第5章 光功率发射和耦合
下面针对FC、SC和ST这三种连接器作简单的 介绍。
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Photo courtesy of: Diamond SA
(1) FC系列连接器
FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采 用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采 用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国 家标准。
光 纤 连 接 器
光纤连接器的结构与种类
光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接 的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、 光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。
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1. 光纤连接器的结构
第5章 光功率发射和耦合
光源与光纤的耦合 光纤与光纤的耦合
本章主要学习
光源至光纤的功率发射 光路无源器件
教学内容和基本要求
1、教学内容 （1）光源至光纤的功率发射 光源的输出方向、功率 耦合计算、发射功率与波长的关系、稳态数值孔径； （2）光源与光纤的连接、光纤与光纤的连接、连接损 耗、连接方法 ； （3）光纤连接器 。 2、基本要求 了解光源至光纤、光纤与光纤连接过程的基本原理及 连接方法，影响连接的损耗等其它因素。
光隔离器
保证光信号只能正向传输的器件， 避免线路中由于各种因素而产生的反 射光再次进入激光器，而影响激光器 的工作稳定性。 由两个偏振器和一个法拉第旋转器 组成。 主要参数和指标： 插入损耗低，隔离性能好。 隔离衰减的大小用 αi 表示 ： αi=10lg(Pr/Pout) (dB)
A Simple Isolator
二、光纤与光纤的连接
（a）当所有的模式处于 相同的激励状态，则发射 光束充满了光纤的全部输 出数值孔径
（b）对于一个稳态的模 式分布，输出的光束只充 满稳态的数值孔径
1. 光纤与光纤的偶合效率为：
F
M
模式容量
comm E
M
模式数量
2. 光纤与光纤的偶合损耗：
L F 10 log F
5.4 光路无源器件
一．光纤连接器 ——称光纤活动连接器，活动接头。用于设备（光端机、光 测试仪表等）与光纤之间的连接，光纤与光纤之间的连接或 光纤与其它无源器件的连接。 是组成光纤通信系统和测试系统不可缺少的一种重要无源器 件。
光纤连接器应满足如下条件： （1）连接损耗小：单模光纤连接器的插入损耗为0.5dB左右； （2）装、拆方便； （3）稳定性好：连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大； （4）重复性好：一般要求重复使用次数大于1000次； （5）互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换； （6）体积小，成本低
a 2 Ps ( NA ) r s
rs>a
当光纤端面的介质折射率n不同于纤芯折射率n1，耦合进光 纤的功率将降低一个因子大小。
n n R 1 n n 1
2
Pcouple (1 R ) Pemitted
5.2 光源与光纤、光纤与光纤的偶合
图5.3 V形槽结构
图5.5 球透镜耦合结构
图5.6 自聚焦透镜耦合
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2. 光纤活动连接器的种类
光纤活动连接器的品种、型号很多，其中有代 表性的有：FC、ST、SC、D4 、双锥、VF O(球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。
一、光源与光纤的偶合 对光功率的注入分析是基于将光纤的平面端面中心尽 可能地靠近光源。 如果光源发射面积大于光纤纤芯的面积，则最终偶合 进光纤的光功率可以达到最大值。如果光源的发射面积 小于纤芯的面积，可以在光源和光纤之间设置微型透镜 来改善功率偶合效率。 微型透镜功能是扩大光源的发射面积，使之与光纤纤 芯区域精确匹配。
1. 插入损耗
插入损耗是指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数，表达 式为：
Ac＝-10lgP1/P0 (dB)
式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1 为输出端的光功率。
2. 回波损耗
回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连 接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数， 表达式为：
(4) 活动连接器跳线的规格
(5) 新型多芯光纤连接器
随着用户通信网规模的扩大、WDM的普及、 电信网／数据网的光纤化乃至多媒体大容量信 息处理设备的发展均推动着光缆向多芯、高密 度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光 纤连接器进行连接，多芯带状光纤MT连接器就 应运而生。
