光纤无源器件介绍

第3张光纤无源器件介绍在光纤通信的传输系统中，除了必备的光终端设备、电终端设备和光纤之外，在传输线路中还需要各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与端机之间的连接、耦合、合分路、线路倒换以及保护等多种功能。相对于光电器件，如半导体激光器、发光二极管、光电二极管以及光纤放大器等光“有源器件”而言，这一类本身不发光、不放大、不产生光电转换的光学器件，常被称之为光“无源器件”。无源器件的种类繁多，功能及形式各异，但在光纤通信网络里是一种使用性很强的不可缺少的器件。主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤耦合器、光开关、光复用器合波器和分波器、光分路器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器，等等。它的作用概括起来主要是连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；以及合波和分波等作用。需特别指出，由于生产光“无源器件”的厂家众多，且品种、结构、外貌各异，价格也不菲，因此实验箱中所涉及的光“无源器件”远不能代表该类器件的全貌。各学校可根据自己教学的需要和开设特殊实验内容的要求，在该实验箱基础上添置更多的光“无源器件”，增加新的实验内容。本章节的实验目的是让学生对光纤通信中这一类基本器件的某种结构及相关性能指标有一个基本了解，熟悉光“无源器件”性能指标的测量方法和光学测量仪器的使用方法，为今后的实践打下一个良好的基础。“JH5002型光纤通信原理综合实验系统”现在的光“无源器件”基本配置见表411。一、光纤连接器光纤连接器又叫光纤活动连接器、或叫活接头。这是用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路的可以可拆卸重复使用的光“无源器件”，被广泛应用在光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，也是目前使用数量最多的光无源器件。尽管光纤连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几个部分表411光“无源器件”种类和数量配置序号名称数量11310/1550NM分波器（WDM）1只21310/1550NM合波器（WDM）1只31310NM光分路器（19）1只41550NM光分路器（11）1只6FC/FC连接器4只6可变光衰减器（0530DB）2只7光纤跳线若干连接器插头插头由插针体和外部配件组成，用于完成在光纤器件连接中插拔功能。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤之间的对接。通常将一端装有插头的光纤称为尾纤。光纤跳线将一根光纤两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是其特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。跳线的两头可以是同一型号，也可以是不同的型号；可以是单芯的，也可以是多芯的。转换器把两个光纤插头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器。转换器又称法兰盘。变换器将某一种型号的插头变换成另一种型号插头的器件叫做变换器。在实际使用中，往往会遇到这种情况，即手头上有某种型号的插头，而设备或仪器上是另一种信号的插头或变换器，彼此配接不上，不能工作。此时，使用相对应型号的变换器，问题就迎刃而解了。裸光纤转接器将裸光纤与光源、探测器以及各类光仪器进行连接的器件，称为裸光纤转接器。裸光纤与裸光纤转接器使用时可相互连接；用完后，可以将裸光纤抽出它用。因此彼此是可以结合和分离的。光纤连接器按传输媒介的不同可分为单模光纤连接器和多模光纤连接器；按结构类型的不同可分为FC、SC、ST、MU、LC、MT等各种型式；按连接器的插针端面接触方式可分为FC、PC（UPC）和APC；还有按光纤芯数的多少分，有单芯光纤连接器和多芯光纤连接器。不管何种连接器，都必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点。FC、SC、ST连接器是目前世界上使用量最大的品种，也是我国采用比较常见的光纤品种。（1）FC型（平面对接型）连接器，是一种采用卡口螺纹方式连接。这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求，是目前国内广泛使用的类型。FC型连接器结构采用插头转接器插头的螺旋耦合方式。两插针套管互相对接，对接套管端面抛磨成平面，外套一个弹性对中套筒，使其压紧并且精确对中定位。FC型光连接器制造中的主要工艺是高精度插针套管和对中套筒的加工。高精度插针套管有毛细管型、陶瓷整体型和模塑型三种典型结构。对中套筒是保证插针套管精确对准的定位机构。根据其插针端面形状的不同，它分为固定光纤端面的平面接触FC、球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC结构，后两种有利于减少插针端面的反射损耗。FC连接器外形结构图参见图412和图413所示。它具有结构简单、操作方便、制造容易的优点。缺点是对沾污较敏感，应保持插针端面的绝对于净，否则影响连接衰耗。图412FC光纤活动连接器外形结构图图413FC光纤活动连接器实物图片（2）SC（矩形）光纤连接器，是一种直接插拔耦合式连接器，不用旋转，可自锁和开启，为非螺旋卡口型。它的外壳是矩形结构，采用模塑工艺制作，用增强的PBT的内注模玻璃制造。插针套管是氧化锆整体型，将其端面研磨成凸球面。插针体尾入口是锥形的，以便光纤插入到套管内。SC矩形光纤连接器可以是单纤连接器也可以是多纤连接器，单纤外形结构图参见图414和图415所示。