光纤通信原理 第四章 常用光无源器件

1、光纤光纤(缆缆)活动连接器是实现光纤活动连接器是实现光纤(缆缆)之之间活动连接的光无源器件，它还具有将光间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤纤(缆缆)与其他无源器件、光纤与其他无源器件、光纤(缆缆)与系统和与系统和仪表进行活动连接的功能。仪表进行活动连接的功能。光纤连接器基本上是采用某种机械和光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过，目前有代表性并以上的光能够通过，目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。套管结构的连接器由插针和套筒组成。套管结构的连接器由插

2、针和套筒组成。双锥结构连接器是利用锥面定位。双锥结构连接器是利用锥面定位。V形槽结构的光纤连接器是将两个插形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准，紧，利用对准原理使纤芯对准，(如图如图4.3所所示示)。图图4.3 V形槽结构形槽结构球面定心结构由两部分组成，一部分球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面圆锥面(相当于车灯的反光镜相当于车灯的反光镜)的插针。的插针。透镜耦合又称远场耦合，它分为球透透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚

3、焦透镜耦合两种，其结构分镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，其结构分别如图别如图4.5、图、图4.6所示。所示。图图4.5 球透镜耦合结构球透镜耦合结构图图4.6 自聚焦透镜耦合自聚焦透镜耦合光纤活动连接器的品种、型号很多，光纤活动连接器的品种、型号很多，其中有代表性的有：其中有代表性的有：FC、ST、SC、D4、双锥、双锥、VFO(球面定心球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。连接器等等。下面针对下面针对FC、SC和和ST这三种连接器这三种连接器作简单的介绍。作简单的介绍。FC型连接器是一种用螺纹连接，外部型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器，它是我零件采用金属材料制作

4、的连接器，它是我国电信网采用的主要品种，我国已制定了国电信网采用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国家标准。型连接器的国家标准。ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。构，确保连接时准确对中。对于上述对于上述FC、SC、ST三种连接器，三种连接器，在对不同型号插头连接时，需要转换器进在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。行连接。由于实际使用情况非常复杂，因而跳由于实际使用情况非常复杂，因而跳线的规格也多种多样。在选择跳线时，至线的规格也多种多样。在选择跳线时，至少有下述几个参数是需要明确的。少有下述几个参数是需要明确的。随着用户通信网规

5、模的扩大、随着用户通信网规模的扩大、WDM的普及、电信网数据网的光纤化乃至多的普及、电信网数据网的光纤化乃至多媒体大容量信息处理设备的发展均推动着媒体大容量信息处理设备的发展均推动着光缆向多芯、高密度方向深入发展，带状光缆向多芯、高密度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接，多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接，多芯带状光纤多芯带状光纤MT连接器就应运而生。连接器就应运而生。评价一个连接器的主要指标有评价一个连接器的主要指标有4个，个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。插入损耗是指光纤中的光信号通过活插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连

6、接器之后，其输出光功率相对输入光动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为：功率的比率的分贝数，表达式为：Ac-10lgP1/P0(dB)式中：式中：Ac为连接器插入损耗；为连接器插入损耗；P0为输入为输入端的光功率；端的光功率；P1为输出端的光功率。为输出端的光功率。回波损耗又称为后向反射损耗。它是回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比指光纤连接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：率的分贝数，表达式为：Ar-10lgPR/P0 (dB)式中：式中：Ar表示回波损耗；表示回波损耗；P0表示输入光功表示输入光功率；率；PR表示后向反

7、射光功率。表示后向反射光功率。重复性是指光纤重复性是指光纤(缆缆)活动连接器多次活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用化，也用dB表示。表示。光耦合器是将光信号进行分路或合路、光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。插入、分配的一种器件。制作光耦合器可以有多种方法，大致制作光耦合器可以有多种方法，大致可分为分立光学元件组合型、全光纤型、可分为分立光学元件组合型、全光纤型、平面波导型等。平面波导型等。下面主要介绍熔融拉锥法的原理。下面主要介绍熔融拉锥法的

