第8章 耦合器与连接器

1、第八章 耦合器和连接器 常见光无源器件 l光无源器件是光路的重要组成部分。 l光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件如 插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部 分。常见的光无源器件有光纤连接器、光耦合器、光波分 复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。 l光无源器件遵守光学的基本理论，即光线理论和电磁场理 论。 光纤连接器光纤连接器 1 光光 耦耦 合合 器器 2 常见光无源器件 光纤连接器原理 在光纤通信(传输)链路中，为了实现不同模块。 设备和系统之间灵活连接的需要，必须有一种能在 光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，使光 路能按所需的通道进行传输，以实现和完成

2、预定或 期望的目的和要求，能实现这种功能的器件就叫连 接器。光纤连接器就是把光纤的两个端面精密对接 起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦 合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系 统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要 求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系 统的可靠性和各项性能。 光纤连接器 l光纤连接器可分为两大类：活动连接器和固定连 接器。 1 光纤活动光纤活动 连接器连接器 2 光纤固定光纤固定 连接器连接器 光纤连接的主要方式 1.固定连接。主要用于光缆线路中光纤间的永久性 连接，多采用熔接，也有采用粘接和机械连接。特 点是接头损耗小，机械强度较高。设备需要熔

3、接机。 2.活动连接。主要用于光纤与传输系统设备以及与 仪表间的连接，主要是通过光连接插头进行连接。 特点是接头灵活较好，调换连接点方便，损耗和反 射较大是这种连接方式的不足。现在插损方面也已 经很好了,性价比较高。 3.临时连接。测量尾纤与被测光纤间的耦合连接， 一般采用此方法连接。特点是方便灵活，成本低， 对损耗要求不高，临时测量时多采用此方式连接。 连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间 可拆卸连接的器件。（活动连接） 主要用于光纤线路与光发射机输出 或光接收机输入之间，或光纤线路 与其他光无源器件之间的连接。 接头是实现光纤与光纤之间的 永久性连接。（固定连接） 主要用于光纤线路的构

4、成。 8 图8.1 光纤与光纤之间连接损耗产生的原因 (a)横向错位 (b)角向错位 (c ) 端面之间有间隔 (d) 端面不平滑 连接器原理 横向错位 图8.2 发射光纤与接收光纤的重叠部分，两纤x 芯中心偏离距离d 图8.3 多模阶跃光纤的横向错位损耗 图8.4 传输模式的光斑尺寸为w的单模 光纤的横向对准差错损耗曲线 图8.6 发射光锥和接收光锥相互重叠的部分 图8.7 多模光纤的角度错位产生的损耗 图8.8 单模阶跃光纤的角度错位产生的损耗 图8.9 端面之间的间隙使一些发射光线可以 逃逸出去 光纤端面分离 图8.10 多模阶跃光纤的端面间隙产生的损耗 图8.11 填充折射率匹配液可以

5、减少光束发散， 从而降低光纤的分离损耗 图8.13 倾斜端面产生的损耗 19 图8.14 纤芯不匹配可能产生的损耗 不同光纤之间的连接 20 图8.16 数值孔径不匹配可能产生的损耗 接收光锥 发射光锥 21 图8.17 减少连接反射的两种方法 (a)物理接触 (b)倾斜端面 连接点的反射 纤芯 包层 纤芯 包层 光纤头预处理 l刻痕-断裂 l研磨-抛光 22 23 图8.18 将光纤固定在套筒内 环氧树脂 套筒 光缆 裸光纤 接头 l接头通常指永久性的光纤连接 l熔接 粘结 24 光纤固定连接器 l光纤固定连接器的作用是使一对或几对光纤之 间永久性的连接。 l制作固定接头的方法有熔接法、V形

