1、第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件1.光纤的制造工艺光纤的制造工艺光纤的制作要求光纤的制作要求（1）透明；）透明；（2）能将其拉制成沿长度方向均匀分布）能将其拉制成沿长度方向均匀分布的具有纤芯的具有纤芯-包层结构的细小纤维；包层结构的细小纤维；（3）能经受住所需要的工作环境。）能经受住所需要的工作环境。所以，简单地说，光纤是将透明材料拉伸为细所以，简单地说，光纤是将透明材料拉伸为细丝制成的。丝制成的。制造光纤的材料制造光纤的材料应满足应满足11/16/20221 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺光纤的制造工
2、艺原料原料(SiO2和掺杂物质和掺杂物质)制作预制棒制作预制棒对检验合格的预制棒进行拉丝对检验合格的预制棒进行拉丝原料检验原料检验成品预制棒检验成品预制棒检验11/16/20222 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光纤预制棒的制作光纤预制棒的制作 光纤预制棒简称光棒，是一种在横截面上有一光纤预制棒简称光棒，是一种在横截面上有一定折射率分布和芯定折射率分布和芯/包比的的透明的石英玻璃棒。根包比的的透明的石英玻璃棒。根据折射率的不同光棒可从结构上分为芯层和包层两据折射率的不同光棒可从结构上分为芯层和包层两个部分，其芯层的折射率较高，是由高纯个部分，
3、其芯层的折射率较高，是由高纯SiO2材料材料掺杂折射率较高的高纯掺杂折射率较高的高纯GeO2材料构成的，包层由高材料构成的，包层由高纯纯SiO2材料构成。材料构成。光纤预制棒制造技术是光纤制作工艺的核心，光纤预制棒制造技术是光纤制作工艺的核心，光纤的制作方法取名于预制棒的制造方法。光纤的制作方法取名于预制棒的制造方法。11/16/20223 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光纤预制棒的制作光纤预制棒的制作制作方法制作方法 四十年来，发展出很多种光纤制造工艺，经淘汰四十年来，发展出很多种光纤制造工艺，经淘汰选择，目前比较流行且保持批量生产的有四种
4、。选择，目前比较流行且保持批量生产的有四种。OVD VADMCVD PCVD外部气相沉积法；外部气相沉积法；气相轴相沉积法；气相轴相沉积法；改进的化学气相沉积法；改进的化学气相沉积法；等离子化学气相沉积法。等离子化学气相沉积法。外包技术。外包技术。11/16/20224 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件拉丝拉丝11/16/20225 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件拉丝拉丝 拉伸炉使预制棒在高温下拉伸炉使预制棒在高温下(200022000C)熔融，熔融，在重力的作用下往下垂，并形成细丝，经直径监
5、控设在重力的作用下往下垂，并形成细丝，经直径监控设备检测达到标准后，备检测达到标准后，(最初的一滴熔融热玻璃从预制最初的一滴熔融热玻璃从预制棒的底部拉出，延展成光纤的起点，一般情况这一起棒的底部拉出，延展成光纤的起点，一般情况这一起始段都是废品始段都是废品)，就可以穿过涂覆器，这样光纤表面就，就可以穿过涂覆器，这样光纤表面就涂上了保护层。再经过紫外固化炉的固化，涂层就紧涂上了保护层。再经过紫外固化炉的固化，涂层就紧密结合在光纤表面，涂覆后的光纤由牵引轮牵引收到密结合在光纤表面，涂覆后的光纤由牵引轮牵引收到线轴上。线轴上。正确地控制拉丝温度、收丝速度是至关重要的。正确地控制拉丝温度、收丝速度是至
6、关重要的。11/16/20226 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件成品光纤的测试：成品光纤的测试：性能测试：带宽、损耗、拉力强度等。性能测试：带宽、损耗、拉力强度等。光纤的外径为光纤的外径为1251m，涂覆后的直径为，涂覆后的直径为25010m。单模光纤的波段划分单模光纤的波段划分(单位：单位：nm)O(原始原始)波段波段:1260-1360E(扩展扩展)波段波段:1360-1460S(短短)波段波段:1460-1530C(常规常规)波段波段:1530-1560L(长长)波段波段:1560-1625U(超长超长)波段波段:1625-167511
7、/16/20227 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件其他材料制作的光纤其他材料制作的光纤(1)多组分玻璃光纤：特点是纤芯多组分玻璃光纤：特点是纤芯-包层折射率变化包层折射率变化范围大，范围大，NA大，但材料损耗大；大，但材料损耗大；(2)塑料光纤：成本低，但损耗很大，温度性能差；塑料光纤：成本低，但损耗很大，温度性能差；(3)中红外光纤：大于中红外光纤：大于1.55um散射损耗低；散射损耗低；(4)液芯光纤：纤芯为液体，可以满足特殊需要；液芯光纤：纤芯为液体，可以满足特殊需要；(5)晶体光纤：纤芯为晶体，可用于制造各种有源和晶体光纤：纤芯为晶体
