第三章光纤材料及光纤器件1

2/3/20231光纤器件2/3/20232光纤器件：光纤无源器件

光纤有源器件

2/3/2023Page3概述

简介

一种光学元器件工艺原理遵循光学的基本原理，即光线理论以及电磁波理论光通信设备的重要组成部分

涉及多种加工工艺，特别复杂2/3/2023Page4概述光无源器件主要分为以下几种光纤准直器（FiberCollimators）光纤连接器（Connector）光耦合器件（Coupler）光衰减器（Attenuator）光隔离器（Isolator）光波分复用器（WDM）偏振光合波器（PBC）光开关(Switch)光环形器（Circulator）2/3/2023Page5概述

内容介绍

各种无源器件的基本原理各种无源器件的种类举例介绍具体无源器件的制作工艺各种无源器件的性能技术指标2/3/2023Page61.光纤准直器（FiberCollimator）2/3/2023Page7光纤准直器（Collimator)原理与作用光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样

可使两准直器之间保持较长的距离，可以插入光学元件以实现器件性能。如下图所示；2/3/2023Page8光纤准直器（Collimator)原理示意图

腰斑较大发散角小GrinLens（1/4透镜）FiberPigtail束腰半径小发散角大GlassSleeve近高斯光束折射率径向变化示意图玻璃套管光纤尾纤2/3/2023Page9光纤准直器（Collimator)种类C-Lens光纤准直器:Cylindrical-Lens,球端面透镜技术准直器G-Lens光纤准直器:GrinLens,斜端面折射率径向渐变技术准直器C-Lens可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比G-Lens改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而在普通应用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在Filter型WDM中，需要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens端面为平面易于贴片。

2/3/2023Page10光纤准直器（Collimator)UV胶

Epoxy环氧树脂制作工艺Lens组装玻璃管Lens2/3/2023Page11光纤准直器（Collimator)制作工艺Pigtail组装对齐后作标记斜面对齐2/3/2023Page12光纤准直器（Collimator)制作工艺LensHolder套管组装LensHolder

2/3/2023Page13主要性能技术指标：Wavelength（波长）=1520~1580nmInsertionLoss（插入损耗）<0.15dBReturnLoss（回波损耗）>65dBTensileLoad（拉力）>5NWorkingDistance（工作距离）:10mm光纤准直器（Collimator)2/3/2023Page142.连接器（Connector）2/3/2023Page15连接器（Connector）基本原理光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学机构，是两根光纤的纤心对准，保证90％以上的光可以通过。光纤连接器是光学元器件中的基础元件，除了实现光纤之间的连接外，它还具有将光纤光缆、有源器件、其他无源器件、系统与仪表实现连接的功能。2/3/2023Page16连接器（Connector）种类1、活动连接器：a、连接器插头（PlugConnector）使光纤（缆）在转换器或变换器中完成插拔功能的器件b、转换器（Adaptor）把光纤（缆）插头连接在一起，从而实现光纤接通的器件c、跳线（JumperConnector）一根光纤（缆）的两端都装上插头d、变换器（Converter）使某种型号的插头换成另一种型号插头的器件e、裸光纤转换器（BareFiberAdaptor）使裸光纤与光源、探测器、各类光仪表连接的器件2、固定连接器：主要为光纤熔接（FiberFusingSplicing）2/3/2023Page17连接器（Connector）基本制造类型2/3/2023Page18各种制造标准连接器（Connector）2/3/2023Page19连接器（Connector）

插针端面

PC：Non-angledPhysicalContactconnector无角度接触连接器

APC：AngledPhysicalContactconnector有角度接触连接器这里端面一般为球面，球面增加回损。比较两种连接器，APC斜球端面连接器可以在接触时产生更大的回波损耗，其数值可以达到50-70dB，而一般的PC端面连接器回损约为30-40dB，只是由于角度位置的要求，APC连接器制作工艺会稍微复杂。

2/3/2023Page20连接器（Connector）

部分连接器图例

SC/PCSC/APC2/3/2023Page21FC/PCFC/APC连接器（Connector）2/3/2023Page22插针A插针B光纤插针连接器（Connector）插针套筒式连接器示意图2/3/2023Page23LC/PC连接器组装结构连接器（Connector）组装前组装后2/3/2023Page24主要性能技术指标连接器（Connector）1、插入损耗（InsertionLoss)2、回波损耗（ReturnLoss）3、重复损耗：多次插拔的损耗4、互换损耗：连接器部件互换时损耗2/3/2023Page253.光耦合器（Coupler）2/3/2023Page26光耦合器（Coupler）耦合器件的定义以及种类光耦合器是重要的无源器件，是传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，然后进行再分配。种类从功能上分光功率（Splitter）和光波长分配耦合器（WDMCoupler）；从端口形式可分为X形、Y形、星形以及树形耦合器；从工作带宽分窄带耦合器、单工作窗口宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器；从传导光模式分多模耦合器、单模耦合器。熔融拉锥型全光纤耦合器应为其良好的综合优势成为现在制作耦合器的主要方法。2/3/2023Page27光耦合器（Coupler）耦合机理：（单模光纤耦合器）

耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过“直通臂”继续传输，另一部分由“耦合臂”传到另一光路。基本原理是：当光线输入进入熔锥区输入端时，由于纤芯的不断变细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部分的光功率会逸出“输入臂”熔锥区的光纤包层，这时光功率是以包层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输出端，随着纤芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特定的比率捕获。

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光耦合器（Coupler）耦合机理示意图(1X2Single为例)

耦合区单模输入光（小角度单一路径）背散射臂

输入臂入射角度变大

逸出折射光耦合臂形成新的全反射直通臂2/3/2023Page29

光耦合器（Coupler）熔融拉锥示意图99.9％氢气火焰拉力一定要打两个结2/3/2023Page30

光耦合器（Coupler）V-shapeQuartzTube石英基板ShrinkTube热缩套SiliconRubber硅胶StainlessSteelTube不锈钢套Epoxy环氧胶UV胶Fiber光纤ShrinkTube热缩套SiliconRubber硅胶V-shapeQuartzTubeV型石英基板StainlessSteelTube不锈钢套结构示意图2/3/2023Page31熔融拉锥型全光纤耦合器的优势1、极低的附加损耗：标准X型可达到0.05dB以下；2、方向性好：一般超过60dB;3、良好的环境稳定性：例如在-40度－85度范围内可保持稳定的工作特性；4、控制方法简单、灵活；5、成本低廉：原料为一般光纤，自动化程度高，成品率高。光耦合器（Coupler）2/3/2023Page32光耦合器（Coupler）主要性能技术指标1、插入损耗2、附加损耗（ExcessLoss）：全部输出端口功率总和相对于全部输入功率总和的减少值3、分光比（CouplingRatio）：耦合器各输出端口的输出功率的比值4、方向性（Directivity）：输入侧非注入光一端的输出光功率与全部注入功率的比较值5、均匀性（Uniformity）:在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化值6、偏振相关损耗（PolarizationDependentLoss）当传输光信号偏振态发生360度变化，器件各端口输出光功率最大变化量7、隔离度（Isolation）光纤耦合器件某一光路对其他光路中光信号的隔离能力

2/3/2023Page334.光衰减器（Attenuator）2/3/2023Page34光衰减器是重要的光学无源器件，常用于在系统中吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗以及各类测试中。

光衰减器可以按照用户的要求将光信号进行预期的衰减，类型很多，不同类型衰减器分别采用不同的工作原理。光衰减器的作用：光衰减器（Attenuator）2/3/2023Page35光衰减器（Attenuator）直接镀膜型光衰减器（吸收或反射膜）纵向位移型横向位移型衰减片型光衰减器液晶型光衰减器光衰减器位移型光衰减器光衰减器的种类2/3/2023Page36光衰减器（Attenuator）ATT：Attenuator衰减器MATT:MemsOpticalAttenuator微机电系统光衰减器（MicroElectroMechanicalSystems）VCB:Voltage-controlledOpticalAttenuatorserialBB系列电控光衰减器MV:MiniatureVariableOpticalAttenuator微型可调光衰减器VSA:Voltage-controlledSlopOpticalAttenuator电控溢出光衰减器VCF:Voltage-controlledOpticalFilter电控溢出光衰减器JDSU光衰减器的制造种类2/3/2023Page37光衰减器（Attenuator）光衰减器主要性能指标1、InsertionLoss：插入损耗，即衰减量2、ReturnLoss：回波损耗3、Attenuationrange：衰减范围4、Attenuationresolution：衰减精度5、PDL：偏振相关损耗2/3/2023Page385.光隔离器（Isolator）2/3/2023Page39光隔离器（Isolator）概述与光隔离器种类光隔离器主要是解决光路中光的反射问题，它是只允许光线沿光路正向传输的非互易性无源器件。包括：Polarization-DependentFree-spaceOpticalIsolator

空间型偏振相关隔离器，简称PDFI。其工作原理是利用了磁光晶体的法拉第效应，具体结构是两个线偏振器中加一个法拉第旋转器而成。MiniatureOpticalFree-spaceIsolator

