光纤通信-03-光无源器件

第3章光无源器件第3章光无源器件光无源器件在光纤通信系统中发挥着重要作用完成光波的接续、耦合、复用与解复用、衰减、隔离等信号与信息处理已成为光纤通信系统与光网络不可或缺的重要组成部分光无源器件种类繁多、功能各异，从功能上讲，主要有光纤连接器、光纤耦合器、光波分复用／解复用器、光衰减器、光隔离器、光环行器等第3章无源光器件3.1光纤连接器3.2光纤耦合器3.3光衰减器3.4光隔离器和光环行器3.5光纤光栅3.6波分复用器3.1光纤连接器光纤连接器（OpticalLinker），又称光纤活动连接器，俗称活接头常用于光纤与光端机的连接，光纤线路与光测试仪器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接是一种可拆卸重复使用的光无源器件在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中，广泛大量使用3.1光纤连接器针对不同的用途，现在已经开发出种类繁多的光纤连接器，一个好的光纤连接器设计的主要要求是：①插入损耗低②互换性好③易于装配④环境敏感性好⑤成本低和可靠的结构⑥易于连接一、光纤连接器的性能指标不同结构的光纤连接器的性能有很大差异不同应用场合下，应选用适当的光纤连接器衡量光纤连接器的主要性能指标有插入损耗回波损耗互换性和重复性等1．插入损耗（InsertionLoss）所谓插入损耗，是指光信号通过光纤连接器时，光纤连接器的输出光功率Po与输入光功率Pi之比的分贝数的负数插入损耗是光纤连接器的主要性能指标，其值越小性能越好目前，单模光纤连接器的插入损耗一般低于1dB2．回波损耗（ReflectionLoss）回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，输入光功率Pi与后向发射光功率Pr之比的分贝数的负数是度量光纤连接器对链路光功率反射的抑制能力回波损耗越大，对光源和光放大器等设备的影响越小，系统性能越好2．回波损耗（ReflectionLoss）不同端面的光纤连接器的回波损耗存在很大差异面对面连接FC型连接器的回波损耗较小，为25dB左右物理接触连接PC型连接器的回波损耗较大，一般为35dB左右改进的物理接触连接APC连接器，两光纤端面的倾斜角设计在8°左右，其回波损耗可达到50dB左右3．重复性和互换性重复性是指光纤连接器多次插拔后插入损耗的变化量，一般为0.1dB互换性是指光纤连接器部件更换时，插入损耗的变化量，一般也为0.1dB这两项指标用来考核光纤连接器结构设计和加工工艺的合理性，是表征其实用化的重要指标二、光纤连接器的种类光纤连接器基本上采用某种机械和光学结构，将光纤的两个端面精密对接起来最重要的就是要使两根光纤的轴心对准，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤并使其介入光路后对系统造成的影响降至最小二、光纤连接器的种类常见的结构有螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结构对准设计常采用有直套筒和锥形套筒结构二、光纤连接器的种类光纤连接器的结构种类很多FC型连接器是在我国使用最多的光纤连接器，它是干线系统中采用的常见型号SC型连接器是光纤局域网、CATV和光纤接入网的主要型号此外，ST型连接器和LC型连接器也有一定量的应用1．FC型光纤连接器FC连接器最早由日本NTT公司研制，是一种螺纹连接式光纤连接器外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣插针体采用外径2.5mm的精密陶瓷插针1．FC型光纤连接器根据其插针端面形状的不同，它可分为球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC两种结构FC连接器的制作材料陶瓷具有极大的耐磨性和一定的韧性及稳定的尺寸，可保证FC连接器的使用寿命在1000次以上2．SC型光纤连接器SC型连接器是日本NTT公司开发的光纤连接器是一种矩型插拔式光纤连接器，其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，其插针的端面多采用球面接触的PC或斜球面接触的APC型研磨方式紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转2．