第三章-光无源器件

第三章光无源器件

（PassiveComponents

）内容提要连接性器件功能性器件光衰减器光隔离器与光环行器光开关偏振控制器光调制器

概述

一个完整光纤通信系统不仅需要光端机，光纤线路，而且还需要多种光器件，光器件是光纤传输系统重要组成部分。光器件有源光器件：需要外加泵浦源，如电信号、光信号等。无源光器件：无需外加泵浦源就能完成器件功能。光有源器件：

激光器、发光二极管；光检测器；光放大器、波长转换器、光调制器光无源器件：光纤连接器、光定向耦合器、光衰减器、光隔离器、光环形器、波分复用器、光纤布拉格光栅、光偏振控制器、光开关体块型（分立元件组成）：光隔离器、光滤波器和闪耀光栅波分复用等全光纤型：光定向耦合器、光纤型波分复用和光纤型滤波器等。波导型：铌酸锂（LiNbO3）波导开关、波导调制器等。光无源器件按结构形式分：光纤传输系统对光无源器件的要求：1.插入损耗小（除光衰减器外），对信号影响小。2.使用方便，便于操作与维护。3.可靠性高，不受反复操作的影响，重复性高。4.体积小，重量轻。Agoodbookisagoodfriend§1连接性器件光纤（缆）活动连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几个部分：连接器插头（PlugConnector）：由插针体（即装配好光纤的插针）和若干外部零件组成。使光纤（缆）在转换器或变换器中完成拔插功能的部件称为插头。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接。光缆跳线（JumperCable）：将一根光纤的两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是其特殊情况，即只在光纤一头装有插头。跳线可以是单芯的或多芯的。转换器（Adaptor）：把光纤插头连接在一起，从而使光纤接通的器件。转换器俗称插座或法兰盘。转换器可以连接同型号或不同型号的插头。可以连接一对或几对或多芯插头。变换器（Converter）：将某一型号的插头变换成另一型号插头的器件。裸光纤转接器（BareFiberAdaptor）：将裸光纤与光源、探测器以及各类光仪表进行连接的器件。光纤（缆）活动连接器：习惯上是指两个连接器插头加一个转换器。活动连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件，活动连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件，用于：光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间光纤线路与其他光无源器件之间的连接光纤与测试仪表之间光纤固定接头是实现光纤与光纤之间的永久性（固定）连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。FC/FC型活动连接器(用于FC和FC型插头互连)FC/FC型活动连接器

一．单芯活动连接器的结构与种类FC型插头采用螺纹连接

FC型插头：平头PC型插头：球面头APC型插头：斜八度头FC/SC型活动连接器(用于FC和SC型插头互连)SC型插头SC型插头：由日本NTT研制，插针、套筒与FC型完全一样，外壳采用工程塑料制作，矩形结构，不用螺纹连接，可以直接插拔。FC/ST型活动连接器

(用于FC和ST型插头互连)ST型插头：由AT&T公司开发，采用带键的卡口式锁紧结构，确保连接时准确对准。“Jumpercables”toconnectdevicesandinstruments

“Adaptercables”toconnectinterfacesusingdifferentconnectorstyles

Insertionlossisdominatedbytheconnectorlosses(2mfiberhasalmostnoattenuation)

Oftenyellowsheathusedforsingle-modefiber,orangesheathformultimode二．多芯连接器的结构与种类主要针对带状光缆，将多芯光缆的光纤分别卡在V型槽对应的孔内，就可以被固定连接起来。光纤V型槽三．主要性能指标1．插入损耗L

若输入光纤的光功率为PT，输出光纤的光功率为PR，插入损耗定义为：

dB2.回波（反射）损耗RLdBP′TP′RPTPR其中P′T是反向输入光功率，P′R是反向输出光功率引起光纤连接损耗的原因:两光纤端面之间有间隙D；两光纤轴有横向位移d；两光纤轴倾斜成角度θ；光纤端面不平整。§2功能性器件光衰减器功能：只衰减光的能量，不改变其他性能。用途：光通信系统和测试系统指标（1）小可变衰减器（2）吸收膜可变衰减器步进可变衰减器连续可变衰减器固定衰减器（1）小可变衰减器原理通过法兰盘旋转使两根光纤端面之间的距离发生变化，利用空气对光的衰耗进行小范围的光强调整。（2）吸收膜可变衰减器原理在玻璃板上镀上一层Ni(镍)和Cr(珞)化合物等元素构成的金属蒸发膜，当光通过时，能吸收部分或全部光能。旋转轴光路光路旋转轴为了减小反射光，衰减片与光轴可以倾斜放置。光衰减器的主要技术要求是：

