微球与锥形光纤耦合系统的光学特性
Ξ
陆 颖 王吉有 徐晓轩 朱 箭 张存洲
(南开大学物理科学学院,天津,300071)摘要
本文在探索具有固有损耗的微球与锥形光纤耦合系统的光学特性的基础上,提出和研究了在微球中具有增益介质或非线性介质的耦合系统,推导了解析表达式,并且系统地分析了耦合系统的参数对各种特性和应用的影响,发现了一些新的特性和新的可能应用.
关键词:微球;锥形光纤;增益;非线性
中图分类号:TN 24
0 引 言
近年来,介电微球共振器在基础科学研究领域和光子学集成应用领域均引起人们越来越广泛的重视,其原因在于微球(直径几百微米)内部存在着特别高的品质因数(可达1×109)和非常小模体积的回廊模(W G M )[1].回廓模是一种高角动量的电磁模——相应于光子由于球面的连续全内反射而被强烈地限制在球面内,它在线性和非线性光谱中存在非常窄的共振峰,并且这些峰的波长仅依赖于介电微粒的形貌(尺寸和折射率)[2].这就为非线性、量子光学等现象的形成提供了条件,也为光子学器件发展提供了新的可能性,例如,低阈值微球激光器、室温烧孔存储器、半导体激光器频率控制和线宽压缩等.
如何简单而高效地激发和利用紧密限制在球表面赤道上的回廓模(即径向模序数很低,角模数很高的模)是上述研究中的关键问题.为此,人们必须利用近场耦合器将光以大于临界角的形式耦合进和耦合出微球.目前,在已通过实验证实有效的近场耦合器中,锥形光纤耦合器具有较多的优点[3].而且微球与锥形光纤形成的耦合系统必将具有许多新的特性和新的应用,可以预期成为集成光学中的一个通用单元.本文图1 微球-锥形光纤耦合系统 F i g 1 The coupl i n g syste m co m posed of m i crosphere and t apered f i ber 中,我们研究了这种系统在微球具有固有损耗、含有增益介质或
非线性介质三种情况下的光学特性及其相关的应用.从工程实用
的角度,导出了各重要参数的近似解析表达式,并且系统地讨论
了如何合理地选择系统参数使达到正确的匹配,以便构成各应用
中的最佳耦合系统.
微球与锥形光纤耦合系统见图1.当入射光频率扫过微球中
近表面赤道上的某个回廓模的共振频率时,绝热锥形光纤的包层
基模所携带的光耦合进这个模,此时,球内电场主要由共振模的
电场组成,其它非共振模电场的贡献可以忽略不计.微球的诸多用途主要来自于其共振特性,因此,我们可以采用单模近似来分析耦合系统的光学特性.显然,微球含有不同的介质,所组成的耦合系统必将具有不同的效应,因此也有不同的应用.
第33卷 第4期
南开大学学报(自然科学)
V ol .33 №42000年12月A cta S cientiarum N aturalium U niversitatis N ankaiensis D ec .2000
Ξ收稿日期:2000203222
1 具有固有损耗的微球耦合系统
由于辐射、散射、材料吸收和表面污染等因素,微球存在固有的损耗.在这种情况下,我们主要探讨在共振或接近共振时如何将尽可能多的入射光功率耦合进微球中的最有意义的高Q 回廓模中(即达到最佳耦合),从而使耦合系统高效地应用于低阈值激光器的激光模的激发和光通信中的窄带滤波器等,这也是耦合系统在其它诸多应用中的最基本的条件.为此,我们引入一个新概念,即稳态净耦合效率Γ,用它来表示稳态时耦合进微球的入射光功率的百分比,即锥形光纤中的净损耗百分比.假设除耦合进微球外,光纤中的吸收等损失可忽略不计,则有Γ=1-E 3
E 12(1)
如图1所示,耦合区域很小,所以在参考平面处我们可以使用集总参量E i 来表示第i 端口的归一化复场振幅,归一化是为了使 E i 2表示第i 端口的输入或输出功率.这样,场传输耦合方程为
E 3=1-t 2E 1+i tE 2; E 4=i tE 1+1-t 2E 2(2)
其中t 是与普通耦合模方程中的瞬态耦合系数有关的实振幅耦合系数,它标志确定对端口(E 1和E 4,E 2和
E 3)间的功率透过能力
.类似于文献[4]的分析,经过适当的简化处理,我们得出t 的解析表达式为t 2≈t 20exp [-2Χ0d ]
(3)其中
t 20≈9(n 2f -1)Κ3 22Πn 3s n f a 1 2b 30Χ0
1
a A ?-i (Χ0+2aB ?2) exp (-C a [a ?-i (Χ0+2aB ?2)]) exp (-2Χ0a 2? 2) C =(l -a Β0)[a ?Χ0-i (l -a Β0)]+a ?(1-a Β0+i a ?Χ0)(Χ0+a
B ?2)+i B a 4?6 4a 和n s 分别是微球的半径和折射率,n f 、b 0、?、Β0、和Χ0分别是光纤的包层折射率、束腰半径、锥角、束腰处的传播常数和衰减常数,A 和B 分别是传播常数和衰减常数在束腰附近的泰勒展开式中的第二项的系数,d 是微球与锥形光纤束腰间可调节的间隙距离.显然,E 2和E 4有如下关系
E 2=exp (-ΑL 2
)exp (i 5)E 4(4)其中,Α表示微球的衰减系数,L =2Πa ,5是光波沿微球赤道传播一周后获得的相移.
联立(2)式和(4)式,并进行模运算,可得到稳态净耦合效率
Γ=Σ1+2F Πsin 52
2(5)其中,Σ是峰值耦合效率
Σ=[1-exp (-ΑL )]t 2[1-exp (-ΑL 2)1-t 2]2
≈4ΑL t 20exp (-2Χd )(exp (-2Χd )+ΑL t 20)2(6)F 是细度
F =Π[exp (-ΑL )(1-t 2)]1 41-exp (-ΑL 2)1-t
2(7)从公式(5),(6)和(7)可以看出,要达到最佳耦合,也即稳态净耦合效率达到最大值,其条件是:
(1)入射光频率必须非常接近于待激发的回廓模的共振频率,并且锥形光纤传导模的传播常数与微球的回廓模的传播常数应该相匹配;
(2)峰值耦合效率Σ应该达到最大.公式(6)显示,当t 20≥ΑL 时,峰值耦合效率在d =ln (t 20 ΑL ) (2Χ0)
的情况下时可达到100?,而当t 20<Α
L 时,峰值耦合效率只能在d =0的情况下达到最大值(<100?),且随着t 2的增加而增加;
?7? 第4期陆 颖等:微球与锥形光纤耦合系统的光学特性
(3)由于实际的耦合系统可能存在相位不匹配(sin 52
≠0),所以F 对Γ的影响也应考虑,这时需要较大的实振幅耦合系数t .
显然,Γ决定于t ,ΑL 和5,而t 和5依赖于系统的几何参数.经过数值计算,我们发现t 0随微球半径a 的减小及锥角?的增加而增加,尤其当锥角超过一定值时,t 0显著地降低.