光纤连接器特性 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入 损耗、回波损耗、重复性和互换性。
a)面发射二极管(朗伯源)
b)边发射二极管
c)实际的辐射模式
因为它的辐射模式，SLED（面）比较适合与多模光纤配合使用，而ELED（边）则 比较适合与单模光纤配套。
面发射的LED利用朗伯光源的 输出方向图表示－任何方向观 察，光源都是等亮度的。
在相对于发射面的θ角度上，光源 发出的功率随cosθ变化，朗伯光源的 发射方向图的关系式如下：
检测、控制使用。有时也需要把两个不同方向来的光信号 合起来送入一根光纤中传输，这些都需要定向耦合器来完 成。 分为棱镜式和光纤式两类
Common
l1
l2
主要参数
（1）隔离度A 端1输入，应从端2和端3输出，端4应无光输出，但实 际上端4还是有少量光功率输出。 A1-4=－10lg （P4/P1 ） （dB） 一般，要求A<20 dB （2）插入损耗L L=-10lg （P2+P3 / P1 ） （dB） 一般要求：L≦0.5 dB （3）分光比T T=P3 / P2 一般定向耦合器的分光比为1：1～10：1
0
2
0
[度B对称，光 纤的端面在光源 发射面中心之上 并且位置尽可能 靠近光源。
在允许的角度以 外的光将损失掉
图5.3 光源偶合进光纤示意图
LED光源发射到阶跃折射率光纤中的光功率：
Ps ( NA )
2
2
PLED
, step
rs≤a
纤芯半径
PLED
, step
L log 0 . 5 log(cos 5 )
log 0 . 5 log 0 . 9962
182
该解说明：半导体激光器的更窄的输出光束可以让更多的光功率偶合进 光纤中。
5.1.2 功率耦合计算
P
rm
dA d
s Af
f
s
B ( As , s ) B ( , ) sin d d ] d s rdr
ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
(2) ST型连接器
(3) 不同型号插头互相连接的转换器
对于上述FC、SC、ST三种连接器，在对不同 型号插头连接时，需要转换器进行连接。 由于实际使用情况非常复杂，因而跳线的规格 也多种多样。在选择跳线时，至少有下述几个 参数是需要明确的。
T和L：横向和侧向的功率分 布系数
例5.1：
图5.2 比较了一个朗伯光源和一个半导体激光器的输出 方向图，此半导体激光器具有水平方向（Φ＝0o)的 2θ=10o的半功率光束宽度。在这种情况下，从（5.2） 式可得： B(θ=5o, Φ＝0o)=B0=(cos5o)L=(1/2)B0 求解L，可得到：
三、光衰减器
当输入光功率超过某一范围时，需要对光信号进行 一定程度的衰减，采用金属蒸发膜来吸收光能进行光 衰减，衰减量大小与膜的厚度成正比。 （1）固定衰减器 衰减量固定，具体规格有3、6、10、20、30 dB标准水碱量，误差＜10％ （2）可变衰减器 分为：连续可变和分档可变
光隔离器和环行器
光纤连接器基本上是采用某种机械和光学 结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以 上的光能够通过，目前有代表性并且正在使 用的光纤连接器主要有五种结构。
(1) 套管结构
套管结构的连接器由插针和套筒组成。 双锥结构连接器是利用锥面定位。 V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V 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，(如图4.3所示)。
LD
B ( , ) B 0 cos
沿辐射面法线方向 的辐射强度
(5.1)
边发射的LED和半导体激光器有更复杂的 辐射方向图。辐射角分布近似：
1 B ( , ) sin
2
图5.2 朗伯光源和半导体激光器 的水平输出方向图
B 0 cos
T
cos
2
B 0 cos
L
(5.2)
5.1 光源至光纤的功率发射
5.1.1 光源的输出方向图
发出的光束呈锥体。在一个球面坐标系中，用R、θ， φ表征。见图5.1
图5.1 表征光源辐射方向图的球面坐标系
LED的辐射模式
P P0 cos
LED辐射光的方式如同—个朗伯源。其中θ
是观察方向与发射面垂线之间的夹角； 所以当θ ＝0o时有P=Po。朗伯源产生功 率的一半都集中在一个l20o的圆锥之中。
Ar＝-10lgPR/P0 (dB)
式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR 表示后向反射光功率。
3. 重复性
重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插 入损耗的变化，用dB表示。
4.互换性
互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变
化，也用dB表示。
二、光定向耦合器
经常遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为
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(1) FC系列连接器
FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采 用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采 用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国 家标准。
