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1、HITCRC关于光纤通信幻灯片常用光无源器件哈尔滨工业大学第一页，讲稿共五十页哦第四章第四章 常用光无源器件的目录常用光无源器件的目录光纤连接器光纤连接器光纤耦合器光纤耦合器波分复用波分复用/解复用器解复用器光开关光开关光隔离器及光环形器光隔离器及光环形器2014-7-142第二页，讲稿共五十页哦概述概述 光纤通信中所用的光纤通信中所用的光器件光器件可分成可分成光有源器件光有源器件和和光无源器件光无源器件两大类。二者的区两大类。二者的区别在于器件在实现本身功能的过程中，其内部别在于器件在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电是否发生光电能量转换能量转换。若。若出现出现光电能量转换，则称其为光
2、电能量转换，则称其为有源光器件有源光器件；若；若未出现未出现光光电能量转换，即便也需要一些电信号的介入，均称为电能量转换，即便也需要一些电信号的介入，均称为光无源器件光无源器件。光。光无源器件有多种分类方法，目前最常用的是无源器件有多种分类方法，目前最常用的是按功能分类按功能分类。按照器件在。按照器件在光纤传输路上所发挥的功能可分为光纤传输路上所发挥的功能可分为光隔离器光隔离器、光纤连接器光纤连接器、光合光合/分路器光耦合器分路器光耦合器、光开关光开关、光衰减器光衰减器以及以及光极化控制器光极化控制器、光环形器、滤波光环形器、滤波器器等。等。本章主要介绍目前常用的光无源器件的本章主要介绍目前常
3、用的光无源器件的结构结构、工作原理工作原理及及特性参数特性参数。2014-7-143第三页，讲稿共五十页哦4.1光纤连接器光纤连接器光纤连接器的结构与种类光纤连接器的结构与种类固定连接器固定连接器又又称为固定接头或接线子，是使一对或几对光纤之间形成永久性的连接，称为固定接头或接线子，是使一对或几对光纤之间形成永久性的连接，不一定要求重复使用，但要求损耗低，后向反射光小，操作简便，性能不一定要求重复使用，但要求损耗低，后向反射光小，操作简便，性能稳定。制作固定接头的方法有熔接法、稳定。制作固定接头的方法有熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等，形槽法、毛细管法、套管法等，这些方法各有优缺点，都能制
4、作出满足工程需要的固定接头。我国光纤这些方法各有优缺点，都能制作出满足工程需要的固定接头。我国光纤干线中，熔接法用得最多。干线中，熔接法用得最多。2014-7-144第四页，讲稿共五十页哦4.1光纤连接器光纤连接器活动连接器活动连接器光纤光纤(缆缆)活动连接器是实现活动连接器是实现光纤光纤(缆缆)之间之间活动连接的光无源器件，活动连接的光无源器件，它还具有将光纤它还具有将光纤(缆缆)与其他与其他无源器件无源器件、光纤、光纤(缆缆)与与系统和仪表系统和仪表进行活动连进行活动连接的功能。接的功能。是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广光无源器件之一是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广光无源器件之一。
5、(1)套管结构套管结构这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，因而得到广泛应这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，因而得到广泛应用。用。FC、SC、D4等型号的连接器均采用这种结构。等型号的连接器均采用这种结构。2014-7-145第五页，讲稿共五十页哦4.1光纤连接器光纤连接器(2)双锥结构双锥结构利用锥面定位，此结构由利用锥面定位，此结构由AT&T创立和采用。创立和采用。(3)V形槽结构形槽结构将两个插针放入将两个插针放入V V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准，精度较高，但结构复杂，零件数量多。理使纤芯对准，精度