综上所述,在实际构造一个最佳耦合系统时,首先应选择半径适当且吸收系数较小的微球,并将入射光频率固定在某个待激发的回廓模的共振频率上.其次,锥形光纤应选择锥角较小,束腰半径与给定微球相匹配(根据传播常数匹配原则).最后,通过t 0和ΑL 的关系估计间隙距离d .
2 含有增益介质的微球耦合系统
毫无疑问,微球与锥形光纤耦合系统的大多数应用均需要尽可能高的品质因数Q ,而微球的固有损耗使品质因数受到一定的限制.为此,我们考虑如果在微球中充入激活介质,使其固有损耗在一定程度上被增益补偿,品质因数必将得到大大的提高,这个新的耦合系统也必将具有新的特性和新的应用.
首先,我们假设微球的光强对激活介质的增益系数g 的影响可以忽略不计(即只考虑线性情况),可设g 为常数.这时,耦合系统的功率输出特性表达式同前一节中的基本相同,只是将Α用(Α-g )来代替.于是,我们得到:
(1)当g <Α时,含有增益介质的微球组成的耦合系统的输出特性与没有增益介质的微球组成的耦合系统的输出特性基本相同,但是共振时的稳态净耦合效率更易达到100?.因此在与无增益介质耦合系统相同的应用中,有增益介质的耦合系统有更佳的性能;
(2)当g >Α时,系统的输出功率远远大于输入功率,即系统对入射光功率有放大的作用,这意味着系统有可能成为新的光学放大器.另外,在用于半导体激光器的稳频时,g >Α的系统应该更具优势.
现在我们特别考虑有增益介质微球组成的耦合系统的另一个可能的应用,即传感器.众所周知,化学家们一直在利用吸收光谱测量含量很少的物质,而我们的耦合系统将使此技术变得更灵敏.为达到此目的,我们将系统稍加改动并示于图2中.如果一种样品分子被放在球的表面,并且吸收球外的易逝波,作为一种损耗光被耦合出小球,这可以用一个小量?来描述,显然?与样品的浓度或其它的参数有关.类似于前一节的分析,并进行一定的近似处理,我们导出系统在共振时的输出功率特性表达式为
图2 用作传感器的微球-锥形光纤耦合F i g 2 The coupl i n g syste m co m posed of
m i crosphere and t apered f i ber a s a sen sor E 5
E 12≈2t 2k 0n s Q 2-8t 4k 30n 3s Q 3?2(8)其中Q 为耦合系统的品质因数:Q =2Πn s
[(Α-g )L +2t 2]Κ
实际中,t 通常在10-3数量级,因此对于g =0甚至g <Α的
情况,由于最大的品质因数在106数量级,所以最大的敏感系数
8t 4
k 30n 3s Q 3仅仅达到106数量级.对于g >Α情况,只要Q >108(这是
可能的),敏感系数即可达到1012数量级,这与文献[5]提出的敏
感系数可达1012的传感器相比,也显示了有增益介质微球组成的耦合系统更有希望用作传感器.这种传感器可用于探测爆炸物成份或生物、化学武器.
3 含有非线性介质的微球耦合系统
因为与其它非线性共振器相比,含有非线性介质的微球共振器在更小的尺寸下,仍能保持相对较高的品质因数,所以这种微球内存在更大的场强,相应地,由它组成的耦合系统也有可能在较低的阈值功率下
?8? 南开大学学报(自然科学版)第33卷
产生非线性效应.本节中,我们仅仅论证耦合系统在较低的入射功率就可利用非线性介质的Kerr 效应产生双稳态和差分放大,并导出这些现象存在的解析条件.
当微球含有非线性介质时,耦合系统的功率输出特性表达式在形式上与线性情况下的公式(5)基本一样,但是其中的5由于Kerr 效应而与入射功率有关[6],5=ΒL +R 1-e -ΑL
Α E 4 2=ΒL +R (1-e -Α
L )Α(1-e ΑL )E 3
E 12-1 E 1 2(9)
其中,ΒL 表示线性相移,R 表示非线性相移系数,参考文献[7]导出的系统的R 为
R ≈n 2k 012n 0Ε0Λ0∫S e s 4d s (10)
其中Ε0,Λ0分别为真空介电常数和真空磁导率,e s 是微球中功率归一化的环形本征模场,n 2是非线性折射率系数(仅考虑n 2>0情况).
公式(5)和(9)联合,可以完全描述系统的输入2输出特性,显然,其特性依赖于线性相移(ΒL =2Πl +?,?表示线性相移失调),t 、Α、L 和n 2.
双稳态存在的条件是方程d E 1 2
d E 3 2
=0,它存在两个不同的正实数根,而差分放大产生的条件是此方程存在一个正实数根.通过近似处理,我们得出临界条件为
?c =-
12F ≈32?5; E 1 2c =16Α9R Σ3F 其中F =2F Π,?5是共振峰的半高宽.
只要满足 E 1 2> E 1 2c 和?
统则产生差分增益为无穷大的差分放大现象.
由于在实际的双稳态系统中,开关功率和区域大小是较重要的指标,因此我们给出它们的解析表达式;
? E 1 2= E 1 2on - E 1 2off ; ? E
3 2= E 3 2H -
E 3 2L 其中
E 1 2on =Α3R Σ-2?-?2-12
F 1+F sin 2?-?2-12 F 6
; E 1 2off =Α3R Σ-2?+?2+12 F 1+F sin 2?+?2-12 F 6
; E 3 2H =Α3R Σ-2?-?2-12 F 1-Σ+F sin 2?-?2-12 F 6
; E 3 2L =Α3R Σ-2?+?2-12 F 1-Σ+F sin 2?+?2-12 F 6
为给出数量级的概念,我们选择参数a =50Λm ,Α=10-7,n 0=1.44,n 22.3×10-22m 2 V 2,Κ≈
1.55Λm ,?=-4?5和t 2 ΑL =0.86.进行数值计算后,得到双稳态的开关功率分别为4.6ΛW 和19ΛW ,而
当?=?c 和输入功率为 E 1 2c =1.4ΛW 时,产生差分增益为无穷大的差分放大.在微瓦量级入射功率下产
生双稳态和差分放大现象,表明此耦合系统有希望成为光子计算机、高速全光学处理系统中的光学存储器、逻辑门、全光学开关等光集成器件.另外的一些计算表明,随着 ? 的减小和t 2趋近于ΑL ,双稳态的开关功率及区域均逐渐减小,因此在实际应用中应该根据具体情况选择不同的参数.
4 总 结
本文通过研究微球与锥形光纤耦合系统的光学特性及其相关的应用,给出最基本的具有固有损耗的微球耦合系统达到最佳耦合的条件,特别地,发现在微球中充入增益介质后耦合系统具有光放大和传感器作用、充入非线性介质后在较低的入射功率下即可产生双稳态或差分放大现象.这些结果表明此系统具有
?9? 第4期陆 颖等:微球与锥形光纤耦合系统的光学特性
作为集成光学中的一个灵活多用单元的潜在优势.
