1-2光无源器件认知

光无源器件认知概述简介是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工艺涉及多种加工工艺，特别复杂概述光无源器件主要分为以下几种光纤连接器（Connector）光纤准直器（FiberCollimators）光耦合器件（Coupler）光衰减器（Attenuator）波分复用/解复用器（WDM）光开关(Switch)光隔离器和光环形器（Isolator&Circulator）

PPT内容介绍各种无源器件的基本原理各种无源器件的种类各种无源器件的性能技术指标概述连接器（Connector）1.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。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）连接器（Connector）基本制造类型连接器（Connector）各种制造标准连接器（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。连接器（Connector）

部分连接器图例SC/PCSC/APC连接器（Connector）FC/PCFC/APC连接器（Connector）LC/PCLC/APC连接器（Connector）MU/PCMU/APC连接器（Connector）ST/PC连接器（Connector）E2000/PCE2000/APC连接器（Connector）F3000/PCF3000/APC

Note:SFFConnector:SmallFormFactor(1.25mmferruleOD).

连接器（Connector）插针A插针B光纤插针插针套筒式连接器示意图连接器（Connector）LC/PC连接器组装结构组装前组装后连接器（Connector）主要性能技术指标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连接器（Connector）光纤准直器（Collimator)2.光纤准直器（FiberCollimator）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；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。

光纤准直器（Collimator)UV胶

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

Holder

光纤准直器（Collimator)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)光耦合器（Coupler）3.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，可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。JDSU主要制造此类Coupler，为本章节专讲内容。光耦合器（Coupler）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）光纤结构示意图Coating包胶层

Core纤芯Cladding涂覆层光耦合器（Coupler）光线的传播

1.MeridionalRay子午光线的传播（总与光纤轴相交）CladdingCladding光耦合器（Coupler）2.SkewRay斜光线的传播（射入角大于子午线，不与光纤轴相交）光线的传播

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。

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光耦合器（Coupler）光衰减器（Attenuator）4.光衰减器（Attenuator）光衰减器是重要的光学无缘器件，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）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光衰减器（Attenuator）MEMS衰减器的原理正视图AirGap气孔

