二、光连接器、光衰减器、光耦合器件、光隔离器
《光纤通信技术》复习题答案
《光纤通信技术》复习题一．基本概念1．什么样的电磁波叫做“光”？目前的光纤通信用的是什么光？波长是多少？答：光是一种电磁波，光频为10E14HZ量级，波长为μm 量级。
可见光大约指0.4μm ~0.76μm 波长范围的电磁波。
光通信采用的波长0.85μm、1.31μm和1.55μm。
即在电磁波近红外区段。
2．光纤通信的特点？答：一、传输频带宽，通信容量大二、传输损耗低，中继距离长三、不怕电磁干扰四、保密性好，无串音干扰五、光纤尺寸小,重量轻,利于敷设和运输六、节约有色金属和原材料七、抗腐蚀性能好3．光纤的NA和LNA各是什么意义？什么是光线模式的分立性？答：入射最大角称为孔径角，其正弦值称为光纤的数值孔径。
数值孔径表示光纤采光能力的大小。
在光纤端面上芯区各点处允许光线射入并形成导模的能力是不一样的，折射率越大的位置接收入射光的能力越强。
为了定量描述光纤端面各点位接受入射光的能力，取各点位激发最高次导模的光线入射角度为局部孔径角θ’C (r) ，并定义角的正弦值为该点位的局部数值孔径LNA。
光是有一定波长的，将光线分解为沿轴向和径向的两个分量，传输光波长λ也被分为λZ和λr。
沿径向传输的光波分量是在相对的芯/包层界面间（有限空间）往返传输，根据波形可以稳定存在的条件——空间长度等于半波长的整数倍，而空间长度已由光纤结构所确定，所以径向波长分量λr不能随意了，从而导致它们夹角不能随意也即不能连续变化，即光线模式的分立性。
4．什么是光纤的色散？光纤的色散分为哪几种？在单模光纤中有哪些色散？答：脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象叫光纤的色散。
分为模间色散和模内色散。
模内色散又分为材料色散和波导色散。
多模光纤：模式色散和材料色散；单模光纤：材料色散和波导色散。
5．归一化频率V和截止频率VC各如何定义？有何区别和联系？答：归一化频率见书28页，截止频率见27页。
实际光纤中能够传输的导模模式必须满足V>Vc。
光纤通信技术试题及答案.doc
试题3•、填空题（40分，每空1分）1、光纤通信是为传输媒质。
以—为载波的通信方式。
光纤的工作波长为、和O2、无源器件主要有—、—、—、—、和、光开关等。
3、单模光纤纤芯直径一•般为 ,多模光纤纤芯直径为，光纤包层直径一般为。
4、光缆结构包括、和o常用光缆有、、、等结构。
5、光纤主要的传输特性是和o6、光纤接续的主要方法有和o7、在光纤通信系统中，对光源的调制可分和两类。
8、掺钳光纤放大器应用方式有、和o9、光与物质作用时有、和三个物理过程。
10、EDFA的泵浦结构方式有：a. ；b. 结构；c.双向泵浦结构。
1 1、SDH的主要复用步骤是、和o12、光中继器实现方式有和两种二、单项选择题（在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。
每小题2分，共20分）1、为增大光接收机的接收动态范围，应采用（）电路。
A. ATCB. AGCC. APCD. ADC2、光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是（）A.光源不能产生负信号光B.将出现长连“ 1 ”或长连“0”C.编码器太复杂D.码率冗余度太大3、以工作波长属于通信光纤窗口的是（）。
A.632.8nmB.I3IOnmC.2000nmD. 10.6P mD.光纤连接器）B.光纤的损耗和色散D.光接收机的灵敏度B.大量运用软件进行系统配置的管理C.复用映射结构灵活 D.指针调整技术降低了设备复杂性A.折射C.纤芯一包层界面上的全内反射B.在包层折射边界上的全内反射D.光纤塑料涂覆层的反射4、在光纤通信系统中，EDFA以何种应用形式可以显著提高光接收机的灵敏度（）A.作前置放大器使用B.作后置放大器使用C.作功率放大器使用D.作光中继器使用5、S TM-4每秒可传输的帧数是（）A.1000B.2000C.4000D.8000 6、STM-N -帧的字节数是（）0A.270'9B.274、N*9C.270x N x9D.26I X N X9 7、在光纤通信系统中，当需要保证在传输信道光的单向传输时，采用（）。
通信用光器件介绍和类型及光源解析
（2）非相干光
自发辐射的光是由大量不同激发态的电 子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一 定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光 称为非相干光。
怎么保证产生受激辐射而不是受激吸收？
（四）粒子数反转分布
产生受激辐射和产生受激吸收的物质 是不同的。设在单位物质中，处于低能级 E1和处于高能级 E2 (E2 > E1) 的粒子数分 别为 N1 和 N2。