6、较高，但结构复杂，零件数量多。2014-7-146第六页，讲稿共五十页哦4.1光纤连接器光纤连接器(4)球面定心结构球面定心结构两根插针插入基座，球面与锥面接合将纤芯对准，并保证纤芯之两根插针插入基座，球面与锥面接合将纤芯对准，并保证纤芯之间的间距控制在要求的范围内，设计巧妙，但零件形状复杂，实间的间距控制在要求的范围内，设计巧妙，但零件形状复杂，实现难度大。现难度大。(5)透镜耦合结构透镜耦合结构又称远场耦合，结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，降低又称远场耦合，结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，降低了加工的精度要求，容易实现。但结构复杂、体积大、元件多、损耗大。了加工的精
7、度要求，容易实现。但结构复杂、体积大、元件多、损耗大。2014-7-147第七页，讲稿共五十页哦4.1光纤连接器光纤连接器光纤连接器特性参数光纤连接器特性参数 评价一个光纤连接器的主要性能指标有评价一个光纤连接器的主要性能指标有4 4个，即个，即插入损耗、回波损耗、插入损耗、回波损耗、重复性和互换性重复性和互换性。插入损耗插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器后，其是指光纤中的光信号通过活动连接器后，其输出光输出光功率相对功率相对输入光输入光功率功率的的比率比率的分贝数，表达式为：的分贝数，表达式为：式中：式中：为连接器插入损耗；为连接器插入损耗；为输入端的光功率；为输入端的光功率；为输出端
8、光功率。为输出端光功率。对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器，滤去高次模，对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器，滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，这样才能准确地衡量连接器的插入损耗使光纤中的模式为稳态分布，这样才能准确地衡量连接器的插入损耗。1010lg(/)()cAPPdB cA0P1P2014-7-148第八页，讲稿共五十页哦4.1光纤连接器光纤连接器插入损耗的补充：造成损耗的原因插入损耗的补充：造成损耗的原因(1)横向错位横向错位对于多模阶跃折射率光纤来说，假定纤心横截面内光功率均匀分布，纤对于多模阶跃折射率光纤来说，假定纤心横截面内光功率均匀分布，纤心的
9、横向对准差错损耗仅由发射光纤和接收光纤纤心的不重叠部分决定，心的横向对准差错损耗仅由发射光纤和接收光纤纤心的不重叠部分决定，如下图所示：如下图所示：耦合效率耦合效率是重叠面积是重叠面积(阴影部分阴影部分)与纤心面积的比值，可以计与纤心面积的比值，可以计算出耦合效率为：算出耦合效率为：22arccos1()222dddaaa式中，反余弦函数的单位是弧度。相应的以分贝为单位计算的损耗为：式中，反余弦函数的单位是弧度。相应的以分贝为单位计算的损耗为：10lgL 2014-7-149第九页，讲稿共五十页哦4.1光纤连接器光纤连接器(1)横向错位横向错位SI(阶跃型阶跃型)单模光纤和抛物线折射率单模光纤
10、的连接损耗为：单模光纤和抛物线折射率单模光纤的连接损耗为：式中，式中，是光斑尺寸，计算公式为：是光斑尺寸，计算公式为：210lg exp()dLw 3/260.65 1.6192.879wVVaw例题：对于多模阶跃折射率光纤来说，假设纤心直径均为例题：对于多模阶跃折射率光纤来说，假设纤心直径均为50微米，要求微米，要求耦合损耗小于耦合损耗小于1dB，试问允许的轴向位移是多少？并重复计算耦合损耗，试问允许的轴向位移是多少？并重复计算耦合损耗为为0.5dB和和0.1dB的情况。的情况。例题：某一单模玻璃光纤例题：某一单模玻璃光纤 ，相对横向，相对横向偏移值从偏移值从0到到5um，工作波长为，工作波
11、长为1.3um和和1.55um，绘出损耗与偏移之间的，绘出损耗与偏移之间的曲线。曲线。11.465n 21.46n 3.96aum，1.2V2)耦合器、树形耦合器、树形(1xN，N2)耦合器；耦合器；从工作带宽的角度划分从工作带宽的角度划分：分为单工作窗口的窄带耦合器或标准耦合器：分为单工作窗口的窄带耦合器或标准耦合器(Standard Coupler，SC)、单工作窗口的宽带耦合器、双工作窗口的宽、单工作窗口的宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器；带耦合器；从传导模式划分从传导模式划分：分为多模耦合器和单模耦合器。：分为多模耦合器和单模耦合器。2014-7-1416第十六页，讲稿共五十页哦4.
