光纤技术第五章_光无源器件.ppT资料文档下载
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插头的机械结构用于对光纤进行有效的保护。
插针是一个带有微孔的精密圆柱体,其主要尺寸见表5.1。
表5.1插针的主要尺寸,插针的材料有不锈钢、全陶瓷、玻璃和塑料几种。
陶瓷材料具有极好的温度稳定性、耐磨性和抗腐蚀能力,但价格也较贵。
插针体的制作是将选配好的光纤插入微孔中,用胶固定后,再加工其端面,插头端面的曲率半径对反射损耗影响很大,通常曲率半径越小,反射损耗越大。
插头按其端面的形状可分为三类:
PC型、SPC型、APC型。
PC型插头端面曲率半径最大,近乎平面接触,反射损耗最低;
SPC型插头端面的曲率半径为20mm,反射损耗可达45dB,插入损耗可以做到小于0.2dB。
反射损耗最高的是APC型,它除了采用球面接触外,还把端面加工成斜面,以使反射光反射出光纤,避免光反射回来。
斜面的倾角越大,反射损耗越大,但插入损耗也随之增大,一般取倾角为89,此时插入损耗约0.2dB,反射损耗可达60dB。
要想保证插针体的质量,光纤的几何尺寸必须达到下列要求:
光纤外径比微孔直径小0.0005mm,光纤纤芯的不同轴度小于0.0005mm。
插针和光纤以及两者的选配对连接器插头的质量影响极大,也是连接器插头质量好坏的关键。
一个插头损耗的正常值一般小于0.3dB。
将一根光纤的两头都装上插头,称为跳线(图5.1)。
连接器插头是跳线的特殊情况,即只在光纤的一头装有插头。
跳线中光纤两头的插头可以是同一型号,也可以是不同的型号。
跳线可以是单芯的,也可以是多芯的。
2)跳线,3)连接器与转换器,把光纤接头连接在一起,从而使光纤接通需要使用到连接器(图5.2)与转换器,转换器俗称法兰盘。
用得最多的是FC型连接器,SC型连接器因使用方便、价格低廉、可以密集安装等优点,应用前景也不错。
除此以外ST型连接器也有一定数量的应用。
FC型连接器是一种用螺纹连接,外部元件采用金属材料制作的圆形连接器。
它是我国采用的主要品种,其有较大的抗拉强度,能适应各种工程的要求。
SC型连接器外壳采用工程塑料制作,采用矩形结构,便于密集安装。
不用螺纹连接,可以直接插拔,操作空间小。
适用于高密集安装,使用方便。
T型连接器采用带键的卡口式锁紧结构,确保连接时准确对中。
这三种连接器虽然外观不一样,但核心元件套筒是一样的。
套筒是一个加工精密的套管(有开口和不开口两种),两个插针在套筒中对接并保证两根光纤的对准。
其原理是:
以插针的外圆柱面为基准面,插针与套筒之间紧密配合。
当光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面,以及套筒的内孔加工得非常精密时,两根插针在套筒中对接,就实现了两根光纤的对准。
对同型号的插头进行连接,需要上述三种同型号的转换器。
对不同型号插头的连接,就需要下面三种不同型号间的转换器。
即FC/SC型转换器用于FC与SC型插头互连;
FC/ST型转换器用于FC与ST型插头互连;
SC/ST型转换器用于SC与ST型插头互连。
4)变换器,将某一种型号的插头变换成另一型号插头的器件叫作变换器,该器件由两部分组成,其中一半为某一型号的转换器,另一半为其他型号的插头。
使用时将某一型号的插头插入同型号的转换器中,就变成其他型号的插头了。
对于FC、SC、ST三种连接器,要做到能完全互换,有下述6种变换器:
SC-FC将SC插头变换成FC插头;
ST-FC将ST插头变换成FC插头;
FC-SC将FC插头变换成SC插头;
FCST将FC插头变换成ST插头;
SC-ST将SC插头变换成ST插头;
ST-SC将ST插头变换成SC插头。
5.1.2光纤活动连接器的表征指标,插入损耗定义为光纤中的光信号通过活动连接器之后,其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝比。
其表达式为,1)插入损耗,PI为输入端的光功率,PO为输出端的光功率。
插入损耗越小越好。
从理论上讲影响插入损耗的主要因素有:
纤芯错位损耗、光纤倾斜损耗、光纤端面间隙损耗、光纤端面的菲涅耳反射损耗、纤芯直径不同损耗、数值孔径不同损耗。
2)回波损耗,回波损耗又称反射损耗,是指在光纤连接处后向反射光相对于输入光的比率的分贝数,其表达式为,P0为输入光功率,PL为后向反射光功率。
反射损耗越大越好,以减少反射光对光源和系统的影响。
改进回波损耗的途径只有一个,即将插头端面加工成球面或斜球面。
球面接触,使纤芯之间的间隙接近于“0”,达到“物理接触”,使端面间隙和多次反射所引起的插入损耗得以消除,从而使后向反射光大为减少。
斜球面接触除了实现光纤端面的物理接触以外,还可以使微弱的后向光难以进入原来纤芯,斜球面接触可以使回波损耗达到60dB以上,甚至达到70dB。
3)重复性,重复性是指对同一对插头,在同一只转换器中多次插拔之后,其插入损耗的变化范围,单位用dB。
插拔次数一般取5次,先求出5个数据的平均值,再计算相对于平均值的变化范围。
性能稳定的连接器的重复性应小于0.1dB。
重复性和使用寿命是有区别的,前者是在有限的插拔次数内,插入损耗的变化范围,后者是指在插拔一定次数后,器件就不能保证完好无损了。
4)互换性,互换性是指不同插头之间或者同转换器任意置换之后,其插入损耗的范围。
这个指标更能说明连接器性能的一致性。
质量较好的连接器,其互换性应能控制在0.15dB以内。
重复性和互换性考核连接器结构设计和加工工艺的合理与否,也是表明连接器实用化的重要标志。
质量好的跳线和转换器,其重复性和互换性是合格的,即使是不同厂家的产品也可以在一起使用。