SC型光纤连接器此类连接器价格低廉，插拔操作方便，插入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高SC型连接器广泛用于光纤用户网中3．ST型光纤连接器ST型连接器是由AT&T公司设计开发的圆形卡口式连接器采用带键的卡口式锁紧结构插针体为外径2.5mm的精密陶瓷插针，插针的端面形状通常为PC面4．LC型光纤连接器LC型光纤连接器由Belllab开发，采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制LC型连接器所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中连接器的密度目前，在单模光纤方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位3.2光纤耦合器与同轴电缆传输系统一样，光纤通信系统或光纤测试系统也需将光信号进行分路（分配）与合路，这需要光耦合器来实现光纤耦合器（OpticalCoupler）的功能是将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出（光分路）或把多个输入的光信号组合成一个输出（光合路）是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件3.2光纤耦合器是光纤链路中最重要的无源器件之一光纤耦合器在电信网、有线电视网、用户接入网、区域网络中大量应用对光纤链路的影响主要是附加损耗，还有一定的反射和串扰噪声光耦合器大多与波长无关，与波长有关的耦合器，专称为波分复用／解复用器一、光纤耦合器类型光耦合器按结构可以是棱镜型、平面波导型和光纤型耦合器等其中光纤耦合器由于制作时只需要光纤，不需要其它光学元件，与传输光纤容易连接且损耗较低、耦合过程无需离开光纤，体积小，是目前常用的一种光耦合器2×2光纤耦合器2×2光纤耦合器是简单的基本器件，通用结构是熔融拉锥型光纤耦合器除了2×2型耦合器外，还会用到多端口定向耦合器，这时可以采用星型耦合器2×2光纤耦合器2×2光纤耦合器制作过程是将两根去除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通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同分光比的光纤耦合器2×2光纤耦合器分光原理就是通过改变光纤间的消逝场相互耦合的耦合度和耦合长度，以及改变光纤纤径来实现不同大小的分支量反之也可以将多路光信号合为一路信号2×2光纤耦合器假设耦合器没有损耗时，可以得到沿z轴方向从一根光纤到另一根光纤耦合的功率是根据功率守恒，在构成光纤耦合器的两根光纤性能参数完全相同时，有可以看出，被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后90°2×2光纤耦合器这个相位关系可以随着z的增加而保持而当满足Kz=π/2时，所有的功率从光纤a转移到光纤b中，此后光纤b称为驱动光纤由这种相位关系，这种2×2耦合器是定向耦合器，也就是在被驱动波导中没有能量能耦合进沿负z方向反向传播的波导中，即理想情况下，端口4无输出2×2光纤耦合器实际应用中，只要相互作用长度和耦合系数设计适当，可以按任意比例在直通臂和耦合臂中分配光功率如果KW=π/4，则从输入臂输入的光功率平均分配给直通臂和耦合臂，得到所谓的3dB耦合器如果由端口1和端口4输入光信号，可合并为一路光信号，从端口2或3输出，或反之星型耦合器星型耦合器的主要作用是将M个输入功率复合后再平均分配到N个输出端口制作星型耦合器也可以采用熔融光纤法，或者光栅、微光技术等其它光学方案星型耦合器光纤熔融技术是制作N×N耦合器的最常用的方法例如将8根光纤按照上述的熔融拉锥过程可以得到一个8×8的光纤耦合器但是，由于加热和拉伸过程中众多光纤间耦合响应控制的难度，限制了N>2耦合器的大规模制作星型耦合器星型耦合器也可以采用2×2耦合器级联的方式构造12个2×2耦合器级联成一个8×8耦合器的例子二、光纤耦合器的主要性能指标衡量光纤耦合器的性能指标很多，包括插入损耗、附加损耗、分光比、隔离度等1．