6、槽法、套 管法等。 l1熔接法 l用熔接法制作固定连接器，是光纤固定连接的 主要方法。 光纤固定连接器 l它采用加热的方法将光纤熔接在一起，只 要操作得当，熔接机设计合理，连接插入 损耗很小，后向反射光近似为零，可以得 到非常理想的光纤固定接头。 光纤固定连接器 l光纤加热和熔化的方法有三种，如图所示。 l(1) 电弧熔接 (2) 氢氧焰熔接 (3) 激光熔接 光纤熔接方法 光纤固定连接器 l(1)电弧熔接 l用高压电极放电来加热光纤，使之熔融连接，电 弧放电和光纤的对准可以由微机控制，实现自动 化操作。电弧熔接是熔接法中应用广泛的方法。 l(2)氢氧焰熔接 l用于一些特殊的场合，如海底光缆的

7、光纤熔接， 其特点是接头强度高，但火焰的控制较为困难。 l(3)激光熔接 l如用激光器加热并熔接光纤，其特点是加热环境 非常干净，接头强度高，但设备昂贵。 光纤固定连接器 l实现光纤熔接的设备是光纤熔接机，它由下述部 分组成：(1)光纤的准直与夹紧结构；(2)光纤的 对准机构；(3)电弧放电机构；(4)电弧放电和电 机驱动的控制机构。 l以下是详细介绍。 光纤固定连接器 l(1) 光纤的准直与夹紧结构 l光纤的准直与夹紧结构由精密V形槽和压板构成 ， l精密V形槽的作用是使一对光纤不产生轴偏移， 压板使光纤固定在V形槽内。 光纤固定连接器 l(2) 光纤的对准机构 l在熔接光纤之前，一般要通过

8、手动或自动装置使纤 心完全对准。常用如下三种方法来实现光纤的对准 ： 功率监测 纤心直视 包层对准 l(3) 电弧放电机构 光纤固定连接器 l熔接机的电弧放电由两根电极完成，电极由 钼丝制成。 l(4) 电弧放电和电机驱动的控制机构 l在电极放电过程中，电机的驱动都由微处理 机控制，按预定程序工作。 光纤固定连接器 l2其他固定连接方式 l(1) V 形槽固定接头 l这种接头携带方便，操作简单，不需要贵重的仪 表和设备。V 形槽的结构是多样的，图为 FMS-1 型光纤固定连接器的结构图。 光纤固定连接器 l(2) 毛细管固定接头 l毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作，将两根 处理好的光纤从两头

9、穿入玻璃毛细管内，利用其 精密内孔使两根光纤纤心对准。在两根光纤端面 加入匹配液，消除菲涅尔反射。 l(3) 套管式固定接头 l与活动连接器一样，其主要零件也是插针和套筒 。插入损耗在0.1 dB以下。 35 图8.20 电弧熔接 熔接 电极 定位单元 裸光纤 36 图8.21 各类机械式接头 粘接 光纤 光纤 光纤 光纤 型槽 精密套筒 松套管 三根棒 图8.22 熔融玻璃棒接头的弯曲部位 图8.24 带状接头剖面图，光纤对接的位置用箭 头指示 连接器 可拆卸，用于收发端机与光纤的连接及实 验室中，操作简单，损耗较大。 39 40 l低损耗 l可重复性 l可预测性 l寿命长 l高强度 l环境

10、适应性 l易于组装 l易于使用 l成本低 光纤活动连接器 l1基本结构及工作原理 l光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结 构，使两根光纤的纤心对接，保证95以上的光 能通过连接器。 l目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有 以下几种。 1 套管结构 3.1.1 光纤活动 连接器 l 2 双锥结构 4 球面定心结构 l 3 V形槽结构 5 透镜耦合结构 光纤活动连接器 l套管结构的核心是插针与套筒。 l插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其结构和主 要尺寸如图所示。 插针的结构与主要尺寸 光纤活动连接器 l插针的精度要求是：外径不圆度小于0.0005 mm； 外圆柱面光洁度为 ；微孔偏心量

11、小于 ；插针端面为球面，其曲率半径为20 60 mm。 l套筒是与插针相配合的零件，它有两种结构，如 图所示。 141 m 光纤活动连接器 套筒的结构与尺寸 l套筒的精度要求是：内孔光洁度为 ；拔插 力为3.92 5.88 N。开口套筒使用弹性好的材料， 如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷等。 14 14 光纤活动连接器 l光纤活动连接器结构上差别很大，品种也 很多，但按功能可分成如下几部分： l(1) 连接器插头(Plug Connector)：由插针体和 若干外部零件组成。 l(2) 转换器或适配器(Adapter)：即插座，可以连 接同型号插头，也可以连接不同型号插头，可以 连一对插头，也可以