光 纤 连 接 器
光纤连接器的结构与种类
光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接 的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、 光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。
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1. 光纤连接器的结构
第5章 光功率发射和耦合
光源与光纤的耦合 光纤与光纤的耦合
本章主要学习
光源至光纤的功率发射 光路无源器件
教学内容和基本要求
1、教学内容 （1）光源至光纤的功率发射 光源的输出方向、功率 耦合计算、发射功率与波长的关系、稳态数值孔径； （2）光源与光纤的连接、光纤与光纤的连接、连接损 耗、连接方法 ； （3）光纤连接器 。 2、基本要求 了解光源至光纤、光纤与光纤连接过程的基本原理及 连接方法，影响连接的损耗等其它因素。
光隔离器
保证光信号只能正向传输的器件， 避免线路中由于各种因素而产生的反 射光再次进入激光器，而影响激光器 的工作稳定性。 由两个偏振器和一个法拉第旋转器 组成。 主要参数和指标： 插入损耗低，隔离性能好。 隔离衰减的大小用 αi 表示 ： αi=10lg(Pr/Pout) (dB)
A Simple Isolator
二、光纤与光纤的连接
（a）当所有的模式处于 相同的激励状态，则发射 光束充满了光纤的全部输 出数值孔径
（b）对于一个稳态的模 式分布，输出的光束只充 满稳态的数值孔径
1. 光纤与光纤的偶合效率为：
F
M
模式容量
comm E
M
模式数量
2. 光纤与光纤的偶合损耗：
L F 10 log F
5.4 光路无源器件
一．光纤连接器 ——称光纤活动连接器，活动接头。用于设备（光端机、光 测试仪表等）与光纤之间的连接，光纤与光纤之间的连接或 光纤与其它无源器件的连接。 是组成光纤通信系统和测试系统不可缺少的一种重要无源器 件。
光纤连接器应满足如下条件： （1）连接损耗小：单模光纤连接器的插入损耗为0.5dB左右； （2）装、拆方便； （3）稳定性好：连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大； （4）重复性好：一般要求重复使用次数大于1000次； （5）互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换； （6）体积小，成本低
a 2 Ps ( NA ) r s
rs>a
当光纤端面的介质折射率n不同于纤芯折射率n1，耦合进光 纤的功率将降低一个因子大小。
n n R 1 n n 1
2
Pcouple (1 R ) Pemitted
5.2 光源与光纤、光纤与光纤的偶合
图5.3 V形槽结构
图5.5 球透镜耦合结构
图5.6 自聚焦透镜耦合
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2. 光纤活动连接器的种类
光纤活动连接器的品种、型号很多，其中有代 表性的有：FC、ST、SC、D4 、双锥、VF O(球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。
一、光源与光纤的偶合 对光功率的注入分析是基于将光纤的平面端面中心尽 可能地靠近光源。 如果光源发射面积大于光纤纤芯的面积，则最终偶合 进光纤的光功率可以达到最大值。如果光源的发射面积 小于纤芯的面积，可以在光源和光纤之间设置微型透镜 来改善功率偶合效率。 微型透镜功能是扩大光源的发射面积，使之与光纤纤 芯区域精确匹配。
1. 插入损耗
插入损耗是指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数，表达 式为：
Ac＝-10lgP1/P0 (dB)
式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1 为输出端的光功率。
2. 回波损耗
回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连 接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数， 表达式为：
(4) 活动连接器跳线的规格
(5) 新型多芯光纤连接器
随着用户通信网规模的扩大、WDM的普及、 电信网／数据网的光纤化乃至多媒体大容量信 息处理设备的发展均推动着光缆向多芯、高密 度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光 纤连接器进行连接，多芯带状光纤MT连接器就 应运而生。
光纤连接器特性 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入 损耗、回波损耗、重复性和互换性。
a)面发射二极管(朗伯源)
b)边发射二极管
c)实际的辐射模式
因为它的辐射模式，SLED（面）比较适合与多模光纤配合使用，而ELED（边）则 比较适合与单模光纤配套。
面发射的LED利用朗伯光源的 输出方向图表示－任何方向观 察，光源都是等亮度的。
在相对于发射面的θ角度上，光源 发出的功率随cosθ变化，朗伯光源的 发射方向图的关系式如下：
