第04章 常用光无源器件

第四章常用光无源器件4.1光纤连接器4.2光纤耦合器4.3波分复用/解复用器4.4光开关4.1光纤连接器4.1.1光纤连接器的结构与种类 光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。1.光纤连接器的结构 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90%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。(1)套管结构 套管结构的连接器由插针和套筒组成。(2)双锥结构 双锥结构连接器是利用锥面定位。(3)V形槽结构

V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V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，(如图4.3所示)。图4.3V形槽结构(4)球面定心结构 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，另一部分是装有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。(5)透镜耦合结构 透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，其结构分别如图4.5、图4.6所示。图4.5球透镜耦合结构图4.6自聚焦透镜耦合2.光纤活动连接器的种类 光纤活动连接器的品种、型号很多，其中有代表性的有：FC、ST、SC、D4、双锥、VFO(球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。 下面针对FC、SC和ST这三种连接器作简单的介绍。(1)FC系列连接器

FC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。FC连接器最早是由日本NTT研制。FC是FerruleConnector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。

(2)ST型连接器

ST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。(3)SC型连接器

SC型外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器插拔操作方便，插入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。

1

2

3光纤接头

FC圆型带螺纹(配线架上用的最多)

ST卡接式圆型

SC卡接式方型(路由器交换机上用的最多)

PC微球面研磨抛光

APC呈8度角并做微球面研磨抛光

MT-RJ方型,一头双纤收发一体(华为8850上有用)(4)不同型号插头互相连接的转换器 对于上述FC、SC、ST三种连接器，在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。(5)活动连接器跳线的规格 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，至少有下述几个参数是需要明确的。光纤接口(6)新型多芯光纤连接器 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，带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接，多芯带状光纤MT连接器就应运而生。4.1.2光纤连接器特性 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。1.插入损耗 插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为：Ac＝-10lgP1/P0(dB)式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1为输出端的光功率。2.回波损耗 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率的分贝数，表达式为：Ar＝-10lgPR/P0

(dB)式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR表示后向反射光功率。3.重复性和互换性 重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。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。4.1.3光纤连接损耗及影响因素良好的接续是指在接续点上，没有光传输的不连续现象。纤芯不连续的几种典型状态，有轴错位、

纤芯倾斜、空隙、

端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端。有空隙时，

因玻璃纤维和空气折射率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（Fresnel）反射。

在单模光纤连接时，除要求纤径一致之外，更重要的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径(MFD:ModeFieldDiameter)一致。目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头附加损耗可控制在0．1dB以下。

1、光纤结构参数失配引起的损耗1、纤芯直径不同引起的连接损耗多模时：（从1到2，a为纤芯半径）La=-10lg(a2/a1)2a1≥a2La=0a1<a2单模时：（从1到2，w为模场半径）La=-10lg[(w2/w1+w1/w2)/2]22、数值孔径不同引起的连接损耗当数值孔径NA1和NA2的两根光纤相连时，损耗为LNA=-10lg(NA2/NA1)2a=-10lg(△2/△1)NA1≥NA2LNA=0NA1<NA23、不同折射率分布光纤的连接损耗折射率分布不同时：（从1到2，α为折射率分布参数）La=-10lg[α2(α1+2)/α1(α2+2)]α1≥α2La=0α1<α22、光纤相对位置偏离引起的损耗

1、

横向错位引起的连接损耗多模时：渐变/阶跃单模时：（从1到2，w为模场半径，d为横向错位）Ld=-10lgexp[-(d/w)2]

2、端面不平时引起的连接损耗多模时：渐变/阶跃单模时：（从1到2，θ为端面倾斜角，w为模场半径）Lθ=-10lgexp[-(πn2wθ/λ)2]

