有关光纤传输和光器件的基本概念.doc

《有关光纤传输和光器件的一些基本概念》
（本文根据网络多篇文章整理）

· 光纤是一种高度透明的玻璃纤维, 由纯石英拉制而成。
· 从横截面上看光纤由三部分组成, 即折射率较高的纤芯, 折射率较低的包层以及表面涂层。
· 光纤有多模光纤和单模光纤两种基本类型。
· 不同的折射率分布及不同模式的光纤, 传输特性完全不同。
· 光纤传输的条件要满足光线在纤芯和包 层界面上 的全反射条件, 同时还需满足传输过程中的相干加强条件。
· 单模光纤：只能传播一种模式的光纤称为单模光纤。标准单模(single mode, SM)光纤折射率呈阶跃型分布,纤芯直径较小,模场直径只有8～10μm,光线沿轴直线传播。
· 多模光纤：多模(multi mode, MM)光纤纤芯直径较大,可以传播数百到上千个模式,根据折射率在纤芯和包层的径向分布的不同,又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。
· 对于特定的光纤结构,只有满足一定条件的电磁波可以在光纤中有效地传输,这些特定的电磁波称为光纤模式。
· 光纤中的模式是指光纤中的光在传播过程中所呈现出的空间分布形式, 它是由入射光 的角度和频率以及光纤参数决定的, 在光纤参数一定时就只由入射光的角度和频率( 前提是光纤不受扰动且均匀)确定。
· 每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束。
（ 以不同角度入射到光纤的射线将形成光纤中不同的模式。 ）

· 完全沿着光纤中心轴线传播的模式称为“基模”；
· 模式的传播角度越大，它的级就越高； 最高级的模式就是以临界角传播的模式。
· 只支持一个模式（基模）的光纤被称作单模光纤； 可支持多个模式的光纤为多模光纤。
· 对于某个特定波长，要实现单模的条件， 只有芯径足够小的光纤才能传输单一光波模式。
只要芯径稍大, 光纤就能传输两个模式 ；光波长越短, 将光耦合进单模光纤就越困难。
· 对于特定芯径的单模传输, 存在一个特殊的波长值, 必须大于此值才能实现单模传输, 这个波长值称为截止波长λc。单模波长必须大于λc ; 若波长低于λc 时就会出现多模传输。
例如, 普通阶跃折射率单模光纤通常用 于1310nm 波段, 其规定的截止波长一般为1. 26μm。
· 介质纤芯并不能约束所有的光, 一部分被传导的单模会延伸到包层中。约20％是由包层传输的。
· 纤芯和包层热膨胀系数的不同也会导致内部受力不对称, 所以温度变化也会影响光在光纤中的传播质量。
· 一般情况下，多模光纤光源是LED，单模则是LD激光器。
· 单模适合于短、中、长距离的低频或高频信号传输，多模只适用于低频短距离传输。
☆ 光纤耦合器 （注：也有叫光分路器）
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。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（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％）。

☆光分路器的分光原理
　　光分路器按原理可以分为熔融拉锥型和平面波导型两种，熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；平面波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量；反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体，而且可以耐受机械振动和温度变化等优点，目前成为市场的主流制造技术。

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法靠扰，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，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例（光耦合）。最后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈钢管内，这就是光分路器。对于更多路数的分路器生产可以用多个二分路器组成。

熔融拉锥法其中最重要的生产设备是融熔机，也是生产光分路器的重要步骤。虽然重要步骤部分可由机器代工，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证品质的一致性，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％。

这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致，此种情况容易导致光分路器损坏，尤其把光分路放在野外的情况更甚，这也是光分路容易损坏得最主要原因。
★融锥型耦合器/分光器

★平面波导型耦合器 (PLC Splitter)

★星型耦合器；树形耦合器
　　星形耦合器， 这是一种n×m耦合器，其功能是把 n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤， m和n不一定相等。通常用作多端功率分配器。

★波分复用器

★光通讯器件分类

¤光分路器的常用技术指标
（1） 插入损耗。
　　光分路器的插入损耗是指每一路输出相对于输入光损失的dB数，其数学表达式为：Ai=-10lg Pouti/Pin ，其中Ai是指第i个输出口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口的光功率；Pin是输入端的光功率值。
（2） 附加损耗。
　　附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于输入光功率损失的DB数。值得一提的是，对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程的固有损耗，这个损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标。而插入损耗则仅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。因此不同的光纤耦合器之间，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣。对于1*N单模标准型光分路器附加损耗如下表所示：
分路数
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
16
附加损耗DB
0.2
0.3
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2