检测、控制使用。有时也需要把两个不同方向来的光信号 合起来送入一根光纤中传输，这些都需要定向耦合器来完 成。 分为棱镜式和光纤式两类
Common
l1
l2
主要参数
（1）隔离度A 端1输入，应从端2和端3输出，端4应无光输出，但实 际上端4还是有少量光功率输出。 A1-4=－10lg （P4/P1 ） （dB） 一般，要求A<20 dB （2）插入损耗L L=-10lg （P2+P3 / P1 ） （dB） 一般要求：L≦0.5 dB （3）分光比T T=P3 / P2 一般定向耦合器的分光比为1：1～10：1
0
2
0
[度B对称，光 纤的端面在光源 发射面中心之上 并且位置尽可能 靠近光源。
在允许的角度以 外的光将损失掉
图5.3 光源偶合进光纤示意图
LED光源发射到阶跃折射率光纤中的光功率：
Ps ( NA )
2
2
PLED
, step
rs≤a
纤芯半径
PLED
, step
L log 0 . 5 log(cos 5 )
log 0 . 5 log 0 . 9962
182
该解说明：半导体激光器的更窄的输出光束可以让更多的光功率偶合进 光纤中。
5.1.2 功率耦合计算
P
rm
dA d
s Af
f
s
B ( As , s ) B ( , ) sin d d ] d s rdr
ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
(2) ST型连接器
(3) 不同型号插头互相连接的转换器
对于上述FC、SC、ST三种连接器，在对不同 型号插头连接时，需要转换器进行连接。 由于实际使用情况非常复杂，因而跳线的规格 也多种多样。在选择跳线时，至少有下述几个 参数是需要明确的。
T和L：横向和侧向的功率分 布系数
例5.1：
图5.2 比较了一个朗伯光源和一个半导体激光器的输出 方向图，此半导体激光器具有水平方向（Φ＝0o)的 2θ=10o的半功率光束宽度。在这种情况下，从（5.2） 式可得： B(θ=5o, Φ＝0o)=B0=(cos5o)L=(1/2)B0 求解L，可得到：
三、光衰减器
当输入光功率超过某一范围时，需要对光信号进行 一定程度的衰减，采用金属蒸发膜来吸收光能进行光 衰减，衰减量大小与膜的厚度成正比。 （1）固定衰减器 衰减量固定，具体规格有3、6、10、20、30 dB标准水碱量，误差＜10％ （2）可变衰减器 分为：连续可变和分档可变
光隔离器和环行器
光纤连接器基本上是采用某种机械和光学 结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以 上的光能够通过，目前有代表性并且正在使 用的光纤连接器主要有五种结构。
(1) 套管结构
套管结构的连接器由插针和套筒组成。 双锥结构连接器是利用锥面定位。 V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V 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，(如图4.3所示)。
LD
B ( , ) B 0 cos
沿辐射面法线方向 的辐射强度
(5.1)
边发射的LED和半导体激光器有更复杂的 辐射方向图。辐射角分布近似：
1 B ( , ) sin
2
图5.2 朗伯光源和半导体激光器 的水平输出方向图
B 0 cos
T
cos
2
B 0 cos
L
(5.2)
5.1 光源至光纤的功率发射
5.1.1 光源的输出方向图
发出的光束呈锥体。在一个球面坐标系中，用R、θ， φ表征。见图5.1
图5.1 表征光源辐射方向图的球面坐标系
LED的辐射模式
P P0 cos
LED辐射光的方式如同—个朗伯源。其中θ
是观察方向与发射面垂线之间的夹角； 所以当θ ＝0o时有P=Po。朗伯源产生功 率的一半都集中在一个l20o的圆锥之中。
Ar＝-10lgPR/P0 (dB)
式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR 表示后向反射光功率。
3. 重复性
重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插 入损耗的变化，用dB表示。
4.互换性
互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变
化，也用dB表示。
二、光定向耦合器
经常遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为
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光纤耦合章动 耦合能量
光纤耦合章动耦合能量
光纤耦合是指将光束从一个光纤传输到另一个光纤的过程。
在
光纤耦合过程中，耦合章动是一个重要的概念。
耦合章动是指由于
光纤之间的不完美匹配而导致的光能损失或者传输效率降低的现象。
这种不完美匹配可能来自于光纤之间的位置偏差、端面不平整、折
射率不匹配等因素。
耦合能量是指光纤耦合过程中光能的传输效率。
在光纤耦合中，我们希望尽可能地将光能从一个光纤传输到另一个光纤，而耦合能
量就是衡量这一传输效率的指标。
耦合能量的高低直接影响着光纤
系统的性能和稳定性。
从光学角度来看，光纤耦合章动和耦合能量的大小与光束的模
式匹配、入射角、光纤端面质量等因素密切相关。
通过优化光束的
模式和入射角，可以减小耦合章动，提高耦合能量，从而提高光纤
耦合的效率。
此外，从工程角度来看，选择合适的耦合器件和采用精密的安