8、原理。熔融拉锥法就是将两根熔融拉锥法就是将两根(或两根以上或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在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，在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。实现传输光功率耦合的一种方法。在单模光纤中，传导模是两个正交的在单模光纤中，传导模是两个正交的基模基模(HE11)信号。图信号。图4.9所示是单模光纤耦所示是单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图，其中归一化频合器的迅衰场耦合示意图，其中归一化频率率/)(22/12221nnaV在多模

9、光纤中，传导模是若干个分立在多模光纤中，传导模是若干个分立的模式，不仅应在数值孔径角内，还要同的模式，不仅应在数值孔径角内，还要同时满足时满足4an1sin=m(m=1，2，3，)。其。其中，中，a为纤芯半径，为纤芯半径，n1是纤芯折射率，是纤芯折射率，为为传导模与光轴的夹角，传导模与光轴的夹角，为传输光的波长。为传输光的波长。总的模式数为：总的模式数为：M=V2/2式中：式中：V为归一化频率。为归一化频率。插入损耗插入损耗(Insertin Loss，IL)定义为指定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。该值通常以分贝的减少值。该值通常以分贝

10、(dB)表示，数表示，数学表达式为学表达式为其中：其中：ILi是第是第i个输出端口的插入损个输出端口的插入损耗；耗；Pouti是第是第i个输出端口测到的光功率值；个输出端口测到的光功率值；Pin是输入端的光功率值。是输入端的光功率值。)(lg10.dBPPLIinoutii附加损耗附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入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。该值以分贝光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的表示的数学表达式为数学表达式为式中：式中：Pouti为第为第i个输出口的输出功率；个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。为

11、输入光功率。)(lg10.dBPPLEiniouti分光比分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为示为例如对于标准例如对于标准X形耦合器，形耦合器，1 1或或50 50代表了同样的分光比，即输出为均分的器代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。件。%100.ioutioutiPPRC方向性也是光耦合器所特有的一个技方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量

12、器件定向传输性的参数。术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准以标准X形耦合器为例，方向性定义为在形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率的输出光功率(图图4.8中的中的I2)与总注入光功与总注入光功率的比值，以分贝率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达为单位的数学表达式为：式为：式中：式中：Pin1代表总注入光功率；代表总注入光功率；Pin2代代表输入端非注入光端口的输出光功率。表输入端非注入光端口的输出光功率。)(lg10.12dBPPLDININ均匀性就是衡量均分器件的均匀性就是衡量均分器件的“不均匀不均匀程度

13、程度”的参数。它定义为在器件的工作带的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为化量。其数学表达式为式中：式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。为最大输出光功率。)()()(lg10.dBPMAXPMINLFoutout偏 振 相 关 损 耗偏 振 相 关 损 耗 ( P o l a r i z a t i o n Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。

14、它是指当传输光信号的偏振态发生它是指当传输光信号的偏振态发生360变变化时，器件各输出端口输出光功率的最大化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：变化量：在实际应用中，光信号偏振态的变化在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。关损耗。)()()(lg10.dBPMAXPMINLDPoutjoutjj隔离度是指某一光路对其他光路中的隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着线路之间的线路之

15、间的“串话串话”小。其数学表达式为小。其数学表达式为式中：式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输是被检测光信号的输入功率值。入功率值。)(lg10dBPPIint衍射光栅型波分复用器件是近年发展衍射光栅型波分复用器件是近年发展起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向异性腐蚀制作的光栅与棱镜分光相比具有异性腐蚀制作的光栅与棱镜分光相比具有更大优势，常用来制作波分复用器的主要更大优势，常用来制作波分复用器的主要分光元件。分光元件。图图4.15所示是一种波导阵列光栅型波所示是一种波导阵