(1)受激吸收 (2)自发辐射 (3)受激辐射 三种基本物理过程。
(1)受激吸收(2)自发辐射(3)受激辐射 能级和电子跃迁
(1)受激吸收
在正常状态下，电子处 于低能级E1，在入射光作用 下，它会吸收光子的能量跃 迁到高能级E2上，这种跃迁 称为受激吸收。受激吸收将 使外界光能减少。
(2) 自发辐射
通信用光器件介绍 和类型及光源解析
通信用光器件可以分为两种类型：
1、有源器件:
需要外加能源驱动工作的光电子器件
2、无源器件：
不需要外加能源驱动工作的光电子器件
1、有源器件
有源器件包括光源、光检测器和光放 大器，这些器件是光发射机、光接收机和 光中继器的关键器件，和光纤一起决定着 基本光纤传输系统的水平。
在热平衡条件下，各能级上的粒子数分 布满足玻尔兹曼统计分布。
E2 E1
N e 2
kT
N1
式中，k = 1.381×10-23 J/K，为玻尔兹曼常数，
T 为绝对温度。由于
(E2-E1) > 0 ，T > 0，
在系统处于热平衡状态下，总是 N1 > N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
P型和N型半导体状态：导带电子数小于价带 电子数，粒子数仍未反转。 ——二能级系统无法实现粒子数反转
集成光电子器件lpl(第九章各种无源器件)
多模光纤的这种损耗 多模光纤的这种损耗： 的这种损耗：
− 10 log( NA2 NA1 )2 = 0 NA1 ≥ NA2 NA1 < NA2
I LNA
数值孔径不同引起的损耗
除上述各种连接损耗之外，光纤端面不平整 除上述各种连接损耗之外，光纤端面不平整和光纤端面与 光纤端面不平整和 轴线不垂直等都会产生连接损耗。 轴线不垂直等都会产生连接损耗。
< ±0.1 < ±0.1
35~40 40~50
103
10 4
-20~+70 -40~+80
8. 接 头
接头：是实现光纤与光纤之间永久性连接，只用于工程 永久性连接 接头：是实现光纤与光纤之间永久性连接，
现场施工。 现场施工。
对接头： 接头：
不要求可拆卸或重复使用； 不要求可拆卸或重复使用； 可拆卸或重复使用 要求损耗低，后向反射光小，操作简便，性能稳定。 要求损耗低，后向反射光小，操作简便，性能稳定。 损耗低
对滤光片的性能要求很高，要兼顾衰减量程和衰减精度两个因素。 对滤光片的性能要求很高，要兼顾衰减量程和衰减精度两个因素。 衰减量程 两个因素 只要滤光片上的吸收膜足够均匀，滤光片位移面足够平整， 只要滤光片上的吸收膜足够均匀，滤光片位移面足够平整，这种光 学结构的衰减器就具有理想的线性度。 学结构的衰减器就具有理想的线性度。
轴向位移型光衰减器的原理图
固定衰减器和 可以制作固定衰减器 小型可变光衰减器。 可以制作固定衰减器和小型可变光衰减器。 通常与连接器的结构结合起来， 通常与连接器的结构结合起来，形成两种具有特色的光衰 连接器的结构结合起来 减器系列——转换器式光衰减器和变换器式光衰减器。 减器系列——转换器式光衰减器和变换器式光衰减器。 ——转换器式光衰减器
光无源器件发展概括
光无源器件发展概括1.发展概况光无源器件是光通信系统中需要消耗一定的能量、具有一定功能而没有光—电或电—光转换的器件，包括光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光开关、光衰减器和光隔离器等，是光传输系统的关节。
光连接器是光无源器件中应用最广、数量最多的器件，耦合器和波分复用器次之，其它器件使用量较少。
随着光通信技术的发展，密集波分复用器、大端口数矩阵光开关的需求将会逐渐增加。
我国开展光无源器件的研究是从20世纪70年代后期，随着光纤技术的出现而开始的。
当时光纤的连接是光纤通信必须解决的六大问题之一，此外还要解决分路、开关以及波长复用等问题。
于是电子部第23所、武汉邮科院固体器件所和电子部第34所等单位“白手起家”，致力于全光纤结构和分立元件组合型（微光器件）的研究，开发了光纤调中型的多模光纤连接器、拼接型和熔融拉锥型的光耦合器和机械式光开关等产品，满足了当时短波长和长波长多模光纤通信研究的需求。
此后，光通信进入单模长波长阶段并开始大量应用，对光无源器件不仅技术上的要求更高，而且在数量上也与日俱增，迫切要求产业化。
在光连接器方面首先引进了光学定中切削加工的APT（插针直径为1.78mm）连接器生产线，满足了国内单模光通信发展初期的需求。
此后随着陶瓷套管大批量生产技术的成功，光连接器的质量有了进一步的提高，而且易于装配，于是出现众多组装散件生产连接器的公司。
在光纤耦合器方面，引进了由微机控制的熔融拉锥设备，使耦合器的生产变得十分简单；更为可喜的是，通过理论研究和实践探索，同一台设备上可以生产出各种宽带耦合器和二波长的波分复用器，产品性能优良，于是形成了光耦合器的产业。
当前我国光通信系统中所用的光连接器和光耦合器绝大部分都是国产的。
2.产业现状现在初看起来光无源器件的产业似乎比光有源器件发展快，但是在这辉煌的背后，还存在一些问题。