8、，可用于制造各种有源和无源光器件。无源光器件。11/16/20228 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件*自聚焦透镜（自聚焦透镜（渐变折射率材料有渐变折射率材料有径向渐变径向渐变和和轴向渐变轴向渐变折射率材料，自聚焦折射率材料，自聚焦透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜径向渐变的柱状光学透镜。具有。具有准直、聚焦和成像准直、聚焦和成像功能。功能。光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同
9、会改变其传播方向。同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率率，从而完成聚焦和成像功能的。，从而完成聚焦和成像功能的。自聚焦透镜同普通透镜自聚焦透镜同普通透镜(球透镜球透镜)的区别在于，自聚焦透镜材料的区别在于，自聚焦透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。11/16/20229 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器
10、件1、均匀折射率分布材料、均匀折射率分布材料2 2、依靠弯曲的光学界面、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像实现光学成像3 3、通过非球面来克服像差，、通过非球面来克服像差，提高成像质量提高成像质量1、渐变折射率分布材料、渐变折射率分布材料2 2、依靠光线轨迹的弯曲、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像实现光学成像3 3、通过优化折射率分布，、通过优化折射率分布，提高成像质量提高成像质量11/16/202210 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件自聚焦光纤：折射率按平方分布的光纤光纤自聚焦光纤：折射率按平方分布的光纤光纤的传播轨迹为正弦曲线经一周期后又会
11、聚到的传播轨迹为正弦曲线经一周期后又会聚到另一点。另一点。自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤。不同点：不同点：芯径大芯径大(2mm或更大或更大)，长度短，长度短(仅仅12个个周期周期)，数值孔径大，数值孔径大(0.20.6，可由长短决定大小，可由长短决定大小)；制作工艺也不同，采用离子交换工艺。；制作工艺也不同，采用离子交换工艺。11/16/202211 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件优点：优点：1、直径小，体积微型化，焦距超短；、直径小，体积微型化，焦距超短；2、端面平面，便于光学加工、系统调节；、端面平面
12、，便于光学加工、系统调节；3、长度和折射率改变可引起透镜焦距和成像特、长度和折射率改变可引起透镜焦距和成像特 性的变化，可以起几个普通透镜的作用；性的变化，可以起几个普通透镜的作用；4、像差可通过改变透镜材料组分和离子交换工、像差可通过改变透镜材料组分和离子交换工 艺来控制；艺来控制；5、还可用于弯曲传像、还可用于弯曲传像;6、光线轨迹为、光线轨迹为sin或或cos曲线，可形成曲线，可形成“自聚焦自聚焦”。主要应用：主要应用：光纤通信中的光无源器件、复印传真机、摄光纤通信中的光无源器件、复印传真机、摄影物镜、显微物镜和医用内窥镜等。影物镜、显微物镜和医用内窥镜等。11/16/202212 光纤
13、通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件 自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，其渐减小的变化特征，其折射率变化折射率变化由下式表述。由下式表述。N0 表示自聚焦透镜的中心折射率表示自聚焦透镜的中心折射率A 表示自聚焦透镜的折射率沿径向分布的常数表示自聚焦透镜的折射率沿径向分布的常数(聚焦参数聚焦参数)，可以是，可以是A或或 。)21()(2rANrNO 折射率分布的简化表示：折射率分布的简化表示：AA11/16/202213 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造
14、工艺和光器件自聚焦透镜的重要特性：自聚焦透镜的重要特性：重要性能参数：重要性能参数：焦距：焦距：f=-1/n0A1/2sin(A1/2L)聚焦聚焦参数：参数：A=2D/a2数值数值孔径：孔径：NA=n0(2D)1/2自聚焦透镜的直径：自聚焦透镜的直径：D节距：节距：P=2p/A1/2，沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为即成为一个截距一个截距P；长度长度Z自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离。成像特性：与透镜长度有关：成像特性：与透镜长度有关：q1/4 节距节距透镜透镜q1/2 节距透镜节距透镜q0.
