第三章光无源器件

第三章光纤通信无源器件3.1光纤的连接与耦合3.2光衰耗器3.3光开关3.4光隔离器3.5光环行器3.6

波分复用/解复用器件3.1连接器连接器是光纤通信中应用 最广泛最基本的光无源器件；连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件；对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤；连接器“跳线”用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连。对连接器的要求连接损耗(插入损耗)小；回波损耗大；多次插拨重复性好；互换性好；环境温度变化时，性能保持稳定；并有足够的机械强度；因此，需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配，并保特适当的间隙。图3.1.1连接损耗的机理图3.1.1连接损耗的机理连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。光纤插针的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC,AngledPhysicalContact)。对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微孔结构、三棒结构或多层结构。因此,连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的应用，如图3.1.2（b）所示。图3.1.2活动连接器结构和特性连接器的种类两插头与转接器的连接有FC型、SC型和ST型。FC：表示用螺纹连接；

SC（Square/SubscriberConnector）： 表示轴向插拔矩形外壳结构；

ST（SpringTension）：表示弹簧带键卡口结构。通常我们把光纤插针端面结构和两插头与转接器的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类型，通常有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型等。表3.1.1各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标接头接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接。接头用于相邻两根光缆(纤)之间的连接，以形成长距离光缆线路。永久性连接一般在现场实施，这种连接是光缆线路建造中的重要技术。对接头的要求主要是连接(接头)损耗小，有足够的机械强度，长期的可靠性和稳定性，以及价格便宜等。接头制作方法

---热熔连接把端面切割良好的两根光纤放在V形槽内，用微调器使纤芯精确对中；用高压电弧加热把两个光纤端面熔合在一起；用热缩套管和钢丝加固形成接头；接头的质量不仅受光纤公差而且受电弧电流和加热时间的影响。热熔连接方法在世界范围得到广泛应用。市场上有多种规格的自动控制熔接机，使用方便。接头制作方法---机械连接用V形槽、准直棒或弹性夹头等机械夹具，使两根端面良好的光纤保持外表面准直；用热固化或紫外固化，并用光学兼容环氧树脂粘结加固。这种连接方法接头损耗大，因为纤芯对中的程度完全取决于光纤外径公差和机械夹具对光纤的控制能力。毛细管粘结连接把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固化粘结剂固定，对端面进行抛光；在支架上用压缩弹簧把毛细管挤压在一起。调节光纤位置，使输出功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容环氧树脂粘结形成接头。这种连接方法接头损耗很低。图3.1.2把端面切割良好的两根光纤放在V形槽内，微调架对中，用高压电弧加热熔合在一起耦合器耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。耦合器对线路的影响是附加插入损耗，可能还有一定的反射和串音。选择耦合器的主要依据是实际应用场合。T形耦合器是一种3端耦合器或2×2耦合器，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给2根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器，或局域网终端的光输入或光输出耦合器。星形耦合器是一种NN耦合器，它的功能是把N根光纤输入的光功率组合在一起，并均匀分配给N根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。耦合器基本结构NN星形耦合器可以由几个22耦合器组合而成。这种组合星形耦合器的缺点是元件多、体积大。熔拉双锥星形耦合器是一种紧凑的单体星形耦合器。这种耦合器的制造技术是把许多光纤部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成双锥形结构。锥形部分的作用是把每根光纤输入的信号混合在一起，并近似相等地分配给每个输出端。图3.2.2用熔拉双锥方法制造的星形耦合器另一种制造单模光纤星形耦合器的方法是新颖的集成光学结构，即在扇形的输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区，即自由空间区，该区可用硅平面波导电路技术制成，它的作用是将输入光功率均匀地分配到每个输出端，如图3.2.3所示。这种结构的星形耦合器适合构成大规模的NN星形耦合器，利用这种技术已制成用于1.55m波段的6464和144144星形耦合器。图3.2.3采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器3.2光衰耗器光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量光系统的灵敏度及校正光功率计等。光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。（1）固定衰减器，其造成的功率衰减值是固定不变的，一般用于调节传输线路中某一区间的损耗。（2）可变衰减器，它所造成的功率衰减值可在一定范围内调节。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。3.3光开关