高的衰减精度好的衰减重复性低的原始插损一．光纤定向耦合器——简称光纤耦合器光纤光耦合器的功能：把一个输入的光信号功率分配给多个输出，或把多个输入的光信号功率组合成一个输出。这种光耦合器与波长无关。用途：光通信网络，光通信监测系统Wavelength-Independentcoupler(WIC)types:couplelightfromeachfibertoallthefibersattheotherside50%/50%(3dB)mostcommon4porttype1%,5%or10%taps(often3portdevices)1.X形定向耦合器（2×2）理想情况下，当在端口1输入光功率时，在3和4端口按一定比例输出，而不返回端口2，故称定向耦合器。1243耦合器X形耦合器功能如下:X形耦合器的制作方法主要有两种：研磨抛光法熔融拉锥法输入按比例输出作用P1,P4,P3分路(P2很小)P4,P3P1耦合(P2很小)P2P4,P3分路(P1很小)1243研磨抛光法：基本原理是利用两根单模光纤之间光信号的耦合。先在一个石英块上刻上适当深度的圆弧型槽，然后把一根单模光纤放在槽内，使光纤发生弯曲，经过适当的研磨和抛光，将露出石英表面的光纤的包层去除一部分，只剩下1μm左右。另一根光纤用同样方法的处理。将这两根经过研磨和抛光的两根光纤紧靠在一起，中间涂一层折射率匹配液，这样在两光纤相互接触的面上只留下很薄的一层包层，并通过适当的调整两根光纤的相对位置以得到需要的功率耦合，这样就制成了一个光纤耦合器。研磨抛光法熔融拉锥法：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。输入臂背向散射臂3耦合臂4直通臂熔融拉锥法下图可用来定性地表示熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。

熔融拉锥型光纤耦合器的结构示意图I4I3当传导模进入熔锥区时，随着纤芯a的不断变细，光纤的归一化截止频率V值逐渐减小，有越来越多的光功率渗入光纤包层中，转换成在由包层作为芯，纤外介质（一般是空气）作为新包层的复合波导中传输；在输出端，随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”。迅衰场耦合示意图在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。将一根光纤看做是另一光纤的扰动，通过很薄的包层，实现两根单模光纤之间的光耦合。对于单独的单模光纤，可以从波动方程式和边界条件比较精确地求出光纤中的传输模式及其场型。但在光纤耦合器中，由于另一根光纤的存在，使光纤中场分布发生畸变，在这种情况下，精确求解场分布是很困难的。因此，可以用微扰法近似地进行分析，即假设在耦合器中，每一光纤的场分布不受另一光纤的扰动，耦合器系统总的场分布可以用每一根光纤原来的场分布的线性叠加来表示，即光纤耦合器中两波导的耦合性质就可通过线性耦合方程来表示。这样，参数相同的两根平行光纤沿互作用区域光功率的分布为：式中，P0——z=0处注入光纤1中的光功率，初始条件为P1(0)＝1,P2(0)＝0；P1(z)、P2(z)——沿互作用区z处光纤1和光纤2中的光功率；z——两根光纤的互作用区的距离；C——两根光纤HE11模的耦合系数。

2.星形耦合器（n×m)星形耦合器如图3-7所示。功能：把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤输出,n和m不一定相等。特点：该耦合器通常用作多端功率分配器。这种光耦合器与波长无关。

星形耦合器nm用2×2耦合器拼接星型、树型耦合器星形耦合器应用光耦合器的性能指标

以X型光耦合器为例，其性能指标如下:1.插入损耗L：

L=10LgP1/（P4+P3）dB2.耦合率C：

C=P3/P1

3.分光比R：

R=P4/P34.隔离度I：

I=10lg（P4+P3）/P2dB

二.Wavelength-DependentCouplersWavelength-divisionmultiplexers(WDM)types:3portdevices(4thportterminated)1310/1550nm(“classic”WDMtechnology)1480/1550nmand980/1550nmforpumpingopticalamplifiers(seelater)1550/1625nmfornetworkmonitoring

Insertionandrejection:Lowloss(<1dB)forpathwavelengthHighloss(20to50dB)forotherwavelengthCommonl1l2详见第七章§3光隔离器与光环行器一.光隔离器功能：只允许光波往一个方向上传输，阻碍光波往其他方向特别是往反方向传输。指标要求:是正向入射光的插入损耗约1dB，对反向光的隔离度大致为40~50dB。用途：光通信系统IsolatorsMainapplication:Toprotectlasersandopticalamplifiersfromlightcomingback(whichotherwisecancauseinstabilities)