附加损耗附加损耗Le是指所有输出端口的光功率总和相对于输入总光功率损失的分贝数的负值2×2型光纤耦合器光功率从端口1输入P1，端口2、3输出，则附加损耗等于：1．附加损耗在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程的固有损耗光耦合器附加损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标2．插入损耗插入损耗是指光信号经过光纤耦合器后，每一路光信号输出相对于输入光信号光功率损失的分贝数的负值如从端口1输入，端口3输出，则它们之间的插入损耗为2．插入损耗插入损耗所表示的是各个输出端口的输出功率状况不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响因此不同的光纤耦合器，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣3．分光比分光比是指光纤耦合器各输出端口的输出功率的比值在应用中，分光比是根据实际系统光节点所需的光功率的多少而确定合适的分光比（平均分配的除外）光分路器的分光比与传输光的波长有关4．隔离度隔离度是指光分路器的一个输入端的光功率和由分路器反射到其它端的光功率的比值的分贝数，有时也称为方向性二、光纤耦合器的主要性能指标以上各个指标中，隔离度对于光分路器的意义更为重大在实际应用中，往往要求光耦合器的隔离度达到40dB以上，否则将影响整个系统的性能另外，光耦合器的稳定性也是一个重要的指标所谓稳定性是指在外界温度变化或其它器件的工作状态发生变化时，光耦合器的性能指标都应基本保持不变实际上光耦合器的稳定性完全取决于厂家的工艺水平，不同厂家的产品质量差别相当大3.3光衰减器光衰减器（OpticalAttenuator）是插入光链路中控制光能衰耗的一种无源器件它是光纤通信系统和光纤测试链路中不可或缺的一类光器件，常用来评价光路系统的灵敏度校正光功率计等效代替相应衰减量长度光纤等场合主要是在光链路中对光信号功率进行定量或不定量的衰减，以满足用户的各种要求3.3光衰减器光衰减器的种类很多按工作原理，光衰减器可分为位移型衰减片型智能型等按其衰减量的变化方式不同，可分为固定式光衰减器可变式光衰减器位移型光衰减器在第2章已知，当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对准精度，才能使光信号以较小的损耗传输反过来，若将光纤的对准精度做适当调整，就可控制其衰减量有意使光纤在对接时产生一定错位，使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器是直接将具有吸收特性的衰减片固定在光路中来达到衰减光信号目的衰减片采用吸收型玻璃片或在玻璃基片上镀吸收膜的方法来制作智能型光衰减器通过电路控制微型电机，带动齿条，使滤光片平移，再将数据编码盘检测到的实际衰减量信号反馈到电路中进行修正，从而达到自动驱动、自动检测和显示光衰减量的目的3.4光隔离器与光环行器光隔离器（OpticalIsolator）是一种只允许光信号沿光路正向传输的非互易性无源器件它对正向传输光有较低的插入损耗，而对反向传输光有很大损耗，用以抑制光传输系统中回波对光源等器件的不利影响一、光隔离器的工作原理光隔离器的物理基础是晶体材料的法拉第效应在外加磁场作用下，入射的线偏振光经过一定厚度的磁光材料，出射的线偏振光偏振面相对入射光偏振面转过一定角度，称为介质的磁致旋光效应介质的磁致旋光效应对光的偏振方向的改变只与磁场方向有关，与光的传播方向无关光隔离器就是利用了晶体的这种非互易旋光性使光正向传输，反向隔离一、光隔离器的工作原理典型的偏振相关型隔离器由光纤准直器、两个偏振片和—个法拉第旋转器FR组成，两偏振片的通光方向成45°二、光隔离器的性能指标光隔离器的主要性能指标有插入损耗反向隔离度回波损耗等1．插入损耗光隔离器的插入损耗L，是指在光路中插入光隔离器时，引起正向光信号功率的降低值，以分贝（dB）表示光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉第旋转器和光纤准直器，与各分立元件的透射比及装配精度有密切关系插入损耗一般为0.4dB，插入损耗最大为0.6dB2．