Chapter 3: 光纤传感系统中的光器件-Passive

1: Fiber cable

2: Fiber

3 ： Fiber coupler and WDM

4: Optical isolator ( 隔离器 )

5: Optical circulator ( 环行器 )

6: Optical switch ( 光开关 ) 7: Optical modulator ( 光调制器 ) 8: Fiber Bragg grating ( 光纤光栅 )

1.Optical fiber cable

Undersea cables Outdoor aerial cables

Typical outdoor cables Indoor cables

型号的组成型号由型式和规格两大部分组成。型号组成的格式，如下图所示

光缆的型号

型式由型式和规格两大部分组成。型号组成的格式，如下图所示型式由 5 个部分构成，各部分均用代号表示，如下图所示

外护套护套结构特征加强构件分类

◆ 分类的代号GY------------------ 通信用室（野）外光缆◆加强构件的代号加强构件指护套以内或嵌入护套中用于增强光缆抗拉力的构件。( 无符号 )—— 金属加强构件 F------------------ 非金属加强构件

◆     缆芯和光缆的派生结构特征的代号光缆结构特征应表示缆芯的主要类型和光缆的派生结构。当光缆型式有几个结构特征需要注明时，可用组合代号表示，其组合代号按下例相应的各代号自上而下的顺序排列。

D………………………… 光纤带状结构( 无符号 )…………… 光纤松套被覆结构J …………………… 光纤紧套被覆结构( 无符号 )……………………… 层绞结构X……………… 缆中心管（被覆）结构T……………………… 油膏填充式结构

( 无符号 )………………… 干式阻水结构R…………………………… 充气式结构C…………………………… 自承式结构B……………………………… 扁平结构E……………………………… 椭圆结构Z……………………………… 阻燃结构

◆ 护套的代号

Y……………………… 聚乙烯护套 V…………………… 聚氯乙烯护套

U……………………… 聚氨酯护套 A………… 铝 - 聚乙烯护套 ( 简称 A 护套 )

S………… 钢 - 聚乙烯护套 ( 简称 S 护套 ) W……… 夹带平行钢丝的钢聚乙烯护套

L…………………………… 铝护套 G…………………………… 钢护套

Q…………………………… 铅护套

铠装层：代号 Code

0 无铠装层， 2 绕包双钢带， 3 单细圆钢丝 ， 33 双细圆钢丝 4 单粗圆钢丝

44 双粗圆钢丝， 5 皱纹钢带

外护层的代号 当有外护层时，它可包括垫层、铠装层和外被层的某些部分和全部，其代号用两组数字表示 ( 垫层不需表示），第一组表示铠装层，它可以是一位或两位数字，见表 1 ；第二组表示外被层或外套，它应是一位数字，见表 2 。

代号：外被层或外套

1 纤维外被 2 聚氯乙烯套 3 聚乙烯套 4 聚乙烯套加覆尼龙套 5 聚乙烯保护套

光缆规格的构成：光缆的规格是由光纤有关规格组成

光纤类别采用光纤产品的分类代号表示，即用大写 A 和 B 分别表示多模光纤和单模光纤，用数字和小写字母表示不同类别的多模或单模光纤

1 、 G.652 光纤

称为 1310nm 波长性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位单模光纤。这种光纤均可适用于 1310nm 和 1550nm 窗口工作。在 1310nm 波长工作时，理论色散为零；在 1550nm 波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。

2 、 G.653 光纤

这种光纤是指 1550nm 波长性能最佳的单模光纤，又称为色散移位光纤。

3 、 G.654 光纤

这种光纤称为截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是如何降低 1550nm 波长处的衰减，其零色散点仍位于 1310nm 波长处，而在 1550nm 波长的色散值仍然较高。它主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。

4 、 G.655 光纤

这种光纤称为非零色散移位单模光纤，其零色散点不在 1550 ，而是移至1510-1520 附近，从而使 1550 处具有一定的色散值。这种光纤主要应用于 1550 工作波长区，它的色散系数不大，适用于波分复用系统。

G.652A

参数

G.652A 参数

G.652B

参数

G.652B 参数

常用单位的定义： 1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )

Pout : 输出功率 ; Pin : 输入功率 2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)

是工程中广泛使用的单位； 通常表示以 1 毫瓦为参考的光功率； example: –10dBm 表示光功率等于

100uw 。 3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)

• Basic knowledge on optical fiber theory

Light transmission in fiber

Fiber refractive index profile

2.Optical fiber

• Fiber fabrication

MVCD fiber preform fabrication

Fiber drawing tower

外径一般为 125um( 一根头发平均 100um)

内径：单模 9um 多模 50/62.5um

125 9 50125 62.5125

光纤的尺寸

光纤的衰减

光纤的衰减图

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 λ nm

OH-

OH-OH-

第一窗口第二窗口

第三窗口

衰减(d

B/k

m)

水峰值

6

5

4

3

2

1

Attenuation of silica fiber

• 散射由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。

光线缺陷

• 色散 (Dispersion) ：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的脉宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。– 模间色散：只发生在多模光纤，因为不同

模式的光沿着不同的路径传输。–材料色散：不同波长的光行进速度不同。– 波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包

