1、第三章第三章 光纤光纤/光器件光器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信22022年年11月月6日星期日日星期日3-1 光纤连接器件光纤连接器件；3-2 光纤耦合器光纤耦合器；3-3 光隔离器光隔离器；3-4 光纤光栅光纤光栅；3-5 波分复用器波分复用器；3-6 光环形器光环形器；3-7 光开关光开关；本章思考题本章思考题。第二章的主要内容第二章的主要内容广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信32022年年11月月6日星期日日星期日一、一、光纤的接头及熔接光纤的接头及熔接光纤通信线路中，光纤接头不可避免。光纤通信线路中，光纤接头不可避免。1.光纤的熔接工艺步
2、骤光纤的熔接工艺步骤 (1)将待熔接的光纤端头切割成平整且垂直于轴将待熔接的光纤端头切割成平整且垂直于轴线的端面；线的端面；(2)利用微调装置将两根光纤调准直；利用微调装置将两根光纤调准直；(3)利用电弧放电将两根光纤熔接在一起。利用电弧放电将两根光纤熔接在一起。电弧的强度电弧的强度和和熔接时间熔接时间应调整妥当，既保证熔接点应调整妥当，既保证熔接点有足够的机械强度，又不会造成形变而增加损耗。有足够的机械强度，又不会造成形变而增加损耗。光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信42022年年11月月6日星期日日星期日2.光纤熔接引起损耗的原因光纤熔接引起损耗
3、的原因(1)光纤轴线的横向相对误差（错位）；光纤轴线的横向相对误差（错位）；(2)两根光纤的纤芯直径不同；两根光纤的纤芯直径不同；(3)两根光纤的性能参数不同；两根光纤的性能参数不同；(5)角向相对偏离。角向相对偏离。(4)光纤端头之间的相对距离；光纤端头之间的相对距离；光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信52022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信62022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件OffsetAngular MisalignmentSeparati
4、onCore Eccentricity Core EllipticityReflections&Interference广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信72022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件Medium insertion loss:Worst return loss:14 dB(Fresnel)Common multimode fiber connector Air Gaptyp.0.5 dBLowest insertion loss:40 dBHighest insertion loss:Best return loss:Cable TV,h
5、ighperformance systemsAngled PhysicalContact(APC)0.4 to 0.9 dB 60 dB8广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信82022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件光纤剥离钳光纤剥离钳广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信92022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件光纤切割刀光纤切割刀广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信102022年年11月月6日星期日日星期日光纤熔接机光纤熔接机光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信
6、光纤通信112022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信122022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件光纤自动熔接以后的液晶显示界面光纤自动熔接以后的液晶显示界面Protective sleeveSplice广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信132022年年11月月6日星期日日星期日光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信142022年年11月月6日星期日日星期日二、光纤连接器二、光纤连接器 光纤连接器是光纤技术应用中使用量最大的光光纤连接器是光
