Fiber Network Components 光纤网络器件

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1 Fiber Network Components 光纤网络器件
光纤通信第五章 Fiber Network Components 光纤网络器件

2 光器件概述 作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。 类型：无源、有源 包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等 发展趋势：集成化、全光纤化

3 第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 隔离器 Isolator
第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 隔离器 Isolator 光开关 Switches 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator

4 8.1 Connector Principles 连接器原理
连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件； 连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件； 对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤；

5 对连接器的要求 连接损耗(插入损耗)小:横向（轴向）对准、角度对准（光纤平行）、端面接触（无间隙）、光纤端面平滑，相互平行；
多次插拨重复性好； 互换性好； 环境温度变化时，性能保持稳定； 并有足够的机械强度；

6 连接损耗的机理

7 连接损耗的机理

8 8.1.1 Lateral Misalignment 横向错位
多模光纤纤芯的横向对准差错损耗仅由发射光纤和接收光纤纤芯的不重叠部分决定 多模光纤的耦合效率是重叠面积（阴影部分）与纤芯面积的比值。

9 例8.1 如果纤芯直径均为50um，要求耦合损耗小于1dB，试问允许的轴向位移是多少？并重复计算耦合损耗为0.5dB和0.1dB的情况。

10 Lateral Misalignment 损耗（dB） 相对横向位移 多模阶跃光纤的横向错位损耗

11 Lateral Misalignment 单模光纤的对准差错损耗与传播模的场分布有关。
单模光纤的耦合效率与重叠面积（阴影部分）和模场面积有关。由此产生的耦合损耗为：

12 Lateral Misalignment 损耗（dB） 相对横向位移 单模阶跃光纤的横向错位损耗

13 8.1.2 Angular Misalignment 角度错位
多模光纤的角度错位耦合效率是发射光锥和接收光锥相互重叠部分的比值。由此产生的损耗为:

14 Angular Misalignment 损耗（dB） 角度错位（度） 多模阶跃光纤的角度错位损耗

15 Angular Misalignment 单模光纤由于角度对准差错所产生的损耗为：

16 Angular Misalignment 损耗（dB） 角度错位（度） 单模阶跃光纤的角度错位损耗

17 8.1.3 End Separation 端面分离 由于端面之间存在间隙，会有一些发射光线没有被接收光纤所截获。间隙增加时，接收光纤会因为光束的发散而丢失更多的发送功率

18 End Separation 损耗（dB） 轴向错位导致的损耗最重要！！ 相对端面间隙 多模阶跃光纤的端面间隙损耗

19 End Separation 匹配液 填充折射率匹配液可以减少光束发散，从而降低光纤的分离损耗。

20 例8.4 如果多模SI光纤的每一类对准差错允许产生的损耗为0.25dB，计算允许的对准差错，假设光纤纤芯半径为50um，NA=0.24

21 Lateral Misalignment 损耗（dB） 相对横向位移 多模阶跃光纤的横向错位损耗

22 Angular Misalignment 损耗（dB） 角度错位（度） 多模阶跃光纤的角度错位损耗

23 End Separation 损耗（dB） 相对端面间隙 多模阶跃光纤的端面间隙损耗

24 End Separation 损耗（dB） 相对端面间隙 单模阶跃光纤的端面间隙损耗

25 8.1.4 Smooth and Parallel Ends 平滑而且平行的光纤端面
粗糙的光纤端面由于端面之间存在间隙，会有一些发射光线没有被接收光纤所截获。间隙增加时，接收光纤会因为光束的发散而丢失更多的发送功率。 解决方案：用匹配液填充凸凹不平的端面并消除倾斜造成的间隙。

26 8.1.5 Connecting Different Fiber 不同光纤之间的连接
假设光从纤芯半径a1的光纤传送到纤芯半径为a2的光纤，如果a1 >a2，则损耗： 光功率流 纤芯不匹配可能产生损耗

27 Connecting Different Fiber
假设光从较高数值孔径的光纤传送到较低数值孔径的光纤，一些光线将落在接收光纤接收角之外，则损耗： 发射光锥 接收光锥 功率流 数值孔径不匹配可能产生损耗

28 Connecting Different Fiber
损耗（dB） 纤芯半径或数值孔径不相等产生的损耗

29 8.1.6 Reflection at a connection 连接点的反射
在光纤的任何不连续点，一部分光总是会被反射回发射机。 措施： 在空气间隙中填充折射率匹配液。 使两根光纤的端面紧密接触在一起。

30 Reflection at a connection
纤芯 包层 减小连接点反射的两种方法 (a)物理接触 physical contact

31 8.1.6 Reflection at a connection 连接点的反射
在光纤的任何不连续点，一部分光总是会被反射回发射机。 措施： 在空气间隙中填充折射率匹配液。 使两根光纤的端面紧密接触在一起。 将两根光纤的接触面做成倾斜的抛光端面。

