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
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
口之间将无法进行通讯.当交换机通过光纤端口级联时,必须将光纤跳线两端的收发对调,当一端接"收"时,另一端接"发".同理,当一端接"发"时,另一端接"收".令人欣慰的是,Cisco GBIC光纤模块都标记有收发标志,左侧向内的箭头表示"收",右侧向外的箭头表示"发".如
果光纤跳线的两端均连接"收"或"发",则该端口的LED指示灯不亮,表示该连接为失败.只有当光纤端口连接成功后,LED指示灯才转为绿色.
同样,当骨干交换机连接至核心交换机时,光纤的收发端口之间也必须交叉连接.
2. 光纤跳线及光纤端口类型
光纤跳线分为单模光纤和多模光纤.交换机光纤端口、跳线都必须与综合布线时使用的光纤类型相一致,也就是说,如果综合布线时使用的多模光纤,那么,交换机的光纤接口就必须执行1000Base-SX标准,也必须使用多模光纤跳线;如果综合布线时使用的单模光纤,那么,交换机的光纤接口就必须执行1000Base-LX/LH标准,也必须使用单模光纤跳线.
需要注意的是,多模光纤有两种类型,即62.5/125μm和50/125μm.虽然交换机的光纤端口完全相同,而且两者也都执行1000Base-SX标准,但光纤跳线的芯径必须与光缆的芯径完全相同,否则,将导致连通性故障.
另外,相互连接的光纤端口的类型必须完全相同,或者均为多模光纤端口,或者均为单模光纤端口.一端是多模光纤端口,而另一端是单模光纤端口,将无法连接在一起.
3. 传输速率与双工模式
与1000Base-T不同,1000Base-SX、1000Base-LX/LH和1000Base-ZX均不能支持自适应,不同速率和双工工作模式的端口将无法连接并通讯.因此,要求相互连接的光纤端口必须拥有完全相同的传输速率和双工工作模式,既不可将1000Mbps的光纤端口与100Mbps的光纤端口连接在一起,也不可将全双工模式的光纤端口与半双工模式的光纤端口连接在一起,否则,将导致连通性故障.
2、路由器做双备份是绝对可以
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首先说说机房的基本要求.
第一:防静电 (防静电地板.条件好的还要在盖房子的时候就在墙壁里面打上铜带做全屏蔽)
第二:恒温、防尘
第三:足够的电力保障 (电力的重要不用赘说,一般机房不但有专线供电,而且都安装有不间断ups,可不是一般的稳压电源啊!因为一般的稳压电源有一个瞬间波动峰值,而网络电
子设备最怕就是这个.)
2×2单模光纤耦合器的改进控制方法
1引言
目前. 国内外普遍采用熔融拉锥法(FBT) 制作光纤耦合器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式靠拢 .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.从而实现传输光功率耦合的一种方法.
光纤耦合器是一类重要的无源器件,其基本功能是实现光功率分配和光波长分配.单模光纤耦合器是光纤通信系统、光纤传感器、光纤测量技术和信号处理系统中一种应用十分广泛的无源器件
这种技术在制作的效率和产品的性能等方面具有一定的优势.是当前制作光纤耦合器的主要方法,以这种方法制作形成的光纤耦合器性能较前有了显着提高.但是, 随着光纤耦合器在军事、航天等高新技术领域的大量应用, 对插入损耗的平坦度、偏振灵敏度、器件的可靠性、工作带宽和工作功率等方面的要求越来越高.这些实际需要对耦合器的制造工艺提出了更高的要求.为了满足这些要求.科学家对各种制造艺进行了大量的相关研究。
本文从简化工艺参数、提高控制的可行性出发 .在到达一个较小的预定分光比之后就停止拉伸. 只单独进行加热. 通过熔融时光纤纤芯里固有的Ge2+的热扩散来继续光耦合并达到最终的分光比在这个只熔融不拉伸的过程中. 可以通过动态调整气体流量来调节火焰温度. 这将使得分光过程更为平缓从而提高耦合器的性能及其可靠性。
2耦合原理
2x2单模光纤耦合器可看作是两个锥体相互靠近形成的, 其基本结构如图 l 所示.它的基本思想是: 相耦合的两波导中的场. 各自保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数.耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化.设两波导中的复数振幅为A1(z)和A2(z).由于耦合作用,它们沿途变化.其变化规律可用两联立的一阶微分方程组表示:
式中, A1、A2分别是两根光纤的模场振幅;B1 、B2是两根光纤在孤立状态下的传播常数; Cij是耦合系数.他们都是传播方向z的函数.当两根光纤相同时,B1=B2,C12=c21=C,于是方程(1)的解析解为 :
将上式归一化处理,且令P1为直通臂中的光功率,P2为耦合臂中的光功率,可得:
式中. L为耦合区的有效相互作用长度 .也可以近似为熔融拉伸长度;C为耦合系数.