7、纤技术应用中使用量最大的光无源器件，和光纤接头一样，光纤连接器也是对两无源器件，和光纤接头一样，光纤连接器也是对两光纤端面进行对接，所不同的是光纤接头是永久性光纤端面进行对接，所不同的是光纤接头是永久性的熔接，而光纤连接器是临时性连接，具有使用的的熔接，而光纤连接器是临时性连接，具有使用的灵活性。损耗是它们重要的光学参数。灵活性。损耗是它们重要的光学参数。1.光纤连接器损耗的分类光纤连接器损耗的分类(1)插入损耗；插入损耗；(2)回波损耗。回波损耗。光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信152022年年11月月6日星期日日星期日2.光纤连接器的插损机理光
8、纤连接器的插损机理 光纤公差引起的固有损耗：主要由光纤制造公光纤公差引起的固有损耗：主要由光纤制造公差，即纤芯尺寸、数值孔径及纤芯差，即纤芯尺寸、数值孔径及纤芯/包层同心度等。包层同心度等。连接器加工装配引起的固有损耗：主要由光纤连接器加工装配引起的固有损耗：主要由光纤制造公差，即端面间隙、轴线倾角及横向偏移等。制造公差，即端面间隙、轴线倾角及横向偏移等。3.光纤连接器的回损机理光纤连接器的回损机理 光纤端面菲涅耳反射引起的光能量损耗。这种光纤端面菲涅耳反射引起的光能量损耗。这种损耗发生在纤芯空气交界面，有效的解决方法是设损耗发生在纤芯空气交界面，有效的解决方法是设计两个连接器的物理接触面。计
9、两个连接器的物理接触面。光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信162022年年11月月6日星期日日星期日4.光纤连接器的损耗表达式光纤连接器的损耗表达式212lg10NANAdBLossNA引起的损耗引起的损耗端面间隙引起的插损端面间隙引起的插损间隙纤芯直径，:S:2a,arcsintanlg100nNASaadBLoss回波损耗回波损耗21lg10nnnndBLossfiberfiber主观因素损耗：端面划伤、尘粒、定位不准。主观因素损耗：端面划伤、尘粒、定位不准。光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信17202
10、2年年11月月6日星期日日星期日5.光纤连接器的组成光纤连接器的组成光纤连接器由跳线、尾纤或尾缆、适配器组成。光纤连接器由跳线、尾纤或尾缆、适配器组成。跳线跳线:在一段光纤在一段光纤(或单芯光缆或单芯光缆)的两头都装上插的两头都装上插头，主要作光配线用；头，主要作光配线用；尾纤尾纤:在一段光纤在一段光纤(或单芯光缆或单芯光缆)的一头装上插头，的一头装上插头，主要与光器件相连；主要与光器件相连；尾缆尾缆:在一段多芯光缆的一头装上插头，主要用在一段多芯光缆的一头装上插头，主要用于连接干线和光配线；于连接干线和光配线；适配器适配器:将两个插头连接起来的器件。将两个插头连接起来的器件。光纤连接器件光纤
11、连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信182022年年11月月6日星期日日星期日6.光插头的组成光插头的组成(1)光纤或单芯光缆：多模或单模；光纤或单芯光缆：多模或单模；(2)插针体：是连接器的关键部件，制作材料有不绣插针体：是连接器的关键部件，制作材料有不绣钢、不锈钢镶陶瓷、全陶瓷、玻璃或塑料，目钢、不锈钢镶陶瓷、全陶瓷、玻璃或塑料，目前多采用全陶瓷插针体，插针体直径前多采用全陶瓷插针体，插针体直径2.5mm；(3)外部零件：光纤连接器的辅助部件，是插针体的外部零件：光纤连接器的辅助部件，是插针体的固定部件和光纤对接的定位部件，制作材料依据固定部件和光纤对接的定位部件
12、，制作材料依据型号而定，有金属和塑料。型号而定，有金属和塑料。光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信192022年年11月月6日星期日日星期日7.光纤连接器的技术指标光纤连接器的技术指标ioiPPLosslg10插入损耗：光通过连接器后，光功率损耗的大小；插入损耗：光通过连接器后，光功率损耗的大小；回波损耗：光通过连接器后，后向反射光与入射光回波损耗：光通过连接器后，后向反射光与入射光的比值；的比值；irrPPLosslg10重复性：重复插拔后插损的变化值，重复性：重复插拔后插损的变化值，1000次插拔后，次插拔后，小于小于0.1dB；互换性：插头和适配