32 Reflection at a connection
纤芯 包层 减小连接点反射的两种方法 (b)倾斜端面 Oblique end faces

33 8.2 Fiber-End Preparation 光纤头预处理
光纤预处理有两种方法 切割（刻痕-断裂）Cleaving 研磨-抛光 Lap-and-Polish 剥离光纤的涂覆层使其成为裸光纤 用化学的方法清洗裸的全玻璃光纤

34 Fiber-End Preparation
研磨-抛光 Lap-and-Polish 环氧树脂 套筒 裸光纤 光缆

35 8.3 Splices 接 头 接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接。接头用于相邻两根光缆(纤)之间的连接，以形成长距离光缆线路。永久性连接一般在现场实施，这种连接是光缆线路建造中的重要技术。 对接头的要求主要是连接(接头)损耗小，有足够的机械强度，长期的可靠性和稳定性，以及价格便宜等。

36 8.3.1 Fusion Spling 熔接 熔接：将两根玻璃光纤焊接在一起产生的接头 电极 裸光纤 定位单元

37 8.3.2 Adhesive Spling 粘接 粘接：使用黏合剂或者机械压力在对准设备上将两根光纤连接在一起。
用热固化或紫外固化，并用光学兼容环氧树脂粘结加固。 这种连接方法接头损耗大，因为纤芯对中的程度完全取决于光纤外径公差和机械夹具对光纤的控制能力。

38 Adhesive Spling 光纤 光纤 精密套筒 V型槽 光纤 光纤 松套管 三根棒

39 8.4 Connectors 8.4.1 Connector Requirements 低损耗 Low loss
可重复性 Repeatability 可预测性 Predictability 寿命长 Long life 高强度 High Strength 环境适应性 Compatibility with the environment 易于组装 Ease of assembly 易于使用 Ease of use 成本低 Economy

40 Connectors 技术指标： 插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。
回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射 光相对输入光的比率的分贝数。 重复性和互换性

41 端面直接对接式连接器 结构:直管筒结构，锥形套筒结构，交迭型结构 基本功能部件：插针件，闭锁装置，后壳，压接套管和保护套
与光接收机相连的连接器示意图

42 Connectors

43 Connectors

44 Connectors

45 8.4.5 Lensed Connector 透镜式光纤连接器
技术特点：光束准直。 优点：对横向偏移的敏感程度低，允许比较大的端面间隙 缺点：角度差错误差大，成本高，安装复杂困难 连接器外壳 光纤

46 8.4.6 Lensed Connector 多通道连接器
套筒 套管 插座 套筒 插头

47 连接器型号和参数 型号：FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型 分子部分表示两插头与转接器的连接类型；
FC 圆型带螺纹(配线架上用的最多) ST 卡接式圆型 SC 卡接式方型(路由器交换机上用的最多) 分母部分表示内部光纤端面的处理形式。 PC 微球面研磨抛光 APC 呈8度角并做微球面研磨抛光

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49 ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。 SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。
FC型：螺纹连接。外部材料为金属

50 第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches
第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches 隔离器 Isolator 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator 作用：连接光路，控制光的传输方向，控制光功率的分配，控制光波导之间、器件之间以及光波导与器件之间的光耦合、合波、分波。

51 8.5 光源耦合 Source Coupling 光从光源到光纤之间的耦合效率一般都比较低。 耦合损耗：

52 8.5.1 Reflection Loss 反射损耗 光源 光纤 如果光源发射面和光纤端面之间存在空气间隙，那么光在分界面上发生反射损耗，大概为0.2dB 解决措施：光源与光纤端面直接接触，使用匹配液填充间隙。

53 8.5.2 Area-Mismatch Loss 面积失配损耗
光源 纤芯 如果光源面积比纤芯面积大，会损失一部分功率，效率的降低等于纤芯面积与光源面积之比。

54 8.5.3 Packing-Fraction Loss 封装比损耗
光纤束 纤芯 包层 如果光源发出的光照射光纤的包层上或者光纤的空气间隙上，这部分能量就会损失掉。 封装比：所有光纤的纤芯面积之和与光纤束的横截面积之比，通常在0.4到0.75之间。耦合效率随着封装比变大而变大。

55 8.5.4 Packing-Fraction Loss 数值孔径损耗（多模）
光源 纤芯 以比波导接收角大的角度入射的光线在光纤中不能传播。低数值孔径光纤的耦合损耗相当大。 光纤耦合效率低主要是因为普通光源发出的光束角分布很宽，而光纤的接收角很有限。 所以光源耦合器的效率取决于光源的发射方向图和光纤的数值孔径。 解决方案：使用透镜可以改进耦合效率。