12、连接几对插头或多心插头。 光纤活动连接器 l(3) 转换器(Converter)：将某一种型号的插头变 换成另一种型号的插头，由一种型号的转换器加 上另外其他型号的插头组成。 l(4) 光缆跳线(Cable Jumper)：一根光缆两端面 装上插头，称为跳线。两个插头型号可以不同， 可以是单心的，也可以是多心的。 l(5) 裸光纤转换器(Bare Fiber Adapter): 将裸 光纤穿入裸光纤转换器，处理好光纤端面，形成 一个插头。 光纤活动连接器 l2主要性能指标及测试方法 l(1) 插入损耗 l插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光 功率相对输入光功率的分贝数，其表达式为 (dB

13、) 式中， 为输入光功率； 为输出光功率。插入 损耗越小越好。 Loutin 10lg/IPP in P out P 光纤活动连接器 l重复性和互换性 l重复性是指光纤活动连接器多次插拔后，插入损 耗的变化，用dB表示。 l互换性是指连接器各部件互换时，插入损耗的变 化，也用dB表示。 光纤活动连接器 l影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多，现简 述如下： l(1) 两个光纤纤心位置的错位，如图所示。 实际有三种情况，即横向错位、角度倾斜和端面 间隙。 l光纤纤心位置的错位 光源耦合 51 l反射损耗 l面积失配损耗 l封装比损耗 l数值孔径损耗 l高强度 l环境适应性 l易于组装 l易于使用

14、 l成本低 图8.36 光源的耦合损耗 53 图8.40 减少光源的光束发散角 光源 纤心 源 54 图8.41 光源耦合 柱透镜 光纤 球形透镜 光纤 柱透镜 光纤 1 描 述 光 耦描 述 光 耦 合 器 特 性合 器 特 性 的 一 些 技的 一 些 技 术参数术参数 2 光 耦 合 器光 耦 合 器 的 制 作 方的 制 作 方 法法 3 耦合机理耦合机理 4 波 导 型 光波 导 型 光 耦合器耦合器 5 光 波 分 复光 波 分 复 用器用器(WDM)(WDM) 和 解 复 用和 解 复 用 器器 光光 耦耦 合合 器器 描述光耦合器特性的一些技术参数 l1插入损耗(Inserti

15、on Loss) (3.4) 式中， 为第i个输出端口的插入损耗； 为第 i个输出端口的光功率； 为输入的光功率。 l2附加损耗(Excess Loss) (3.5) l插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且 与分光比有很大的关系。 outin 10lg/(dB) ii ILPP i IL outi P in P out in 10lg (dB) i i P EL P 描述光耦合器特性的一些技术参数 l3分光比(Coupling Ration) (3.6) l它是光耦合器特有的技术指标。 l4方向性(Directivity) l方向性是光耦合器特有的技术指标, 是衡量器件

16、 定向传输特性的参数。以X形耦合器为例，方向性 定义为耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的 一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。 out out 100 i i i P CR P 描述光耦合器特性的一些技术参数 l由 2 端输出的光功率 与全部注入的光功 率(即图3.11中 1 端注入的光功率 )之比为 (3.7) 图 X形耦合器的方向性 IN2(out) P IN1 P IN2(out) IN1 10lg (dB) P DL P 描述光耦合器特性的一些技术参数 l5均匀性(Uniformity) l对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树 形），由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均

17、匀，用均匀性来衡量其不均匀程度： (3.8) l6偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss) l衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，也称为偏振灵 敏度。 out out Min() 10lg (dB) Max() i i P FL P 描述光耦合器特性的一些技术参数 l当传输光信号的偏振态变化 时，器件各输出 端输出功率的最大变化量： (3.9) l 7隔离度(Isolation) (3.10) l式中， 为在第i个光路输出端测到的其他输出 端光信号的功率； 为输入的光功率。 out out Min() 10lg(dB) Max() i i P PDL