反向隔离度反向隔离度表征隔离器对反向传输光的衰减能力，由光信号反向通过光隔离器时引起的功率损耗值，以分贝表示3．回波损耗回波损耗是指正向入射到隔离器中的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比其典型值为60dB由各元件和空气折射率失配并形成反射引起，其主要来源是入射光的准直光路部分采用斜面耦合工艺和端面镀制增透膜可有效提高整个器件的回波损耗三、光环行器光环形器（OpticalCirculator）的作用是把光信号流按一个方向从一个端口送到另一个端口防止光信号沿错误的方向传播而引起不必要的串扰整个环形器的原理类似于一个公路上的环岛，光信号就像经过环岛的汽车，只能沿一个固定的方向行驶三、光环行器典型的环行器一般有三个或四个端口三端口环形器中，端口1输入的信号由端口2输出，端口2输入的信号由端口3输出三、光环行器光环形器的基本原理和结构比较简单，与光隔离器的工作原理相似基本结构由偏振分束器（PBS）、法拉第旋转器、半波片、棱镜和准直器组成偏振分束器把两个正交偏振态的光分开或者融合到一起法拉第旋转器和半波片是用来改变任意偏振态输入光的偏振态的三、光环行器沿光束传播方向的前一个法拉第旋转器对输入光的传播方向没有要求，而后一个法拉第旋转器对光的传播方向是有要求的这样输入的光信号经过偏振分束器分成两个正交的偏振分量，又经过法拉第旋转器改变其偏振态，并在其后的端口输出反向则因为偏振态是正交的所以不能被传输，这样回波信号就被隔离3.5光纤光栅1978年，Hill等人首次发现光纤光敏性，采用驻波写入法获得自感应光栅1989年，Mehz等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化到1993年，光纤敏化技术的进步和相位掩模板的使用，使光纤光栅实现批量生产3.5光纤光栅光纤光栅（FG，FiberGrating）是光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件，它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射光纤光栅按工作原理，可分为光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅（LPG）一、光纤Bragg光栅光纤Bragg光栅就是利用紫外光（峰值波长为240nm的光波）通过相位掩模板（或适当光路）对光敏光纤曝光，在光纤中产生折射率的周期分布，形成光栅它的周期一般在1μm以下，也称为短周期光纤光栅光纤Bragg光栅能够把某个方向传输的芯模能量耦合给反方向传输的芯模，形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射一、光纤Bragg光栅光纤光栅的谐振波长λB

与光栅周期Λ的关系为Bragg光栅基本特性表现为一个反射式的光学滤波器，反射峰值波长即为Bragg波长λB

一、光纤Bragg光栅若Bragg光栅的节距或栅距是线性改变的，称为啁啾Bragg光栅在这种光栅中，由于节距线性改变，入射光的各个波长在光栅的不同深度被反射回来，因而补偿了各个波长在传输时间上的变化，可应用于色散补偿一、光纤Bragg光栅由啁啾光栅和环形器组成的色散补偿光路长波长信号在光栅周期大的地方先反射短波长的信号在光栅周期小的地方后反射二、长周期光纤光栅长周期光纤光栅（LPG）是利用紫外光通过振幅模板直接照在光敏光纤上，在光纤中产生折射率的周期性分布它的周期较长，在几十至几百微米能够实现芯模与同一方向传播的包层模的耦合，被光纤涂覆层吸收而迅速消耗掉，从而形成一定带宽的能量损耗，且不存在反射二、长周期光纤光栅长周期光纤光栅的透射谐振波长λ满足其基本特性表现为一个带阻滤波器，带阻宽度一般为十几到几十纳米二、长周期光纤光栅长周期光栅透射谱的带宽较宽，几乎没有反射光，尤其是它与光纤系统的天然兼容性，使得插入损耗很低，特别适合于用作掺铒光纤放大器的增益均衡器可以用几个不同谐振波长和带宽的长周期光栅串接，使得串接后总的透射谱与EDFA放大器的增益谱均衡，达到输出增益谱的平坦化现在已经能够仅用一根非均匀的长周期光栅，就可实现EDFA的平坦3.6波分复用器波分复用器／解复用器是一种波长选择型耦合器其功能就是把多个不同波长的光波复合后，注入到同一根光纤中传输或把输入光口的多个不同波长的光波分开，输出到不同的光端口输出3.6波分复用器波分复用器／解复用器又称为合波器或分波器一、波分复用器的性能指标光波分复用器／解复用器性能的优劣对于WDM系统的传输质量有决定性的影响WDM系统对光波分复用器／解复用器的特性要求是插入损耗小，信道间的串扰小，通带损耗平坦等1．