12、2光纤耦合器光纤耦合器2014-7-1417第十七页，讲稿共五十页哦4.2光纤耦合器光纤耦合器光纤耦合器的结构与原理光纤耦合器的结构与原理制作方法制作方法 分立光学元件组合型分立光学元件组合型、全光纤型全光纤型、平面波导型平面波导型。其中属于全光纤型的。其中属于全光纤型的光光纤熔融拉锥法纤熔融拉锥法因为具有因为具有各种优势各种优势，成为当前光耦合器的主要制作方法。，成为当前光耦合器的主要制作方法。熔融拉锥法熔融拉锥法 将两根将两根(或两根以上或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特
13、殊波导结构，下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法实现传输光功率耦合的一种方法。2014-7-1418第十八页，讲稿共五十页哦4.2光纤耦合器光纤耦合器2014-7-1419第十九页，讲稿共五十页哦4.2光纤耦合器光纤耦合器熔融拉锥法的工作原理熔融拉锥法的工作原理 入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配,一部分光功率从一部分光功率从“直通臂直通臂”继继续传输，另一部分则由续传输，另一部分则由“耦合臂耦合臂”传到另一光路。单模耦合器和多模耦合器具有完全不传到另一光路。单模耦合器和多模耦合器具
14、有完全不同的耦合机理同的耦合机理。(1)熔融拉锥型单模光纤耦合器熔融拉锥型单模光纤耦合器 光纤归一化频率先减小，然后增加包层为芯，空气为包层构成新波导光纤归一化频率先减小，然后增加包层为芯，空气为包层构成新波导光功率以特定比例光功率以特定比例“捕获捕获”。2014-7-1420第二十页，讲稿共五十页哦4.2光纤耦合器光纤耦合器(2)熔融拉锥型多模光纤耦合器熔融拉锥型多模光纤耦合器 较高阶模式被捕获，获得耦合光功率；低阶模不参与耦合，只能从直通臂较高阶模式被捕获，获得耦合光功率；低阶模不参与耦合，只能从直通臂输出；改进后的工艺保证了直通臂和耦合臂的输出模式一致。输出；改进后的工艺保证了直通臂和耦
15、合臂的输出模式一致。光纤耦合器的特性参数光纤耦合器的特性参数特性参数特性参数 光纤耦合器除了具有光无源器件的一般技术术语外，还有一些体现自身光纤耦合器除了具有光无源器件的一般技术术语外，还有一些体现自身特点的技术术语：特点的技术术语：插入损耗，附加损耗，分光比，方向性，均匀性，偏振光损耗，隔离度插入损耗，附加损耗，分光比，方向性，均匀性，偏振光损耗，隔离度2014-7-1421第二十一页，讲稿共五十页哦4.2光纤耦合器光纤耦合器10lg()outiiinPILdBP(1)(1)插入损耗插入损耗 定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值。该值通常定义为指定输出端口的光功率相对全部输入
16、光功率的减小值。该值通常以分贝表示，数学表达式为：以分贝表示，数学表达式为：其中，其中，ILi是第是第i个输出端口的插入损耗；个输出端口的插入损耗；是第是第i个输出端口测到的光功率个输出端口测到的光功率值；值；是输入端的光功率值。是输入端的光功率值。outiPinP(2)(2)分光比分光比 是光耦合器所特有的技术术语，定义为耦合器各输出端口的输出功率相是光耦合器所特有的技术术语，定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数字表达式表示为：对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数字表达式表示为：100%outioutiiPCRP对于标准对于标准X形耦合器，形耦合器，
17、1:1或或50:50代表了同样的分光比，即输出为均分代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。的器件。2014-7-1422第二十二页，讲稿共五十页哦4.2光纤耦合器光纤耦合器(3)(3)附加附加 损耗损耗 定义为定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分。该值以分贝表示的数学表达式为：贝表示的数学表达式为：10lg()outiiinPELdBP 应特别指出的是，光纤耦合器的应特别指出的是，光纤耦合器的附加损耗附加损耗是体现器件制造工艺质量的指是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗
18、则表示的是各标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，而且也有分光比个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，而且也有分光比的影响。因此，不同类型的光纤耦合器之间，插入损耗的差异，并不能的影响。因此，不同类型的光纤耦合器之间，插入损耗的差异，并不能 反映器件制作质量的优劣。反映器件制作质量的优劣。2014-7-1423第二十三页，讲稿共五十页哦4.24.2光纤耦合器光纤耦合器(4)(4)方向性方向性 也是光耦合器所也是光耦合器所特有特有的一个技术术语，它是衡量器件的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性定向传输性的参数的参
19、数以标准以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝为单位的数学表达式为光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝为单位的数学表达式为：2110lg()ininPDLdBP 式中：式中：Pin1代表总注入光功率；代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率代表输入端非注入光端口的输出光功率。(5)(5)偏振相关损耗偏振相关损耗 是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是
20、指当传输光信号的偏振态发生光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出端口插入损耗的最大变化量，实变化时，器件各输出端口插入损耗的最大变化量，实际应用时，光信号的偏振态经常发生变化，因此为了不影响器件的使用效果，际应用时，光信号的偏振态经常发生变化，因此为了不影响器件的使用效果，往往要求器件有足够小的偏振损耗。往往要求器件有足够小的偏振损耗。2014-7-1424第二十四页，讲稿共五十页哦4.2光纤耦合器光纤耦合器(6)(6)返回损耗返回损耗输入端口的反射功率与输入总功率的比值：输入端口的反射功率与输入总功率的比值：)/lg(1011ppre以以22的的X形耦合器为例，说明它的各参数形耦合器为
21、例，说明它的各参数。2014-7-1425第二十五页，讲稿共五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器波分复用波分复用/解复用器概述解复用器概述光波分复用器是对光波光波分复用器是对光波波长波长进行进行分离与合成分离与合成的光的光无源无源器件。具有广阔的应用前景。器件。具有广阔的应用前景。对波对波分复用器与解复用器共同的要求是分复用器与解复用器共同的要求是：复用：复用信道数量要足够多、插入损耗小、串音衰减大和通信道数量要足够多、插入损耗小、串音衰减大和通带范围宽带范围宽。波分复用器与波分解复用器的不同点在于波分复用器与波分解复用器的不同点在于：复用器复用器的的插入损耗一般比较大插入损耗一般
22、比较大。解复用器要求如下解复用器要求如下：给定工作波长应具有最低的插入损耗；其他端口对该光信号应具有：给定工作波长应具有最低的插入损耗；其他端口对该光信号应具有理想隔离；理想隔离；2014-7-1426第二十六页，讲稿共五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器波分复用波分复用/解复用器的原理与分类解复用器的原理与分类光复用器和解复用器可分为光复用器和解复用器可分为波长选择性波长选择性和和非波长选择性非波长选择性两种，如下图所示，两种，如下图所示，下面只介绍广泛应用的光波分复用系统的器件制造方法和原理。下面只介绍广泛应用的光波分复用系统的器件制造方法和原理。2014-7-1427第二十七
23、页，讲稿共五十页哦4.34.3波分复用波分复用/解复用器解复用器1.光栅型光栅型是近年发展起来的，常用来制作波分复用器的是近年发展起来的，常用来制作波分复用器的主要分光元件主要分光元件。原理：入射光射到光栅表面，。原理：入射光射到光栅表面，不同波长不同波长的的衍射角衍射角不同，就可以使不同的光送到不同的光纤中去。器件更紧凑、小不同，就可以使不同的光送到不同的光纤中去。器件更紧凑、小巧，具有良好的温度特性，可满足工程需要。巧，具有良好的温度特性，可满足工程需要。2014-7-1428第二十八页，讲稿共五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器2.波导阵列光栅型波导阵列光栅型 下图是一种波导