15、23节距透镜节距透镜q0.29 节距透镜节距透镜11/16/202214 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件11/16/202215 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件双光纤准直器双光纤准直器,波分复用器件波分复用器件11/16/202216 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件11/16/202217 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件0.29P lens：facula compress11/16/202
16、218 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件自聚焦透镜的应用：自聚焦透镜的应用：(1)聚焦与准直聚焦与准直 透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点，但自聚焦透镜在聚焦时克服了大，不能再端面聚焦的缺点，但自聚焦透镜在聚焦时克服了这些缺点。根据自聚焦透镜的传光原理，对于这些缺点。根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=1/4P节距的节距的自聚焦透镜，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦自聚焦透镜，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线汇聚在另一端面上，由球差理论
17、可得自聚焦透镜透镜后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦透镜聚焦点光斑的尺寸公式为：聚焦点光斑的尺寸公式为：)(1220NAfNRR为焦点处光斑的半径为焦点处光斑的半径,NA为数值孔径为数值孔径,f为焦距为焦距,N0为轴上的为轴上的折射率。准直是聚焦功能的逆向运用，根据自聚焦透镜的传折射率。准直是聚焦功能的逆向运用，根据自聚焦透镜的传光原理，对于光原理，对于Z=1/4P节距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦节距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平行光线透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平行光线。11/16/202219 光纤通信器件光纤通信器件第
18、五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件(2)光耦合光耦合 由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能，加之由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦透镜的这种聚焦功能使其能够应用于多广泛的用途，自聚焦透镜的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，从而种光耦合场所，从而改善普通透镜的光耦合效果改善普通透镜的光耦合效果。11/16/202220 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件 为了达到更好的聚焦效果，
19、会在平端面透镜一为了达到更好的聚焦效果，会在平端面透镜一端面加工一个端面加工一个13mm的曲面，此曲面与使得透镜弥的曲面，此曲面与使得透镜弥散斑小，因此球面自聚焦透镜可减小聚焦光斑尺寸。散斑小，因此球面自聚焦透镜可减小聚焦光斑尺寸。11/16/202221 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件 L1为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离，为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离，Z为为自聚焦透镜的长度，自聚焦透镜的长度，L2为自聚焦透镜端面到光纤的为自聚焦透镜端面到光纤的距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜
20、聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1 和和L2的的距离来达到最佳耦合效率。距离来达到最佳耦合效率。11/16/202222 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件准直透镜：准直透镜：许多应用中需要将光纤发出的发散光束变换为平许多应用中需要将光纤发出的发散光束变换为平行光束，可通过在光纤输出端加一准直透镜来实现。行光束，可通过在光纤输出端加一准直透镜来实现。准直透镜是将光纤置于自聚焦透镜的焦点上。准直透镜是将光纤置于自聚焦透镜的焦点上。经自聚焦透镜后，输出端光束的半径和发散角为经自聚焦透镜后，输出端光束的半径和发
21、散角为00cossinarcsinsinbfbfNAAZnAAZAZ nA其中为光纤纤芯半径，为数值孔径；其中为光纤纤芯半径，为数值孔径；Z Z为自聚焦透为自聚焦透镜的长度，称为透镜的聚焦常数。镜的长度，称为透镜的聚焦常数。fNAA11/16/202223 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件上式中，若透镜长度上式中，若透镜长度Z取为节距的取为节距的1/4时，时，上式，上式成为成为2AZ000arcsinbbffNAnAnAnA 这表明，光束的束宽这表明，光束的束宽(半径半径)正比于光纤的数值孔径，而正比于光纤的数值孔径，而发散角正比于光纤纤芯半径
22、。发散角正比于光纤纤芯半径。单模光纤单模光纤(芯径芯径10m,数值孔径数值孔径0.1)：光束直径为：光束直径为0.67mm，光，光束发散角为束发散角为1.5mrad,是很好的平行光束。是很好的平行光束。多模光纤多模光纤(芯径芯径50m,数值孔径数值孔径0.2)：光束直径为：光束直径为1.33mm，光，光束发散角为束发散角为7.5mrad,光束平行度稍差些。光束平行度稍差些。11/16/202224 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件耦合透镜：耦合透镜：将光源将光源(LD或另一光纤输出光或另一光纤输出光)的功率有效地耦合进入光纤时，可利的功率有效地
23、耦合进入光纤时，可利用自聚焦透镜作为耦合透镜，将光纤置于自聚焦透镜端面上，也可将多个用自聚焦透镜作为耦合透镜，将光纤置于自聚焦透镜端面上，也可将多个自聚焦透镜级联。自聚焦透镜级联。这时有000coscossinarcsinsincossinoutssoutssAZAZNAlAZnANAlnAAZAZnAAZ式中，式中，l是光源到透镜前端面的距离；是经透镜输出光是光源到透镜前端面的距离；是经透镜输出光光斑最大半径；是经透镜输出光束的张角；是光源光斑最大半径；是经透镜输出光束的张角；是光源半径；是光源输出光张角对应的数值孔径。半径；是光源输出光张角对应的数值孔径。可以看到，选择合适的物距可以看到，
24、选择合适的物距l值与透镜长度值与透镜长度Z，与接收光，与接收光纤参数匹配，可以使与尽可能地小，可取得最纤参数匹配，可以使与尽可能地小，可取得最良好的耦合效果良好的耦合效果。outoutssNAoutout11/16/202225 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件(3)自聚焦透镜成像自聚焦透镜成像 自聚焦透镜除了具备一般曲面透镜的成像功能自聚焦透镜除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。对于还具备端面成像的特性。对于P/2及及1P截距的自聚焦截距的自聚焦透镜其端面成像机理如图透镜其端面成像机理如图2.5所示。所示。P/2截距的自聚焦截
25、距的自聚焦透镜其端面成等大倒像，而透镜其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦透镜其截距的自聚焦透镜其端面成等大正像。对于端面成等大正像。对于P/4截距的自聚焦透镜物在无截距的自聚焦透镜物在无穷远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长穷远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远）。度时可理解为无穷远）。11/16/202226 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件等高成像透镜：等高成像透镜：在复印机、传真机、印刷机等成像光学系统中需要在复印机、传真机、印刷机等成像光学系统中需要采用采用1：1成像系统。这时采用自聚焦透镜最为简便，因成