13、器按一定的规则互换后，插入损互换性：插头和适配器按一定的规则互换后，插入损耗的变化值，互换性小于耗的变化值，互换性小于0.2dB。光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信202022年年11月月6日星期日日星期日8.光纤连接器的分类光纤连接器的分类(1)按光纤的模式分按光纤的模式分(2)按插针体的端面分按插针体的端面分单模、多模光纤连接器单模、多模光纤连接器;端面一般都是加工成球面、精抛球面和斜球面等。端面一般都是加工成球面、精抛球面和斜球面等。PC、SPC、APC。APC:将端面抛磨成与插针体中心线成将端面抛磨成与插针体中心线成80角。角。光纤连接器件光
14、纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信212022年年11月月6日星期日日星期日(3)按连接器的类型分按连接器的类型分FC、SC、ST:目前应用最广泛的三种目前应用最广泛的三种,体积比较大。体积比较大。LC、MU、MT-RJ:第三代光纤连接器，具有体积小，第三代光纤连接器，具有体积小，便于密集安装等优点。便于密集安装等优点。FC:螺纹锁紧式螺纹锁紧式SC:插拔式插拔式/咬合式咬合式ST:卡口旋转锁紧式卡口旋转锁紧式光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信222022年年11月月6日星期日日星期日9.光纤连接器的形状光纤连接器的形状
15、FCSCST光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信232022年年11月月6日星期日日星期日FCSC光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信242022年年11月月6日星期日日星期日需要光配线连接的设备需要光配线连接的设备光缆与收发机光缆与收发机光缆与大楼的接线板光缆与大楼的接线板设备与局域网间的接口处设备与局域网间的接口处连接楼内较短的数据链路连接楼内较短的数据链路楼内路由信号的接线板楼内路由信号的接线板电信系统进入大楼的位置电信系统进入大楼的位置网络与终端设备间的连接网络与终端设备间的连接远处可移动视频设备与录音
16、设备或摄影棚远处可移动视频设备与录音设备或摄影棚的连接的连接10.光纤连接器的应用场合光纤连接器的应用场合光纤连接器件光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信252022年年11月月6日星期日日星期日三、光纤接续子三、光纤接续子可作永久性接续，也可作临时接续可作永久性接续，也可作临时接续无需粘合剂和环氧胶，内有折射率匹配膏无需粘合剂和环氧胶，内有折射率匹配膏(液液)通用性强，适合不同涂敷层种类通用性强，适合不同涂敷层种类(250/250 um、250/900 um或或 900/900 um)的光纤的光纤光纤无需研磨光纤无需研磨光纤中心自对准光纤中心自对准 光纤连接器件
17、光纤连接器件广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信262022年年11月月6日星期日日星期日光纤耦合器是用来连接光纤耦合器是用来连接3个或个或3个以上的光接点。个以上的光接点。光信号经过光纤耦合器后，在多个输出端口之光信号经过光纤耦合器后，在多个输出端口之间分配，降低了每个信号输出端的信号强度。间分配，降低了每个信号输出端的信号强度。输出端口数输出端口所占比例损耗(dB)输出端口数输出端口所占比例损耗(dB)20.53.01200.0513.0140.256.0225.0413.9850.26.99500.0216.9980.1259.031000.0120100.110200
18、0.00523.01150.06711.764000.002526.02光纤耦合器光纤耦合器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信272022年年11月月6日星期日日星期日1.光纤耦合器的性能参数光纤耦合器的性能参数1313lg10PPIL1243(1)插入损耗插入损耗(2)耦合比耦合比433lg10PPPCR(3)附加损耗附加损耗143lg10PPPEL光纤耦合器光纤耦合器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信282022年年11月月6日星期日日星期日2.光纤耦合器的特性光纤耦合器的特性输入端口和输出端口的数量输入端口和输出端口的数量NM，数量取决于具，数量取