Insertionloss:Lowloss(0.2to2dB)inforwarddirectionHighlossinreversedirection:

20to40dBsinglestage,40to80dBdualstage)

Returnloss:Morethan60dBwithoutconnectors隔离器工作原理偏振器的作用：选择一定偏振方向的光偏振器的特点是它有一透光轴，对理想的偏振器，沿透光轴方向的偏振光能完全通过，而与之垂直的偏振光则完全被阻止。旋转器作用：改变偏振光的偏振方向旋转器常采用钇铁石榴石（YIG）晶片（或小球）外加磁场做成。2.光隔离器的特性如图所示，光隔离器的性能参数定义如下：①正向插入损耗：L=10lgPi1/P01dB

②反向损耗：L*=10lgPi2/P02dB③隔离度I=L*-L=反向损耗-正向损耗反向输入Pi2反向输出P02正向输入Pi1正向输出P01光隔离器二．光环行器

环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似。

光纤环形器的应用：主要用于光分插复用器中光发射机1光接收机1光环形器光接收机2光发射机2双向传输系统中§4光开关

光开关的功能是转换光路，实现光空间交换，它是光网络的重要器件。光开关在光通信中的作用有两类：1.将某一光纤通道的光信号切断或开通；2.将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开关时间等。光开关可分为两大类：机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤，棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换。非机械光开关：电光开关、磁光开关、集成光路光开关。

一.机械光开关图3-16移动光纤式光开关

移动反射镜式光开关

靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改变光纤通道的光开关。

近年来正大力发展一种集成化的微机电系统（MEMS）开关，在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列，通过静电力使微镜发生转动。下图是一个MEMS实例，它采用16个可以转动的微型反射镜，实现两组光纤束间的4×4光互连。

MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（ScalingEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。二.非机械光开关1.电光开关的原理一般是利用铁电体、化合物半导体、有机聚合物等材料的电光效应（Pockels效应）或电吸收效应（Franz-Keldysh效应）以及硅材料的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变。

电光开关：通过对电介质施加电场使其折射率分布发生改变，从而导致偏振光反射特性改变，实现光开关，速率可达s级。磁光开关：利用某些旋磁材料在外加磁场作用下产生旋光性，使材料的光偏振面发生旋转实现光开关。集成光路光开关：利用集成光学Mach-Zehnder干涉仪的热光效应和电光效应实现，是未来光纤通信最有希望的光开关。2.偏振强度调制型光开关

3.热光开关图3-18M-Z干涉型热光开关

数字热光开关（a）X型（开关）

(b)Y型（开关）固体光开关优点：开关速度快，易于集成缺点：插入损耗大，串音大。机械光开关优点：插入损耗小，串音小。缺点：开关速度慢。光交换方式：1.空分光交换是在空间域上将光信号进行交换。主要的功能元件是空间光开关。2.时分光交换在时间轴上将复用的光信号的时间位置从t1转换成另一时间位置t2。主要的功能元件是光纤延迟线。3.波分光交换将波分复用信号中任一波长1变换成另一波长2

。主要的功能元件是波长转换器。1.空分光交换2×2光开关4个1×2光开关构成基本的光纤型光开关的入端和出端各有两条光纤，可以完成平行和交叉两种连接状态。有波导型，门型，机械型，热光开关等实现方案。LiNbO3的方向耦合器构成1×2光开关2.时分光交换目前的光时隙交换器都是由空间光开关和一组光纤延迟线构成。光纤延迟线以光信号在其中传输一个时隙时间经历的长度为单位，光信号需要延时几个时隙，就让它经过几个单位长度的光纤延迟线。123T光开关光开关t1,t2…tTt1,t2…tT3.波分光交换波分复用器1,2…nm…z波分复用器OTUOTUOTU21nmz4.复合光交换§5偏振控制器

偏振控制器控制光的偏振态，可将任意偏振态的输入偏振光，转变为输出端指定的偏振状态。偏振控制器有广泛的应用。主要类型有：光纤型偏振控制器波片型偏振控制器光纤型偏振态控制器实物图图3-19光纤型偏振控制器装置图波片型偏振控制器图3-20偏振控制器原理图

偏振控制器由两个相位波片PP1和PP2构成。

PPl是λ／4光延迟器（或称波片），PP2是λ／2波片。

通过改变延迟量或主轴的方向来实现偏振控制，有时配以光旋转器。工作原理一般输入为任意的椭圆偏振光。现假定要求通过偏振控制器PP1变为指定方向（如Y方向）线偏振光。

λ／4