如光纤连接器用陶瓷套管的毛坯还需要进口，光纤连接器技术的自主知识产权几乎为零。
光器件
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 1300nm/1550nm、980nm/1550nm、 1480nm/1550nm波长的分离
纤连接器
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
•固定连接器
包括：熔接法、V形槽法和套管法
光耦合器—Coupler
定义：对同一波长的光功率进行分路或合路 类型：
FBG
通道间距(GHz) low to 50
插入损耗(db) ununiform
通道串扰(db) 30 - 35
长期稳定性 偏振特性
possibly a problem due to tuning
ExcelG
TFF
low to 25
100
uniform
ununiform
•光纤光栅的形成： Period 光纤敏化（载氢或光敏光纤）--紫外光（~244nm） 以光栅条纹方式照射光纤--形成折射率光栅
反射中 2neff 光栅
心波长
周期
纤芯的有效折射率
•FBG应用：滤波器、色散补偿器、光纤激光器等
特点： •插损小 •带宽窄 •易于光纤连接 •低成本 •温度特性 （0.0125nm/oC 未补偿, 0.0007nm/oC 经补偿) •应力敏感
Optical passive components
光纤准直器（Collimator) 种类
• C-Lens光纤准直器: Cylindrical-Lens,球端面透镜技术准直器 • G-Lens光纤准直器: Grin Lens,斜端面折射率径向渐变技术准直器 C-Lens 可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比G-Lens 改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而在普通应 用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在Filter 型WDM 中，需 要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens端面为平面易于贴片。
光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，
使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得 到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间
距L 相关。
光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大 的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加
对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样
光纤准直器（Collimator) 制作工艺 Lens组装
UV胶
玻璃管
Lens
Epoxy环氧树脂
光纤准直器（Collimator) 制作工艺 Pigtail组装
斜面对齐
对齐后作标记
光纤准直器（Collimator) 制作工艺 Lens Holder套管组装
Lens Holder
光纤准直器（Collimator) 主要性能技术指标：
连接器（Connector） 种类
1、活动连接器： a、连接器插头（Plug Connector）
使光纤（缆）在转换器或变换器中完成插拔功能的器件
b、转换器（Adaptor） 把光纤（缆）插头连接在一起，从而实现光纤接通的器件 c、跳线（Jumper Connector） 一根光纤（缆）的两端都装上插头 d、变换器（Converter） 使某种型号的插头换成另一种型号插头的器件 e、裸光纤转换器（Bare Fiber Adaptor） 使裸光纤与光源、探测器、各类光仪表连接的器件
《光无源器件》
整理课件
39
光衰减器
三、光衰减器的类型
光衰减器的衰减机理
吸收 反射 遮去 衍射
整理课件
40
光衰减器
1、固定衰减器 （1）位移式固定衰减器
遮光
整理课件
41
光衰减器
（2）衰减片型固定衰减器
利用吸收光的衰减片 无准直透镜型：
FIBER
衰减片
FIBER
不能用于大功率的光路中
整理课件
42
光衰减器
渐变折射率透镜衰减器：
螺旋式连接 粘合剂 插针体 套筒
插针体
固定盘
光纤
光纤
整理课件
6
材料：合金
问题所在：FC 型光纤连接器的接头时平面型，产生菲涅尔反射， 形成损耗和引入噪声 。
整理课件
菲涅耳反射：光在不同折射 率的介质平面的交界面上会 发生入射光的部分反射 。
7