19、决于具体的应用，一般，输入端口有别于输出端口，但体的应用，一般，输入端口有别于输出端口，但也可对调。也可对调。信号的衰减和分束信号的衰减和分束光传输的方向性光传输的方向性波长选择性波长选择性光纤类型，即多模和单模光纤类型，即多模和单模偏振敏感偏振敏感光纤耦合器光纤耦合器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信292022年年11月月6日星期日日星期日(1)光传输的方向性光传输的方向性(2)定向耦合器定向耦合器:对所通过的光的方向敏感，虽然不对所通过的光的方向敏感，虽然不是单行道，但是却趋向于使光沿相同的方向传输。是单行道，但是却趋向于使光沿相同的方向传输。1243(3)非定向耦合
20、器：非定向耦合器：对所通过对所通过的光的方向敏感度很低或不敏的光的方向敏感度很低或不敏感，这种耦合器将所有的入射感，这种耦合器将所有的入射光混合在一起并传输到所有的光混合在一起并传输到所有的端口包括入射的端口。端口包括入射的端口。光纤耦合器光纤耦合器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信302022年年11月月6日星期日日星期日(4)光纤耦合器的波长选择性光纤耦合器的波长选择性 波长选择性是指耦合器分、合光的机制在某种波长选择性是指耦合器分、合光的机制在某种程度上依赖于所有传输光的波长。程度上依赖于所有传输光的波长。(5)波长不敏感耦合器：波长不敏感耦合器：这种耦合器在它们的工
21、作范这种耦合器在它们的工作范围内耦合器的特性几乎不随波长变化，应用在对不围内耦合器的特性几乎不随波长变化，应用在对不同波长应该同等处理的场合。同波长应该同等处理的场合。(6)波长选择耦合器：波长选择耦合器：这种耦合器有意地将不同波长这种耦合器有意地将不同波长的光送到不同的方向，根据波长分配信号，可以用的光送到不同的方向，根据波长分配信号，可以用来分离不同波长间隔的多波长光信号。来分离不同波长间隔的多波长光信号。光纤耦合器光纤耦合器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信312022年年11月月6日星期日日星期日3.光纤耦合器的分类光纤耦合器的分类按结构分：按结构分：Y型光纤耦合器
22、型光纤耦合器树型光纤耦合器树型光纤耦合器熔融型光纤耦合器熔融型光纤耦合器nm按制作方法分：按制作方法分：平面波导光纤耦合器平面波导光纤耦合器星型光纤耦合器星型光纤耦合器微型光器件型光纤耦合微型光器件型光纤耦合器器光纤耦合器光纤耦合器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信322022年年11月月6日星期日日星期日光隔离器是只沿一个方向传输的光器件，阻止光隔离器是只沿一个方向传输的光器件，阻止了后向反射和散射的光到达敏感器件，比如激光器了后向反射和散射的光到达敏感器件，比如激光器和光放大器，是一种光学单行道器件。和光放大器，是一种光学单行道器件。光隔离器是内部工作机制依赖于偏振。光
23、隔离器是内部工作机制依赖于偏振。一、一、光隔离器的基本组成光隔离器的基本组成一对线偏振器一对线偏振器:偏振面放置成偏振面放置成450角；角；法拉第旋转器法拉第旋转器:将偏振光的振动方向旋转将偏振光的振动方向旋转450角，法角，法拉第旋转器对光的偏振面旋转具有互拉第旋转器对光的偏振面旋转具有互异性，与磁场方向有关，与光的传播异性，与磁场方向有关，与光的传播方向没有关系。方向没有关系。光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信332022年年11月月6日星期日日星期日二、光隔离器的工作原理图二、光隔离器的工作原理图偏振器1偏振器2法拉第旋转器光光光被透射 光被正交偏振器
24、挡住YVO4或或LiNO3晶体。晶体。光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信342022年年11月月6日星期日日星期日三、光隔离器的性能参数要求三、光隔离器的性能参数要求(1)隔离度大，单芯隔离器的典型值是隔离度大，单芯隔离器的典型值是40dB;(2)插入损耗小，单芯隔离器的典型值是插入损耗小，单芯隔离器的典型值是0.2dB。这种简单的设计带来了偏振器的这种简单的设计带来了偏振器的3dB损耗，阻损耗，阻挡了入射光信号中非垂直偏振部分。设计器件时可挡了入射光信号中非垂直偏振部分。设计器件时可以将入射光信号分成两束，一束垂直偏振，另一束以将入射光信号分成两束，一束垂
25、直偏振，另一束水平偏振，垂直偏正光按照原理图所示工作，水平水平偏振，垂直偏正光按照原理图所示工作，水平偏振光可以先被旋转偏振光可以先被旋转900，然后通过相同的隔离器。，然后通过相同的隔离器。四、光隔离器的优化设计四、光隔离器的优化设计光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信352022年年11月月6日星期日日星期日消除偏振损耗的隔离器结构图：消除偏振损耗的隔离器结构图：SWPSWP法拉第旋转片光纤输入光纤输出波片SWPSWP法拉第旋转片光纤输入光纤输出波片光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信362022年年11月月6日星期日日星