其中:
上式中, r 是光纤半径,d是两光纤中心的间距 ,U和W是光纤的纤芯和包层参量 .孤立光纤参量,和l是零阶和一阶修正的第二类贝塞尔函数.由于含有贝塞耳函数,式(4)相对比较复杂, 可简化如下 :
式中 ,a是纤芯半径.d=d/a ,d为两纤芯问的距离.常数C0,C1,C2依赖于V0.
在耦合器的制作过程中,先进行熔融拉锥.到待一定分光比分停止拉伸.只用火焰加热
在这个后加热过程中,L成为了定值,那么P1、P2仅仅依赖于d变化.它们的关系如图2示由图2可见.只熔融不拉伸时.直通臂和耦合臂的输出功率是周期振荡变化的.其振荡周期随着时间增加而不断减小.因此,在单纯的控制加热时间的情况下也可以得到预定耦合比的不同产品.
3改进的熔融拉锥控制方法及其实现
3.1工艺分析
熔融拉锥制造过程主要包括加热时间、拉伸速度、加热温度、预设分光比系数等一系列重要参数.这些工艺参数集中体现了耦合器制造技术的复杂性与经验性 .直接决定着光纤耦合器的质量和成品率.传统的常规耦合器制造过程如图3.通过常规过程制作的耦合器具有明显变细的拉锥区.因此耦合区的应力比较集中,容易发生断裂,从而导致可靠性降低.另外,到达预设分光比后,同时停止拉伸和加热 .分光比仍然有一定的变化,这种变化使得实际的分光比误差较大.
3.2程序实现
以PC作为上位机.基于VC++通过专用运动控制卡对电机进行控制,从而完成工艺动作.系统启动后,用户通过菜单执行各种操作.系统软件采用模块化设计.各个模块按功能进行划分,不同模块可单独编辑,编译 .它们相互之间通过参数或数据文件来传递信息.同时 ,系统软件划分为界面层、编译层、控制层和辅助层.各部分的操作相对独.为了方便操作人员操作.系统设计了友好的操作界面,它可以实时的显示各个轴的位置信息以及分光比和光功率损耗值.部分程序代码如下 :
4制备及实验
4.1制备
选用康宁SMF28光纤.在耦合段剥去20-30mm的涂覆层并进行清洁处理,绞合后置于精密夹具中.使其紧密接触在光纤耦合器的拉制过程中.光功率探测器将探测到的光功率转换成电信号. 经过数模转换电路转换成数字信号并传送到计算机系统.这样来实现分光比的实时监测通过在线监测. 熔融过程中的能量耦合情况清晰可见拉锥机通过 6个步进电机来实现 6个自由度的运动运行自动控制程序. 耦合器的制作步骤是:首先,火焰熔烧两根光纤,并利用夹具使两根光纤向两侧拉伸.当耦合器的耦合端的功率
实时显示的分光比达到第一预定分光比后停止拉伸.只用火焰熔融两根光纤.随着耦合端的继续熔融.直通臂的功率只下降的速度和耦合臂功率上升的速度都趋于平缓 .计算机在达到第二预定分光比时火焰头退出,此时的耦合段极易损坏. 为此必须立即安装石英玻璃基体以保护耦合段.然后从夹具上卸下.进行性能测试.如性能符合要求. 即可安装壳体, 成为可供使用的2 x 2单模光纤耦合器.
4.2实验比较
表1为用熔融拉锥法和改进拉锥法制作的3dB耦合器的耦合区的直径.由表1可以看出熔烧法制作的3dB耦合器耦合区的直径明显粗于熔融拉锥法制作的耦合器.故可靠性将优于后者.
5 2 x 2单模光纤耦合器的性能测试
耦合器性能测试框图如图 5所示. 本实验利用安捷伦公司的AGILENT 86142B型光谱仪和AGILENT 86142B型可调谐光源搭建成测试系统.耦合器的主要性能参数有附加损耗和分光比.附加损耗是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.该值以分贝(dB)
表示的数
本文以改进的熔融拉锥法制作的3dB单模光纤合器为试验对象.验数据( 表 2 ) 表明其附加损耗远小于O.1dB.达到了通信系统用2x2单模光纤耦合器的性能指标 .同时此种耦合器还具有良好的光谱特性 .