插入损耗插入损耗是指对于某一特定通道，输出端标称波长信号功率与输入端该标称波长信号功率比值的对数，是对同一波长而言的2．信道隔离度与串扰信道隔离度与串扰是度量WDM信道之间相互干扰程度的参数从信道i输出端口测得的该信道标称波长信号功率Pi(λi)与从信道j输出端口测得的该波长信号功率Pj(λi)之间的比值，定义为信道j对信道i的隔离度其倒数称为信道i对信道j的串扰3．通带特性通带特性是指波分复用器／解复用器分配给某输出端口的光波波长范围从复用信道数考虑，通道带宽越窄越好从光源谱宽、传输信号速率和降低串扰等因素考虑，通道带宽越宽越好3．通带特性按通道带宽不同，可将波分复用器／解复用器分为三类：稀疏波分复用器／解复用器，其通道间隔为10~100nm密集波分复用器／解复用器，其信道间隔为1~10nm超密集波分复用器／解复用器，其通道间隔为0.1~1nm二、波分复用器的种类及工作原理根据制造的特点，WDM器件大致有熔融光纤型干涉滤波器型光栅型等几种类型1．熔融光纤耦合型波分复用器熔融光纤型波分复用器实质为耦合功率对波长具有选择性的光纤耦合器通过改变熔融拉锥工艺，使耦合器输出端口的分光比随波长具有显著变化的特征而制作的器件结构类似于2×2单模光纤耦合器1．熔融光纤耦合型波分复用器当两光纤传播常数相同时，这时耦合系数K与波长相关，对于波长λ1与λ2，当耦合长度W满足得到耦合比1．熔融光纤耦合型波分复用器因此，通过设计合理的耦合长度和熔融区的锥度，控制好拉锥速度，将会使波长λ1、λ2从输入端口输入，波长λ1从直通臂输出，波长λ2从耦合臂输出2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器介质薄膜滤波器由多层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜按设计要求组合而成每层厚度为λ/4，一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器当光入射到高折射率介质薄膜层时，光反射不产生相移；当光入射到低折射率介质薄膜层时，反射光产生180°相移由于介质薄膜层厚度为四分之一波长，因而经低折射率层反射的光当到达经高折射率层反射的光的位置经历了360°相移，它们同向叠加产生强烈的反射光相反，其它波长的光波将会成为透射光2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器这样，通过使用多层介质薄膜可以实现对某一波长范围的光呈现带通，而对其它波长呈带阻，从而形成所要求的滤波特性2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器利用这种对某指定波长的选择特性的干涉滤波器就可将不同波长的光波分离或合并起来3．光栅型波分复用器利用光纤Bragg光栅的波长选择性，再结合环形器，可以实现WDM合波／分波器多个波长信号从端口1输入，端口2输出进入光栅。假设λ2满足光栅的Bragg条件而被反射回来，其余波长通过光栅，λ2反射回来进入端口2，从端口3输出，实现分波即解复用3．光栅型波分复用器利用光纤Bragg光栅的波长选择性，再结合环形器，可以实现WDM合波／分波器在合波（复用）端，插入波长λ2从端口3进入，端口1输出，进入光栅，但反射后从端口1输入，与其它波长一起从端口2输出，实现合波即复用4．阵列波导光栅型波分复用器阵列波导光栅（AWG，ArrayedWaveguideGrating）型波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件它由输入波导、输出波导、波导阵列光栅及两个平面耦合波导组成典型的制造过程是在硅晶片上沉积一层薄薄的二氧化硅，并利用光刻技术形成所需的图案，腐蚀成型4．阵列波导光栅型波分复用器A