24、阵列光栅型波分复用器件，它由下图是一种波导阵列光栅型波分复用器件，它由输入输入、输出波导输出波导、空间耦合器空间耦合器和和波导阵列光栅波导阵列光栅构成。构成。原理：空间耦合器的作用是将各种波长的输入信号，通过空间耦合器进入原理：空间耦合器的作用是将各种波长的输入信号，通过空间耦合器进入阵列波导输入端，由于阵列波导是由若干条其光程差为阵列波导输入端，由于阵列波导是由若干条其光程差为 的波的波导构成，根据衍射理论，在波导阵列光栅输出端，按波长长短顺序排列输出，并通过空间耦导构成，根据衍射理论，在波导阵列光栅输出端，按波长长短顺序排列输出，并通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，达到分波的目的。合
25、器传输到相应的输出波导端口，达到分波的目的。()/2Ln 2014-7-1429第二十九页，讲稿共五十页哦4.34.3波分复用波分复用/解复用器解复用器3.光纤光栅光纤光栅 是利用光纤制造中的是利用光纤制造中的缺陷缺陷，用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布呈，用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化，在周期性变化，在满足布拉格光栅条件满足布拉格光栅条件的波长上的波长上全反射全反射，而，而其余其余波长波长通过通过的是一种的是一种全光全光纤陷波滤波器纤陷波滤波器。光纤布拉格光栅制作方法一般分为干涉法相位掩膜板法及逐点写入。光纤布拉格光栅制作方法一般分为干涉法相位掩膜板法及逐点写入法法。20
26、14-7-1430第三十页，讲稿共五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器波分复用波分复用/解复用器的特性解复用器的特性1.中心波长中心波长(或通带或通带)是由设计、制造者根据相应的国际标准、国家标准或实际应用要求选定的。是由设计、制造者根据相应的国际标准、国家标准或实际应用要求选定的。密集型波分复用器密集型波分复用器ITU-T规定在规定在1550nm区域，区域，1552.52nm为标准波为标准波长。其他波长规定间隔长。其他波长规定间隔100G(0.8nm)，50G(0.4nm)等，或取其整数倍作复用波长。等，或取其整数倍作复用波长。2.中心波长工作范围中心波长工作范围 对于每一工作通
27、道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参对于每一工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参 数限定了我们所数限定了我们所选用的光源选用的光源(LED或或LD)的谱宽宽度及中心波长位置。它以的谱宽宽度及中心波长位置。它以1.0nm表示或者是以平均信道之间间隔的表示或者是以平均信道之间间隔的10%表示。表示。2014-7-1431第三十一页，讲稿共五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器3.中心波长对应的最小插入损耗：中心波长对应的最小插入损耗：式中：式中：代表波长为代表波长为 的光束在输出端的光功率；的光束在输出端的光功率；代表波长为代表波长为 的光束在的光束在输入端合路
28、信号中的光功率。输入端合路信号中的光功率。该参数是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好，可以用输入端到该参数是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好，可以用输入端到N个输出端的各信道的波长个输出端的各信道的波长插入损耗关系曲线来表达。以小于插入损耗关系曲线来表达。以小于“X“dB表示。表示。110110lgPLP 1P101P12014-7-1432第三十二页，讲稿共五十页哦4.34.3波分复用波分复用/解复用器解复用器112210lgPLP 4.相邻信道之间串音耦合最大值相邻信道之间串音耦合最大值式中：式中：代表波长为代表波长为 的光束在输出端串扰到的光束在输出端串扰到 的输出端口处的光功率；
29、的输出端口处的光功率；代表波长为代表波长为 的光束在输入端口处的光功率。的光束在输入端口处的光功率。该参数是衡量解复用器的另一项重要指标。数字通信中一般大于该参数是衡量解复用器的另一项重要指标。数字通信中一般大于30dB，模拟通信中则应，模拟通信中则应大于大于50dB。以大于。以大于”Y”dB表示表示。1P122P15.偏振相关损耗偏振相关损耗 偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时(如线偏振、圆偏振、椭如线偏振、圆偏振、椭圆偏振圆偏振)，对应输出端口插入损耗最大变化量。，对应输出端口插入损耗最大变化量。2014-7-1433第三十三页，讲稿共