26、期日器件说明：器件说明：SWP(Spatial Walk-off Polarizer):空间分离偏振空间分离偏振器器(或偏振敏感的光束位移器或偏振敏感的光束位移器)，由强双折射晶体制，由强双折射晶体制成，将不同偏振的光沿有微小差别的方向偏折，即成，将不同偏振的光沿有微小差别的方向偏折，即非偏振光入射到该晶体后分成两束，一束垂直偏振，非偏振光入射到该晶体后分成两束，一束垂直偏振，另一束水平偏振，两束偏振光在另一束水平偏振，两束偏振光在SWP的不同位置出的不同位置出射。射。法拉第旋转片法拉第旋转片:一束光在其中通过一个来回，其偏一束光在其中通过一个来回，其偏振方向将旋转振方向将旋转900，这是使光
27、隔离器工作的一个本质，这是使光隔离器工作的一个本质特征。特征。光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信372022年年11月月6日星期日日星期日波片波片:波片的工作方式与法拉第旋转片不同，没有波片的工作方式与法拉第旋转片不同，没有互异性，当光从一个方向入射时，将偏振方向旋转互异性，当光从一个方向入射时，将偏振方向旋转450，而光从另一个方向进入时，将偏振方向旋转，而光从另一个方向进入时，将偏振方向旋转 -450，或者说方向，或者说方向+450。即，光在波片中往返一。即，光在波片中往返一次，偏振方向的总旋转为次，偏振方向的总旋转为00，因此在波片中往返一，因此在波片
28、中往返一次后的光束具有与初始状态相同的偏振方向。次后的光束具有与初始状态相同的偏振方向。五、光隔离器的应用场合五、光隔离器的应用场合光隔离器光隔离器主要应用在激光器或者是光放大器的输出主要应用在激光器或者是光放大器的输出端，以防止光纤线路中的后向反射光造成激光器或端，以防止光纤线路中的后向反射光造成激光器或光放大器的工作不稳定性。光放大器的工作不稳定性。光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信382022年年11月月6日星期日日星期日六、实物结构图六、实物结构图法拉第旋转片磁环YVO4或LiNO3楔角片自聚焦透镜(径向：同渐变折射率)光纤头光纤准直器光纤准直器光隔
29、离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信392022年年11月月6日星期日日星期日楔角型商用化光隔离器楔角型商用化光隔离器光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信402022年年11月月6日星期日日星期日双级光隔离器双级光隔离器光隔离器光隔离器 正向光在第一级和第二级中分别为正向光在第一级和第二级中分别为o光和光和e光，光，两级产生的两级产生的PMD相互补偿，缺点是对装配精度要求相互补偿，缺点是对装配精度要求非常高，否则隔离度指标比单级光隔离器还差。非常高，否则隔离度指标比单级光隔离器还差。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光
30、纤通信412022年年11月月6日星期日日星期日封装的光隔离器封装的光隔离器光隔离器光隔离器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信422022年年11月月6日星期日日星期日光隔离器光隔离器光隔离器中的光路传输光隔离器中的光路传输广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信432022年年11月月6日星期日日星期日一、光纤的光敏性一、光纤的光敏性-FBG 广义上，光敏性是指物质的物理或化学性质在广义上，光敏性是指物质的物理或化学性质在外部光作用下发生暂时或永久性改变的材料属性。外部光作用下发生暂时或永久性改变的材料属性。就光纤材料而言，光敏性是指光纤材料的折射率就光纤材
31、料而言，光敏性是指光纤材料的折射率在外部光的作用下发生永久性的改变。在外部光的作用下发生永久性的改变。光纤光敏性的微观机理是一个非常活跃的研究领光纤光敏性的微观机理是一个非常活跃的研究领域。从科研人员的实验结果看，光纤材料的光敏效应域。从科研人员的实验结果看，光纤材料的光敏效应在微观上可能与众多的物理因素有关，是一个非常复在微观上可能与众多的物理因素有关，是一个非常复杂的过程，目前还不能给出完全定量化的描述。杂的过程，目前还不能给出完全定量化的描述。光纤光栅光纤光栅广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信442022年年11月月6日星期日日星期日二、什么是光纤光栅二、什么是光纤光