2、直接接触型光纤连接器（PC型—physical connect）
光信号合在一起送入一根 光纤。
用途： 光功率分配器或光功率组合器
整理课件
25
2、星型耦合器
功能：将n根光纤的输入光功率合 在一起，均匀 的分给m 根光纤。
用途：多端口功率分配器
整理课件
26
3、 定向耦合器
功能： 取出光纤中向不同方向传送的光信号
1
3
2
4
1
3
2
4
用途：只能用于功率分路器。
整理课件
27
以反向方向为参考方向
整理课件
69
光环行器
基本功能：
第六节、 光环形器
1
2
3
用途：用于光放大器和光时域反射
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 可拆卸型连接器。它被设计成可被连接，必要 时又可拆开。
• 永久型连接器。它被一次型连接使用，不能在拆 开后重复使用。
连接器的组成部分：连接器插头、光缆跳线、转换器、变 换器、裸光纤连接器。
2007-2-27
4
制作光纤连接器的光纤要求
• 纤芯直径:单模 9um 0.5,多模50 1um. • 纤芯不圆度:小于0.5um • 包层直径:125um 2um • 包层不圆度 小于2% • 同轴度:小于1um • 抗拉强度:大于0.5kg
26
2007-2-27
27
光纤倾斜损耗
其中
ILd 1l0oe g (d/)2
(0.651V .63/2192V .867)a9
对单模光纤当错位损耗取0.1DB，并假定a=5um,则横向错位
d=0.72um.对于单模光纤横向错位小于0.8um
（2） 光纤倾斜损耗
2007-2-27
28
2007-2-27
2007-2-27
35
连接器的发展方向（2）
• 2、发展带状光缆连接器 • 多芯带状连接器，4芯、8芯、10芯等
• 日本可达到1000芯带状光缆连接器
• 3、发展多功能的连接器 • 现已有外形与FC、SC、ST型转换器一样的固定衰减器 • 外形和各种变换器一样的固定衰减器 • 外型与FC型转换器一样内部有接收和发光芯片的光电器
2007-2-27
16
连接器的品种、型号（2）
2. SC系列连接器 SC型连接器采用插拔连接，外壳使用工程塑料制作、矩形
结构，便于密集安装，可以制成多芯连接器。
2007-2-27
SC型插头
SC型转换器
17
连接器的品种、型号（3）
3. ST型连接器 ST型连接器采 用带键的卡口 式锁紧机构。
2007-2-27
2007-2-27
34
连接器的发展方向（1）
• 1、进一步提高性能指标 • 插入损耗和回波损耗是今后有待改善的主要指标。 • 插入损耗目前是0.1dB 到0.5dB之间，平均为
0.3dB, 逐步到平均值0.1dB,变化范围小至0.2dB.
• 采用加工精度，增加一致性和互换性 • 采用镀膜工艺提高回波损耗
ห้องสมุดไป่ตู้
（4） 光纤端面多次反射（Snell反射）引起的损耗
IL f 10 l og (1 16 K K2 )4
其中k=n1/n0,n0为空气折射率，取n0=1,n1=1.46计算得到Ilf=0.32db
2007-2-27
30
失配引起的连接损耗
（5） 纤芯（或模场）尺寸失配引起的连接损耗
ILalo1 4g( 1 2 1 2)2
40
光纤熔接机
• 光纤熔接机结构： • 光纤准直和夹紧机构 • 光纤对准结构：可达0.01微米 • 电弧放电结构 • 放电和电机驱动的控制机构
• 光纤熔接机熔接光纤过程
2007-2-27
41
作业
• 如何测量连接器的插入损耗和回波损耗？ 写成小 论文的形式，按学术论文的书写格式。（必做）
• 降低光纤熔接损耗的措施有哪些？（2，3选一）
2007-2-27
44
光纤耦合器基本原理（1）
• 按工作原理分：光纤型、微光学机械型、波导型。从性能 和价格考虑，光纤型为最好。
• 下面介绍光纤型耦合器的基本结构和工作原理。把两根或 多根光纤排列，用熔融拉锥技术制作。在熔接区，光纤变 细，相互靠近，发生了耦合。由于常规单模光纤中大约有 20％的光是靠包层传输的，光纤变细就有更多的能量分布 于芯线外，加之光纤相互靠近，于是在耦合区就发生了不 同程度的耦合。
• 简述光纤熔接机纤芯直视原理？ （ 2，3选一）
2007-2-27
42
二、光耦合器件
– 主要功能再分配光信号 – 重要应用在光纤网络 – 尤其是应用在局域网 – 在波分复用器件上应用
2007-2-27
43
光耦合器件分类
光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结 构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端口形式上划 分 ， 它 包 括 X 型 (2×2) 耦 合 器、 Y 形 （ 1×2 ） 耦 合 器 、 星 形 （N×N，N>2）耦合器以及树形耦合器等。
2007-2-27