30、五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器2014-7-1434第三十四页，讲稿共五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器2014-7-1435第三十五页，讲稿共五十页哦4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器2014-7-1436第三十六页，讲稿共五十页哦4.4光开关光开关光开关概述光开关概述是光纤通信系统重要的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是数据是光纤通信系统重要的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是数据通信和密集波分复用通信和密集波分复用(DWDM)系统的应用，复杂的网络拓扑对可靠、灵系统的应用，复杂的网络拓扑对可靠、灵 活的网管产生了强烈的需求。活的网管产生了强烈
31、的需求。DWDM城域网和接入网应用对具有插城域网和接入网应用对具有插/分和分和交换功能的光开关的需求更加迫切。交换功能的光开关的需求更加迫切。光开关的主要任务是切换光路光开关的主要任务是切换光路，下，下 图是图是1X2光开关切换光路的示意图。光开关切换光路的示意图。2014-7-1437第三十七页，讲稿共五十页哦4.4光开关光开关光开关的种类光开关的种类光开关根据驱动方式可分为光开关根据驱动方式可分为机械式光开关机械式光开关和和非机械式光开关非机械式光开关，根据工作原理可分为根据工作原理可分为机械式光开关机械式光开关、液晶光开关液晶光开关、电光式光开关电光式光开关和和热光式热光式光开关光开关系
32、统对光开关的要求归纳为：系统对光开关的要求归纳为：小的串音、小的消光比、低的插入损耗、小的驱动电流小的串音、小的消光比、低的插入损耗、小的驱动电流(或电流或电流)、无极化、无极化依赖性、与光纤有高的耦合效率、紧凑的器件尺寸、根据需求而定的开关依赖性、与光纤有高的耦合效率、紧凑的器件尺寸、根据需求而定的开关速度和频率带宽。速度和频率带宽。2014-7-1438第三十八页，讲稿共五十页哦4.4光开关光开关光开关的特性参数光开关的特性参数1.插入损耗插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示：是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示：式中：式中：为进入输入端的光功率；为进入输入
33、端的光功率；为输出端接收的光功率为输出端接收的光功率1010lgPILP 0P1P2.隔离度隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示：是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示：式中：式中：为开关的两个隔离端口为开关的两个隔离端口(nm)；Pin 是光从是光从i 端口输入时端口输入时n 端口端口的输出功率，的输出功率，Pi是输入端口是输入端口i 的光功率。的光功率。,10lginn miPIP,n m输入端口为输入端口为i，输出端口为，输出端口为m，n输入端口输入端口i 与与m 端口接通端口接通（CT,crosstalk）2014-7-1439第三十九页，讲稿共五十页哦4.
34、4光开关光开关3.回波损耗回波损耗也称反射损耗或反射率，是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比也称反射损耗或反射率，是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示：值，以分贝表示：式中：式中：为进入输入端的光功率；为进入输入端的光功率；为输入端口接收到的返回光功率为输入端口接收到的返回光功率。4.远端串扰远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。表达式为：值。表达式为：1010lgPRLP 0P1P212110lgPFCP 2014-7-1440第四十页，讲稿共五十页哦4.4光开关光开关5.