32、栅 光纤光栅就是利用光纤的光敏性，用特定波长光纤光栅就是利用光纤的光敏性，用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光纤内部的折射的激光以特定方式照射光纤，导致光纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间分布，从而率沿轴向形成周期性或非周期性的空间分布，从而把光纤做成具有精确控制谐振波长的光栅。把光纤做成具有精确控制谐振波长的光栅。入射光 反 射光 透射光 包层 纤芯 光纤光栅光纤光栅广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信452022年年11月月6日星期日日星期日三、光纤光栅的工作原理三、光纤光栅的工作原理光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件
33、：1、2是正、反向传输常数，是正、反向传输常数，是光纤光栅的是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。周期，在写入光栅的过程中确定下来。122光纤光栅光纤光栅广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信462022年年11月月6日星期日日星期日1.光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理的工作原理 当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。外一端透射出来。光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称光纤光栅起到了光波选频的作用
34、，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：心波长（布拉格波长）表达式：nB2光纤光栅光纤光栅广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信472022年年11月月6日星期日日星期日 I T R B B 入射光谱 透射光谱 反射光谱：零点几到几十微米：零点几到几十微米;反射率：可以达到反射率：可以达到100，也可以小到，也可以小到0；反射谱的反射谱的FWHM:可以达到零点零几纳米。可以达到零点零几纳米。特点特点FBG的光谱的光谱光纤光栅光纤光栅广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信
35、482022年年11月月6日星期日日星期日2.长周期光纤光栅长周期光纤光栅(LPG)的工作原理的工作原理 当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选择损耗特性。择损耗特性。01mmc
36、lnn 为光栅周期，为光栅周期，n01为纤芯模式为纤芯模式折射率，折射率，n(m)为为m阶包层模式阶包层模式的折射率。的折射率。光纤光栅光纤光栅广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信492022年年11月月6日星期日日星期日长周期光纤光栅的光谱特点长周期光纤光栅的光谱特点 纤芯 包层 光纤光栅光纤光栅广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信502022年年11月月6日星期日日星期日波分复用技术波分复用技术要求光器件在光发射机端合并多个信要求光器件在光发射机端合并多个信号进入单根光纤同时向前传输，并在光接收机端分号进入单根光纤同时向前传输，并在光接收机端分离这些信号
37、，以便分立的光接收机进行处理，实现离这些信号，以便分立的光接收机进行处理，实现这种功能的光器件就是这种功能的光器件就是波分复用器波分复用器。波分复用器波分复用器从功能上分为两部分从功能上分为两部分:发射机端的为复发射机端的为复用器，其作用是合并光信道；接收机端的为解复用用器，其作用是合并光信道；接收机端的为解复用器，其作用正好相反，分离复用在一起的光信道，器，其作用正好相反，分离复用在一起的光信道，而且必须完全分离光信道，且串扰要低。而且必须完全分离光信道，且串扰要低。波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信512022年年11月月6日星期日日星期日一、一、W
