第三章光无源器件

精密仪器与光电子工程学院第三章光无源器件光无源器件是光路的重要组成部分。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、光纤耦合器、光波分复用器/解复用器、光隔离器、光开关、光衰减器、光调制器、光偏振控制器、光交叉连接器等等。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。精密仪器与光电子工程学院第三章光无源器件3.1光纤连接器3.2光纤耦合器3.3光波分复用/解复用器3.4光隔离器3.5光开关精密仪器与光电子工程学院3.1光纤连接器光纤连接器是把两个光纤端面连接在一起，以实现光纤与光纤（或其它器件）之间可拆卸（或永久性）连接的器件，是光纤系统中使用量最多的器件。光纤其它系统仪表有源器件其它无源器件光纤1

3.1.1

光纤活动连接器2

3.1.2

光纤固定连接器精密仪器与光电子工程学院3.1光纤连接器精密仪器与光电子工程学院1．工作原理及基本结构光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对接，保证95％以上的光能通过连接器。目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种。3.1.1光纤活动连接器图3.1套筒结构3.1.1光纤活动连接器精密仪器与光电子工程学院插针的精度要求：外径不圆度小于0.0005mm；外圆柱面光洁度为；微孔偏心量小于1μm；插针端面为球面，其曲率半径为20~60mm。套筒结构的核心是插针与套筒。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3.2所示。

图3.2插针的结构与主要尺寸套筒是与插针相配合的零件，它有两种结构，如图3.3所示。图3.3套筒的结构与尺寸套筒的精度要求是：内孔光洁度为；拔插力为3.92~5.88N。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。

FC型，SC型，ST型

精密仪器与光电子工程学院3.1.1光纤活动连接器精密仪器与光电子工程学院

图3.4双锥结构

图3.6球面定心结构

图3.5V形槽结构

图3.7透镜耦合结构活动连接器有代表性且正在使用的其它几种结构形式。3.1.1光纤活动连接器去44页精密仪器与光电子工程学院2．光纤活动连接器的组成部分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：(1)

连接器插头(PlugConnector)：使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，由插针体和若干外部零件组成。(2)

转换器或适配器(Adapter)：即插座（法兰盘），将光纤插头连接在一起，使光纤接通的器件。可以连接同型号插头，也可以连接不同型号插头，可以连接一对插头，也可以连接几对插头或多芯插头。3.1.1光纤活动连接器精密仪器与光电子工程学院(3)

变换器(Converter)：将某一型号的插头变换成另一型号的插头，由一种型号的转换器加上另外其他型号的插头组成。(4)

光缆跳线(CableJumper)：一根光缆两端面装上插头，称为跳线。两个插头的型号可以不同，可以是单芯的，也可以是多芯的。(5)

裸光纤转换器(BareFiberAdapter):将裸光纤与光源、探测器及各种光仪表连接的器件。将裸光纤穿入转换器，处理好光纤端面，形成一个插头。3.1.1光纤活动连接器精密仪器与光电子工程学院3.1.1光纤活动连接器3．主要性能指标(1)

插入损耗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) (3.1)

式中，为输入光功率；为输出光功率。插入损耗越小越好。精密仪器与光电子工程学院影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多，现简述如下：A.两个光纤纤芯位置的错位，如图3.8所示。实际有三种情况，即横向错位、角度倾斜和端面间隙。图3.8光纤纤心位置的错位3.1.1光纤活动连接器B.端面反射在两个光纤端面之间，由于存在不同的介质（如空气），光在介质之间多次反射，产生损耗，称为菲涅耳反射引起的损耗，其表达式为

式中，K=n1/n0。当n0=1,n1=1.46时，。精密仪器与光电子工程学院3.1.1光纤活动连接器图3.9端面反射(3.2)精密仪器与光电子工程学院C.两根光纤纤芯直径不同，也会导致光纤连接器损耗。3.1.1光纤活动连接器图3.10光纤纤心直径不同(3.3)精密仪器与光电子工程学院3.1.1光纤活动连接器D.其它因素导致的连接器插入损耗图3.11光纤纤芯端面图3.12光纤参数精密仪器与光电子工程学院3.1.1光纤活动连接器(2)

回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数，其表达式为

(dB) (3.4)