35、远端串扰远端串扰 是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。光功率之比。122110lg(/)NCPP 6.消光比消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。式中：式中：为为n，m端口导通时的插入损耗；端口导通时的插入损耗；为两个端口非导通时的插入损耗为两个端口非导通时的插入损耗。nmIL7.开关时间开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从开关上施加或撤去转换是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从开
36、关上施加或撤去转换能量的时刻算起。能量的时刻算起。2014-7-1441第四十一页，讲稿共五十页哦4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器光隔离器的定义及原理光隔离器的定义及原理互易器件互易器件：允许双向光通行，即输入光与输出光可以互换的无源器件。：允许双向光通行，即输入光与输出光可以互换的无源器件。光隔离器光隔离器：是一种光单向传输的非互易性器件，即光的单向器。：是一种光单向传输的非互易性器件，即光的单向器。光隔离器的用途光隔离器的用途：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止来自连接：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性。器、
37、熔接点、滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性。法拉第旋转器：法拉第旋转器：用旋光材料制成法拉第旋转器，是通过它的光的偏振态用旋光材料制成法拉第旋转器，是通过它的光的偏振态旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关。光隔离器的工作原理光隔离器的工作原理：是基于法拉第旋转的是基于法拉第旋转的非互易性非互易性。光隔离器的组成光隔离器的组成：起偏器起偏器、检偏器检偏器、法拉第旋转器法拉第旋转器三部分三部分。各部分作用各部分作用：起偏器允许垂直偏振光顺利通过；检偏器允许起偏器允许垂直偏振光顺利通过；检偏器允许45o方向上的方向上的偏振光顺利通过；法拉第旋转器使
38、通过它的光的偏振方向顺时针旋转偏振光顺利通过；法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o单模光纤隔离器的特点单模光纤隔离器的特点：是隔离器的工作与入射光的偏振态有关，即必是隔离器的工作与入射光的偏振态有关，即必须是垂直偏振。须是垂直偏振。单模光纤隔离器的组成单模光纤隔离器的组成2014-7-1442第四十二页，讲稿共五十页哦4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器光隔离器的工作过程光隔离器的工作过程当入射光从左向右传输时，由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透当入射光从左向右传输时，由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透振方向一致，故入射光无损地通过起偏器。由于法拉第旋转器的作用，振
39、方向一致，故入射光无损地通过起偏器。由于法拉第旋转器的作用，使光的偏振态旋转到使光的偏振态旋转到45o方向上，由于检偏器的透振方向也在方向上，由于检偏器的透振方向也在45o方向方向上，于是经过法拉第旋转器旋转上，于是经过法拉第旋转器旋转45o后的光能顺利通过检偏器，这样，后的光能顺利通过检偏器，这样，正正向传输入射光无损地通过隔离器向传输入射光无损地通过隔离器。当反射波向反方向传输时，由于检偏。当反射波向反方向传输时，由于检偏器的透振方向为器的透振方向为45o，只允许，只允许45o方向的偏振光通过检偏器，其余偏振态方向的偏振光通过检偏器，其余偏振态的光全部被检偏器阻止。通过检偏器的光被法拉第旋
40、转器再旋转的光全部被检偏器阻止。通过检偏器的光被法拉第旋转器再旋转45o，便，便成为水平偏振光，该偏振态光被起偏器阻止，成为水平偏振光，该偏振态光被起偏器阻止，这样就阻止了反方向光的这样就阻止了反方向光的传输。传输。2014-7-1443第四十三页，讲稿共五十页哦4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器单模光纤隔离器的工作原理单模光纤隔离器的工作原理2014-7-1444第四十四页，讲稿共五十页哦4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器实用型实用型光隔离器的结构光隔离器的结构下图是一个实用型的光隔离器。它是由两个空间分离偏振器、法拉第旋下图是一个实用型的光隔离器。它是由两个空间分离偏振器、