5.2光纤耦合器,光纤耦合器是一种光无源器件,是用来连接两根或多根光纤,使光纤中传输的光信号在特殊的耦合区发生耦合,并进行功率或波长分配的元器件。
从功能分为光功率分配器以及光波长分配(合/分波)耦合器;
从端口形式上划分,它包括X形(22)耦合器、Y形(12)耦合器、星形(NN,N2)耦合器以及树形(1N,N2)耦合器等;
从工作带宽的角度划分,它分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。
传导光模式的不同又有多模耦合器和单模耦合器之分。
5.2.1光纤耦合器的现状及应用领域,早期的光纤耦合器多用在从传输干路上取出一定的功率用于监控等。
单模光纤耦合器在光纤通信系统、光纤传感器、光纤测量技术和信号处理系统中有很广泛的应用。
单模光纤定向耦合器在光纤通信中可用作分路合路器件、波分复用器件、分布反馈激光器外腔、可调谐本地振荡器及光纤激光器等;
在传感领域中可做成光纤位移速度、振荡、压力等多种传感器;
它还是光纤陀螺仪和光纤水听器的关键器件。
集成光波导型耦合器是用平面介质光波导工艺制作的一类光耦合器。
制作方法是:
在衬底材料上进行薄膜沉积、光刻、扩散等工艺,形成所需的波导结构。
沉积是在衬底材料上;
光刻是在膜层上刻出所需的图案;
扩散是使光刻形成的膜层图案在衬底内形成光波导。
衬底和波导分别用两种不同的折射率实现,衬底的折射率较低,波导的折射率较高。
目前平面波导型已有树形耦合器、星形耦合器、波分复用器和宽带耦合器等多种光耦合器。
20世纪80年代初,人们开始用光纤熔融拉锥法制单模光纤耦合器,至今已形成了成熟的工艺和一套很实用的理论模型。
熔融拉锥法是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方法靠拢,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殊波导结构,是实现传输光功率耦合的一种方法。
利用熔融拉锥型光纤耦合器的制作设备,还可以通过改变拉锥长度和周期做出合波/分波耦合器,因为耦合器系数是包含波长的量,即它对波长是敏感的。
单模光纤耦合器制作方法,光纤耦合器的基本原理与结构,耦合器的结构形式拼接式:
在光纤侧面进行研磨抛光,然后将经研磨的两根光纤拼接在一起,靠透过纤芯包层界面的消逝场产生耦合。
熔融拉锥式:
将两根或多根光纤扭绞在一起,用微火炬对耦合部分加热,在熔融过程中拉伸光纤,形成双锥形耦合区。
在双锥形区,各光纤的包层合并成同一包层,纤芯变细靠近。
熔融拉锥法制作的光纤耦合器具有下列的优势:
极低的附加损耗,可以达到0.05dB;
方向性好。
一般都超过60dB;
良好的环境稳定性:
这种耦合器件的光路结构简单、紧凑,受环境条件的影响可以很小;
控制方法简单、灵活;
制作成本低廉,适于批量生产,制作所需材料为一般的通信用光纤,可以大大降低成本,同时在微机的控制下,可以大大提高产品的成品率,实现低价格,大批量生产。
5.2.2光耦合器的技术参数,光耦合器是一种光无源器件,它的主要参数有:
插入损耗(insertionloss)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少值。
该值通常以分贝(dB)表示,数学表达式为,式中,I.Li是第i个输出端口的插入损耗,Pout是第i个输出端口测到的光功率值,Pin是输入端的光功率值。
2)附加损耗(excessloss),附加损耗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少值。
该值以分贝(dB)表示,数学表达式为,对于光纤耦合器,附加损耗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;
而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率的状况,不仅有固有损耗的因素,更考虑了分光比的影响。
3)分光比(couplingratio),分光比是光耦合器所特有的技术用语,它定义为耦合器各输出端口输出功率的比值,在具体应用中常常用相对输出功率的百分比来表示,对于标准的X形耦合器,11或5050代表了同样的分光比,即输出为均分的器件。
4)方向性(directivity),方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语,它是衡量器件定向传输特性的参数。
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,输入一侧非注入光一端的输入光功率与全部注入光功率的比值,以分贝(dB)为单位,其数学表达式为Pin1代表注入光功率,Pin2代表输入一侧非注入光一端的输出光功率。
5)均匀性(uniformity),对于要求均匀分光的光耦合器(主要是树形和星形器件),实际制作时,因为工艺的局限,往往不能做到绝对均分。
均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。
它定义为在器件的工作带宽范围内,各输出端口输出光功率的最大变化量,其数学表达式为,6)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偏振态的敏感程度的参量,俗称偏振灵敏度。
它是指当传输光信号的偏振态360变化时,器件各输出端口输出功率的最大变化量在实际应用中,光信号偏振态的变化是经常发生的,因此,往往要求器件有足够小的偏振相关损耗,否则将直接影响器件的使用效果。
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- 光纤 技术 第五 无源 器件