38、DM系统系统复用系统复用系统:WDM、CWDM、DWDM 12n 12n复用器复用器光放大器光放大器解复用器解复用器 波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信522022年年11月月6日星期日日星期日二、信道间隔二、信道间隔(信道密度信道密度)信道间隔在信道间隔在200GHz或更小时的技术称为密集波分或更小时的技术称为密集波分复用技术复用技术(DWDM)。ITU标准，确定波分复用系统的绝对参考频率规范标准，确定波分复用系统的绝对参考频率规范为为193.1THz，对应的波长为，对应的波长为1552.52nm。波分复用系统中的信道间隔与对应的波长间隔之间波分复用系
39、统中的信道间隔与对应的波长间隔之间的转换为的转换为:频率中心频率，即绝对参考:2fffc200GHz(100或或50GHz)1.6nm(0.8或或0.4nm)波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信532022年年11月月6日星期日日星期日三、三、波长路由波长路由波长路由波长路由是其中的一种解复用方法，要分离的光信是其中的一种解复用方法，要分离的光信号在不同的透射带内。也就是说，波长路由的方法号在不同的透射带内。也就是说，波长路由的方法适合于解复用那些波长间隔比较大的光信号。比如适合于解复用那些波长间隔比较大的光信号。比如分离分离EDFA的泵浦光和信号光。的泵
40、浦光和信号光。EDFA是由半导体激光器的是由半导体激光器的980nm或或1480nm泵浦的，泵浦的，它们通过同一根它们通过同一根EDF，但在某处泵浦光必须与放大，但在某处泵浦光必须与放大信号分离，这种合波和分离一般由波长敏感光纤耦信号分离，这种合波和分离一般由波长敏感光纤耦合器实现。合器实现。波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信542022年年11月月6日星期日日星期日波长敏感光纤耦合器分离两个波长：波长敏感光纤耦合器分离两个波长：100上面光纤所占的百分比980nm输出1550nm输出所有980nm的光均在上面的光纤中耦合区长度耦合区起点耦合区终点所有1
41、550nm的光均在下面的光纤中980nm1550nm0波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信552022年年11月月6日星期日日星期日波长敏感光纤耦合器，不同波长在光纤之间转换的波长敏感光纤耦合器，不同波长在光纤之间转换的光能量取决于耦合区的长度，经过一定的特征长度光能量取决于耦合区的长度，经过一定的特征长度后，光从一根光纤完全转移到另一根光纤。后，光从一根光纤完全转移到另一根光纤。开始进入耦合器时，光进入两根熔融光纤上面的一开始进入耦合器时，光进入两根熔融光纤上面的一根，然后逐渐转移到下面的光纤，如果耦合区足够根，然后逐渐转移到下面的光纤，如果耦合区足够长
42、，所有的光都会转移到下面的光纤，并且重复此长，所有的光都会转移到下面的光纤，并且重复此过程；短波长的光先于长波长的光转移。过程；短波长的光先于长波长的光转移。980nm的的光从上面的光纤转移到下面的光纤，在耦合器结束光从上面的光纤转移到下面的光纤，在耦合器结束时又转移到上面的光纤，而时又转移到上面的光纤，而1550nm的光只从上面的光只从上面的光纤在耦合器结束时转移到下面的光纤。的光纤在耦合器结束时转移到下面的光纤。波长敏感光纤耦合器不用来分离波长敏感光纤耦合器不用来分离DWDM系统的光信系统的光信道，而对于间隔很大的波长分离效果很好。道，而对于间隔很大的波长分离效果很好。波长敏感光纤耦合器：
43、波长敏感光纤耦合器：波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信562022年年11月月6日星期日日星期日四、四、WDM的种类的种类色散元件色散元件棱镜棱镜光栅光栅传统光栅传统光栅光纤光栅光纤光栅波导阵列光栅波导阵列光栅平面光栅平面光栅凹面光栅凹面光栅干涉元件干涉元件带通滤波器带通滤波器截止型滤波器截止型滤波器限波滤波器限波滤波器吸收型滤波器吸收型滤波器一般带宽一般带宽超窄宽超窄宽耦合元件耦合元件全光纤型全光纤型混合型混合型偏振无关偏振无关偏振相关偏振相关1.无源无源WDM器件器件波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信57202
44、2年年11月月6日星期日日星期日2.有源有源WDM器件器件阵列发射或接收器件阵列发射或接收器件可调波长激光器可调波长激光器可调波长选择光开关可调波长选择光开关可调波长滤波器可调波长滤波器波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信582022年年11月月6日星期日日星期日3.干涉滤波器干涉滤波器干涉滤波器干涉滤波器的介质层选择性地透过一个窄范围的波的介质层选择性地透过一个窄范围的波长，并反射其他的光。长，并反射其他的光。透射和反射波长选择的精确性，以及反射和透透射和反射波长选择的精确性，以及反射和透射的曲线形状依赖于具体的滤波器设计射的曲线形状依赖于具体的滤波器设