式中，为输入光功率；为后向反射光功率。回波损耗越大越好。精密仪器与光电子工程学院3.1.1光纤活动连接器(3)

重复性和互换性重复性是指光纤活动连接器多次插拔后，插入损耗的变化范围，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。精密仪器与光电子工程学院3.1.2光纤固定连接器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。精密仪器与光电子工程学院3.2光纤耦合器光纤耦合器(Coupler)是将光信号进行分路/合路的功能器件，是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。图3.13光纤耦合器结构示意图精密仪器与光电子工程学院1

3.2.1光纤耦合器的工作原理2

3.2.2光纤耦合器的性能参数3.2光纤耦合器精密仪器与光电子工程学院

3.2.1光纤耦合器的工作原理光纤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三类。1、早期采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜、棱镜等）组合拼接。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。已成为当前制作光耦合器的主要方法。3、利用平面光波导制作的光纤耦合器具有体积小，分光比控制精确，易于大批量生产等特点。集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。下面主要介绍全光纤耦合器的工作原理。精密仪器与光电子工程学院全光纤耦合器的耦合机理是基于光纤的消逝场耦合的模式理论。首先介绍光纤耦合器的两种结构形式（拼接式、熔融拉锥式）。

3.2.1光纤耦合器的工作原理图14.光纤耦合器的耦合区及其形成（a）拼接式（b）熔融拉锥式精密仪器与光电子工程学院

3.2.1光纤耦合器的工作原理1．单模光纤耦合器在单模光纤中，传导模是两个正交的基模(模)，耦合器中光场强度分布如图15所示。

图15耦合器中光场强分布精密仪器与光电子工程学院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芯、光纤外介质（一般指空气）为新包层的复合波导中传输的。在输出端，随着纤心的逐渐变粗，V值增大，光功率被两根纤芯以特定比例捕获。在熔锥区，两根光纤包层合并在一起，两根光纤纤芯足够接近，形成弱耦合，如图16所示。

图16熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理

3.2.1光纤耦合器的工作原理精密仪器与光电子工程学院以2×2单模光纤耦合器为例，在弱导近似且假设光纤无损耗的情况下，耦合方程为：

3.2.1光纤耦合器的工作原理式中，Z为传输方向上的坐标，Pt为直通端的传输光功率，Pc为耦合端的传输光功率，β为两光纤的传输常数，C1为耦合端到直通端的耦合系数，C2为直通端到耦合端的耦合系数。一般有C1=－C2=C。(3.5)(3.6)精密仪器与光电子工程学院

3.2.1光纤耦合器的工作原理(3.7)精密仪器与光电子工程学院2．多模光纤耦合器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，纤芯中束缚的模式数减小，较高阶模进入包层，形成包层模。在输出端纤芯又逐渐变粗时，耦合臂的纤芯将以一定比例捕获这些高阶模式，获得耦合光功率，但低阶模不参与耦合。

3.2.1光纤耦合器的工作原理精密仪器与光电子工程学院

3.2.2光纤耦合器的性能参数表征光纤耦合器性能的主要参数有插入损耗、附加损耗、分光比、均匀性、方向性（隔离度）等。1．插入损耗(InsertionLoss)：指定输出端口i的光功率与全部输入光功率比值的对数。

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；为输入的总光功率。2．附加损耗(ExcessLoss)：所有输出端口的光功率总和与全部输入光功率比值的对数(3.9)(3.8)3．分光比(CouplingRation)：某指定输出端口i的光功率与各输出端口总输出光功率之和的比值。它是光纤耦合器特有的技术指标。4．均匀性(Uniformity)：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匀，用均匀性来衡量其不均匀程度。精密仪器与光电子工程学院

3.2.2光纤耦合器的性能参数(3.11)(3.10)精密仪器与光电子工程学院5．方向性(Directivity):方向性是光纤耦合器特有的技术指标,是衡量器件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，输入一侧非注入光一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值的对数。见上图，由2端输出的光功率与全部注入的光功率(由1端注入的光功率)之比：

3.2.2光纤耦合器的性能参数(3.12)精密仪器与光电子工程学院3.3光波分复用/解复用器光波分（解）复用器是按光波波长进行功率分离与合成的光无源器件，是一种特殊的耦合器。解复用器是把一根光纤输入的多个波长的复合信号分解成单个不同波长的光信号，注入到多条光纤中去。（分波器）复用器的功能和解复用器正好相反，它是把多个不同波长的光信号复合在一起，并注入到一根光纤传输。（合波器）精密仪器与光电子工程学院3.3光波分复用/解复用器1