装调试方法也可以改善光纤耦合的性能。
例如，使用适当的耦合器
件（如聚焦透镜、光纤对准器等）可以减小光束的发散角，提高耦
合能量；精密的安装调试方法可以减小光纤之间的位置偏差，减小耦合章动，提高耦合能量。
总的来说，光纤耦合章动和耦合能量是光纤耦合过程中需要重点关注的问题，通过光学和工程手段的优化，可以提高光纤耦合的效率和稳定性，从而更好地满足实际应用的需求。
源与光纤的耦合
6.5 光接收机噪声分析
1 数字光纤通信系统的信号变换特点 在数字光纤通信系统中，传输的是由
“0”和“1”组成的二进制光脉冲信号， 这是一种单极性码，即光功率在“接 通”(“1”码)和“断开”(“0”码)两个电平 上变动。
按照“1”码时码元周期T的大小，分 为 归 零 码 (RZ 码 ) 与 非 归 零 码 (NRZ 码 ) 两 种。
(1) 光电检测器 一般采用PIN光电二极管或APD雪崩光电二极管，
它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能 (2) 光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要
多级放大器进行放大，多级放大器的前级为前 置放大器。
一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检 测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端 应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。
包括以下方面： (1)光源特性 (2)调制特性 (3)输出特性
2 光发射机的组成
目前使用的光发射机大多数是直接调制 的光发射机，它的原理如图6-3-1所示。
3 输入电路
输入电路由图6-3-3所示电路组成
6.4光接收机
1 光接收机的组成
光接收机的作用是把接收来的光信号转 变为原来的电信号，它的性能的优劣直 接影响整个光纤通信系统的性能。
6.2 光调制
要实现光纤通信，首先要解决的问题是 如何将电信号加载到光源的发射光束上， 即需要进行光调制。
根据调制与光源的关系，光调制可分为： 直接调制和间接调制。
1 光源的直接调制
直接调制就是将调制信号直接作用在光源上， 把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或 LED，获得相应的光信号。这种方法调制的是 光源的发光强度调制(IM)。
6.1光源与光纤的耦合
从光源发射出来的光功率尽可能多地 送入光纤中传输，这就是光源与光纤的
光源-光纤的耦合和光纤连接器
B 0,max
0
0
cos sindddsrdr
pB0
rm 0
2p
0
sin20,maxdsrdr
pB0
rm 0
2p
0
NA2dsrdr
对于阶跃光纤，NA是常数与s和r无关，于是：
p P LE ,Байду номын сангаасD te p 2rs2B0N2 A
因此：
PLED ,stepPsrasN2PAs2,NA2,
ra
5.3 光纤与光纤的连接
多模光纤的连接 单模光纤的连接
多模光纤的连接
假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光 纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为：
Rn n1 1 n n23 3..6 60 0 1 1..4 48 8 20.174
这相当于17.4%的发射功率反射回光源，与这一R值相对应的 耦合功率由下式给定：
P couple1d RP emitted
由反射造成的功率损耗为：
L1l0 o P P g c eo mui p t tle e1 d dl0 o1g R ()0.8d 3B
有：
p P
B rs 00
02pN2A dsrdr
PLED,graded
2p 2B0
rs 0
n2 (r) n22
rdr
2p
2rs2
B0n121
2
2
rs a
2Ps
n121
2
2
rs a
a
n (r) n n 1 11 (1 2 2 ()r1 //2 a ) n 1 1 (/1 2 )n 20 r r a a
LED发射的光耦合入多模光纤之后，由于非传播模式的能量 衰减，将在开始的~50 m存在注入模式达到稳态的过程。
光纤通信-第五章-光纤线路技术与器件-光环形器
磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石榴 石（SIC）等。
偏振相关型光隔离器
由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。
偏振无关型光隔离器
主要技术指标
插入损耗 回波损耗 隔离度
偏振相关损耗（PDL） 偏振模色散（PMD）
插入损耗(IL)
指在光隔离器通光方向上传输的光信号由 于引入光隔离器而产生的附加损耗。
无源器件和有源器件
无源器件(passive device)：本身不发生 光电或电光转换的器件。如光隔离器、 光耦合器、光环形器等实现连接光路、 分配光功率以及合波和分波等作用。
有源器件(active device)：本身会发生光 电或电光转换的器件，如激光器、光电 检测器、光放大器等。
光隔离器(isolator)
套管结构
由插针和套管组成，都是精密的机械结 构和光学结构
光纤固定在插针里，两个插针在套管中 对接并保证两根光纤的对准 套管 插针
光纤
光纤
插针