（3） 分光比。
　　分光比定义为光分路器各输出端口的输出功率比值，在系统应用中，分光比的确是根据实际系统光节点所需的光功率的多少，确定合适的分光比（平均分配的除外），光分路器的分光比与传输光的波长有关，例如一个光分路在传输1.31 微米的光时两个输出端的分光比为50：50；在传输1.5um的光时，则变为70：30（之所以出现这种情况，是因为光分路器都有一定的带宽，即分光比基本不变时所传输光信号的频带宽度）。所以在订做光分路器时一定要注明波长。
（4） 隔离度。
　　隔离度是指光分路器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。在以上各指标中，隔离度对于光分路器的意义更为重大，在实际系统应用中往往需要隔离度达到40dB以上的器件，否则将影响整个系统的性能。
（5）稳定性
所谓稳定性是指在外界温度变化，其它器件的工作状态变化时，光分路器的分光比和其它性能指标都应基本保持不变。这也是光分路器的一个重要的指标。实际上光分路器的稳定性完全取决于生产厂家的工艺水平，不同厂家的产品，质量悬殊相当大。

¤光纤熔融拉锥器件
将两根光纤绞在一起，加热至熔融状态，并同时缓慢拉伸光纤，可以制成各种光纤熔融拉锥器件（FBT）。FBT 属于全光纤型器件，具有损耗小和体积小的优点，在光通信系统中得到广泛应用。
1) 单窗窄带耦合器
耦合比随波长近似线性变化，且满足耦合比为 50％±3％的带宽仅为λ0±20nm 。
（λ0表示中心波长）
2) 单窗宽带耦合器
耦合比满足 50％±3％的带宽达 λ0±40nm 。（λ0表示中心波长）
3) 双窗宽带耦合器
耦合比满足50％±3％的带宽达λ1±40nm和λ2±40nm 。
（λ1、λ2表示各窗口中心波长，目前单模光纤一般使用1250—1600nm范围）
若耦合器在 1250nm 至 1600nm 的 350nm带宽内耦合比满足 50％±6％，则被称为波长无关型耦合器（WIC） 。

4) FBT 波分复用器 （WDM）
以输入光纤端包含1310nm、1550nm两种波长为例。若在输出光纤端，1550nm的光全部耦合到另一根光纤中，而 1310nm的光留在原光纤中，这样就得到一个 1310/1550nm的波分复用器。
在实际工艺中，耦合比不可能达到 100％，取为 99.5％，这是一般能够达到的指标。一般公司保证的指标是在中心波长±15nm内，隔离度大于 16dB。
常采用两级 WDM 串联，以进一步滤波，提高隔离度。两级串连的 WDM，使其中心波长反向偏移相同波长，比如分别取 1290nm/1530nm和 1330nm/1570nm，可以得到较平坦的隔离度，在 50nm带宽内的隔离度大于 30dB。
5) 多模光纤耦合器
多模光纤耦合器表现出很好的带宽特性，可以做到在 800nm～1700nm 共 900nm 的带宽内，耦合比为50％±5％ 。

¤光纤的信息最大传输量和带宽

当前运用的单模石英光纤，如G.652C，G.652D，它们的传输带宽，可以从1260nm到1675nm，共有415nm宽度。一般把这415nm宽度划分成O、E、S、C、L、U六个波段，具体划分方法如下：
初始(O)波段 1260nm-1360nm
扩展(E)波段 1360nm-1460nm
短(S)波段 1460nm-1530nm
常规(C)波段 1530nm-1565nm
长(L)波段 1565nm-1625nm
超常(U)波段 1625nm-1675nm

目前光纤通信提高最大传输量的方法主要有两种：一种是提高传输码速，如：155Mbt/s，622Mbt/s，2.5Gbt/s，10Gbt/s，40Gbt/s，160Gbt/s；另一个是波分复用。

所谓波分复用，是将光纤的各个传输波段，按照一定的间隔，如：1.6nm(20GHz)、0.8nm(100GHz)、0.4nm(50GHz)等，分隔成很多较小的频带，这就叫波分，然后把每个频带的中心频率作为载波，用它来承载各个不同码速的光通路。在一根光纤中同时传输多个波长的光通路，这就叫复用。

（以上内容根据网络多篇文章整理，供本人学习用途。现共享给有需要的朋友一起学习。若有不当、错误之处，望来信批评指正，谢谢。 —— clickuang@ ）