该器件特点是不需要螺纹连接，直接插拔，操作空间小，非常适合于密集安装状态下使用，如光纤配线架，光端机，以及局域网、用户网等。按其插针端面形状也分为平面接触SC、球面接触的SC/PC和斜球面接触的SC/APC几种结构。图41SC光纤活动连接器外形结构图定位销图415SC光纤活动连接器实物图片（3）ST连接器，是一种采用带键的卡口式锁紧机构来确保连接时准确对中的连接器，插针的端面形状通常为PC面。它的特点主要是使用非常方便，ST连接器外形结构图参见图416和图417所示。图416ST光纤活动连接器外形结构图锁紧卡口图417ST光纤活动连接器实物图片光纤活动连接器产生的损耗主要原因有两个方面，一是连接技术上的原因；二是光纤参数不一致所引起。前者主要有轴心错位、有折角、间隙以及端面不完整等造成光损耗。后者是由于光纤芯径、相对折射率差、椭圆度、外径、偏心度以及折射率分布参数等的差别所引起。连接技术所造成的损耗往往是主要的，其中轴心错位和间隙造成损耗占有较大的比例。图418较直观的反映了几种光纤连接损耗的原因。评价光纤活动连接器的主要性能指标主要有以下几个方面插入损耗（INSERTIONLOSS）即连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。插入损耗越小越好，一般要求应不大于05DB。回波损耗（RETURNLOSS,REFLECTIONLOSS）是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不小于25DB。实际应用的连接器，插针表面经过了专门的抛光处理，可以使回波损耗更大，一般不低于45DB。重复性同一对插头，可以重复多次使用，该指标反映器件在插拔一次或数次之后，其插入损耗的变化情况。性能稳定的连接器重复性一般应在01DB之内；互换性对于同一类型的光纤连接器，一般都可以任意组合使用，不同连接器之间任意置换后，由此而导入的附加损耗应在一定要求范围内，它反映了连接器的一致性性能。较好的连接器，一般都在附加损耗02DB以内；使用寿命（插拔次数）反映连接器满足技术参数范围内插拔次数的多少。目前使用的光纤连接器一般都可以插拔L000次以上。温度性能是指连接器能够正常使用的温度范围。具体是在一定温度范围内（通常在4070）连接器的损耗变化量应在02DB以内；此外还有抗拉强度、振动等各种环境试验数据等。二、耦合器件光耦合器是一种能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区内进行功率积聚与再分配，不同波长光的合波与分波，以及光的转换和转移的器件。耦合器具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接，一般可用MN表示，即M个输入端，N个输出端。目前最常用的22器件，又称作“X耦合器”或“方向耦合器”我们通常又将与波长无关的耦合器称为合分路器；而将与波长有关者又称为波分复用器。与波长无关类合分路器常用1N表示其合分路数，也就是在星形耦合的某一侧只保留一个端口而已。实际上，对于路数较多的合分路器完全可以采取和垦形粥合器一样的工艺，如熔融技术。波分复用器完成将不同波长光信号合入一根光纤，或从一根光纤中分出不同波长的信号分别送入多根光纤的器件，从而实现光纤线路中波分复用，成倍地扩大通信容量。三、光衰减器能够使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为光衰减器。光衰减器可大致分为固定和可变两类。固定衰减器和可变衰减器的主要指标是其衰减量的准确度、精度和稳定性或重复性，以及适用的波长区域。使光纤中的光信号功率衰减的办法很多，因此衰减器的原理和结构形式也多种多样。图419是一种小型法兰式光可调衰减器（FC标准适配器形式），应用于光纤传输线路中，可对光强进行025DB连续可变的衰减，对衰减量进行在线式调整与锁定，使用极为方便。表412列出的是该光可调衰减器技术性能参数。表412法兰式光可调衰减器技术性能参数图419小型法兰式光可调衰减器参数单位指标工作波长NM1310或1550附加损耗DB03衰减量DB025输入/输出形式FC外形尺寸MM19185温度范围4080四、光开关光开关是使传输通路中的光路控制器件，起着控制光信号通、断或转换光路的作用。它目前广泛应用在主、备光纤线路的切换，光纤或光缆的测量系统中，以及用户系统、专用线路、光交换机中等领域。一个性能良好的光开关应具备插入损耗低、转换重复性好、开关速度快、使用寿命长以及结构紧凑等。由于只要能在时间上或空间上对光波进行切换的器件都可制作成光开关，所以光开关种类繁多。通常，可将光开关概括为三类，每一类又有多种具体形式。机械式光开关利用机械动作达到光开关的目的。其光开关优点具有插入损耗小、串扰低；缺点是速度慢，易磨损，容易受振动和冲击的影响。非机械式光开关利用电光效应、磁光效应及声光效应实现光开关。其光开关优点具有重复性好、开关速度快、可靠性高、使用寿命长、尺寸小等。缺点是插入损耗、串光性能不够理想。半导体光波导开关基于电光效应电场引起折射率变化、填充带效应或载流子注入感生折射率变化以及量子限制STARK效应场感生折射率变化制作成光开关。其光开关优点具有损耗低、开关速度快、重复性好，便于与其它元期间单片集成进行批量生产等。五、光隔离器光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要作用。例如，光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去的。活接头处的光纤端面间隙会使约4的反射光向着光源传输（菲涅耳反射光）。对于光频稳定性要求高的光纤通信系统如相干光通信系统，密集波分复用或光频分复用系统等，这部分返回光可能影响光源的工作稳定性，进而影响到系统的正常工作。为此，需在光源和活动连接器之间设置光隔离器，消除不良影响。另外，还有光纤准直器、光环行器等等