光纤通信第五版 第九章讲义01.pdf

9.1 1 第 9章 分布式光网络和光纤器件 光纤网络 : 点对点传输：单路传输，一个发送器和一个接收器 分布式网络：大量发送器和接收器共用传输线路 9.1 2 9.1 分布式网络 对于分布式网络， 定向耦合器 是个重要的器件 为了接下来的讨论，假设 𝑷𝟐 ≥ 𝑷𝟑 并且 光功率从端口 1输入，以下讨论定向耦合器的损耗问题 P1 P2 P3 P4 9.1 3 1. 直通损耗 LTHP = - 10 log (P2 /P1 ) (9-1) 从端口 1到端口 2的功率损耗 2. 抽头损耗 LTAP = - 10 log (P3 /P1 ) (9-2) 端口 1到端口 3的功率减少量 9.1 分布式网络 9.1 4 3. 方向性系数 LD = - 10 log (P4 /P1 ) (9-3) 理想情况下 P4 = 0，因此 LD = 无穷大 典型情况下： LD > 40 dB 9.1 分布式网络 9.1 5 4. 附加损耗 LE = - 10 log [(P2 + P3) /P1 ] (9-4) 理想情况下， P2 + P3 = P1 ，因此 LE = 0 dB 用 LE表示其它不希望存在的损耗，如散射 ，制造 缺陷等 ， 所以 (P2 + P3 ) 10） 9.1.2 T形网络 9.1 18 9.1.3 星形网络 星形网络中包含 N个终端。

每个终端具有发送器和接收器，因此星形网络中有 N个发送器和 N个接收器，共有 2N个端口 9.1 19 9.1.3 星形网络 理想 星形耦合器将所有的输入功率等分到所有输出（接收）端口上，耦合器的插入损耗为： LIN = - 10 log (1/N) (9-9) 9.1 20 计入附加损耗（ LE）和连接器损耗（ LC），总插入损耗为： L = - 10 log (1 / N) + LE + 2LC (9-10) 相比于 T型网络的损耗： L = (N - 1) + LTHP + LTAP + 2NLC (9-8) 9.1.3 星形网络 结论：星形网络损耗随终端数量增加远慢于 T型网络 9.1 21 9.1.3 星形网络 结论： 1. 对于终端数 N > 5的情况，相较于 T型网络，选择星形网络更合适 2. 星形网络的缺点是耗费更多的光纤 9.1 22 9.1.4 环形网络 ① 环形网络是由一系列的点对点光纤链路构成的 ② 每个结点是一个信号再生器，其检测传输的信息并将信息再生成光信号发送至下一个结点 9.1 23 9.1.4 环形网络 ③ 每个结点同样将信息传送至与之相连的站中去 ④ 由于不共享光功率，因此可以连接大量的终端 9.1 24 环形网络缺点： 可靠性差，如果任何一个结点或者光线失效，则系统停止运行。

解决办法：冗余设计 ① 加入第二级环形网络，环路方向相反 ② 加入旁路开关 9.1.4 环形网络 9.1 25 次通路只有当主通路 无法运行时才投入使用 反向环形网络 9.1.4 环形网络 9.1 26 9.1.5 混合分布式系统 9.1.6 混合分布式系统 I 27 9.2 定向耦合器 本节我们描述几种定向耦合器的物理结构 （ 1）熔融双锥形定向耦合器 结构： ① 将两根裸光纤绞合在一起 ② 加热绞合点直至光纤熔融 ③ 施加 拉伸 力于光纤两端，形成锥形的耦合区 9.2 28 工作原理： A. 对于多模光纤，在锥形耦合区域，高阶模转变成包层模，由于包层由两个光纤共用（熔融粘连），因此光能量也会共用，输出锥形区域将包层模再转为纤芯模 B. 对于单模光纤， 包层模中的消逝场是共用的，由此产生 耦合 9.2 定向耦合器 9.2 29 第四章中的集成光波导实现的定向耦合器： 9.2 定向耦合器 对于理想情况下没有损耗的耦合，功率比为： P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) 其中 Lc 是能量完全偶合进下面波导所需要的长度，称为耦合长度 ，通过选择合适的 L，可以实现 0-100%的耦合。

9.2 30 熔融耦合器的单模耦合公式： 9.2 定向耦合器 L = 耦合区域长度 . 对于理想的耦合器： 直通损耗： (P2 / P1) = cos2(DbL) (9-11) 抽头损耗： (P3 / P1) = sin2(DbL) (9-11) Db 是耦合系数（弧度 / 米） (P2 / P1) + (P3 / P1) = cos2(DbL) + sin2(DbL) = 1 附加损耗通常只有 0点几个 dB. 9.2 31 熔融耦合器的单模耦合公式： 9.2 定向耦合器 令 LC 为耦合长度， 定义为功率全部由端口 3输出的长度，则有： sin2(Db LC ) = 1， Db LC = p / 2 LC = p / 2Db (9-12) Db = p / 2LC 因此可以写成： (P2 / P1) = cos2(pL/2LC) (P3 / P1) = sin2(pL/2LC) 9.2 32 熔融耦合器的单模耦合公式： 9.2 定向耦合器 P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) 33 9.2 定向耦合器 （ 2）偏移对接式定向耦合器： ① 端口 2 的功率由横向偏移决定（第 8章） ② 通过平板介质波导实现功率的分流 9.2 34 9.2 定向耦合器 （ 3）分束型定向耦合器： ① 分束平板由透明衬底和部分反射膜组成 ② 体 结构分束器解决 了平板造成的光线平移 ③ 分束器不用分隔光线功率（发散问题） 9.2 35 9.2 定向耦合器 （ 4） GRIN棒分束定向耦合器： 结构： ① GRIN棒透镜对光纤中的光线准直 ② GRIN棒透镜 对光线聚焦后送入光纤 9.2 36 9.2 定向耦合器 （ 5）紧凑型 GRIN棒分束定向耦合器： 结构： ① 由两个 1/4节距 GRIN棒透镜组成 ② 棒透镜之间有半反射层 9.2 以上介绍的分束器均为幅度分隔型器件 37 9.2 定向耦合器 （ 6）波前分割型定向耦合器： 结构： ① 端口 1的光发散到两个凹面反射镜上 ② 凹面 反射镜将光重新聚焦到端口 2和端口 3 ③ 端口 2和 3的输入会在端口 1输出 9.2 38 9.2 定向耦合器 （ 6）波前分割型定向耦合器： 特点： ① 仅有 3个端口，但可以用于图 9.2的双工网络 ② 两个 3端口可以组成一个 4端口定向耦合器 ③ 端口 2和 3的输入会在端口 1输出 9.2 39 9.2 定向耦合器 （ 7）集成型耦合器 结构 ： ① 类似第四章提到的 Y型功分器 ② 其具有截面为圆形的特点 ③ 可级联为多分支耦合器 9.2 9.3 40 9.3 星形耦合器 （ 1）熔融型星形耦合器 将多根多模光纤绞合熔融并拉伸，就可以形成星形耦合器，制造过程与熔融双锥形耦合器类似。