可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作
陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系 数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，
使用最多
f 2.499±0.0005 f 0.125±0.001
由端口2>端口3;
…… 若端口N输入的光可由
端口1输出，称为环行 器，若不可以，称为准 环行器
应用
双向通信中的重要器件，完成正反向传 输光的分离
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
第五章 光纤线路技术及器件
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
偏振相关型光隔离器
由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。
偏振无关型光隔离器
主要技术指标
插入损耗 回波损耗 隔离度
偏振相关损耗（PDL） 偏振模色散（PMD）
插入损耗(IL)
指在光隔离器通光方向上传输的光信号由 于引入光隔离器而产生的附加损耗。
无源器件和有源器件
无源器件(passive device)：本身不发生 光电或电光转换的器件。如光隔离器、 光耦合器、光环形器等实现连接光路、 分配光功率以及合波和分波等作用。
有源器件(active device)：本身会发生光 电或电光转换的器件，如激光器、光电 检测器、光放大器等。
光隔离器(isolator)
套管结构
由插针和套管组成，都是精密的机械结 构和光学结构
光纤固定在插针里，两个插针在套管中 对接并保证两根光纤的对准 套管 插针
光纤
光纤
插针
可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作
陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系 数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，
使用最多
f 2.499±0.0005 f 0.125±0.001
由端口2>端口3;
…… 若端口N输入的光可由
端口1输出，称为环行 器，若不可以，称为准 环行器
应用
双向通信中的重要器件，完成正反向传 输光的分离
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
第五章 光纤线路技术及器件
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
光纤通信原理第5章光放大器
光纤通信原理第5章光放大器
目录
5.1 概述 5.1.1 半导体光放大器 5.1.2 掺饵光纤放大器 5.1.3 光纤拉曼放大器 5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.2 光放大器基本特性 5.2.1 增益和带宽 5.2.2 饱和输出功率 5.2.3 噪声特性 5.2.4 光放大器存在的问题
4~6 <-40 <0.5 不
5~11
~3 小 <0.5 不 0.05~0.1
~6 小 <0.5 不
WDM NO YES YES YES
PDFA 1310
~2 30
>10 ~6 小 <0.5 不
YES
SOA的最大优点—可以单片集成；最大问题——不适合于多波长工作
5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.1.3 光纤拉曼放大器（FRA）
——普通光纤（几十KM）
s v 分子振动频率
耦合器
原理：
p
图5.1.6 反向泵浦光纤拉曼放大器 受激拉曼散射（SRS) 泵浦激光很强
s p nv
斯托克效应，恰使斯托克散射光的频率与入射光 相同，实现了泵浦光向信号光的能量转移
受激拉曼散射（SRS）原理
在频率为p的入射强光作用 下，物质分子做频率为ν的 周期性调制，使得感应电偶 极矩也做周期性调制。该调 制对入射光散射，使得入射 光的频率发生移动变为s ： 1、斯托克散射光（强）：
SOA慢的多，XGM/XPM很小
图5.3.5 交叉增益饱和引起的信道间串扰
2.全光信号处理——SOA的用途
波长转换器
(WC)工作原
理---利用了
SOA交叉增
强
益调制 弱
（XGM)
目录
5.1 概述 5.1.1 半导体光放大器 5.1.2 掺饵光纤放大器 5.1.3 光纤拉曼放大器 5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.2 光放大器基本特性 5.2.1 增益和带宽 5.2.2 饱和输出功率 5.2.3 噪声特性 5.2.4 光放大器存在的问题
4~6 <-40 <0.5 不
5~11
~3 小 <0.5 不 0.05~0.1
~6 小 <0.5 不
WDM NO YES YES YES
PDFA 1310
~2 30
>10 ~6 小 <0.5 不
YES
SOA的最大优点—可以单片集成；最大问题——不适合于多波长工作
5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.1.3 光纤拉曼放大器（FRA）
——普通光纤（几十KM）
s v 分子振动频率
耦合器
原理：
p
图5.1.6 反向泵浦光纤拉曼放大器 受激拉曼散射（SRS) 泵浦激光很强
s p nv