3.3.1光波分复用器/解复用器的特性2

3.3.2光波分复用器/解复用器的结构原理精密仪器与光电子工程学院

3.3.1光波分复用器/解复用器的特性性能指标插入损耗Li：指特定波长信号穿过复用器件相应通道时所引入的功能损耗。插入损耗越小越好。串音（隔离度）Lc：指波长隔离度或通道间隔隔离度，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输入功率之比的对数。Lc越小越好。除了和器件的设计、制造工艺有关，还与光源有关。通道带宽△vch：指分配给某指定通道的波长范围。稀疏型WDM：通道间隔10nm～100nm，通常用于2～5个WDM系统；密集型WDM：通道间隔1nm～10nm，通常用于5～10个WDM系统；致密性WDM：通道间隔0.1nm～1.0nm，通常用于20～1000个以上WDM。精密仪器与光电子工程学院

3.3.1光波分复用器/解复用器的特性解复用器的光学特性解复用器的光学特性可以用输入端到N个输出端的各信道的波长—插入损耗函数表达。图

解复用器波长-插入损耗的关系曲线精密仪器与光电子工程学院

(1)中心波长。ITU-TL规定在1550nm区域，以1552.52nm为标准波长,其他波长与之间隔为0.8nm，或其整数倍()为复用波长。

(2)中心波长工作范围△λ12，△λ23

。对于每一通道，确定了出射光的谱宽范围。

(3)中心波长对应的最小插入损耗,。是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好。

(4)相邻信道之间的串音耦合最大值(隔离度），是另一项重要指标。数字信号通信系统要求大于30dB，模拟信号通信系统要求大于50dB。

3.3.1光波分复用器/解复用器的特性精密仪器与光电子工程学院

3.3.1光波分复用器/解复用器的特性复用器的光学特性复用器的光学特性可以用对于给定的输入端口（第1至第N端口之一）和作为输出端口（0端口）的插入损耗—波长关系曲线表示。图

复用器插入损耗－波长的关系曲线精密仪器与光电子工程学院

3.3.2光波分复用器/解复用器的结构原理1.棱镜分光型—折射率随波长变化精密仪器与光电子工程学院2.光栅分光型

3.3.2光波分复用器/解复用器的结构原理—衍射原理一级衍射的光栅方程：精密仪器与光电子工程学院3.干涉滤波器型（介质膜型）

3.3.2光波分复用器/解复用器的结构原理—多光束干涉λ/4空气λ/4λ/4衬底高折射率低折射率低折射率精密仪器与光电子工程学院

3.3.2光波分复用器/解复用器的结构原理45精密仪器与光电子工程学院

3.3.2光波分复用器/解复用器的结构原理4.熔融双锥耦合波分复用型精密仪器与光电子工程学院光隔离器是只允许光线沿光路单向传输的无源器件，用于解决光纤通信中光路中光反射的问题。3.4光隔离器1

3.4.1

光隔离器中使用的光学元件2

3.4.2

光隔离器的工作原理精密仪器与光电子工程学院1．光纤准直器(OpticalfiberCollimator)光纤准直器由自聚焦透镜和单模光纤组成，对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤之间的耦合效率。2．偏振器(Polarizator)双折射晶体被加工成楔形，入射光沿非光轴方向入射，出射光分为偏振方向正交的两束线偏光o光和e光。

3.4.1光隔离器中使用的光学元件精密仪器与光电子工程学院

3.4.1光隔离器中使用的光学元件薄膜起偏分束器:是由人造各向异性介质制作的，其结构如下图所示。两种电介质材料周期性层叠，厚度周期小于波长。o光和e光的分离角度由两种材料的折射率、厚度、以及入射角度决定。

薄膜起偏分束器精密仪器与光电子工程学院

3.4.1光隔离器中使用的光学元件线栅起偏器由金属和电介质周期交替层叠构成，如下图所示。光穿过线栅时，偏振与线栅方向平行的线偏光被吸收，垂直线栅方向的线偏光损耗很小，输出线偏光。图