41、法拉第旋转器和一个半波片组成。转器和一个半波片组成。空间分离偏振器空间分离偏振器(SWP)：让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过，且偏折方向让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过，且偏折方向和光传输方向无关。其作用是将入射的任意偏振态的光分解为水平和垂直的两个正和光传输方向无关。其作用是将入射的任意偏振态的光分解为水平和垂直的两个正交偏振分量，或者水平和垂直的两个正交偏振分量合成某一偏振光。交偏振分量，或者水平和垂直的两个正交偏振分量合成某一偏振光。法拉第旋转器法拉第旋转器：能使通过它的光的偏振方向顺时针旋转能使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o。半波片半波片：可以把光的偏振态旋转：可以把
42、光的偏振态旋转45o，将从左向右传播光的偏振态顺时针，将从左向右传播光的偏振态顺时针旋转，反之逆时针旋转旋转，反之逆时针旋转。隔离器的工作过程隔离器的工作过程：先介绍各部件的功能，然后分别介绍正向传输和反先介绍各部件的功能，然后分别介绍正向传输和反向传输过程，注意反向不能传输的关键是向传输过程，注意反向不能传输的关键是水平偏振光只能偏折通过水平偏振光只能偏折通过SWP 而垂直偏振光只能直接通过而垂直偏振光只能直接通过SWP2014-7-1445第四十五页，讲稿共五十页哦4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器实用型隔离器的原理图实用型隔离器的原理图2014-7-1446第四十六页，讲稿共五十
43、页哦4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器(1)插入损耗插入损耗是指增加光隔离器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出是指增加光隔离器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口的光功率之比，即：端口的光功率之比，即：式中：式中：为输出端口的光功率，为输出端口的光功率，为输入端口的光功率。该器件的性能要为输入端口的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗是求对正向入射光的插入损耗是越小越好越小越好。光隔离器的特性参数光隔离器的特性参数(2)隔离度隔离度是指光隔离器的正向入射光对反向反射光的隔离能力。定义为：正向入是指光隔离器的正向入射光对反向反射光的隔离能力。定义为：正
44、向入射光信号的功率值与反向反射光信号的功率值的比的分贝数，表示为：射光信号的功率值与反向反射光信号的功率值的比的分贝数，表示为：式中：式中：表示正向入射光的功率，表示正向入射光的功率，表示反向反射光的光功率。该器件的表示反向反射光的光功率。该器件的性能要求对反向反射光的隔离度值性能要求对反向反射光的隔离度值越大越好越大越好。10lg(/)()iioLPPdBoPiP10lg(/)()riIPPdB iPrP2014-7-1447第四十七页，讲稿共五十页哦4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器光环形器光环形器是一个多端口器件，一般有是一个多端口器件，一般有3个或个或4个端口，如下图所示。光环
45、行器的工个端口，如下图所示。光环行器的工作原理与隔离器的工作原理类似，也是利用了光的偏振现象，其特点是作原理与隔离器的工作原理类似，也是利用了光的偏振现象，其特点是端口间的输入输出关系是确定的，且只能正向传输，也就是进入端口端口间的输入输出关系是确定的，且只能正向传输，也就是进入端口1的的光必须到端口光必须到端口2，进入到端口，进入到端口2的光必须到端口的光必须到端口3，以此类推，以此类推。光环行器主要用于光分插复用器、光放大器等光环行器主要用于光分插复用器、光放大器等。2014-7-1448第四十八页，讲稿共五十页哦HITCRC哈尔滨工业大学第四十九页，讲稿共五十页哦HITCRC感谢大家观看感谢大家观看9/5/2022第五十页，讲稿共五十页哦