层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。

Dispersion of fiber

Mode-field diameter and evanescent wave

Light traveling in signal mode fiber

MFD and spot size

纤芯 包层 涂敷层

• 纤芯 core ：折射率较高，用来传送光；• 包层 coating ：折射率较低，与纤芯一

起形成全反射条件；• 保护套 jacket ：强度大，能承受较大冲

击，保护光纤。• 3mm 光缆 橘色 MM• 黄色 SM

常用连接器类型

SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack

常用连接器类型

FC Type SC Type

SC2 Type FDD Type

常用连接器类型

BICONIC Type D4 Type

SMA 905 Type SMA 906 Type

MINI BNC Type

连接头端面类型

Ferrule + Flange Insertion Loss( 插入损耗 ) <0.3dB Return Loss( 回波损耗 ) PC>40dB SPC>45dB UPC>50dB APC>60dB

光纤连接器的一般指标

项 目 型号或材料 性 能插入损耗 / dB   0.2---0.3

重复性 / dB   ＜ ±0.1

互换性 / dB 　　＜ ±0.1

反射损耗 / dB 

FC 型 35---40

PC 型 45---50

寿命（插拔次数） 

不锈钢 103

陶瓷 104

工作温度 不锈钢 － 20---- +70

陶瓷 － 40---- +80

3.Fiber coupler & WDM

– 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

• 耦合器

– 以图形表示

1

4

2

3

光耦合器类型 T 型光耦合器——是一种 2×2 的 3 端耦合器，可把一根光

纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤的输入光信号组合在一起，输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配器或组合器。

星型光耦合器——是一种 n×m 的耦合器，可把 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。

定向光耦合器——是一种 2×2 的 3 端或 4 端耦合器，用于分别驱除光纤中向不同方向传输的光信号。只用于作分路器，不能作合路器。

波分复用 /解复用器——波分复用器是与波长有关的耦合器，用于把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信号分配给不同的光接收机。

常用光耦合器类型示意图

1

（ b）星型

（ c）定向型 （ d）波分复用型

（ a） T 型

4

2

3

λ1

λ2

λ N

λ1 + λ2 +…λN

表征光纤耦合器的参数• 插入损耗：指穿过耦合器的某一光通道所引入的功率损耗：

• 附加损耗：指某一端口的输入功率与各输出端口功率和的比值得对数：

• 串音：指由 1端口输入功率 P1泄漏到 2端口的功率 P2比值的对数：

10lg oi

i

PL dB

P

3 0

10lg ie

PL dB

P P

210lgci

PL dB

P

• 分光比（耦合比）：指某一输出端口光功率与各端口总输出功率之比。

100%iR

ii

PS

P

波分复用器WDM—Wavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。

• 波分复用器（图例）

λ1 传送器

λ2 传送器

λ1+ λ2 λ1+ λ2

λ1接收器

λ2接收器

波分复用器的性能指标• 插入损耗：指某一特定波长信号穿过WDM器件相应通道时所引入的功率损耗。

• 串音（隔离度）：指波长隔离度和通道间隔离度，即在某一指定波长输出端口所测得的另一非选择波长的功率与该波长的输入功率之比的对数。

• 通道带宽：指分配给某指定光发送机的波长范围。根据通道带宽的不同，可分为稀疏型WDM，间隔为 10－ 100nm；密集型WDM或 DWDM，间隔为 1－ 10nm；之谜型WDM，间隔为 0.1-1nm；

四、光隔离器•光隔离器——是一种非互易性器件，只允许光波往一个方向传输，阻止光波往其他方向尤其是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后。插入损耗值为 1dB,隔离度的典型值为 40--50 dB 。

光隔离器工作原理示意图

起

偏

振

器

法拉第旋转器

检

偏

振

器

阻塞

反射光

经SWP的

入射光

SWP——Spatial Walk-off Polarizer 空间分离偏振器 ，其作用是将入射光分解为垂直与水平两个正交偏振分量，让垂直分量通过，而水平分量偏折通过。

光隔离器工作原理 假设入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方向是在垂直方向，故入射光顺利通过它射向法拉第旋转器，法拉第旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，如 45° ，并且其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋转器后的检偏振器透振方向若在 45°方向上，则经过法拉第旋转器旋转 45°后的光能通过检偏振器，即光沿正方向（从左到右）通过这些器件是没有损耗的。但沿反方向（从右到左）传送的反射光，其偏振态也在 45° ，当反射光经过法拉第旋转器再旋转 45°后，偏振态达到90° ，变为水平偏振光，则无法通过起偏振器。

五、光环行器•光环行器——是多端口的隔离器。典型的环行器一般有三或四个端口，在三端口环行器中，端口 1输入的光信号在端口 2输出，端口 2输入的光信号在端口 3输出，端口 3输入光信号在端口 1输出。

常用光环行器示意图

1

2

3

1

2

3

4

(a) 三端口 (b) 四端口

六、光开关光开关——用于转换光路，实现光交换。机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光

纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。其优点是插入损耗小、 串扰小，适用于各种光纤，技术成熟。缺点是开关速度慢。

固体光开关：用电光效应、磁光效应或声光效应实现光路切换。优点是开关速度快。缺

点是插入损耗大、串扰大，只适用于单模光纤。

七、光调制器•光调制器——外调制方式中采用，把激光的产生和调制分开， 可避免对光源直接调制产生线性调频的限制。调制器一般用电光效应或声光效应使折射率改变，或用磁光效应使光的透过率变化实现光调制。

八 . Fiber Bragg gratting

Reflection

Optical fibre

Transmission

Illumination

b

Principle of operation

uniform

blazed

chirped

Phase shift

FBG Fabrication