参考文献
1 B raginky V B ,Gorodetsky M L ,Ilchenko V S .Excitati on of morphol ogy dependent res onances of m icros pherical cavit 2
ies using op tical fibers
.P hy s L ett ,1989,A 137:393～397 2 Barber P W ,Chang R K .Op tical Effects A ss ociaated w ith S m all Particles .Singapore :W orld Scientific ,1988 3 Knigh t J C ,Cheung J C ,Jacques F et al .Phase 2m atched excitati on of w h is pering 2gallery 2mode res onances by a fiber
taper .O p t L ett ,1997,22(15):1129
～1131 4 Gorodetsky M L ,Ilchenko V S .Op ticalm icrophere res onators :op ti m al coup ling to h igh 2Q w h is pering 2gallery modes
.J O p t S oc A m B ,1999,16(1):147
～154 5 L ittle B E ,Chus S T ,H aus H A .Second 2order filtering and sensing w ith partially coup led traveling w aves in a single
res onator .O p t L ett ,1998,23(20):1570
～1572 6 Capm any J ,F raile 2Pel áez F J ,M uriel M A .Op tical bistability and differential amp lificati on in nonlinear fiber re 2
s onators
.IE E E J Q uantum E lectron ,1994,30(11):2578～2588 7 C rosignani B ,D aino B ,D i Porto P et al .Op tical m ultistability in a fiber 2op tic passive 2l oop res onator .O p t Co mm un ,
1986,59(4):309～312
TH E O PT I CAL CHA RA CT ER IST I CS O F
M I CRO SPH ER E 2TA PER ED F I B ER COU PL E SYST E M
L u Ying ,W ang J iyou ,Xu X iaoxuan ,Zhu J ian ,Chang Cunzhou
(Institute of P hy sics ,N ankai U niversity ,T ianj in ,300071)
Abstract
O n the basis of the coup ling syste m composed of m icros phere w ith intrinsic l osses and tapered fiber ,the characteristics and app licati ons of th is syste m is investigated .T he coup ling syste m m ade of m icros phere w ith gain or non linear m edium are als o p ropo sed and studied .T he effect of the pa 2ra m eters of the syste m on the features and app licati ons in th is th ree cases is discussed .
Key words :m icros phere ;tapered fiber ;gain ;nonlinear
?01? 南开大学学报(自然科学版)第33卷
光纤耦合器 光纤耦合器的概述 ?·光纤耦合器的简介 ?·光纤耦合器的分类 ?·光纤耦合器的制作方式 ?·光纤耦合器端口的级联 光纤耦合器的应用 ?·2×2单模光纤耦合器的改进... ?·光纤耦合器中光孤子传输的... ?·可调光子晶体光纤耦合器的制作 光纤耦合器的简介 光纤耦合器是指光讯号通过光纤中分至多条光纤中的元件,属于一种光被动元件,一般 在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路各个领域都会应用到,与光纤连接器 在被动元件中起重大作用,也叫分歧器. 光纤耦合器的分类 光纤耦合器一般分为三类: 标准耦合器:双分支,单位1X2,就是将光讯号未成两个功率 星状/树状耦合器 波长多工器:也称作WDM,一般波长属于高密度分出,即波长间距窄,就是WDM 光纤耦合器的制作方式 光纤耦合器制作方式有烧结(FUSE)、微光学式(MICRO Optics)、光波导式(Wave Guide) 三种.这里介绍下烧结方式,烧结方式占了多数(约有90%),主要的方法是将两条光纤并在一起烧融拉伸,使核芯聚合一起,以达光耦合作用,而其中最重要的生产设备就是融烧机,也是最为重要的步骤,虽然重要步骤部分可由机器代工,但烧结之后,必须人工封装,所以人工成本在10%-15%左右,其次采用人工检测封装必须保证品质一致性,这也是量产时所必须克服的,但技术困难度不若DWDM MODULE及光主动元件高,因此初期想进入光纤产业的厂商,大部 分会从光耦合器切入,毛利则在20～30% 光纤耦合器端口的级联 光纤耦合器端口的级联 由于光纤端口的价格仍然非常昂贵,所以,光纤主要被用于核心交换机和骨干交换机之间连接,或被用于骨干交换机之间的级联.需要注意的是,光纤端口均没有堆叠的能力,只能被用于级联. 1. 光纤跳线的交叉连接
课程设计题目：外调制光纤通信系统设计 学院：信息科学与工程学院 年级专业：09级光电子1班 学号：xxxxxxxx 学生姓名：xxxxx 指导教师：xxx
一、设计要求 设计10Gpb速率的外调制光纤链路，保证链路能正常通信，误码率BER小于10-12，对应的品质因数Q大于7 二、设计技术参数 1）DFB-LD（SLM），光源中心波长λ0=1552.5nm（193.1Thz），谱线宽度Δλ=0.1 nm(12.5GHz) 2)光纤传输距离120km 3)光发射机发射光功率范围：10dBm～13dBm，可取10dBm 4)APD光接收机灵敏度范围：-25dBm～-9dBm ，可取-18dBm 5) G.652标准单模光纤，光纤的衰减系数α=0.2dB/km，色散系数D=17ps/nm/km 6) 色散补偿光纤衰减系数α=0.5dB/km, 色散系数D=-100ps/(nm.km) 7) 线路编码为NRZ 8) 连接器损耗α=1dB/个 二、设计要点 链路采用外调制的模式，系统通过电信号（NRZ码）控制光调制器产生光信号。产生的光信号通过光纤传输至信号接收端，经光电探测器转换为电信号，完成链路的传输。 衰减：在实际工作中，光纤有一个衰减系数，光信号会随着传输而衰减。为了使光信号传输到探测器时，信号的功率在光电探测器的灵敏度范围之内，链路设计放大模块将信号放大。 色散：不同频率的光波在光纤中传播的速度不同，频率较小的光传播速度快，频率较大的光传播速度慢。由于链路采用的光源激光器存在一定的带宽，因而光信号在传输过程中会产生色散，传输距离越长，色散现象越严重。针对色散问题，链路设计了色散补偿光纤来消除色散。 因此，设计链路所需要解决的主要问题是色散和衰减。通过改变色散光纤的长度和放大器的放大方法来消除传输中带来的色散问题和衰减问题。另外，在设计时，系统的噪声因素也应考虑在内。 三、链路设计 1.根据要求设计链路 通信链路由信号源、线路编码器、光源、连接器、光纤、必要补偿单元、连接器、光接收机组成。设计时，使用伪随机码发生器充当信号源，用连续波激光器和M-Z调制器组成外调制型光源，用1dB衰减器充当连接器，使用不同参数的光纤分别充当传输光纤和色散补偿光纤，使用7dB衰减器充当系统衰减富余量，使用眼图分析仪来观察链路传输的眼图、分析链路的误码率和品质因数。设计链路，初始时不添加色散光纤（色散光纤长度为0）和增益，检测系统的眼图和品质因数。如下图所示：