微型空间型偏振相关隔离器，简称MOFI，是PDFI的微型化，原理与其相同。Polarization-InsensitiveFiberIsolator偏振无关光隔离器，简称PIFI。其工作原理是采用双折射晶体，产生偏振态互相垂直的o光和e光，又经双折射晶体耦合。但反射光经法拉第旋转器偏转后，o光与e光之间的角度加大，无法耦合反射到入射口。

以下是光隔离器中常用的一些光学元件以及特性。2、1、3、2/3/2023Page40法拉第旋转器（FaradayRotator）光隔离器（Isolator）不具有旋光性的物质在磁场的作用下，偏振光通过该物质时其震动面将发生旋转。此现象称为磁致旋光效应，也称法拉第效应。法拉第效应的一个重要特性是：不管光的传播特性如何，迎着外加磁场的方向观察，偏振光按反时针旋转，其旋向是不可逆转的。这是制作光隔离器的基础特性。常用材料包括YIG晶体（钇铁石榴石）、高性能磁光晶体。典型的隔离器采用选光角度为45度的旋转器。法拉第旋转器2/3/2023Page41光隔离器（Isolator）自然光、偏振光与偏振片自然光为横波其振动态为

各向均匀振动二向色性偏振片：只允许与光轴平行振动态光通过

2/3/2023Page42光隔离器（Isolator）双折射晶体Wedged片birefringentCrystalWedged入射光楔形单轴双折射晶体光轴o光光轴e光2/3/2023Page43光隔离器（Isolator）FaradayRotatorPolarizer1FaradayRotator1ForwardtransmissionPolarizer1Polarizer2Polarizer3FaradayRotator1FaradayRotator2Polarizer34590901354590Polarizer2FaradayRotator2MOFI光隔离器原理（双极）2/3/2023Page44光隔离器（Isolator）主要性能技术指标

1、InsertionLoss：插入损耗2、ReturnLoss：回波损耗3、Isolation：反向隔离度，表征隔离期对反向传输光的衰减能力4、PolarizationDependentLoss:PDL偏振相关损耗，是指当输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量5、PolarizationModeDispersion：偏振模色散，是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。2/3/2023Page45光波分复用器（WDM）6、光波分复用器（WDM）2/3/2023Page46光波分复用器（WDM）概述：波分复用技术是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。这样大大提高了单模光纤的带宽利用光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。光波分复用器件的一个端口，作为器件的输出/输入端，N个端口作为器件的输入/输出端。P0(0#端口)1P1端口2P2端口nPn端口2/3/2023Page47LWDM：LaserWeldingWavelengthDivisionMultiplexer干涉模型激光焊接波分复用器IWDM：IsolatorWavelengthDivisionMultiplexer隔离器型激光焊接波分复用器DWDM：DenseWDM密集波分复用（通道间隔小于100GHz）CWDM：CoarseWDMJDSU生产线LW平台光波分复用器（WDM）GSWDM：基于JDSUGS平台的波分复用器，原理与LWDM相同，只是封装方式不一致2/3/2023Page48光波分复用器（WDM）光波分复用器件技术指标（仅指单模光纤WDM器件）复用中心波长：信道通道带宽：±20nm，指允许的中心波长范围的变化。插入损耗：指器件输入端和对应的输出端光功率的减小值。隔离度：指器件输出端口的光进入非指定输出端口光能量大小。光回波损耗：指光信号从指定端口输入时，由于器件引起反向回传的光能量。偏振相光损耗：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），对应输出端口插入损耗最大变化量。温度稳定性：指器件插入损耗随温度的变化。最大光功率：指器件允许通过的最大光功率。工作温度：指器件正常工作时，允许的温度变化。储存温度：指器件存放、运输的温度范围。2/3/2023Page497.偏振光合束器（PBC)2/3/2023Page50PBC是PolarizationBeamCombiner的缩写，意即偏振光合（分）波器。

由于生产普通光纤难以克服的椭圆度和残余应力，以及在使用过程中不可避免的外力和磁场的影响，所以普通光纤将随机改变在其中传输的二个简并模的相位差，使其偏振态随机变化。

PBC偏振光合束器就是将两束偏振方向正交的线偏光合成一束。

概述：2/3/2023Page51WollastonPrism渥拉斯顿棱镜

渥拉斯顿(Wollaston)棱镜能产生两束互相分开的、振动互相垂直的平面偏振光．它是由两个直角棱镜组成的，自然光垂直入射到AD表面。它与双折射晶体的作用一样，都是使正交的偏振模按不同角度分开；两个直角或斜角的方解石粘结到一起就是渥拉斯顿透镜。反过来，如果两束偏振光逆行进入，渥拉斯顿棱镜就能将其合成为一束正交的偏振模光束，PBC就是利用此特性。

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2块方解石（胶粘结）2/3/2023Page52Cente