定连接:光纤之间形成永久性的连接,用于不需要拆卸或重复使用的场合,是光纤通信干线中光纤连接的主要方法n光纤活动连接器可以重复装拆的活接头可分为单芯型和多芯型可分为调心型和非调心型调心型:内部装有调整机构,可调整光纤纤芯的位置,使两根光纤之达到最佳耦合非调心型:内部没有调心机构,依靠光纤活动连接器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦合,常用有套管结构、双锥结构、V型槽结构等,实际绝大多数都应用的是套管结构。n插针套筒结构套管插针
7、光纤光纤f 2.4990.0005f 0.1250.0014f 2.5f 3.2-0.002-0.007+0-0.020.0050.0001n主要性能指标:插入损耗:与光纤的横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度以及纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆度、偏心度等有关。(a)横向错位 (b)端面间隙纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯(c)角度倾斜 (d)端面形状 (e)纤芯直径差异纤芯纤芯n回波损耗:界面处出现菲涅尔反射将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面接触等来降低回波损耗重复性:每次插拔后其损耗的变化范围互换性:同一种连接器不同插针替换时损耗的变化范围插拔次数:具有
8、上述损耗参数范围内插拔的次数工作温度:在工作温度范围内连接器的损耗变化量应在给定的范围内变化n光纤连接器类型多采用AA/BB的方式表示AA表示外部连接方式,即如何可靠的保持插针与套管之间的相对位置,不会在光纤受到拉扯等外力作用时发生分离造成信号功率的改变BB表示表示插针端面形状,有FC、PC、UPC、APC等。n光纤固定连接n使一对光纤之间形成永久性的连接,用于不需要拆卸或重复使用的场合。n方法有:熔接法V型槽法毛细管法等n熔接法:应用最为普遍,利用电弧放电、氢焰或激光等方法加热将光纤熔融结合在一起。n光纤熔接机构成:由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电弧放电机构以及控制机构等四部分构成光
9、纤夹持器控制中心监测信号电弧电源显微镜头电极n光纤熔接利用光纤剥皮钳去除光纤外的套塑层利用光纤切割刀切割光纤端面将制备好端面的光纤放入准直与夹持机构中固定,通过手动或自动装置使纤芯在空间三个方向上移动,保证需要熔接的两根光纤完全对准,消除纤芯的横向错位、角度偏差,并将端面之间的间距调整到预定大小。根据光纤的类型,选择放电电流、放电时间,进行电弧放电,对端面加热,实现熔接。熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。4.1.4光耦合器n一类能使传输中的光信号在特定结构的耦合区发生耦合,并进行再分配的器件。n实际中,光耦合器通常指在耦合过程中,光信号功率发生改变而波谱成分没有变化的器件,把信号波谱成分
10、发生改变的称为波分复用器。n应用:光耦合器可以从传输线路中提取出一定的功率,实现对线路的监控;也可用于光纤CATV、光纤用户网、无源光网络、光纤传感等领域,实现信号的组合与分配。n从端口形式上划分有X形(2 2)耦合器Y形(1 2)耦合器星形(N N,N2)耦合器树形(1 N,N2)耦合器等n参数:分光比:各输出端口的输出功率的比值,如80:20、25:25:25:25等,或4:1、1:1:1:1等均匀性:输出各端口之间的功率偏差程度方向性:输入端主光纤传输方向与任一根非主光纤非传输方向上的功率比附加损耗:耦合器引入光路后所造成总的光功率衰减量EL = -10 lg (POUT/ PIN)插入
11、损耗:某一输出端口的光功率相对总的输入光功率的衰减量IL = -10 lg (POUTi/ PIN)minmaxlog10iiPPP inibPPSlog104.1.5光纤光栅n利用石英光纤的紫外光敏特性直接在光纤轴向上形成波导结构的光纤器件可以做成滤波器、反射器、色散补偿器等易于与光纤连接,对偏振不敏感,适应光纤中光信号偏振态的随机变化,在光纤通信、光纤传感中有着明显的优势和广泛的应用n光纤的光敏特性:光纤折射率在紫外光照射下,随光强发生变化折射率变化具有稳定性,可保持永久性不变改变折射率分布,形成特定的光波导结构,实现特定的功能,形成光纤型光波导器件n分类:n从结构上可分为:周期性结构:称