线栅起偏器精密仪器与光电子工程学院3.法拉第旋转器(FaradayRotator)1845年法拉第发现，原来不具有旋光性的物质在磁场作用下，偏振光通过该物质时其偏振面将发生旋转—磁致旋光现象。

3.4.1光隔离器中使用的光学元件旋转角度为

(3.13)

式中，V为Verdet常数；L为光在介质中的传输距离；B为磁感应强度。磁致旋光效应的特点：旋转方向的非互易性法拉第旋转是非互易的光学过程，即线偏振光一次通过法拉第材料转过角度θ，而沿相反方向返回时将再旋转θ角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度为2θ。4．特种光纤磁敏光纤在制造中掺入稀土元素，具有良好的透光性和法拉第旋光性。精密仪器与光电子工程学院

3.4.1光隔离器中使用的光学元件精密仪器与光电子工程学院

3.4.1光隔离器中使用的光学元件几种物质的费尔德常数（弧分/特斯拉·厘米）精密仪器与光电子工程学院3.4.2光隔离器的工作原理光隔离器的作用：在光通信系统中，从光源到接收机的传输过程中，会通过许多不同的光学界面，每一个光学界面均会出现反射，反射光最终会反向传回到光源，引起光源不稳定，产生频率漂移幅度变化，影响系统的正常工作。采用光隔离器就可以消除反射光的影响。根据偏振特性，光隔离器可分为偏振相关型光隔离器和偏振无关型光隔离器。精密仪器与光电子工程学院3.4.2光隔离器的工作原理1．偏振相关型光隔离器对于偏振相关型光隔离器，入射光不论是否是线偏光，出射光一定是线偏光。空间偏振相关型光隔离器的结构如下图所示。精密仪器与光电子工程学院3.4.2光隔离器的工作原理起偏和检偏器的光轴有45°夹角，入射光经过起偏器后成为线偏光，再经过法拉第旋转器，偏振面顺时针旋转45°，刚好和检偏器的光轴方向一致，顺利通过。反射光通过P2，成为与检偏器光轴一致的线偏光，经过法拉第旋转器，由于磁场不变，光的偏振面继续顺时针旋转45°，成为偏振方向与P1

光轴垂直的线偏光，不能通过起偏器P1，起到了反向隔离的作用。

精密仪器与光电子工程学院3.4.2光隔离器的工作原理精密仪器与光电子工程学院2．偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器是一种与输入光偏振态依赖很小的光隔离器。Wedge型偏振无关光隔离器结构与偏振光传输示意图如下图所示。3.4.2光隔离器的工作原理精密仪器与光电子工程学院3.4.2光隔离器的工作原理光束正向传输时，光纤中的光由准直透镜射出，进入起偏分束器P1，分为偏振方向相互垂直的o光和e光，经过法拉第旋转器，偏振面各自顺时针旋转45°，由于检偏器P2

的光轴与P1的光轴成45°夹角，o光和e光被折射到一起，合成一束平行光经准直耦合进光纤。光束反向传输时，由于法拉第效应的非互易性，经过P2后分为与P1光轴成45°的o光和e光，在经过法拉第旋转器时，由于磁感应强度不变，o光和e光的偏振面依然继续顺时针旋转45°，相对于P1的光轴共旋转了90°，因此o光和e光被P1进一步分开，准直透镜无法将这两束光耦合进入光纤，达到了反向光被隔离的目的。精密仪器与光电子工程学院此结构制作简单，插入损耗小，整个器件体积小，但是由于准直透镜和双折射棱镜的使用，具有一定的偏振相关损耗和偏振模色散。3.4.2光隔离器的工作原理1

3.5.1光开关的性能参数2

3.5.2光开关的结构原理精密仪器与光电子工程学院3.5光开关光开关是全光交换中的关键器件，它具有一个或多个可选择的传输端口，控制光路的通断（或者说信号的通断），可对光传输线路中的光信号进行相互转换或实行逻辑运算。光开关在光纤网络系统中有着广泛的应用，如路由选择、光交叉连接(OXC)、网络自动保护、网络监控、光纤通信器件测试、光上下路复用（OADM）等。精密仪器与光电子工程学院