6结论
我们对2x2单模光纤耦合器的只加热不拉伸过程进行了理论分析.该过程完全可以实现光纤的耦合.还可以提高控制的精确度.较大的锥区将大大提高耦合器的环境可靠性.同时,还介绍了改进后的光纤耦合器的制作工序以及该方法的程序实现我们用高精密光学仪器搭建了测试系统 .通过大量的试验表明.此种耦合器性能不仅达到了光纤通信用光纤耦合器的性能标准 , 而且在一定程度上有所提高.本文对耦合器制作过程的控制和提高耦合器性能
有一定的指导意义 .
光纤耦合器中光孤子传输的仿真研究
引言
光脉冲在定向耦合器中的传输可由一组耦合模方程来描述,方程的个数可以由定向耦合器中波导的个数来确定.方程组在一般情况下没有解析解,但可以通过一定方法得到其数值解.虽然在1990年就有人首次使用变分法得到了方程的近似解,但是,当波导数较多时,其计
算十分繁琐.事实上,耦合模方程组也可以通过傅里叶级数展开法将耦合模方程转换到频域中,然后再采用龙格库塔法进行求解.
光纤耦合器是一种在多根光纤之间、或在光源与光纤之间实现光功率定向传输的无源器件.该器件可广泛应用于光纤通信、光纤检测及光纤传感等领域.一般情况下,光纤耦合器中输入的光能量大小可以决定耦合器的工作状态.当输入光能量较低时,光纤耦合器处于线性工作状态;当输入光能量高到一定程度后,光纤中将产生非线性效应,全光开关是非线性光纤耦合器的一个非常重要的应用实例,同时也是目前的热门研究课题.
另外,广泛应用到解非线性色散介质脉冲传输问题的另一种方法是分步傅里叶法,这种方法由于采用了快速傅里叶变换(FFT)算法而具有较快的计算速度.而采用迭代算法对该算法作进一步改进,则可得到更高的计算精度,改进后的算法称为对称分步傅里叶法.本文给出了用对称分步傅里叶法求解耦合模方程组的方法,并通过该方法采用Matlab对光脉冲在双芯和三芯非线性耦合器中的传输进行了仿真.
1传输分析
描述光脉冲在N芯耦合器中传输的耦合模方程组如下:
为二、三阶色散和损耗,γn为非线性系数,knj是纤芯n和j之间的线性耦合系数,ηnj 为模间色散.
一般来说,沿光纤长度方向的色散和非线性是同时作用的.分步傅里叶方法通过假定在传输过程中,光场每通过一小段距离dz,色散和非线性效应可分别作用,来得到近似结果.当步长dz足够小时,这种分析有足够的精度.对称分步傅里叶法的原理图如图1所示.
根据对称分步傅里叶法原理，可将方程(1)分为非线性和色散部分分别进行求解。
其中,式(5.a)表示光脉冲传输h/2时只受色散影响,式(5.b)表示非线性对光脉冲在步长h内的影响,式(5.c)表示光脉冲在传输后h/2只受色散影响.经过这三步运算,就可最终得到光脉冲在传输步长h后的表达式.
本文中,符号F()和F-1()分别表示傅里叶变换和反变换.当光脉冲采用负频表示时,根据Matlab中傅里叶变换的定义特点,应用IFFT和FFT分别表示上述傅里叶变换和反变换.此外,在用Matlab进行傅里叶变换时,还要主意函数fft-shift ()的应用.
2仿真结果
当光脉冲在双芯耦合器中传输时,若取:
也就是说,在光纤反常色散区只考虑二阶色散,而忽略损耗、高阶色散和模间色散,耦合长度为π/2.那么,在这种情况下,光脉冲在两根纤芯里的传输演化如图2(a)、(b)所示.可以看到,脉冲能量在两根光纤中均可持续传递,其脉冲形状基本保持不变.
图3所示是光脉冲在并行排列的三芯耦合器中的传输演化情况.该仿真的初值可以选取为:A1(0,T)=sech(t),A2(0,T)=A3(0,T)=0,gn=-iω2/2,γn=1,C12=C21=C23=C32=k12=k21=k 23=k23=1,C13=C31=k13=k31=0,也就是说,色散中只考虑二阶色散,耦合只存在相邻纤芯间.
从图3可以看出,脉冲能量在三根光纤中持续传递时,中间(b)纤芯中的能量变化周期约是边
上两根纤芯中能量变化周期的2倍.