56 8.5.5 Packing-Fraction Loss 单模光纤耦合
如果来波的功率呈高斯分布，则单模光纤的耦合效率将非常高，这时候要求两个光波的光斑半径相等。 解决方案：使用透镜

57 9.1 Distribution Networks 分布式网络
定向耦合器是构成很多分布式网络的基础。 定向耦合器：对同一波长的光功率进行分路或合路 类型： Y型、X型22耦合器、1N型、MN型 全光纤型、微光元件型、集成光波导型 功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。

58 (b) 4端口耦合器 (a) 3端口耦合器 (c) 星形耦合器 (d) 3波分复用器
1 2 分路器 合路器 (a) 3端口耦合器 (c) 星形耦合器 N M λ1 λ1＋λ2 λ2 (d) 3波分复用器

59 技术指标： 1、Throughput Loss直通损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口0到优势端口1的路径中的插入损耗为：
2、Tap Loss抽头损耗：给定输入端口和抽头端口（端口2）之间传输损耗量 3、Excess Loss附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。

60 P0 P1 P2 P3 技术指标： 3、Directionality方向性系数：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例： 4、The Splitting ratio分光比或耦合比：两个输出端口的功率之比通常用抽头损耗来描述。

61 技术指标： 对于无损耗的耦合器，抽头损耗和直通损耗之间的关系：
P0 P1 P2 P3 技术指标： 对于无损耗的耦合器，抽头损耗和直通损耗之间的关系： 例9.1：某耦合器的附加损耗为1dB，分光比为1:1，试问有多少输入功率到达两个输出终端？

62 Directional Coupler定向耦合器
 2×2定向耦合器：是两波导四端口元件。  1-3和2-4是直通臂，1-4和2-3是耦合臂（交叉臂）。 由1输向3传输的光信号，按一定的比例耦合一部分由4输出，2无输出；这是定向耦合器。 由1和2同时输入，在3和4同时都有输出；起到合路 和分路的作用。 1 3 2 4

63 9.2 Directional Couplers 定向耦合器
输入功率 P2 直通功率 P4 串扰 P3 耦合功率 熔锥型光纤耦合器结构示意图

64 9.2 Directional Couplers 定向耦合器
输入功率 P2 直通功率 P4 串扰 P3 耦合功率 熔锥型光纤耦合器结构示意图 C--耦合系数

65 耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的变化交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，可以制作不同性能的耦合器。
输出功率分配比 互作用长度

66 耦合功率和直通功率与波长的关系曲线

67 Offset Butt-joint directional Coupler 偏移对接式定向耦合器
平板波导

68 Beamsplitting Directional Coupler 分束式定向耦合器
平板结构 体结构

69 1×2耦合器实物照片

70 第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches
第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches 隔离器 Isolator 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator 作用：波长选择器件。

71 滤波器Optical Filter 光滤波器 ：光波长选择器件  滤波器 解复用器

72 用途： 波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用 Wavelength filter Wavelength multiplexer
router

73 光滤波器 λk(固定) λi(可调) λ1，λ2，…λn Δλ λ1 λ λn (a)固定波长滤波器　　　(b)可调谐滤波器

74 0/ 0滤波器中心波长, 信号波长.

75 技术参数 中心波长（固定、可调） 带宽 隔离度(串音) 插入损耗 调谐范围 调谐速度：滤波器调到指定波长所需要的时间
可分辨道数：信道范围与最小信道间隔之比 分辨率：滤波器能检测的最小波长偏移

76 种类： 基于干涉原理的滤波器：熔锥光纤滤波器、 Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德尔干涉滤波器 基于光栅原理的滤波器：体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器（AWG）、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器

77 一、熔锥光纤滤波器 利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。设计熔融区的锥度，控制拉锥速度。

78 耦合功率和直通功率与波长的关系曲线

79 一、熔锥光纤滤波器 利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。设计熔融区的锥度，控制拉锥速度。 特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度低、复用波长数少（两波） 应用：波长间隔较宽，常用于1310nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波长的分离

80 二、多层介质膜滤波器TFF 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长 λ/4 空气 高折射率 低折射率 多层介质薄膜

81 多层介质膜复用解复用器特点： 通带特性好（平顶、隔离度高~25dB） 温度敏感性小（0.0005nm/OC 不需温控）
是16波长WDM系统中主要选用的器件

82 三、法布里－珀罗滤波器 基本原理：F-P干涉仪，平行平板的多光束干涉。

83 F-P 滤波器特性 自由谱区FSR(Free Spectral Range)：相邻两个谐振频率的间距。 FSR=C/2nd
带宽F：传输系数的数值降为最大值的一半对应的频带宽度。 R越大， F越窄 精细度F(Finesse)： R越大，精细度越大。