光纤陀螺－光电子技术在光纤传感器中应用的典范 汪绳武 （上海永鼎光电子技术有限公司） 中国惯性学会 摘要 光纤陀螺是属于惯性技术范畴的一种惯性仪表。光纤陀螺也是 光电子技术范畴的一种光传感器，光纤陀螺是惯性技术与光电子技术 紧密结合的产物。但实际上，惯性技术与光电子技术在光纤螺上的紧 密切合还是不足的，光电子技术的发展还没有充分注意到光纤传感器， 特别是光纤陀螺的潜在市场。 本文通过对光纤陀螺和与其相关的光电子器件的介绍， 希望两个技 术方面要在过去已有的基础上，更进一步互相渗透，使光纤陀螺市场 早日形成。 1．概述 陀螺仪的应用在我们周围无处不存在，例如，在国防领域中导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统的稳定等都离不开陀螺仪。在国民经济领域中，工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制等也要靠陀螺仪。即使在日常生活中，人们在不知不觉中也已经或将得益于陀螺仪。比如飞机在飞行中使旅客感到十分平稳和舒适是得益于陀螺仪构成的航向姿态参考系统。随着列车提速，消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，就要借助于陀螺仪。还有，汽车行驶中的定位和导向，在目前主要靠GPS，但GPS的使用存在着被动性的缺点，当GPS与陀螺组合在一起时，才使汽车导向和自动驾驶真正具备了主动性。陀螺仪的应用十分广泛，以上的例子只是极少的一部分。 以上列举的应用是通过陀螺仪和伺服控制系统共同实现的，而陀螺仪在其中充当了一个十分重要的、不可缺少的角色。 陀螺仪的种类很多，包括机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的等等。各种陀螺仪都具有自身的优点。但到目前为止，在众多类型的陀螺中，光纤陀螺更受到各种应用的关注。 光纤陀螺本质上是由光电子器件组成的光干涉仪系统，没有任何活动部件，这就决定了光纤陀螺具有一系列独特的优点：不怕冲击振动，可以在恶劣的力学环境下应用；对角速 率的反应极快；角速率测量灵敏度高；测量速率范围高达；潜在的成本低；加工简单。 这些优点是其它陀螺不能比拟的。 国内外十分重视光纤陀螺的发展和应用，但目前国内发展速度跟不上需求，至今尚未生产和达到应用。主要问题是总体技术未达到应用的要求，而与光纤陀螺相关的光电子器件在技术和数量上又满足不了陀螺总体的设计要求。 通信光电子器件产业在国内已经有相当的规模，但主要市场的还是针对光通信行业，对光电子器件的另一个应用市场，即光纤陀螺和光纤传感器，还未被受到足够的重视。研究其原因，从商业角度考虑，是因为光纤陀螺市场尚未形成，不能成为推动光纤陀螺专用的光
保偏光纤耦合器-拉锥式 产品特点 主要应用 低插入损耗 高承受功率 高消光比 高稳定性 高可靠性 光放大器 光纤水听器 光纤陀螺仪 干涉实验 相干系统 封装尺寸 性能参数 参数 单位 指标 类型 - 1x2 2x2 中心波长 nm 1310,1550 1064 1310,1550 1064 工作波长范围 nm ±20 典型附加损耗 dB 0.3 0.6 0.3 0.6 最大附加损耗 0.7 0.9 0.7 0.9 耦合比 dB 01/99~50/50 典型消光比 dB 20 18 20 18 最小消光比 dB 17 15 17 15 最大光功率(CW) mW 2000 最大承受拉力 N 5 光纤类型 - 熊猫保偏光纤 工作温度 ℃ -5~+70 储存温度 ℃ -40~+85 封装尺寸 Mm ?3x54:裸光纤 ?3x70: 900um 保护套管 9x16x90: 900um ，2.0mm ，3.0mm 套管 以上参数不含连接头，加头损耗IL ≤0.3db ，RL ≧5db ，ER ≧2db ，保偏光纤的慢轴方向与连接头定位键对准; 订货信息：PMSC-XXXX-XXXX-X 产品名称 工作波长 结构类型 分光比 尾纤类型 尾纤长度 连接头类型 工作轴向 拉锥式保偏耦合器 1550=1550nm 1=1x2 50=50：50 0=250um 裸纤 0=0.8米 0=FC/UPC S-慢轴 1310=1310nm 2=2x2 10=10：90 1=900um 套管 1=1米 1=FC/APC F=快轴 1064=1064nm 01=1：99 9=不带头 自定义 70 Ф3.0
单模和多模光纤的特点和应用 一、光纤结构和类型 （一）光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，是一种新的光波导，是光通信系统最普遍和最重要的传输媒质。它由单根玻璃纤芯、紧靠纤芯的包层、一次涂覆层以及套塑保护层组成。（光纤呈圆柱形，由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。） 纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。 包在外围的覆盖层就像不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。 1. 纤芯 位置: 位于光纤的中心部位， 直径：在4~50μm，单模光纤的纤芯直径为4~10μm ,多模光纤的纤芯直径为50μm。纤芯的成分：含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅（如二氧化锗，五氧化二磷）作用是适当提高纤芯对光的折射率，用于传输光信号。 2. 包层 位置: 位于纤芯的周围 直径：125μm 成分：是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。 掺杂剂（如三氧化二硼）的作用：适当降低包层对光的折射率，使之略低于纤芯的折射率，即纤芯的折射率大于包层的折射率（这是光纤结构的关键），它使得光信号封闭在纤芯中传输。 3. 光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层：一般使用丙烯酸醋、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层：一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层：一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆层的作用：是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤外径约2. 5 mm 。 4. 光纤最重要的两个传输特性 损耗和色散是光纤最重要的两个传输特性，它们直接影响光传输的性能。 (l)光纤传输损耗：损耗是影响系统传输距离的重要因素之一，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。 吸收损耗是因为光波在传输中有部分光能转化为热能； 散射损耗是因为材料的折射率不均匀或有缺陷、光纤表面畸变或粗糙造成的。 当然，在光纤通信系统中还存在非光纤自身原因的一些损耗，包括连接损耗、弯曲损耗和微弯损耗等。这些损耗的大小将直接影响光纤传输距离的长短和中继距离的选择。 (2)光纤传输色散：色散是光脉冲信号在光纤中传输，到达输出端时发生的时间上的展宽。产生的原因是光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在传输时因速度不同，到达终点所用的时间不同而引起的波形畸变。 色散结果：这种畸变使得通信质量下降，从而限制了通信容量和传输距离。 二、光纤通信的工作窗口 光纤损耗系数随着波长而变化，为获得低损耗特性，光纤通信选用波长范围在800 ~1800nm，