光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。对光开关的要求是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。光开关分类机械光开关 包括微机械光开关波导光开关 利用电光、磁光、热光和声光效应机械光开关机械光开关优缺点在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；但开关时间较长（几十毫秒到毫秒量级）；开关尺寸较大，而且不易集成。微机电系统微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MichanicalSystems)构成的微机电光开关已成为DWDM网中大容量光交换技术的主流。它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右)、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约5ms)，插入损耗小于1dB。图3.6.2可升降微反射镜MEMS光开关图3.6.2可升降微反射镜MEMS光开关

图3.6.3可旋转微反射镜MEMS光开关图3.6.4可立卧微反射镜MEMS光开关微机械光开关优缺点具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了它们所固有的缺点；采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那样，集成在单片硅基上；基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和康宁等公司。微机械光开关进展用贝尔实验室开发的MEMs

技术（微透镜），已实现256256的光交叉连接（交换能力10万亿比特/s），是世界上第一个10G全光交叉连接系统；2001年已达到10241024；它可以运行在任何光层速率，包括40Gb/s以及更高的速率。波导开关开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）；体积非常小，而且易于大规模集成；但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。图3.6.5马赫-曾德尔11光开关波导

光开关

原理互易器件和非互易器件连接器、耦合器等大多数无源器件的输入和输出端是可以互换的，称之为互易器件。然而光通信系统也需要非互易器件，如光隔离器。光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件。某些光器件特别是激光器和光放大器，对于从连接器、接头、调制器或滤波器反射回来的光非常敏感。因此通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔离器，以消除反射光的影响，使系统工作稳定。对光隔离器的要求是隔离度大、插入损耗小、饱和磁场低和价格便宜。3.4光隔离器隔离器

用法拉第磁光效应原理制成

隔离器

工作原理

起偏器P使入射光的垂直偏振分量通过调整加在法拉第介质的磁场强度，使偏振面旋转45o，然后通过检偏器A。反射光返回时，通过法拉第介质又一次旋转45o

，正好和入射光偏振面正交，因此不会使入射光受到影响，等于把入射光和反射光相互隔离开来。

光隔离器光环行器用途和原理光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件；主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中；方向性一般大于50dB。端口1输入的光信号只有在端口2输出，端口2输入的光信号只有在端口3输出。在所谓“理想”的环行器中,在端口3输入的信号只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用环行器都设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号，方向性一般大于50dB。3.5光环行器---用于单纤双向传输系统3.6

波分复用/解复用器件波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反。棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些分开的光从棱镜进入空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分开，完成解复用。衍射光栅解复用器输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上；光栅对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号分解为不同波长的分量；然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。介质薄膜干涉滤波器解复用器介质薄膜光滤波器解复用器利用光的干涉效应选择波长。连续反射光在前表面相长干涉复合，在一定的波长范围内产生高能量的反射光束，在这一范围之外，则反射很小。这样通过多层介质膜的干涉，就使一些波长的光通过，而另一些波长的光透射。多层电介质镜工作原理所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有相长干涉的特性(相位差为180度)，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。图3.4.7用介质薄膜滤波器

构成典型的解复用器

布拉格光栅

光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅是一小段光纤，一般几毫米长，其纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光（峰值波长为240nm）照射后产生周期性地调制，干涉条纹周期由两光束之间的夹角决定。大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的，将纤芯直接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化。光纤光栅带通滤波器利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。如果在一个22光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器。光分插复用器(OADM)在WDM网络中，需要光分插复用器(OADM)，在保持其它信道传输不变的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入。可以认为，这样的器件是一个波分复用/解复用对。右图表示固定波长光分插复用器。可编程分插复用器可编程分插复用器通过对光纤光栅调谐取出所需要的波长，而让其它波长信道通过；所以这样的分插复用器称为分插滤波器。光交叉连接(OXC)光交叉连接(OXC)具有传输速率高、容量大、抗干扰能力强和对速率、信号格式透明等优点，是最有前途的下一代交换设备的基础。右图表示具有M个端口的OXC，每个端口接收N个波长的WDM信号，解复用器后分配每个波长到相应的空分交换矩阵，每个交换矩阵的输入信号的波长都相同，并有一个额外的输入和输出口，容许插入和分出信道。交换后再将它们的输出信号送到M个复用器，以便构成WDM信号。总结总结

3.光开关的作用是转换光路，实现光信号的切换。光开关可以分为两大类:一类是利用电磁铁或步进电机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关。近来出现的微机械光开关，采用机械光开关的原理，但又能象波导开关那样，集成在单片硅基底上，所以很有发展前途。另一类光开关是利用固体物理效应(如电光、磁光、热光和声光效应)的固