3、

端面与光纤轴线不垂直引起的连接损耗3、端面形状与间隙引起的损耗1、

间隙损耗阶跃多模单模

2、

非平面端面损耗4.2光纤耦合器 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。4.2.1光纤耦合器的结构与原理 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、平面波导型等。图4-7表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型分支，由一根芯线一端输入的光可用它加以等分。当分支器分支路的开角增大时，向包层中泄漏的光将增多以致增加了过剩损耗。多模光纤与单模光纤均可做成耦合器，通常有拼接式，另一种是熔融拉锥式。图4-8为拼接式原理图，拼接式结构是将光纤埋入玻璃快中的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，然后将经抛磨的两根光纤拼接在一起，靠透过纤芯和包层界面的消失场长生耦合。 下面主要介绍熔融拉锥法的原理。 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式靠拢，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，实现传输光功率耦合的一种方法。(1)熔融拉锥型单模光纤耦合器 在单模光纤中，传导模是两个正交的基模(HE11)信号。图4.9所示是单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图，其中归一化频率(2)熔融拉锥型多模光纤耦合器 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，还要同时满足4an1sinθ=mλ(m=1，2，3，…)。其中，a为纤芯半径，n1是纤芯折射率，θ为传导模与光轴的夹角，λ为传输光的波长。总的模式数为：M=V2/2式中：V为归一化频率。4.2.2光纤耦合器的特性1.插入损耗 插入损耗(InsertinLoss，IL)定义为指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(dB)表示，数学表达式为 其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口测到的光功率值；Pin是输入端的光功率值。2.附加损耗 附加损耗(ExcessLoss，EL)定义为所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(dB)表示的数学表达式为式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。3.分光比 分光比(CouplingRatio，CR)是光耦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百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为例如对于标准X形耦合器，1∶1或50∶50代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。4.方向性 方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X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的输出光功率(图4.8中的I2)与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为： 式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。5.均匀性 均匀性就是衡量均分器件的“不均匀程度”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化量。其数学表达式为式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。6.偏振相关损耗 偏振相关损耗(PolarizationDependentLoss，PDL)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。它是指当传输光信号的偏振态发生360°变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量： 在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。7.隔离度 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，也就意味着线路之间的“串话”小。其数学表达式为式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输入功率值。4.3波分复用/解复用器 光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个光信号合并在一起精合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。4.3.1波分复用/解复用器的原理与分类光合波器和光分波器可分为衍射光栅型，棱镜型,波导型等几种类型。1.光栅型 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分光元件。图4-10为衍射光栅型光合波和光分波的原理图:图4-10衍射光栅型光合波和光分波的原理图2.棱镜型光合波和光分波型图4-11为棱镜型光合波和光分波的原理图3.为波导型分波器

图4.12波导型分波的原理图4.波导阵列光栅型 图4.15所示是一种波导阵列光栅型波分复用器件。它是由输入、输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。图4.15波导阵列光栅型DWDM5.光纤光栅 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呈周期性变化图4.17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，而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波器，如图4.17所示。图4.17光纤光栅滤波作用(1)干涉法 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。(2)相位掩膜板法 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，从而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。4.3.2波分复用/解复用器的特性1.解复用器 以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性有以下几点。 (1)中心波长(或通带)λ1、λ2…λn+1 (2)中心波长工作范围Δλ1、Δλ2 (3)中心波长对应的最小插入损耗L1式中：P′1代表波长为λ1的光束在输出端的光功率；P01分别代表波长为λ1的光束在输入端合路信号中的光功率。 (4)相邻信道之间串音耦合最大值L12 式中：P‘1代表波长为λ1的光束在输出端串扰到λ2的输出端口处的光功率，P2分别代表波长为λ2的光束在输出端口处的输出光功率。(5)偏振相关损耗 偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时(如线偏振、圆偏振、椭圆偏振等)，对应输出端口插入损耗最大变化量。2.复用器 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(1#至N#端口为输入端口，0#端口为输出端口)。4.4光开关4.4.1光开关的种类1.机械式光开关 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损耗小于1dB，开关时间小于1ms。(1)微光机电系统光开关 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。(2)毛细管效应光开关 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。(3)金属薄膜光开关 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4.23所示。图4.23使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构2.液晶光开关 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。3.热光效应光开关 热光效应光开关是利用加热光波导，改变光波导的折射率，引起主波导与需要的分支波导间的光耦合，从而实现光开/关的器件。4.4.2光开关的特性参数1.插入损耗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：式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输出端接收的光功率。插入损耗与开关的状态有关。2.回波损耗 回波损耗(也称反射损耗或反射率)是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示：式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输入端口接收到的返回光功率。回波损耗与开关的状态有关。3.隔离度 隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示。式中：n、m为开关的两个隔离端口(n≠m)；Pin是光从i端口输入时n端口的输出光功率，Pim是光从i端口输入时在m端口测得的光功率。4.远端串扰 远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。5.近端串扰 近端串扰是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。6.消光比 消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。