本技术提供了一种光纤配线架，包括：母板(2)、ARM主机(4)、远端服务和光纤耦合器(1)；所述光纤耦合器(1)插入所述母板(2)中；所述母板(2)与所述ARM主机(4)连接；所述ARM主机(4)与所述远端服务连接；所述光纤耦合器(1)与光纤连接，用于获取光纤的散射红外光，并将获取的红外光波转换为微电流或微电压数据；所述ARM主机(4)用于，将电流/电压信号转变为可传输于IP网络的数据并通过IP网络将数据传输到远端服务。本技术提供的技术方案通过红外传感器获取散射红外光实现全天候监测光纤的通信状态。 技术要求 1.一种光纤耦合器，其特征在于，包括：耦合部(13)和一端设有红外传感器(11)的电路板(12)； 所述耦合部(13)一端与电路板(12)具有红外传感器(11)的一端固定，所述耦合部(13)的另一端与光纤连接；所述电路板(12)的另一端插入可与光纤耦合器(1)连接的外部设备； 所述红外传感器(11)用于获取与所述耦合部连接的光纤在通信中发出的散射红外光波，并将红外光波转换为微电流或微电压数据。 2.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述耦合部正中位置设置有凹槽； 所述红外传感器(11)固定于所述耦合部的凹槽处。 3.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述光纤为单模/多模；
优选的，所述光纤耦合器(1)设置于光纤配线架壳体(5)上； 优选的，还包括，外壳； 所述外壳包裹所述耦合部。 4.一种光纤配线架，其特征在于，包括：母板(2)、ARM主机(4)、远端服务和如权利要求1-3任一项所述的光纤耦合器(1)； 所述光纤耦合器(1)插入所述母板(2)中；所述母板(2)与所述ARM主机(4)连接；所述ARM 主机(4)与所述远端服务连接； 所述光纤耦合器(1)与光纤连接，用于，获取光纤的散射红外光，并将获取的红外光波转换为微电流或微电压数据； 所述ARM主机(4)用于，将电流/电压信号转变为可传输于IP网络的数据并通过IP网络将数据传输到远端服务。 5.如权利要求4所述的光纤配线架，其特征在于，所述光纤线路监测装置还包括排线(3)；所述母板(2)包括耦合器电路板插槽(21)和电路板排线插槽(22)；所述ARM主机包括ARM主机排线插槽(41)； 所述电路板排线插槽(22)和ARM主机排线插槽(41)通过所述排线(3)连接； 优选的，所述光纤耦合器(1)、所述耦合器电路板插槽(21)和排线插槽(22)的个数大于等于1； 优选的，所述光纤耦合器具有编号和位置信息； 所述光纤耦合器的编号与接入所述光纤耦合器的光纤的编号一致； 所述耦合器的位置信息与接入所述光纤耦合器的光纤的位置一致。 6.如权利要求5所述的光纤配线架，其特征在于，所述ARM主机(4)还包括：管理主机(42)；
（通信企业管理）第章_光纤通信系统的设计
第7章光纤通信系统 于前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。于这章里我们将讨论如何将这些器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来见，分光同步传输网、光纤用户网、复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信于计算机网络中的应用等等。从其地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系统设计的要求是不壹样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对光纤通信方面的知识有壹全面了解。 6.1设计原则 6.1.1工程设计和系统设计 光纤通信系统的设计包括俩方面的内容：工程设计和系统设计。 工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。 系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。 6.1.2系统设计的内容 光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检测器的工作特性、
多模光纤 多模光纤 多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输，由于多模光纤的芯径较大，故可使用较为廉价的耦合器及接线器，多模光纤的纤芯直径为50μm至100μm。 目录 分类 对比 多模光纤产品选用指南 多模光纤的应用潜力 1.九十年代所占市场 2.七十年代崛起后 3.特点 4.“62.5”的兴衰和“50”的崛起 5.“62.5”优势 6.后续发展 7.802.3出台的影响 8.“新一代多模光纤” 1.新一代类型 2.新一代多模光纤光源 3.新一代多模光纤的带宽 4.光源的注入 1.介绍 2.①偏置注入 3.②中心注入 展开 分类 对比 多模光纤产品选用指南 多模光纤的应用潜力 1.九十年代所占市场
2.七十年代崛起后 3.特点 4.“62.5”的兴衰和“50”的崛起 5.“62.5”优势 6.后续发展 7.802.3出台的影响 8.“新一代多模光纤” 1.新一代类型 2.新一代多模光纤光源 3.新一代多模光纤的带宽 4.光源的注入 1.介绍 2.①偏置注入 3.②中心注入 展开 分类 基本上有两种多模光纤，一种是梯度型（graded）另一种是阶跃型（stepped），对于梯度型（graded）光纤来说，芯的折射率（refraction index)于芯的外围最小而逐渐向中心点不断增加，从而减少讯号的模式色散，而对阶跃型（Stepped Index）光缆来说，折射率基本上是平均不变，而只有在包层（cladding）表面上才会突然降低。阶跃型（stepped）光纤一般较梯度型（graded）光纤的带宽低。在网络应用上，最受欢迎的多模光纤为62.5/125，62.5/125意指光纤芯径为62.5μm而包层（cladding）直径为125μm，其他较为普通的为50/125及100/140。 对比 相对于双绞线，多模光纤能够支持较长的传输距离，在10mbps及 100mbps的以太网中，多模光纤最长可支持2000米的传输距离，而于1GpS 千兆网中，多模光纤最高可支持550米的传输距离，在10Gps万兆网中，多模光纤最高可支持100米以内的传输距离。
光纤通信系统设计 1 概述 图 1.1 标准光纤通信系统架构 2 模拟系统设计 光纤系统中，各组件的累加损耗应足够低以符合探测器的阈值要求。模拟系统中，充足的功率意味着高SNR，另外，组件的组合应该提供足够的带宽以通过较高的调制频率，因此，应对单个器件的损耗和带宽进行分析，并计算整个系统的功率分配和带宽预算。 2.1 系统规格 2.1.1 初始方案 以设计简单的点对点视频系统为例，电视广播信号的带宽为6MHz，要求SNR为50dB。 表2.1 系统方案一：窄带宽和低功率 Carrier Source LED0.8-0.9um Information Channel MMF (SI or GRIN) Detector PIN-PD 表2.2 系统方案二：高带宽和高功率 Carrier Source LD 1.3um Information Channel SMF Detector APD 2.1.2 负载电阻计算 已知PIN-PD的电容和传输带宽，根据方程 求得负载电阻
取近似值，计算得为6.24MHz。 2.2 功率预算 2.2.1 平均光功率计算 标准的SNR方程是 由于使用PIN-PD作为光电探测器，假设系统是热噪声限系统，调制系数m为100%，SNR方程简化为 由于放大器噪声的存在，将实际温度T替换为等效噪声温度，假设环境温度T为300K，放大器噪声系数F为2，则，又已知PD响应率为，计算平均光功率P为 取P近似值为。 2.2.2 平均光电流计算 根据平均光功率P为，计算得PIN-PD的平均光电流，远大于暗电流（几个纳安），因此系统中暗电流的影响可以忽略，计算热噪声电流均方值 散粒噪声电流均方值 可以得到，热噪声功率是散粒噪声功率的近7倍，符合最开始采用热噪声限模型的假设。 预测平均光电流为时，并没有驱动探测器进入非线性区，最大饱和电流等于偏置电压与负载电阻的比值，使用5V偏压时，最大允许电流为（或），远远大于，系统不存在饱和问题。 2.2.3 详细方案 光源SE LED SI MMF