84 Frequency F FSR＝C/2nd 高反射率窄带滤波器

85 可调谐光纤F-P滤波器(FFP) 对压电陶瓷施加电压可使支架产生左右变化的位移，从而改变反射镜之间的长度，达到波长调谐的目的。

86 四、马赫－曾德干涉滤波器MZI 对输入信号进行分路的耦合器 折射率差为n的两根波导，用来在两臂间产生与波长有关的相移
在输出端将信号复合的耦合器 通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组的信号将在一个输出端产生相干性干涉，而在另一个输出端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。

87 五、声光滤波器 λ1 λ2λ3 换能器 λ1（选择） λ2λ3（拒绝） TE 电压 输入偏振 输出偏振 TM TE (λ1) TM (λ1) 由于光栅相互作用，满足谐振条件的TE模光能被转化成TM模，而TM模的光能转换TE模，然后经输出偏振器输出，波长不满足谐振条件的信号将从另一个端口输出。

88 第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches
第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches 隔离器 Isolator 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator

89 光开关Switches

90 光开关（optical switch） 一种光路控制器件，可实现光路通断的控制、光路选择、光交换
如：主备光路切换；光纤、光器件的测试等；实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接等功能。

91 光开关Switches 开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。 消光比、插损、串话也是光开关的重要参数
开关时间需求 光路的交换及管理 (OADM 、 OXC) 1~10ms 保护开关 1~10 m s 光包交换 1ns 外调制 10ps 消光比、插损、串话也是光开关的重要参数

92 光开关的分类 机械光开关 热光开关 电光开关 微光机电系统（MEMS, Micro Electro Mechanical Systems）

93 机械式光开关 通过机械运动实现不同光纤端口之间的相对连接，解决的办法是相对移动光纤或相对移动光学元件。

94 金属薄膜关开关 金属薄膜 衬垫 波导芯层 底包层 衬底 空气 (a) 未加电压时 (b) 加电压时

95 机械式光开关 特点：低插损、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关 缺点：体积大，难实现集成化的开关网络。近年正大力发展一种集成的微机电系统(MEMS)开关，在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。 

96 液晶光开关 利用液晶材料的光学特性随电场改变的特性。 根据用外电场控制液晶分子的取向，对偏振进行控制而实现开关功能的。

97 热光效应光开关 基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断
特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms） 薄膜加热器 波导臂 3dB耦合器 相位移动

98 电光效应光开关 LiNbO3波导型电光开关： 特点：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、价格昂贵

99 新型光开关——MOEMS 微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关。
采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅100微米左右，比头发丝还细。

100 新型光开关——MOEMS 入射光 出射光 控制信号V 波导2 波导1 取向1 取向2 微反射镜

101 Detailed View of Mode - Eclipsing Optical Switch

102 新型光开关——MOEMS 微反射镜阵列 光纤准直器阵列 外接驱动信号 电极引线 组装好的8×8光开关阵列照片 工作原理图

103 Mirror

104 1N MEMS Switch

105 微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个，成本大大降低生产。 集成化：可以把不同种类传感器或执行器集成于一体，形成微传感器阵列、微执行器阵列。 多学科交叉：涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等学科。

106 第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches
第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches 隔离器 Isolator 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator

107 隔离器Isolator 用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。 主要指标：
低的插入损耗(对正向入射光，~1dB) 高的隔离度(对反向反射光，40~50dB) 原理：一般由起偏器、检偏器和法拉第旋光器组成。

108 起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转450 ，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。 SOP Light out Light in Polarizer Faraday rotator Reflect light Blocked 与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理

109 Isolator/coupler hybrids
Isolators Isolator/coupler hybrids

110 第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches
第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches 隔离器 Isolator 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator

111 光环形器Circulator 只允许某端口的入射光从确定端口输出的器件。 三端口，四端口，多端口 主要特性： 插入损耗 隔离度 价格
1 3 光传送顺序：12 2 3 2 三端口光环行器

112 工作原理 （a） 反射棱镜 ① 双折射率分离元件 ② 1 2 3 偏振分束 立方体透镜 法拉第旋转器 相位旋转器 （b）

113 第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches
第五章 光网络器件 连接器 Connector 耦合器 Couplers 滤波器 Optical Filter 光开关 Switches 隔离器 Isolator 环形器 Circulator 衰减器 Attenuator

114 光衰减器—Attenuator 根据工作原理分类： 光衰减器 耦合型 反射型 吸收型 横向位移动型 纵向位移动型 固定式 步进可变式
连续可变式

115 (a) Pin Pout 反射镜 透射光 光吸收材料 (b) (c) 耦合型 反射型 吸收型

116 Attenuator 根据使用场合不同分类： 在线型衰减器 适配器型固定衰减器 光衰减器 插头式衰减器 光纤端口终止器

117 技术指标：衰减量、精度、反射、插损 固定光衰减器 衰减量调节旋钮

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