3.5.1光开关的性能参数光开关的性能参数主要包括插入损耗、开关时间、消光比、隔离度、串扰等。下面以1×2光开关为例介绍这些性能参数。P0P1P21.插入损耗（InsertionLoss)插入损耗是指某一输出端口与输入端口光功率的比值，以分贝来表示：式中：P0为进入输入端的光功率；Pi为输出端口i输出的光功率。插入损耗与开关的状态有关。2.开关时间(SwitchingTime)开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。精密仪器与光电子工程学院

3.5.1光开关的性能参数精密仪器与光电子工程学院

3.5.1光开关的性能参数3.消光比(ExtinctionRatio)消光比是指输入输出两个端口处于导通（开启）和非导通（关闭）状态的插入损耗之差。式中：ILnm为n，m端口导通（开启）时的插入损耗；ILnm0为n，m端口非导通（关闭）时的插入损耗。4.隔离度（Isolation）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为开关的两个隔离输出端口(n≠m)；n导通，m断开。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。精密仪器与光电子工程学院5.串扰（crosstalk)串入相邻端口的输出光功率与光开关接通端口的输出光功率的比值，以分贝表示。式中，P1为开关接通输出端口1输出的光功率，P2为串入端口2的光功率。

3.5.1光开关的性能参数精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理1.光开关的分类A.按照工作媒质，光开关可以分为自由空间开关和波导光开关。B.按照器件原理，光开关可以分为机械式开关和非机械式开关。损耗越来越高，速度越来越快自由空间变换波导电－机械原理热－光原理电－光原理移动轨道光反射反射镜棱镜SiO2聚合物交叉波导MEMS电介质半导体液晶LiNb03InpSOA精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理2.机械式光开关机械式光开关是通过光纤和光学元件的移动或旋转，使光路发生改变。开关时间在毫秒量级（较长），还会有回跳抖动和重复性差等问题。输入光纤输出光纤12N1×N移动光纤光1×2移动反射镜开关旋转轴反射镜光纤精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理微光机电光开关MEMS(MicroOpto-ElectroMechanicalSystems)在半导体衬底材料上制造出可以作微小移动和旋转的微反射镜(140μm×150μm)阵列。微反射镜在驱动力的作用下，将输入光信号切换到不同的输出光纤中。驱动力可利用热力效应、磁力效应或静电效应产生。优点：体积小，消光比大(>60dB），隔离度好（>45dB）对偏振不敏感，成本低，开关速度适中(0.1ms～1ms)，插入损耗小于2dB。精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理3.非机械式光开关一般是通过电光效应、热光效应、液晶、磁光效应以及声光效应等改变波导折射率，使光路发生改变。具有开关时间短，体积小，便于集成的优点，但插入损耗大，隔离度低。精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理A.电光效应与光开关A.1电光效应：如果对晶体施加适当的外电场，则晶体的双折射性质将发生改变，从而使通过晶体的光波产生相位延迟或偏振态的改变。传播常数差：相位差:折射率差：精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理A.2方向耦合器电光开关在铌酸锂衬底上，制作两个紧密排列的条形波导和一对电极。两波导的能量交换通过“光学隧道效应”进行，即波导0的导模在间隙中的渐逝场渗透到波导1中，激励起波导1的导模并将波导0的光功率转移到波导1中。光功率从一个波导耦合到另一个波导的耦合系数ηLiNb03基底V(t)L00波导1波导输入端输出端zyx式中，，L0为耦合长度。精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理A.3Mach-Zehnder干涉型电光开关CDLiNbO3基底A分支波导B分支波导-V+V输入输出输入光功率在C点被平均分配到两个分支波导中，在输出端D点干涉，其输出幅度与两个分支波导的位相差有关。当A,B两分支的位相差为0时，输出功率最大；当位相差为π时，输出功率最小，理想情况下等于0。由两个3dB耦合器和两个波导臂组成，波导两侧和中间均为表面电极。精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理B.热光开关热光开关和电光开关的结构可以产生开关效应的机理不同。热光效应是指通过电流加热的方法使介质的温度发生变化，导致介质折射率的变化从而使光波相位发生改变的物理效应。金属薄膜加热器1343dB耦合器3dB耦合器M-Z干涉型热光波导开关精密仪器与光电子工程学院

3.5.2光开关的结构原理C.液晶光开关液晶开关内包含液晶片、偏振光束分离器(PBS)或光束调相器。当无外加电压时，液晶使偏振光的偏振