光纤耦合器 光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter），是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属於光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到，与光纤连接器分列被动元件中使用最大项的（根据ElectroniCat资料，两者市场金额在2003年约达25亿美元）。光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）。烧结方式的制作法，是将两条光纤并在一起烧融拉伸，使核芯聚合一起，以达光耦合作用，而其中最重要的生产设备是融烧机，也是其中的重要步骤，虽然重要步骤部份可由机器代工，但烧结之後，仍须人工作检测封装，因此人工成本约占10～15％左右，再者采用人工检测封装须保品质的一致性，这也是量产时所必须克服的，但技术困难度不若 DWDM module及光主动元件高，因此初期想进入光纤产业的厂商，大部分会从光耦合器切入，毛利则在20～30％。由於进入门槛较低，国内也有一些超低价的标准型光耦合器 （1×2），售价甚至在14美元以下，但品质仍待改进。目前台湾投入光耦合器的业者包括光炬、波若威、台精、光腾、超越光、伟电、华隆、百讯、上诠等，大陆投入的企业有上海上诠、深圳中和光学有限公司、武汉邮电科学研究院、上海光城邮电通信设备公司、上海天脉光纤通讯科技有限公司、天津新光通信有限公司、深圳光波公司、柏业公司等，而国外业者则有JDS、E Tek、Oplink、Gould等，已有直接在大陆设厂生产耦合器 通信系统中光开关的现状及发展前景 2002-12-04 14:15 华中科技大学光电子工程系杨俊阮玉 摘要 光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。光开关在光分/插复
光纤耦合器光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter），是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到，与光纤连接器分列被动元件中使用最大项的（根据ElectroniCat资料，两者市场金额在2003年约达25亿美元）。光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属于DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（MicroOptics）、光波导式（WaveGuide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）。烧结方式的制作法，是将两条光纤并在一起烧融拉伸，使核芯聚合一起，以达光耦合作用，而其中最重要的生产设备是融烧机，也是其中的重要步骤，虽然重要步骤部份可由机器代工，但烧结之后，仍须人工作检测封装，因此人工成本约占10～15％左右，再者采用人工检测封装须保品质的一致性，这也是量产时所必须克服的，但技术困难度不若DWDMmodule及光主动元件高，因此初期想进入光纤产业的厂商，大部分会从光耦合器切入，毛利则在20～30％。国外业者有JDS、E-Tek、Oplink、Gould等，目前都已直接在大陆设厂生产耦合器跳线先说配线架吧，就是外线（电信线路）和内线进行交换为了方便管理而设的线路管理的机架。通常外线是架好不用动的，内现在表层，员工调了位置或人员流动时就要对号码或分机进行相应的移动，这就是跳线。跳线，实际上就是将用户的端口在交换机上（网络）和配线架上（语音）做一个调整，但现在的弱电几乎都是在配线架上面完成，网络和语音都在一块的，这就是网管的基本工作。另外顺便说一句，现在还有一种光纤跳线，在配线架上面用的，俗名也叫跳线/尾纤，呵呵。 尾纤尾纤又叫猪尾线，只有一端有连接头，而另一端是一根光缆纤芯的断头，通过熔接与其他光缆纤芯相连，常出现在光纤终端盒内，用于连接光缆与光纤收发器（之间还用到耦合器、跳线等）。跳线，就是两端有连接头（如ST、SC、FC、MTRJ等等）的一段线缆（有光纤跳线、双绞线跳线及其他铜缆跳线等），作用是直接连接两个标准接口设备互连1、图解交换机设备的级联双绞线端口的级联级联既可使用普通端口也可使用特殊的MDI-II端口。当相互级联的两个端口分别为普通端口（即MDI-X）端口和MDI-II端口时，应当使用直通电缆。当相互级联的两个端口均为普通端口（即MDI-X）或均为MDI-II端口时，则应当使用交叉电缆。无论是10Base-T以太网、100Base-TX快速以太网还是1000Base-T千兆以太网，级联交换机所使用的电缆长度均可达到100米，这个长度与交换机到计算机之间长度完全相同。因此，级联除了能够扩充端口数量外，另外一个用途就是快速延伸网络直径。当有4台交换机级联时，网络跨度就可以达到500米。这样的距离对于位于同一座建筑物内的小型网络而言已经足够了！1．使用Uplink端口级联现在，越来越多交换机（Cisco交换机除外）提供了Uplink端口（如图1所示），使得交换机之间的连接变得更加简单。图1Uplink端口Uplink端口是专门用于与其他交换机连接的端口，可利用直通跳线将该端口连接至其他交换机的除Uplink端口外的任意端口（如图2所示），这种连接方式跟计算机与交换机之间的连接完全相同。需要注意的是，有些品牌的交换机（如3Com）使用一个普通端口兼作Uplink端口，并利用一个开关（MDI/MDI-X转换开关）在两种类型间进行切换。图2利用直通线通过Uplink端口级联交换机. 2．使用普通端口级联如果交换机没有提供专门的级联端口（Uplink端口），那么，将只能使用交叉跳线，将两台交换机的普通端口连接在一起，扩展网络端口数量（如图3所示）。需要注意的是，当使用普通端口连接交换机时，必须使用交叉线而不是直通线。图3利用交叉线通过普通端口级联交换机光纤端口的级联由于光纤端口的价格仍然非常昂贵，所以，光纤主要被用于核心交换机和骨干交换机之间连接，或被用于骨干交换机之间的级联。需要注意的是，光纤端口均没有堆叠的能力，只能被用于级联。1．光纤跳线的交叉连接所有交换机的光纤端口都是2个，分别是一发一收。当然，光纤跳线也必须是2根，否则端口
OptiSystem 仿真实例 目录 1光发送机（Optical Transmitters）设计 1.1光发送机简介 1.2光发送机设计模型案例：铌酸锂（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器的啁啾（Chirp） 分析 2光接收机（Optical Receivers）设计 2.1光接收机简介 2.2光接收机设计模型案例：PIN光电二极管的噪声分析 3光纤（Optical Fiber）系统设计 3.1光纤简介 3.2光纤设计模型案例：自相位调制（SPM）导致脉冲展宽分析 4光放大器（Optical Amplifiers）设计 4.1光放大器简介 4.2光放大器设计模型案例：EDFA的增益优化 5光波分复用系统（WDM Systems）设计 5.1光波分复用系统简介 5.2光波分复用系统使用OptiSystem设计模型案例：阵列波导光栅波分复用器（AWG ） 的设计分析 6光波系统（Lightwave Systems）设计 6.1 光波系统简介 6.2 光波系统使用OptiSystem设计模型案例：40G单模光纤的单信道传输系统设计 7色散补偿（Dispersion Compensation）设计 8.1 色散简介 8.2 色散补偿模型设计案例：使用理想色散补偿元件的色散补偿分析 8孤子和孤子系统（Soliton Systems） 9.1 孤子和孤子系统简介 9.2 孤子系统模型设计案例： 9结语