45、计:包括层的包括层的厚度和成份，以及镀膜的层数。厚度和成份，以及镀膜的层数。通过调整干涉滤波器的厚度、成份和层数，干通过调整干涉滤波器的厚度、成份和层数，干涉滤波器可以被制成不同类型的透射。涉滤波器可以被制成不同类型的透射。波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信592022年年11月月6日星期日日星期日线通滤波器、带通滤波器、截止滤波器：线通滤波器、带通滤波器、截止滤波器：截止滤波器截止滤波器(较短波长透射较短波长透射)线通滤波器线通滤波器带通滤波器带通滤波器透射透射波长波长也可以反过来设计。也可以反过来设计。截止滤波器设计成在特定波长处的透射和反射有一截止
46、滤波器设计成在特定波长处的透射和反射有一个突变，比如分离个突变，比如分离EDFA的的C带和带和L带在带在1567nm处处有一个突变，使短波长信号反射回有一个突变，使短波长信号反射回C带带EDFA,长波长波长信号透射到长信号透射到L带带EDFA。波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信602022年年11月月6日星期日日星期日4.基于各种技术的波分复用器基于各种技术的波分复用器(1)干涉滤波器型干涉滤波器型WDM输入输入 16135642级联滤波器每次解复用选出一个波长级联滤波器每次解复用选出一个波长:波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光
47、纤通信光纤通信612022年年11月月6日星期日日星期日 低通、高通滤波器组合使用，将光信道分成组，低通、高通滤波器组合使用，将光信道分成组，然后再将每组分成单独的信道。然后再将每组分成单独的信道。解复用解复用2532140解复用解复用18116解复用解复用916916解复用解复用17241740解复用解复用32402540波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信622022年年11月月6日星期日日星期日 为什么要进行光信道分组，然后再将每组分成为什么要进行光信道分组，然后再将每组分成单独的信道呢？单独的信道呢？(1)干涉滤波器不是非常完美的，实质上并不能干涉
48、滤波器不是非常完美的，实质上并不能反射其他所有波长的信号光能量，有一部分会被漏反射其他所有波长的信号光能量，有一部分会被漏掉，而这些泄漏经过一系列的滤波器后会叠加。采掉，而这些泄漏经过一系列的滤波器后会叠加。采用先进行光信道分组的办法可大大减少这种泄漏。用先进行光信道分组的办法可大大减少这种泄漏。(2)干涉滤波器型干涉滤波器型WDM是一个模块，很容易进是一个模块，很容易进行系统升级扩容，因此在短期内可以节省开支，长行系统升级扩容，因此在短期内可以节省开支，长期上又可降低系统设备成本。期上又可降低系统设备成本。波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信632022
49、年年11月月6日星期日日星期日(2)光纤光栅型光纤光栅型WDM 1 3 2 光纤光栅 1 1 1 1 4 光环行器1 2 3 1 2 2 2 光环行器2 光纤光栅 2 2 3 1 3 3 3 光环行器3 光纤光栅 3 1,2,3,4 1 2 3 1,2,i-1,i,i+1,n 1,2,i-1,i,i+1,n i i 1,2,i-1,i+1,n 光纤光栅 光环行器 波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信642022年年11月月6日星期日日星期日(3)基于熔融光纤耦合器的基于熔融光纤耦合器的WDM耦合区长度耦合区起点耦合区终点短短+长长短短长长利用耦合区长度可以
50、将不同透射带的光能量定利用耦合区长度可以将不同透射带的光能量定向到不同端口来分离波长。向到不同端口来分离波长。不同透射带内的波长光能量转移的程度依赖于不同透射带内的波长光能量转移的程度依赖于耦合区长度，短波首先来回转移，然后才是长波。耦合区长度，短波首先来回转移，然后才是长波。波分复用器波分复用器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信652022年年11月月6日星期日日星期日(4)基于马赫基于马赫-曾德尔曾德尔(M-Z)干涉仪的干涉仪的WDM是熔融型光纤耦合器的一种，这种器件称为熔是熔融型光纤耦合器的一种，这种器件称为熔融型光纤马赫融型光纤马赫-曾德尔干涉仪，或者简单地称为曾德
