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。光纤连接器分类光纤适配器活动连接可以采用活动连接器,下图为FC/PC型活动连接器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。1、插入损耗：IL---InsertionLoss2、回波损耗：RL---ReturnLoss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。光纤连接器的主要性能指标插入损耗回波损耗互换性重复性插拔寿命表3.1.1各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标光纤跳线光纤适配器（法兰盘）光纤连接器端面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光纤的连接

光纤与光纤的永久性连接通常采用光纤熔接机高频电弧放电熔接.光纤熔接机如下图3.1.3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1×2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N

N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N

N星形耦合器可以由几个2

2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N

N星形耦合器，利用这种技术已制成用于1.55

m波段的64

64和144

144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输入光功率是10dBm，经10:90分光器后，两个输出光功率是多少？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、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 包括微机械光开关电子光开关 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140

m

150

m，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电子光开关的优点，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256

256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1024

1024；它可以运行在任何光层速率，包括40Gb/s以及更高的速率。电子开关开关时间短（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1

1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(分光)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光隔离器保证光信号只能正向传输，避免线路中由于各种因素而产生的反射再次进入激光器，影响激光器工作稳定隔离器

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（垂直），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。回忆一下：光偏振(极化)

单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模偏振器:一种光学器件，偏振器中有一透光轴，其输出光为某一种形式的偏振光。当光的偏振方向与透光轴水平时，则光全部通过；垂直时，则光全部隔离。

偏振器法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP隔离器工作原理隔离器工作原理如下图所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45°，并且其旋转方向与光传播方向无关。

法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45°方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45°后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45°方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45°，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。

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；隔离度一般大于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，隔离度一般大于50dB。3.5光环行器---用于单纤双向传输系统光纤光栅光敏性——外界入射的紫外光照射到纤芯中参锗的光纤时，光的折射率随光强发生永久性改变（强度高的地方，折射率增加；强度低的地方，折射率无变化）光纤光栅——高强度紫外光形成的干涉条纹，在几厘米（如光纤不喇格光栅有效长度3.5cm）之内进行侧面横向曝光，在该纤芯中产生的折射率调制或相位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。不满足布拉格定律的波长不受光纤光栅影响，可以继续传播。所以布拉格光纤光栅的基本作用是滤波器改变布拉格间距，可以改变滤波波长

布拉格光栅

3.6

波分复用/解复用器件波分复用器(WDM)（合波器）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。解复用器（分波器）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。分类衍射光栅型多层介质膜光纤光栅型熔拉双锥型介质薄膜干涉滤波器解复用器如果每层厚度是ג/4,垂直入射，反射波和入射波相位相反(相位差为180度)，形成相消干涉，也就是光不会被反射，透射光。如果每层厚度是ג/2,垂直入射，反射波和入射波相位相同(相位差为360度的整数倍)，形成相长干涉，也就是光形成一个高反射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，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。用介质薄膜滤波器

构成典型的解复用器多层介质膜在温度变化时稳定性强，插入损耗小，被广泛的应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。衍射光栅型波分复用器结构示意图光纤透镜光栅

1

2

3

1

2

3

1+2+3

1+2+3

1+2+3

1

2

3采用棒透镜的光栅型WDM光纤棒透镜光栅

1+2+3

1

2

3

1+2+3

1

2

3光纤光栅型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2

2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。熔纤双锥型多根光纤在热熔条件下拉成锥形，使其达到所需要的耦合功率EDFA，980nm的泵浦光和1550nm的信号光融合适用于信号间隔大（>10nm），不适用与密集波分光分插复用器(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