有传输型星形耦合器和反射型星形耦合器两种 9.3 41 9.3 星形耦合器 （ 1）熔融型星形耦合器 传输型星形耦合器：每个输入端口的光都会被等分传输到接收端口，每个端口彼此隔离，并且仅有发送（左端）或接收（右端）功能 9.3 42 9.3 星形耦合器 （ 1）熔融型星形耦合器 反射型星形耦合器：每个输入端口的光传输至所有端口，每个终端既有发射功能又有接收功能，因此需要定向耦合器 9.3 43 9.3 星形耦合器 （ 1）熔融型星形耦合器 由于要实现多消逝场的共用，单模光纤不能使用熔融型结构，需要 Y型功分器级联来实现 9.3 44 9.3 星形耦合器 （ 2）有源星形耦合器 熔融型耦合器为无源器件有源星形耦合器包含接收器、判决电路和发送器，实质上是中继器发送耦合采用多光纤熔融发制造 9.4 45 9.4 开关 主要用于分布式网络、测试设备和实验中 本章主要介绍双位开关和旁路开关 （ 1）双位开关 光功率从 1口输入， 2口或 3口输出 9.4 46 9.4 开关 （ 1）双位开关 性质： ① 插入损耗： LIL = - 10 log (P2 / P1 ) 插入损耗尽量小，并且两通道应一致 ② 串扰： LCT = - 10 log (P3 / P1 ) 端口隔离度指标 ③ 可重复性：每次开关回到相同位置应具有相同的插入损耗 ④ 开关速度：开关从一个位置转换到另一个位置的快慢 9.4 47 9.4 开关 （ 1）双位开关 活动棱镜型双位开关：由三个 GRIN棒透镜和一个棱镜组成 棱镜为 90° 且内全反射 棱镜下移则 端口 1和 3导通 9.4 48 9.4 开关 （ 2）旁路开关 用于 T形网络或者环形网络 9.4 49 9.4 开关 （ 2）旁路开关 电 -机旁路开关 9.4 50 9.5 光纤隔离器 （ 1）光隔离的意义 半导体 激光对系统其他部分的反射光能量很 敏感，会造成激光器的重新震荡，因而增加系统噪声。

光纤放大器会对回波产生放大，不仅产生噪声，还可能产生自激震荡（第 6章） 9.4 51 9.5 光纤隔离器 （ 2）光隔离的作用范围 由于系统中的种种连接件会对回波产生抑制作用，因此从远处反射的光到达激光器时已经非常的微弱（例如第 8章中连接器指标中有一个“回波损耗”），因此距离发射器越近，影响越大所以本节提到的防止反射的措施都使用在离发射机很近的情况下 9.4 52 9.5 光纤隔离器 （ 3）光隔离的一般方法 在光纤或透镜头端涂覆消反射涂层、将光纤头打磨成球状、特殊设计的连接器耦合形式等 （ 4）回波损耗定义 衡量控制反射有效性的指标是“回波损耗”，其定义为： 𝑳𝑹 = −𝟏𝟎𝒍𝒈𝑷𝒓𝑷𝒊𝑷𝒓是反射功率 𝑷𝒊是输入功率， 30dB到 40dB是设计良好值，在特殊应用中会高达 60dB 9.4 53 9.5 光纤隔离器 （ 5）基于法拉第偏转器的光纤隔离器 光隔离器是一个单向传输的非互易器件，由两个偏振器和一个 45° 法拉第偏转器构成： 9.4 54 9.5 光纤隔离器 （ 5）基于法拉第偏转器的光纤隔离器 9.4 55 9.5 光纤隔离器 （ 5）基于法拉第偏转器的光纤隔离器 9.4 56 9.5 光纤隔离器 （ 5）基于法拉第偏转器的光纤隔离器 9.4 57 9.5 光纤隔离器 （ 5）基于法拉第偏转器的光纤隔离器 9.4 58 9.5 光纤隔离器 （ 5）基于法拉第偏转器的光纤隔离器 性能指标： 插入损耗 𝑳𝑰𝑳 = −𝟏𝟎𝒍𝒈𝑷𝒐𝒖𝒕𝑷𝒊𝒏隔离度 𝑳𝑰𝑺 = −𝟏𝟎𝒍𝒈 𝑷𝒐𝒖𝒕,𝒓𝑷𝒊𝒏,𝒓 9.4 59 9。