DoubleCoreTube双光纤毛细管

Vane折光叶片Coating镀反射模WedgedMirror双折射晶体

G-Lens格林透镜FlexPCB（MEMSChipSoldered）印刷线路板（Chip

已焊接）Epoxy632胶光衰减器（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：偏振相关损耗光衰减器（Attenuator）波分复用/解复用器（WDM）5.波分复用/解复用器（WDM）概述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。具有广阔的应用前景。对波分复用器与解复用器共同的要求是：复用信道数量要足够多、插入损耗小、串音衰减大和通带范围宽。波分复用器与波分解复用器的不同点在于：复用器的插入损耗一般比较大。解复用器要求如下：给定工作波长应具有最低的插入损耗；其他端口对该光信号应具有理想隔离；波分复用/解复用器（WDM）波分复用/解复用器的原理与分类光复用器和解复用器可分为波长选择性和非波长选择性两种，如下图所示，下面只介绍广泛应用的光波分复用系统的器件制造方法和原理。波分复用/解复用器（WDM）1.光栅型是近年发展起来的，常用来制作波分复用器的主要分光元件。原理：入射光射到光栅表面，不同波长的衍射角不同，就可以使不同的光送到不同的光纤中去。器件更紧凑、小巧，具有良好的温度特性，可满足工程需要。波分复用/解复用器（WDM）2.波导阵列光栅型下图是一种波导阵列光栅型波分复用器件，它由输入、输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。原理：空间耦合器的作用是将各种波长的输入信号，通过空间耦合器进入阵列波导输入端，由于阵列波导是由若干条其光程差为的波导构成，根据衍射理论，在波导阵列光栅输出端，按波长长短顺序排列输出，并通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，达到分波的目的波分复用/解复用器（WDM）3.光纤光栅是利用光纤制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化，在满足布拉格光栅条件的波长上全反射，而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波器。光纤布拉格光栅制作方法一般分为干涉法相位掩膜板法及逐点写入法。波分复用/解复用器（WDM）波分复用/解复用器的特性1.解复用器以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性如下：(1)中心波长(或通带)是由设计、制造者根据相应的国际标准、国家标准或实际应用要求选定的。密集型波分复用器ITU-T规定在1550nm区域，1552.52nm为标准波长。其他波长规定间隔100G(0.8nm)，50G(0.4nm)等，或取其整数倍作复用波长。(2)中心波长工作范围对于每一工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参数限定了我们所选用的光源(LED或LD)的谱宽宽度及中心波长位置。它以1.0nm表示或者是以平均信道之间间隔的10%表示。波分复用/解复用器（WDM）(3)中心波长对应的最小插入损耗式中：代表波长为的光束在输出端的光功率；代表波长为的光束在输入端合路信号中的光功率。该参数是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好，可以用输入端到N个输出端的各信道的波长——插入损耗关系曲线来表达。以小于“X“dB表示。波分复用/解复用器（WDM）(4)相邻信道之间串音耦合最大值式中：代表波长为的光束在输出端串扰到的输出端口处的光功率；代表波长为的光束在输出端口处的输出光功率。该参数是衡量解复用器的另一项重要指标。数字通信中一般大于30dB，模拟通信中则应大于50dB。以大于”Y”dB表示。(5)偏振相关损耗偏振相关损耗是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。2.复用器以光信号波长为函数的复用器的光学特性，可用于给定的输入端口(1#~N#端口为输入端口，0#端口为输出端口)。每一端口的各种光学参数与解复用器中对应的参数定义相类似。波分复用/解复用器（WDM）光开关（Switch）6.光开关（Switch）概述是光纤通信系统重要的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是数据通信和密集波分复用(DWDM)系统的应用，复杂的网络拓扑对可靠、灵活的网管产生了强烈的需求。DWDM城域网和接入网应用对具有插/分和交换功能的光开关的需求更加迫切。光开关的主要任务是切换光路，下图是1X2光开关切换光路的示意图。光开关（Switch）4.4.1光开关的种类光开关根据驱动方式可分为机械式光开关和非机械式光开关，根据工作原理可分为机械式光开关、液晶光开关、电光式光开关和热光式光开关系统对光开关的要求归纳为：小的串音、小的消光比、低的插入损耗、小的驱动电流(或电流)、无极化依赖性、与光纤有高的耦合效率、紧凑的器件尺寸、根据需求而定的开关速度和频率带宽。光开关（Switch）光开关的特性参数1.插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示：式中：为进入输入端的光功率；为输出端接收的光功率。2.隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示：式中：为开关的两个隔离端口(n≠m)；Pin

是光从i端口输入时n端口的输出功率，Pim是光从n端口输入时在m端口测得的光功率。

光开关（Switch）3.回波损耗也称反射损耗或反射率，是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示：式中：为进入输入端的光功率；为输入端口接收到的返回光功率。4.远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。表达式为：光开关（Switch）5.近端串扰是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。光开关（Switch）6.消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。式中：为n，m端口导通时的插入损耗；为两个端口非导通时的插入损耗。7.开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。光开关（Switch）光隔离器及光环行器7.光隔离器和光环形器（Circulator&Isolator）光隔离器互易器件：允许双向光通行，即输入光与输出光可以互换的无源器件。光隔离器：是一种光单向传输的非互易性器件，即光的单向器。光隔离器的用途：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性。1.光隔离器的原理法拉第旋转器：用旋光材料制成法拉第旋转器，是通过它的光的偏振态旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关。光隔离器的工作原理是基于法拉第旋转的非互异性。光隔离器的组成：起偏器、检偏器、法拉第旋转器三部分。各部分作用：起偏器允许垂直偏振光顺利通过；检偏器允许45o方向上的偏振光顺利通过；法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o单模光纤隔离器的特点：是隔离器的工作与入射光的偏振态有关，即必须是垂直偏振。光隔离器及光环行器2.隔离器的工作过程：当入射光从左向右传输时，由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透振方向一致，故入射光无损地通过起偏器。由于法拉第旋转器的作用，使光的偏振态旋转到45o方向上，由于检偏器的透振方向也在45o方向上，于是经过法拉第旋转器旋转45o后的光能顺利通过检偏器，这样，正向传输入射光无损地通过隔离器。当反射波向反方向传输时，由于检偏器的透振方向为45o，只允许4