26、像系统。这时采用自聚焦透镜最为简便，因为一根自聚焦透镜可满足正立、等倍、实像的条件。而为一根自聚焦透镜可满足正立、等倍、实像的条件。而普通透镜至少需要三块透镜组合成复合透镜。普通透镜至少需要三块透镜组合成复合透镜。实际使用时，将物置于自聚焦透镜物方主平面上，在像实际使用时，将物置于自聚焦透镜物方主平面上，在像方主平面上就会成一个物等高的实像。透镜长度应在半方主平面上就会成一个物等高的实像。透镜长度应在半倍节距和一倍节距之间。倍节距和一倍节距之间。采用自聚焦透镜可使物象变换系统大大缩短物像共轭长采用自聚焦透镜可使物象变换系统大大缩短物像共轭长度。同时，它在整条直线上成像分辩率相同，可使整个度。同
27、时，它在整条直线上成像分辩率相同，可使整个视场的传递函数值比较均匀，从而提高成像质量。视场的传递函数值比较均匀，从而提高成像质量。11/16/202227 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光纤准直器：光纤准直器：利用自聚焦透镜构成体积小巧的准直器。利用自聚焦透镜构成体积小巧的准直器。或者逆向传输，实现聚焦功能，把平行光束聚焦到或者逆向传输，实现聚焦功能，把平行光束聚焦到光纤传输。光纤传输。11/16/202228 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2.光环行器光环行器光环行器的基本工作原理光环行器
28、的基本工作原理:通过一系列端口沿通过一系列端口沿一个方向传送光信号。即一个方向传送光信号。即:在端口在端口1输入的光信号只输入的光信号只会在端口会在端口2输出；在端口输出；在端口2输入的光信号只会在端口输入的光信号只会在端口3输出；在端口输出；在端口3输入的光信号只会在端口输入的光信号只会在端口1输出。输出。方向性一般大于方向性一般大于50dB。端口端口1端口端口2端口端口311/16/202229 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件-450+450-450 +450+450 +450+450 +450端口端口1(只有输入只有输入)端口端口2(输
29、出输出/输入输入)端口端口3(输出输出/输入输入)端口端口4(只有输出只有输出)+450 +450+450 +450-450 +450-450 +450+450 +450-450 +450+450 +450:光束位移器光束位移器:波片波片:法拉第旋转片法拉第旋转片:垂直偏振垂直偏振:水平偏振水平偏振11/16/202230 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光束位移器光束位移器:由强双折射材料由强双折射材料(晶体晶体)制成，它将制成，它将不同偏振的光沿有微小差别的方向偏折。输入光是不同偏振的光沿有微小差别的方向偏折。输入光是非偏振的，但是进入晶体
30、后分成两束，一束垂直偏非偏振的，但是进入晶体后分成两束，一束垂直偏振，另一束水平偏振；垂直偏振的一束向上偏折而振，另一束水平偏振；垂直偏振的一束向上偏折而水平偏振的一束直线通过。水平偏振的一束直线通过。法拉第旋转片法拉第旋转片:对光的偏振面的旋转具有非互对光的偏振面的旋转具有非互异性，设计成正向通过时偏振面被旋转异性，设计成正向通过时偏振面被旋转+450角，反角，反向通过时依然被旋转向通过时依然被旋转+450角。角。波片片波片片:对光的偏振面的旋转具有互异性，设对光的偏振面的旋转具有互异性，设计成正向通过时偏振面被旋转计成正向通过时偏振面被旋转+450角，反向通过时角，反向通过时被旋转被旋转-
31、450角。角。11/16/202231 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件11/16/202232 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光环行器的主要应用光环行器的主要应用光纤光栅型光纤光栅型WDM；OADM以及其他波长路由器件；以及其他波长路由器件；双向传输系统；双向传输系统；光发射机光发射机1光发射机光发射机2光接收机光接收机1光接收机光接收机212233111/16/202233 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光环行器的主要应用光环行器的主要应
32、用反射镜。反射镜。11/16/202234 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件3.光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器是随着光纤通信的发展出现的一种光是随着光纤通信的发展出现的一种光器件，实现对光信号能量进行预期地衰减，可用于器件，实现对光信号能量进行预期地衰减，可用于光通信线路光通信线路/系统的评估、研究以及调整、校正等。系统的评估、研究以及调整、校正等。分类分类位移型光衰减器位移型光衰减器直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器(吸收膜或反射膜型光衰减器吸收膜或反射膜型光衰减器)衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器横向位移型光