1 光发送机（Optical Transmitters ）设计 1.1 光发送机简介 一个基本的光通讯系统主要由三个部分构成，如下图1.1所示： 作为一个完整的光通讯系统，光发送机是它的一个重要组成部分，它的作用是将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。光发送机的核心是光源及其驱动电路。现在广泛应用的有两种半导体光源：发光二级管（LED ）和激光二级管（LD ）。其中LED 输出的是非相干光，频谱宽，入纤功率小，调制速率低；而LD 是相干光输出，频谱窄，入纤功率大、调制速率高。前者适宜于短距离低速系统，后者适宜于长距离高速系统。 一般光发送机由以下三个部分组成： 1) 光源（Optical Source ）：一般为LED 和LD 。 2) 脉冲驱动电路（Electrical Pulse Generator ）：提供数字量或模拟量的电信号。 3) 光调制器（Optical Modulator ）：将电信号（数字或模拟量）“加载”到光波上。以 光源和调制器的关系来看，可划分为光源的内调制和光源的外调制。采用外调制器，让调制信息加到光源的直流输出上，可获得更好的调制特性、更好的调制速率。目前常采用的外调制方法为晶体的电光、声光及磁光效应。 图1.2为一个基本的外调制激光发射机结构：在该结构中，光源为频率193.1Thz 的激光二极管，同时我们使用一个Pseudo-Random Bit Sequence Generator 模拟所需的数字信号序列，经过一个NRZ 脉冲发生器（None-Return-to-Zero Generator 转换为所需要的电脉冲信号，该信号通过一个Mach-Zehnder 调制器，通过电光 图1.1 光通讯系统的基本构成 1）光发送机 2） 传输信道 3）光接收机 图2 外调制激光发射机
第6章光纤通信系统的设计 在前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。在这章里我们将讨论如何将这些器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来看，分光同步传输网、光纤用户网、复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信在计算机网络中的应用等等。从其地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系统设计的要求是不一样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对光纤通信方面的知识有一全面了解。 6.1 设计原则 6.1.1 工程设计与系统设计 光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。 工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。 系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。 6.1.2系统设计的内容 光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检测器的工作特性、系统结构和传输体制等。 例如，目前在骨干网和城域网中普遍选择同步数字序列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)作为系统制式，在设计SDH体制的光纤通信系统时，首先要掌握其标准和规范，SDH的传输速率分为STM-1(155.52Mb/s)、STM-4(622.08Mb/s)、STM-16(2.5Gb/s)和STM-64(10Gb/s)等四个级别。ITU-T对每个级别（STM-64正在研究中）所使用的工作波长范围、光纤通道特性、光发射机和接收机的特性都作了规定，并对其应用给出了分类代码，表6.1给出了STM-1标准光接口的主要指标，其中应用分类代码中的符号I表示距离不超过2km的局内应用，S表示距离在15km的局间短距离应用，L表示距离在40～80km的局间长距离应用，符号后的数字表示STM的速率等级和工作波长（1310nm）。 又例，对于局域网(LAN)的设计，IEEE、TIA/EIA等组织也有相关的标准，见表6.2，对数据速率、波长作了规定。表6.3表示了波长范围以及相应技术的要求。对于数据速率为10Mbit/s或100Mbit/s的LAN系统，其光缆的长度可以查阅IEEE802.3u和TIA/EIA568A标准。表6.4为其建议的最大光缆长度。 虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。②数据速率或信道带宽。③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。在作过相关的分析后，我们要决定：是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数的选取；是采用LED还是LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用PIN还是APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910331365.5 (22)申请日 2019.04.24 (71)申请人 暨南大学 地址 510632 广东省广州市天河区黄埔大 道西601号 (72)发明人 贾伟 周常河 王津 项长铖 谢永芳 薄启宇 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人 陈燕娴 (51)Int.Cl. G01M 11/00(2006.01) (54)发明名称基于同轴干涉的波面测量装置(57)摘要本发明公开了一种基于同轴干涉的波面测量装置，包括用于产生干涉条纹场的马赫曾德双光束干涉系统、用于产生同轴干涉的合束元件、采集干涉信号的光探测器、以及用于扫描双光束干涉场的二维移动台和测量位移的激光干涉仪系统。其特点是在传统的马赫曾德双光束干涉仪中引入小尺寸合束元件，使两束相干光产生同轴干涉，通过二维扫描测量该干涉信号的周期变化，实现对马赫曾德双光束干涉场周期的高精度测量，从而推算出双光束波面的分布情况。利用小尺寸合束元件的扫描测量，该发明可以实现大尺寸波面的测量，而不需要相应尺寸的合束元件 或参考波面。权利要求书2页 说明书8页 附图4页CN 110057543 A 2019.07.26 C N 110057543 A
权 利 要 求 书1/2页CN 110057543 A 1.一种基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的波面测量装置包括： 马赫曾德双光束干涉系统，其为双光束全息干涉光路，用于产生稳定的高密度干涉条纹场，并用于待测光学元件输出波面的测量； 同轴干涉及记录模块，包括合束元件和光探测器，用于产生同轴干涉信号，并记录该信息，其中，所述的合束元件，利用光的反射或衍射特性，使马赫曾德干涉光路的两束光重合，产生同轴干涉，从而形成稳定的干涉场；所述的光探测器，用于接收干涉场的光强信息； 二维移动和位移测量系统，包括二维移动平台和激光干涉仪，用于实现大尺寸光场的二维扫描以及位移的精确测量，其中，所述的二维移动平台，用于承载合束元件与光探测器实现对同轴干涉光场的二维扫描，二维移动平台的一维运动方向与马赫曾德干涉光场的条纹方向垂直，另外一维运动方向与干涉光场的条纹方向平行；所述的激光干涉仪，用于高精度测量二维移动平台垂直于干涉光场方向的位移； 数据采集与处理系统，用于控制光探测器采集同轴干涉强度信息、二维移动平台的二维运动以及激光干涉仪的位移测量，并通过数字计算对采集光强的周期信号进行处理，实现大尺寸波面的测量。 2.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的马赫曾德双光束干涉系统为双光束全息干涉光路，包括：激光器、1×2光纤耦合器、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、第一准直透镜、第二准直透镜以及待测光学元件；所述的激光器经1×2光纤耦合器均匀分束并分别进入第一单模保偏光纤和第二单模保偏光纤，光纤输出的球面波分别经对称放置的第一准直透镜和第二准直透镜形成相交的两束平面波，产生高密度的干涉光场，其干涉条纹的密度通过改变两束平面波的夹角进行调节，其中，两束平面波中的一束作为参考光，另外一束作为测量光，当插入待测光学元件后输出的波面会发生变化，并改变高密度干涉条纹的周期。 3.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的第一单模保偏光纤和第二单模保偏光纤的偏振方向与干涉条纹方向一致。 4.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的合束元件是半透半反镜、光栅或分束棱镜。 5.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的光探测器是光电倍增管，CCD阵列或雪崩二极管。 6.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的同轴干涉及记录模块还包括小孔光阑，同轴干涉光场经所述的小孔光阑进入光探测器，通过改变小孔光阑的大小控制光探测器的采集信息为同轴干涉光场的一小部分，并且小于干涉条纹周期的二分之一。 7.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的二维移动平台上同时固定有激光干涉仪的反射镜，激光干涉仪的其他部分放置在与马赫曾德双光束干涉系统同一平台上，所述的反射镜以及激光干涉仪出射的激光与所述的合束元件位于同一水平面。 8.根据权利要求1所述的基于同轴干涉的波面测量装置，其特征在于，所述的数据采集与处理系统由一台计算机实现进行控制，所述的光探测器、激光干涉仪以及二维移动平台通过控制器与计算机连接，并利用计算机指令实现对以上设备的同步控制，该计算机在完 2