斯托克效应，恰使斯托克散射光的频率与入射光 相同，实现了泵浦光向信号光的能量转移
受激拉曼散射（SRS）原理
在频率为p的入射强光作用 下，物质分子做频率为ν的 周期性调制，使得感应电偶 极矩也做周期性调制。该调 制对入射光散射，使得入射 光的频率发生移动变为s ： 1、斯托克散射光（强）：
SOA慢的多，XGM/XPM很小
图5.3.5 交叉增益饱和引起的信道间串扰
2.全光信号处理——SOA的用途
波长转换器
(WC)工作原
理---利用了
SOA交叉增
强
益调制 弱
（XGM)
激光与光纤耦合技术
图 2.7 等效接收角与光纤孔径角的关系曲线
柱透镜耦合要求所选用的柱透镜直径要和光纤纤芯直径相当，而且要求激光器、柱透 镜、光纤三者的相对位置要极其精确，才能获得较高的耦合效率。 2、自聚焦透镜耦合 自聚焦透镜是一种与常规透镜不同的小型透镜， 实际上是一段梯度光纤， 故又称 GRIN 透镜。自聚焦透镜的聚光能力是依靠折射率的渐变分布实现的，透镜的焦距由透镜的长度 决定。因此，自聚焦透镜的加工简单，其端面只需研磨成平面，外形尺寸较小，且数值孔
7
径较大，适用于狭小空间。理想情况下，自聚焦透镜的折射率分布是双曲正割型，因而可 以完全消除透镜的球差。 但由于制造工艺的影响， 很难形成理想的双曲正割型折射率分布， 而平端自聚焦透镜的球差仍很严重，会聚光斑较大，采用这种自聚焦透镜的耦合系统的耦 合损耗大于 3dB。作为改进，将前端研磨成球面的平凸自聚焦透镜系统可以提高透镜的数 值孔径，并补偿折射率分布，从而使耦合损耗降低到 2dB。若对前端的形状进行优化，可 以得到 ldB 的耦合损耗。但由于平凸自聚焦透镜系统的优化需要精密的测量手段和复杂的 计算，透镜的光学加工需要小曲率球面的精密研磨，这使制造难度和成本增加，因而不适 用于批量生产。 自聚焦透镜耦合就是首先让激光进入一段自聚焦光纤 (GRIN lens)， 即折射率参数为 2 的梯度型折射率光纤，光束强烈的聚焦后，再耦合进光纤中进行传输。自聚焦光纤的折射 率在径向的分布符合下式 :
《光纤通信》课程论文
激光与光纤耦合原理与损耗分析
摘要：
本文首先对激光与光纤的耦合方式进行了介绍，对一些耦合方式做了较为详细的分 析，并给出了理论表达式与计算结果。其后对耦合的三种机械损耗进行了分析与计算，并 给出了分析结果。
关键词：
激光 光纤 耦合方式 损耗分析
第5章 光放大器
（1） 宽的增益平坦度（30 nm）。如对1500 nm波 长 区 的 宽 带 信 号 放 大， 最 高 带 宽 已 达 到80 nm， 是 EDFA最佳数据的两倍。在1530～1610 nm的波长区， 得到了20 dB以上的增益，增益平坦度达1.5 dB。 （2） 放大波段向长波长移动。硅和氟EDFA大约
拉曼光纤放大器的主要问题在于所需泵浦的种类， 其次是如何使放大器本身作为一个谐振腔来获得高数 量级的拉曼效应。 目前， 拉曼光纤放大器的小信号增 益为30 dB， 饱和输出功率为+25 dBm， 特别适于作光 功率放大级。
5.4 其他光纤放大器
1. 掺镨光纤放大器（PDFA） EDFA光纤放大器只能对1550 nm波段的光信号进 行放大，为了能对1310 nm波段的光信号进行放大， 人们在光纤中掺入镨。PDFA具有高的增益（约30 dB） 和高的饱和功率（20 dBm），适用于EDFA不能放大
放 大器
电 光变 换 (E /O )
光纤
光 的范 围
电 的范 围
光 的范 围
图5.1 传统的中继器原理框图
尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的 通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相 当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长 就需要N个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面， 对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大。 因 此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带 宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大，因而只需 一个放大器即可。 人们经过很大的努力， 终于研制成
模光纤的构造一样， 如图5.3所示。 铒离子位于EDF的
纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸 收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。
第5章光纤耦合理论
7
∂Aj
∂Aj
多束同频光的非线性耦合
l
频率相同的不同光波应当具有不同的偏振方向或者传输 方向。
(s) ( z, T ) ∂Ap
(s) (s) ( z , T ) 1 ( s )(3) ( z, T ) ∂ 2 Ap ∂ 3 Ap i ( s )(2) s + β p (ω0 ) − β p (ω0 ) 2 2 6 ∂z ∂T ∂T 3 (s) α p (s) (s) (s) ( z , T ) + iΓ (ps ) Ap ( z , T ) − Ap = iδ p 2
3
Bao-Jian Wu, et al. Characteristics of magneto-optic fiber Bragg gratings for use in optical signal processing, Optical Fiber Technology, 2009,15(2): 165-171