33、衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器11/16/202235 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件(1)位移型光衰减器位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器单模光纤的模场分布单模光纤的模场分布:模场半径，0200 wexpwrErE光纤轴线横向错位光纤轴线横向错位d后传输到第二根单模光纤的端后传输到第二根单模光纤的端面时，模场分布变化为面时，模场分布变化为:端面时的半径光束传输到第二根光纤，1210 wexpwrErE2120011wdww11/16/202236 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造
34、工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件相对于第二根光纤纤芯，入射光束的模场分布相对于第二根光纤纤芯，入射光束的模场分布发生了变化，带来了由于模场失配产生的能量损失。发生了变化，带来了由于模场失配产生的能量损失。忽略光纤的轴向间隙，横向位移引起的光能量损耗忽略光纤的轴向间隙，横向位移引起的光能量损耗为为:01422100,116:,explg10nnkkkwdALd其中反反因此，可以设计出相应于不同损耗的横向位移因此，可以设计出相应于不同损耗的横向位移参数，并通过一定的机械定位方式予以实现，得到参数，并通过一定的机械定位方式予以实现，得到所需要的光衰减器。所需要的光衰减器。通常，横向位移参数的数量级
35、在微米量级，所通常，横向位移参数的数量级在微米量级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器类型。类型。11/16/202237 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件轴向位移型光衰减器轴向位移型光衰减器光纤端面的间隙光纤端面的间隙s同样也会带来光能量的损失，同样也会带来光能量的损失，也可以通过高斯光束失配的方法，求得由于光纤端也可以通过高斯光束失配的方法，求得由于光纤端面间的轴向间隙引起的光能量损失面间的轴向间隙引起的光能量损失:202220ws:,214lg10其中反BLs在设计横向位移型光衰减器
36、时，只要用机械的在设计横向位移型光衰减器时，只要用机械的方式将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现方式将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的。这种类型的固定光衰减器可以看成是衰减的目的。这种类型的固定光衰减器可以看成是损耗大的光纤连接器，设计时通常与连接器的结构损耗大的光纤连接器，设计时通常与连接器的结构结合起来考虑，外形也酷似光纤连接器。结合起来考虑，外形也酷似光纤连接器。11/16/202238 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件(2)直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器通常的做法是直接在光纤
37、通常的做法是直接在光纤端面镀制金属吸收膜或反射膜，利用吸收膜或反射端面镀制金属吸收膜或反射膜，利用吸收膜或反射膜来衰减光能量。膜来衰减光能量。(3)衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，从而达到衰减光片固定在光纤的端面上或光路中，从而达到衰减光信号的目的。这种方法可以用来制作固定光衰减器，信号的目的。这种方法可以用来制作固定光衰减器，也可以用来制作可变光衰减器。也可以用来制作可变光衰减器。11/16/202239 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光