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目：光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真 初始条件： 具有一定的光纤光学基础知识，能较好地理解光纤耦合器的工作原理及其性能指标；会使用光学仿真软件，如Beamprop等；具备装有Beamprop或其他光学仿真软件的计算机平台。 要求完成的主要任务： 1.学会使用Beamprop光学仿真软件； 2.学习掌握光纤耦合器的工作原理及其性能指标； 3.利用Beamprop软件进行光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真， 并对仿真结果进行分析总结。 时间安排： 1．2011年6月27日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。 2．2011年6月28日至2011年7月7日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。 3.2011年7月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 1绪论.. (1) 2光纤耦合器简介 (2) 2.1光纤耦合器的原理及制作 (2) 2.2光纤耦合器的类型及结构 (4) 3 Beamprop的使用简介 (6) 4耦合比与耦合区长度的关系仿真 (9) 4.1光纤耦合器的绘制 (9) 4.2仿真的前期准备 (10) 4.3仿真结果 (10) 5个人小结 (13) 参考文献 (14)
中国科技信息２００５年第１０期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｍａｙ．２００５ 光通信中关键器件－耦合器 冯霞 李平 葛祥友 山东大学信息科学与工程学院 ２５０１００ 摘 要：随着光纤通信的迅速发展和日益普及，对耦合器的需求量与日俱增。本文从线性和非线性两个方面对耦合器的类型和特点进行了介绍。在线性部分对宽带耦合器作了较详细的分析。关键词：耦合器；光通信 １．引言 随着近几年光纤通信的迅速发展，光纤到家，光纤到路边的日益临近，对耦合器的需求量与日俱增。耦合器是将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的器件，属于光无源器件，广泛应用在光传输系统、有线电视、局域网中。以光孤子脉冲作为信息载体的全光通信系统已成为近年来的研究热点，非线性光纤耦合器作为此类系统的关键器件也引起高度重视。 ２．耦合器技术性能指标 光耦合器的性能指标有插入损耗、分光比与隔离度等。现在以 定向耦合器为例对上面的各个性能指标进行描述。 图１ 定向耦合器 插入损耗：表示输入耦合器一个端口的功率与输出端口输出功率总和之差，即 （１） 其中， 为从输入端１或２输入的光功率， 为输出端３、４的输出功率。 分光比：表示耦合器输出端的功率分配 比，即 （２） 隔离度：反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从１端注入光功率，３、４端输出功率时，２端对１端的隔离度定义为， （３） 光纤定向耦合器的插入损耗为０．２￣１ｄＢ，分光比１％￣９９％（根据需要），隔离度可大于６５ｄＢ。 ３． 线性耦合器 下面分别介绍一下常见的几种线性耦合器。 ３．１ 定向耦合器 定向耦合器是指在光纤之间传输光信号来完成传统的光束分离功能的器件。双通道定向耦合器是优良平行的，传输常数相同的，相互之间距离很近的条波导构成。在两波导之间 ３．２ 保偏光纤耦合器 目前保偏光纤耦合器有熔融拉锥型和研磨抛光型两种。保偏光纤耦合器的最大特点是能稳定的传输两个正交的线偏振光，并能长距离的保持各自的偏振态不变。耦合器的参数如耦合比，附加损耗等，主要由双锥体形状决定，而双锥体的形状主要由火焰形状、温度分布、拉伸速度等来控制。制造保偏光纤耦合器必须使两根保偏光纤偏振轴平行，这是制造保偏耦合器成败的关键。实验证明，折射率匹配型保偏光纤便于制造低损耗、小尺寸的保偏耦合器，同时要较好的控制腰部直径和锥体形状。耦合比可由拉伸长度来控制。消光比是评价保偏耦合器保偏性能的主要参数。保偏光纤耦合器的结构如图２所示。 ３．３ 星型耦合器 星形耦合器是光纤通信网的关键部件，通常可采用 熔融拉锥光纤耦合器组成 星形耦合器，但其结构较为复杂。平板介质光波导多端口耦合器结构简单、耦合效率高，适于成批生产。星型平板介质耦合器［１］的结构模型如图３所示。发射端口阵列位于以ｏ’为圆心的圆弧ｏ’ｐ’处， 图４ 星型平板介质耦合器结构模型３．４ 波导干涉耦合器［２］ 多模干涉耦合器制作工艺简单、结构紧凑及容差性好，可以制成１ＸＮ和ＮＸＮ光开关、环形半导体激光器，还可以考虑制成用于无源光网络的光分路器。多模干涉耦合器的关键结构是能传输多个模式（一般大于３个）的多模波导。为了使光输入和输出多模波导，还必须由一些波导（一般为单模波导）放置在多模波导的起始端和终止端。分析多模波导场分布的方法很多，有全模式分析法、ＷＫＢ法、混合法、光束传输法和导模传输法等。输入（出）波导宽度及位置、干涉区长度等结构参量对多模波导耦合器性能参量存在一定的影响。 ３．５ 含布拉格光栅的光纤耦合器［３］ 含光栅的光纤耦合器是一种可用于密集波分复用的、很有前途的波分复用器，它能使光纤布拉格光栅和光纤耦合器的优点得到很好的结合，容易做到低成本、高性能。目前对于布拉格光栅在对称光纤耦合器中作用的理论分析主要有两种，一种是普通耦合模理论，另一种是耦合超模理论。最近有人提出用统一耦合理论分析含布拉格光栅的对称光纤耦合器。由布拉格光栅和对称光纤耦合器组成的波分复用器如图４所示。在耦合区域内两完全相同的合纤芯（ａ和ｂ）共享同一包层，组成光纤耦合器的两根光纤为 单模光纤，它们的传播常数分别为．区域Ｌ１和Ｌ３代表普通方向耦合器部分，区域Ｌ１ 代表含布拉格光栅的光纤耦合器部分。 的区域内，由于消逝场的重叠而发生相干耦合，光波可以从一个波导耦合到另一个波导中去。常用的制作方法是熔融拉锥法，就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输功率耦合的一种方法。定向耦合器可用耦合波方程分析。图１可用来表示熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理：入射光在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。在Ｙ型耦合器中，若直通臂与耦合臂的功率分别表示为Ｐ１（Ｌ）和Ｐ２（Ｌ），则标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的耦合比为 ：（４） 式中Ｃ为耦合系数。 ｏｏ’＝Ｒ。带状波导宽度分别为ａ（发射端口）和ａ’（接受端口）。当能量从Ｎ个带状波导端口中任一段口ｐ中以主模ψ激励空间区域，接着以辐射模的形式向前传播照射接受阵列。由于传输过程中产生衍射，最后只有一部分被接受阵列所截获，而辐射到接收阵列中每个端口ｏｐ’的能量只有一部分能够激励起这个端口的主模。 由于 ，因而可用菲涅耳近轴衍射理论来处理耦合器中光传输 问题。