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路 集成光路
3
一、光连接器件
• 光纤连接器件的作用是一根光纤中的光最大限度 地传到另一光纤中，或光信号在不同光纤之间耦 合传递。
IL
10lo
gPout(d Pin
B)
•基准法： （国家标准） •替代法： （国家标准） •跳线插入损耗测试
2007-2-27
23
连接器的主要指标
2.回波损耗
在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率的分贝 数。
RL
10logPreflec(tdB) Pin
3. 重复性和互换性
重复性是指同一对插头，在同一只转换器中多次插拔之后， 其插入损耗的变化范围。插拔次数一般取5次。
5均匀性（uniformity)
在器件的工作带宽内，各输出端口输出光功率的变大变化量。 用来衡量均分器件的“不均匀程度“的参数。
缆连接集成在一起。
2007-2-27
37
光纤固定连接
• 制作固定接头的方法有：熔接法、V形槽法、毛细管法、 套管法。
• 熔接法最普遍，是光通信中光纤固定连接的主要方法。 • 插入损耗小、后向反射光为零。 • 加热和熔化的方法有三种： • 电弧熔接；采用电极高压放电的方法加热光纤，使之熔融
连接。电弧放电和光纤对准已实现自动化作业。 • 氢焰熔接；用于一些特殊场合，如海底光缆熔接，接头强
2007-2-27
5
光纤的基本类型
2007-2-27
6
2007-2-27
7
活动连接器的基本结构(1)
光纤 套管
插针 粘结剂
精密套管结构连接器简图
2007-2-27
8
活动连接器的基本结构(2)
• 双锥形结构 • V形槽结构
2007-2-27
9
活动连接器的基本结构(3)
• 球透镜耦合与自聚焦透镜耦合
29
光纤端面间隙损耗
I L 1 l0 o e (g n 2 /) 2
对于要求倾斜损耗小于0.1DB，则单模光纤的倾斜角度应小于0。3度。生产中小于 0。1度
（3） 光纤端面间隙损耗
Z ILZ1l0o1g(4aK)
其中Z是端面间隙，K=n1/n2。当端面间隙控制在1um以内损耗小于0.006db， 可以忽略。
光功率的减少值。
ILi 10logPPoi i(dB)
2. 附加损耗（Excess Loss）
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小值。
EL10lo gPoi(dB)
2007-2-27
Pi
50
光耦合器的技术参数(2)
附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映器件制 作过程带来的固有损耗；而插入损耗表示各个输出端口的输 出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影 响。
ST型连接器的插头与转换器
18
连接器的品种、型号（4）
4. 不同型号插头相互连接的转换器（法兰盘） FC/SC，FC/ST，SC/ST
5. 不同种类的变换器
SC→FC，ST→FC，FC→SC，FC→ST，SC→ST， ST→SC
6. 各种裸光纤转接器
2007-2-27
19
连接头端面类型
Ferrule + Flange
2007-2-27
耦合区
45
光纤耦合器的传输特性（1）
Ei1
Eo1
Ei2
Eo2
根据耦合模理论，耦合器的振幅传输特性可以用下式
表示
E E o o1 2eilicso in ll)s)((icso in ll)s)((E E ii1 2
传输矩阵
2007-2-27
46
光纤耦合器的传输特性（2）
式中，l是耦合区长度，光波传输常数，是耦合系数，与
其中
1.619 2.879 (0.65 V3/2 V6 )a
（6）数值孔径失配引起的连接损耗
NA1≧NA2 NA1﹤NA2
ILNA10logNN( AA12)2 ILNA0
2007-2-27
31
其他原因引起的损耗
• 光纤端面不平滑，会导致散射损耗 • 光纤端面与轴线不垂直，会产生连接损耗。
• 上述的各种因素不仅影响插入损耗，也同时影响 着连接器件的重复性和互换性。因此各种因素的 改善，也会提高重复性和互换性指标。
互换性是指不同插头之间。或者不同连接器任意置换之后， 其插入损耗的变化范围，性能一致性。
2007-2-27
24
光纤连接器一般性能
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
2007-2-27
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
性能 0.2~0.3
耦合区宽度、纤芯折射率有关。由上式可得耦合器的功率传输 矩阵
TT1121csion22s((ll))
2007-2-27
47
光纤耦合器的传输特性（3）
2007-2-27
48
光纤耦合器的传输特性（4）
2007-2-27