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2
−1 −2 −3 −4 −2
0 x/κg
2
0 x/κg
2
δ = (ω − ω B )n c , ω B = β B c n κ g =k0 ∆n1 > 0
4
5.3 光纤非线性光控光机理
l l
非线性光学经常在频域内讨论介质的极化过程，通 过傅里叶变换引入介质极化率张量。 三阶复电极化强度与复电场之间的关系：
m,n, q
P (3) (ω , t ) = ε 0
Ø
∑
χ (3) (ω | ωm , ωn , ωq )gE (ωm , t )E (ωn , t )E (ωq , t )
∂Aj
∂Aj
多束同频光的非线性耦合
l
频率相同的不同光波应当具有不同的偏振方向或者传输 方向。
(s) ( z, T ) ∂Ap
(s) (s) ( z , T ) 1 ( s )(3) ( z, T ) ∂ 2 Ap ∂ 3 Ap i ( s )(2) s + β p (ω0 ) − β p (ω0 ) 2 2 6 ∂z ∂T ∂T 3 (s) α p (s) (s) (s) ( z , T ) + iΓ (ps ) Ap ( z , T ) − Ap = iδ p 2
3
Bao-Jian Wu, et al. Characteristics of magneto-optic fiber Bragg gratings for use in optical signal processing, Optical Fiber Technology, 2009,15(2): 165-171
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2
−1 −2 −3 −4 −2
0 x/κg
2
0 x/κg
2
δ = (ω − ω B )n c , ω B = β B c n κ g =k0 ∆n1 > 0
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5.3 光纤非线性光控光机理
l l
非线性光学经常在频域内讨论介质的极化过程，通 过傅里叶变换引入介质极化率张量。 三阶复电极化强度与复电场之间的关系：
m,n, q
P (3) (ω , t ) = ε 0
Ø
∑
χ (3) (ω | ωm , ωn , ωq )gE (ωm , t )E (ωn , t )E (ωq , t )
光模块耦合原理
光模块耦合原理一、概述光模块耦合是指将光学信号从一个光学器件（如激光器或LED）传输到另一个光学器件（如接收器或其他光学设备）的过程。
它是现代通信和计算机技术中不可或缺的一部分。
本文将详细介绍光模块耦合的原理。
二、传输介质在进行光模块耦合时，需要使用一个传输介质来将光信号从一个器件传输到另一个器件。
常用的传输介质有两种：一种是光纤，另一种是自由空间。
2.1 光纤光纤是一根具有高折射率的玻璃或塑料材料制成的细长柔性管道，可以将光信号通过反射和折射在内部进行传输。
在进行光模块耦合时，通常使用单模或多模光纤来连接两个器件，以便实现高速、稳定和可靠的数据传输。
2.2 自由空间自由空间指无任何障碍物存在的空气或真空环境，在这种环境下可以通过直接发射和接收来实现两个器件之间的通信。
在进行自由空间耦合时，通常需要使用透镜、反射镜和光栅等光学元件来控制光束的传输和聚焦。
三、耦合方式在进行光模块耦合时，需要选择一种适当的耦合方式来实现两个器件之间的连接。
常用的耦合方式有两种：一种是直接耦合，另一种是间接耦合。
3.1 直接耦合直接耦合是指将两个器件直接连接在一起，以便实现光信号的传输。
在进行直接耦合时，需要将两个器件的输出端和输入端精确对准，并使用适当的夹具或支架来保持它们之间的距离和角度不变。
3.2 间接耦合间接耦合是指通过一个中介物来将两个器件连接起来。
中介物可以是一个透明材料（如玻璃或塑料）或一个反射表面（如金属或镜子）。
在进行间接耦合时，需要将中介物放置在两个器件之间，并使用适当的光学元件来控制光束的传输和聚焦。
四、影响因素在进行光模块耦合时，有许多因素会影响其性能和效率。
以下是其中几个主要因素。
4.1 准直度准直度是指光束的方向和角度是否正确。
如果光束的方向或角度偏离了正常值，将会导致信号损失和噪声增加。
4.2 聚焦度聚焦度是指光束的直径和形状是否正确。
如果光束的直径或形状不正确，将会导致信号强度减弱和失真。
入纤光功率与直接耦合效率的计算公式
入纤光功率与直接耦合效率的计算公式
入纤光功率（Pin）与直接耦合效率（ηdc）之间的计算公式如下：ηdc = (Pout / Pin) * 100
其中，Pout为从光源输出的光功率，通常以毫瓦（mW）或者分贝（dBm）为单位。
Pin为经过耦合器件（如耦合光纤）输入到接收器的
光功率。
需要注意的是，由于耦合过程中存在一些损耗，直接耦合效率通
常小于100%。
此外，还需要考虑其他因素对直接耦合效率的影响，例如耦合器
件的质量、对齐精度、波长匹配、功率稳定性等。
不同的应用场景可
能需要考虑不同的因素。
值得一提的是，在实际工程应用中，还可以利用光源的输出功率
和接收器的灵敏度来计算最佳输入功率范围，以达到最佳性能和传输
距离。
总结起来，入纤光功率与直接耦合效率之间的关系可以用简单的公式表达，但是具体的计算和分析需要结合具体的实验条件、耦合器件和应用场景进行综合考虑。