38、器件衰减片型光衰减器的具体做法衰减片型光衰减器的具体做法是通过机械装置，是通过机械装置，将衰减片直接固定在准直光路中，当光信号经过第将衰减片直接固定在准直光路中，当光信号经过第一个光纤准直器准直后，通过衰减片时光能量被衰一个光纤准直器准直后，通过衰减片时光能量被衰减，再经过第二个光纤准直器聚焦耦合到输出光纤。减，再经过第二个光纤准直器聚焦耦合到输出光纤。使用不同衰减量的衰减片，就可以得到相应衰使用不同衰减量的衰减片，就可以得到相应衰减值的光衰减器。减值的光衰减器。衰减片常用的材料主要有衰减片常用的材料主要有:红外有色光学玻璃、红外有色光学玻璃、晶体、光学薄膜和滤光片等。晶体、光学薄膜和滤光片等
39、。11/16/202240 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件衰减片型可变光衰减器衰减片型可变光衰减器衰减片型可变光衰减器可以分为三种衰减片型可变光衰减器可以分为三种:a 双轮式可变光衰减器双轮式可变光衰减器(a)步进式双轮可变光衰减器步进式双轮可变光衰减器盘盘1盘盘2衰减片衰减片11/16/202241 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件这种结构的光路采用平行光路，在光路中插入这种结构的光路采用平行光路，在光路中插入两个具有固定衰减量的圆盘，不同衰减量的衰减片两个具有固定衰减量的圆盘，不同衰减量的
40、衰减片分别装在两个圆盘上，通过旋转两个这两个圆盘，分别装在两个圆盘上，通过旋转两个这两个圆盘，使两个圆盘上的不同衰减片相互组合，即可获得不使两个圆盘上的不同衰减片相互组合，即可获得不同档位的衰减量。同档位的衰减量。衰减片可采用镀膜或吸收型玻璃片制作。衰减片可采用镀膜或吸收型玻璃片制作。(b)连续可变双轮式光衰减器连续可变双轮式光衰减器步进圆盘步进圆盘连续可变衰减片连续可变衰减片衰减片衰减片11/16/202242 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件连续可变光衰减器的总体结构和工作原理连续可变光衰减器的总体结构和工作原理同双同双轮式可变光衰减器相似
41、。不同的是在衰减元件上做轮式可变光衰减器相似。不同的是在衰减元件上做了相应的设计变化，它由一个步进圆盘和一片连续了相应的设计变化，它由一个步进圆盘和一片连续变化的衰减片组合而成。步进圆盘有相应的衰减档变化的衰减片组合而成。步进圆盘有相应的衰减档位，这样通过步进圆盘的粗档和连续变化衰减片的位，这样通过步进圆盘的粗档和连续变化衰减片的细档共同作用即可达到连续衰减光能量的目的。细档共同作用即可达到连续衰减光能量的目的。连续衰减片连续衰减片:采用真空镀膜的方法，在圆形光采用真空镀膜的方法，在圆形光学玻璃片上镀制金属吸收膜而制成；镀膜时，采用学玻璃片上镀制金属吸收膜而制成；镀膜时，采用特殊的专用扇形装置
42、特殊的专用扇形装置(可连续均匀地改变其张角可连续均匀地改变其张角)来来覆盖玻璃基片，使得所镀的膜层厚度逐渐均匀变化，覆盖玻璃基片，使得所镀的膜层厚度逐渐均匀变化，从而使衰减量连续变化。从而使衰减量连续变化。11/16/202243 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件b 平移式光衰减器平移式光衰减器这种光衰减器的衰减元件改用全量程连续变化这种光衰减器的衰减元件改用全量程连续变化的虑光片，虑光片的制作方法同扇形连续变化衰减的虑光片，虑光片的制作方法同扇形连续变化衰减片相似，使所镀膜的光学密度随虑光片平移的方向片相似，使所镀膜的光学密度随虑光片平移的方
43、向呈线性变化；其他元件与双轮式结构一样。呈线性变化；其他元件与双轮式结构一样。连续可变衰减片连续可变衰减片光纤准直器光纤准直器1光纤准直器光纤准直器111/16/202244 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件连续变化虑光片的透过率连续变化虑光片的透过率:skTT0式中，式中，k是常数，由虑光片吸收系数和虑光片的是常数，由虑光片吸收系数和虑光片的几何尺寸决定；几何尺寸决定；s是虑光片垂直于光路的位移量；是虑光片垂直于光路的位移量；T0是虑光片起始处的透射率。是虑光片起始处的透射率。这种光学结构的衰减器，其连续变化的衰减量这种光学结构的衰减器，其连
44、续变化的衰减量的线性度依赖于吸收膜的均匀性、虑光片位移面的的线性度依赖于吸收膜的均匀性、虑光片位移面的平整性。平整性。11/16/202245 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件c 智能型机械式光衰减器智能型机械式光衰减器前面所讲的几种光衰减器都采用了机械定位或前面所讲的几种光衰减器都采用了机械定位或机械调节调节衰减量、刻度盘读数等方法，不可避机械调节调节衰减量、刻度盘读数等方法，不可避免地或多或少带来一定的精度误差。免地或多或少带来一定的精度误差。智能型光衰减器智能型光衰减器通过电路控制电动齿轮，驱动通过电路控制电动齿轮，驱动可调衰减元件按预定