3结束语
利用对称分步傅里叶变换求解耦合模方程组的方法不仅容易理解,而且计算速度快、精
度高,适用于对光脉冲在光纤耦合器中的传输演化进行仿真
可调光子晶体光纤耦合器的制作
1、简介
随着科技的日益发展,新科技不断进入各个领域行业,光子晶体光纤(PCF)做为一项新兴技术,凭借它有一的性能吸引了众多目光的汇聚.其中最为引人注目的特征包括:可以在波长很宽的范围内提供单模传输,具有奇特的色散性,和很大的模场直径.光纤耦合器只不过是光通讯系统中的最基本元件之一.它的作用是将一条光纤的光耦合进另外一条光纤里.利用传统单模光纤制作光纤耦合器的技术已经相当成熟了,不过对于利用光子晶体光纤来制作光纤耦合器的技术,如今则刚刚起步.我们仅看到利用FTB(熔融拉锥)技术制作这种耦合器的报道.
在我们的研究过程中,我们是利用边研磨(side-polishing) 技术来制作可调PCF耦合器的.这种PCF耦合器通过将两根边研磨过的PCF配对(mating)植入石英块的内部形成.当这两根PCF的纤芯靠的很近的时候,在这些PCF导模之间就会发生渐消场耦合.这种边研磨技
术制成的光纤耦合器的最主要特征就是其耦合率具有可调性.下面我们就向大家介绍一下基于边研磨技术的PCF耦合器制造工艺及其性能.
2、实验结果
对PCF的预加工是通过将90个内直径为2mm、外直径为3mm的硅毛细管环绕一个直径为3mm的硅棒堆栈而成,然后在给它们套上一个内直径为34mm,外直径为38mm的套管.
图1 (a)边研磨过的PCF示意图(b)边研磨过表面的显微图片通过研磨,PCF上的保护膜层将被去掉.光纤接着就被内嵌到带有凹槽(curved groove)的石英块中.凹槽的弯曲半径和宽度分别是250mm和144mm.内嵌的光纤通过UV胶(NOA 61)固定.首先,将埋入PCF的石英块放在一个黄铜盘子上,用Al2O3粉末进行粗磨.接着再放到一个聚亚安酯制成的盘子上,用CeO2粉末进行细磨. 相关的结构示意图和研磨后的显微图象参看图1.我们可以看到在PCF上出现数个空气孔,这主要是由于边研磨所致.通过对暴露区域的长短可以大体了解研磨的厚度.按照我们的经验,当暴露的长度在10MM时,我们估计研磨的厚度能达到50μm.
图2:(a)耦合率测量示意图(b)可调方案的侧面图
通过将这根两个PCF耦合进石英模块中,PCF耦合器就算是制作完成了.相关的耦合器的横截面示意图参见图2 (a)(沿着光纤方向)和图2(b)(光纤横切面).我们在耦合器的输入端注入宽带光波,在调整两个模块之间的倾斜角度的同时也测试两个输出端口的光谱. 这两个模块可以沿着研磨表面进行移动.主轴位于模块的一端,而另一端则通过一个螺丝钮来控制旋转.因而我们可以从图2(b)看到石英块所出现的横向位移. 我们在实验中所用到的PCF直径约116 μm,空气孔的长度为5-6μm,核心直径约16μm.
图3在1300nm和1550nm处耦合率的可调范围
图3显示了通过调节倾斜角度所测试的输出端口的耦合率.最大的倾斜角度一般很小,不超过几度.从图三我们可以看到耦合率最高可以达到90%.较长波长的耦合率一般比那些较短波长的耦合率要大,这个现象可以由如下理论来解释,PCF中核心模的有效模场直径随着波长的增加而增大.但是为了核实上述现象还需要更多的实验和测试.
图4耦合器两端口相关的输出功率(a)发生20%耦合的时候(b)发生90%耦合的时候我们分别测量了耦合率为20%和90%的两输出端口的光谱,见图4(a)(b).耦合可以发生在很宽的波段内,但无法评估所有耦合率的改变.然而,光谱中存在一些不容忽视的波纹(ripples),可能是由干涉造成的.我们将这两个边研磨PCF放在一起的时候没有使用任何匹配液(matching fluid),这会导致研磨表面的接触不良,而我们之所以没使用任何匹配液是因为PCF中的空气孔由于经过边研磨后已经暴露在外面(见图1b使用匹配液后会使匹配液渗透到空气孔中,从而导致PCF传导特性的改变.
3、结论
我们向大家示范了利用边研磨技术制造的可调PCF耦合器.我们向石英模块植入两根PCF后再进行研磨.通过调节这些集成PCF石英块的横向阵列来控制耦合率,耦合率最高可达到90%.当在进行边研磨的时候一部分空气孔会暴露在外面,这时候研磨粉末和匹配液会渗透到空气孔中,我们采用超声波清洗和烘干工艺来驱除这些杂物.PCF耦合器的耦合率也可以通过调整匹配模块上的压力来调节,这种方法可以减少 PCF间的空隙,从而增大耦合率.