18、P out in 10lg (dB) i i P I iP outi P ini P 360 光耦合器的制作方法 l光耦合器大致可分为分立元件组合型、全 光纤型和平面波导型。 l1、早期采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜 、棱镜等）组合拼接。 l 其耦合机理简单直观，可用一般的几何光学进 行描述。 l 但损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定性较差 。 光耦合器的制作方法 l 2、全光纤耦合器，即直接在两根（或两根以上 ）光纤之间形成某种形式的耦合。 l全光纤耦合器的发展： （1）最早是Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法 （2） Bergh等人发明了光纤研磨法， （3）研磨结束后，在研磨

19、面上加一小滴匹配液， 再将光纤拼接，做成光纤耦合器。 光耦合器的制作方法 （4）20世纪80年代初，人们开始用光纤熔融拉锥 法制作单模光纤耦合器，已成为当前制作光耦合 器的主要方法。 l3、集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。 利用平面光波导制作的光耦合器具有体积小，分 光比控制精确，易于大批生产等特点。 光耦合器的制作方法 l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，实现传输光功率耦合的一种方法。 l熔融拉锥制作系统的示意图如图所示。 熔融拉锥制作系统示意 光耦合器的制作方法 l熔融拉锥型全光

20、纤耦合器有如下优点： l(1) 极低的附加损耗，对于X 形或Y 形耦合器（参 见表），附加损耗小于0.05 dB。 表 标准X, Y型全光纤耦合器的典型性能指标 指 标单模2(1)2 工作波长1310, 1550nm 附加损耗0.1 dB 分光比容差 分光比 方向性60 dB 工作温度-40C85C 光耦合器的制作方法 l(2) 方向性好，一般达到60 dB，保证了传 输光信号的定向性，减小了线路之间的串 扰。 l(3) 良好的环境稳定性，光路结构简单紧 凑，在 -4085温度范围内耦合器可以保证稳 定工作。 光耦合器的制作方法 l(4) 控制方法简单、灵活，不仅可以方便 地改变器件的性能参数

21、，还能制作具有不 同功能的其他器件。 l(5) 制作成本低，适于批量生产。上表给 出了标准X，Y型全光纤耦合器的典型性能 指标。 耦合机理 l1单模光纤耦合器 l在单模光纤中，传导模是两个正交的基模( 模)，耦合器中光场强分布如图所示。 耦合器中光场强分布 11 HE 耦合机理 l传导模进入熔融锥区，纤心不断变细，V 值逐渐减小，有越来越多的光功率进入光 纤包层中，实际光功率是在以包层为心、 光纤外介质为包层的复合波导中传输的。 耦合机理 l在输出端，随着纤心的逐渐变粗，V 值增大，光 功率被两根纤心以特定比例捕获。在熔锥区，两 根光纤包层合并在一起，两根光纤纤心足够接近 ，形成弱耦合，如下图

22、所示。 l 图 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理 耦合机理 l在弱导近似下，假设光纤无损耗，则有耦合方程 ： (3.11) l式中， 分别为两根光纤的模式场幅度； 是独立 状态的两根光纤的传输常数； 是耦合系数。 l实际上，自耦合系数 ，且 。 当z = 0 时，已知 ，则耦合方程的 解为式(3.12)所示。 1 1111122 2 2222211 d( ) j()j d d( ) j()j d A z CACA z Az CACA z 12 ,A A 12 , i j C 1122 0CC 1221 CCC 12 (0),(0)AA 耦合机理 l因此可求得每根光纤中的功率为 l (3.13) l由此得到： 耦合比率与熔融 拉伸长度的关系 曲线，如图3.15 所示。最大耦合率 可以达到100。 耦合比率与熔融拉伸长度的关系 2 22 11 2 22 22 ( )( )1sin ( )( )sin C P zA zFz F C P zAzFz F 耦合机理 l2多模光纤耦合器 l阶跃多模光纤的模式总数 ，当传导模（ 靠近光轴为低阶模，离光轴较远的是高阶模）进 入多模光纤耦合器的熔锥区时，纤心变细，V值 变小，纤心中束缚的模式数减小，较高阶模进入 包层，形成