16、列光栅型波分复用器件。它是由输入、输出波导、空分复用器件。它是由输入、输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。间耦合器和波导阵列光栅构成。图图4.15 波导阵列光栅型波导阵列光栅型DWDM光纤光栅是利用光纤制造中的缺陷，光纤光栅是利用光纤制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化图呈周期性变化图4.17光纤光栅滤波作用，光纤光栅滤波作用，在满足布拉格光栅条件的波长上全反射，在满足布拉格光栅条件的波长上全反射，而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波器，如图器，如图4.17所示。所示。图图4.17 光纤光栅滤

17、波作用光纤光栅滤波作用干涉法是利用双光束干涉原理，将一干涉法是利用双光束干涉原理，将一束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜相位掩膜板法，是利用预先制作的膜板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。光纤。以光信号波长为函数的解复用器的主以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性有

18、以下几点。要光学特性有以下几点。(1) 中心波长中心波长(或通带或通带)1、2n+1(2) 中心波长工作范围中心波长工作范围1、2(3) 中心波长对应的最小插入损耗中心波长对应的最小插入损耗L1式中：式中：P1代表波长为代表波长为1的光束在输出端的的光束在输出端的光功率；光功率；P01分别代表波长为分别代表波长为1的光束在输的光束在输入端合路信号中的光功率。入端合路信号中的光功率。0111log10PPL式中：式中：P1代表波长为代表波长为1的光束在输出的光束在输出端串扰到端串扰到2的输出端口处的光功率，的输出端口处的光功率，P2分分别代表波长为别代表波长为2的光束在输出端口处的输的光束在输出

19、端口处的输出光功率。出光功率。2121log10PPL偏振相关损耗是指光信号以不同的偏偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时振状态输入时(如线偏振、圆偏振、椭圆偏如线偏振、圆偏振、椭圆偏振等振等)，对应输出端口插入损耗最大变化量。，对应输出端口插入损耗最大变化量。以光信号波长为函数的复用器的光学以光信号波长为函数的复用器的光学特性，可用于给定的输入端口特性，可用于给定的输入端口(1#至至N#端口为输入端口，端口为输入端口，0#端口为输出端口端口为输出端口)。机械式光开关是最传统的光开关，一机械式光开关是最传统的光开关，一种实用化的机械式多模光纤光开关的插入种实用化的机械式多模光纤光开关的

20、插入损耗小于损耗小于1dB，开关时间小于，开关时间小于1ms。微光机电系统光开关是微光机电系统技微光机电系统光开关是微光机电系统技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关。术与传统光技术相结合的新型机械式光开关。毛细管效应光开关是采用了电毛细管效毛细管效应光开关是采用了电毛细管效应或热毛细管效应的光开关结构。应或热毛细管效应的光开关结构。金属薄膜光开关使用了金属膜与无源波金属薄膜光开关使用了金属膜与无源波导相结合的构形，其结构如图导相结合的构形，其结构如图4.23所示。所示。图图4.23 使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构液晶光开关是在硅衬底材料上制

21、作出液晶光开关是在硅衬底材料上制作出偏振光束分支波导，再把每个分支波导交偏振光束分支波导，再把每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。热光效应光开关是利用加热光波导，热光效应光开关是利用加热光波导，改变光波导的折射率，引起主波导与需要改变光波导的折射率，引起主波导与需要的分支波导间的光耦合，从而实现光开的分支波导间的光耦合，从而实现光开/关关的器件。的器件。插入损耗是指输入与输出端口之间光功率插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示：的减少，以分贝来表示：式中：式中：P0为进入输入端的光功率；为进入输入端的光功率；P1为输为输出端接收的光功率。插入损耗与开关的状出端接收的光功率。插入损耗与开关的状态有关。态有关。01log10PPIL回波损耗回波损耗(也称反射损耗或反射率也称反射损耗或反射率)是是指从输入端返回的光功率与输入光功率的指从