45、的衰减量变化，同时将检测到可调衰减元件按预定的衰减量变化，同时将检测到的实际衰减量作为反馈信号，反馈到电路中对衰减的实际衰减量作为反馈信号，反馈到电路中对衰减量进行修正，从而达到自动驱动、自动检测和显示量进行修正，从而达到自动驱动、自动检测和显示光衰减量的目的。光衰减量的目的。光衰减光衰减部件部件驱动电驱动电路路监控电监控电路路显示电路显示电路计算机远端控制计算机远端控制11/16/202246 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件(4)液晶型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器利用分子轴扭向排列的液晶。利用分子轴扭向排列的液晶。:光
46、束位移器光束位移器:玻璃基片玻璃基片:透明电极透明电极:液晶层液晶层11/16/202247 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件工作原理工作原理:光纤入射的光信号被光束位移器分成两束线偏光纤入射的光信号被光束位移器分成两束线偏振光，经过液晶层时，如果液晶层没有加电压，则振光，经过液晶层时，如果液晶层没有加电压，则两束线偏振光的振动面同时被旋转两束线偏振光的振动面同时被旋转450角，旋转后的角，旋转后的偏振光再经过第二个光束位移器合为一束平行光出偏振光再经过第二个光束位移器合为一束平行光出射，然后耦合进光纤。射，然后耦合进光纤。当液晶层加相应的电压
47、以后，液晶晶向旋转当液晶层加相应的电压以后，液晶晶向旋转角，两束偏振方向互相垂直的线偏振光经过此时的角，两束偏振方向互相垂直的线偏振光经过此时的液晶时同时被旋转液晶时同时被旋转(450+)角度，经过第二个光束位角度，经过第二个光束位移器时合为一束平行光时造成光能量的损耗。移器时合为一束平行光时造成光能量的损耗。液晶晶向旋转角液晶晶向旋转角随外加电压的变化而变化。随外加电压的变化而变化。11/16/202248 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件光衰减器基于功能的分类光衰减器基于功能的分类光衰减器的特性参数光衰减器的特性参数:固定光衰减器固定光衰减
48、器可变光衰减器可变光衰减器a 衰减量和插入损耗；衰减量和插入损耗；b 衰减精度；衰减精度；c 回波损耗。回波损耗。11/16/202249 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件4 光开关光开关光开关光开关是光纤通信中作为光路切换之用的，实是光纤通信中作为光路切换之用的，实现光通道的通断和转换。比如主用光纤和备用光纤现光通道的通断和转换。比如主用光纤和备用光纤之间的切换，或者光交换机中的光路切换，实现全之间的切换，或者光交换机中的光路切换，实现全光层的路由选择、光交叉连接、自愈保护等功能。光层的路由选择、光交叉连接、自愈保护等功能。光开关是实现全光网
49、络的核心技术之一。光开关是实现全光网络的核心技术之一。光开关的性能参数光开关的性能参数:a 插入损耗插入损耗:输出端口相对于输入端口光能量的损耗，输出端口相对于输入端口光能量的损耗，以分贝表示。以分贝表示。inoutPPILlg10光开关光开关是以光为核心实现光的通断的系统部件，是以光为核心实现光的通断的系统部件，不存在不存在光电转换。光电转换。11/16/202250 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件b 回波损耗回波损耗:从输出端口返回到输入端口的光功率与从输出端口返回到输入端口的光功率与输入端输入的光功率的比值，以分贝表示。输入端输入的光功
50、率的比值，以分贝表示。c 隔离度隔离度:两个相隔离输出端口之间，非输出端口的两个相隔离输出端口之间，非输出端口的光功率与输出端口光功率之间的比值，也以分贝光功率与输出端口光功率之间的比值，也以分贝表示。表示。d 开关时间开关时间:指开关端口从某一初始状态转为通或断指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，测量开关时间时从施加或撤去转换所需的时间，测量开关时间时从施加或撤去转换能量的时刻开始。能量的时刻开始。11/16/202251 光纤通信器件光纤通信器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件输出光纤输出光纤输出光纤输出光纤各种类型的光开关各种类型的光开关光开关光开关可
