第五章无源光器件资料教程

第五章无源光器件1/7/2025nancy

主要内容连接器和接头

光耦合器光隔离器与光环行器光调制器光开关教学重点连接器的作用及分类光耦合器的作用光隔离器的作用1/7/2025nancy无源光器件的要求

插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成等。1/7/2025nancy连接器的分类

单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。1/7/2025nancy3.4.1光定向耦合器1．光定向耦合器的结构2．光纤式定向耦合器的参数

光通信中经常需要把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合器可以实现这些功能1/7/2025nancy1．光定向耦合器的结构光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。1/7/2025nancy1．光定向耦合器的结构图3-35棱镜式和光纤式定向耦合器1/7/2025nancy2．光纤式定向耦合器的参数（1）隔离度A。

（2）插入损耗L。（3）分光比T。1/7/2025nancy3.4.2光隔离器与光环行器1．光隔离器的基本原理和结构2．光环行器3．光隔离器与光环行器的主要性能参数1/7/2025nancy1．光隔离器的基本原理和结构图3-36光隔离器的工作原理图1/7/2025nancy2．光环行器图3-37三端口光环行器1/7/2025nancy3．光隔离器与光环行器的主要性能参数对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是希望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不应有输出的端口，要求隔离度要高。器件典型的插入损耗为1dB左右，隔离度为40～50dB。1/7/2025nancy3.4.3光滤波器图3-38F-P腔光滤波器1/7/2025nancy3.4.3光滤波器F-P腔型光滤波器的主体是F-P谐振腔。描述F-P腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱域（FSR）及带宽（BW）。（1）自由谱域（FSR）：为相邻波长之间的距离（2）带宽（BW）：为谐振峰降至一半时所对应的频带宽度，又称为3dB带宽。1/7/2025nancy3.4.4光开关能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件，称为光开关。光开关是全光交换技术中的关键器件。光开关一般包括两种：机械式光开关和电子式光开关。1/7/2025nancy3.4.4光开关图3-39机械式光开关1/7/2025nancy3.4.4光开关图3-40电子式光开关1/7/2025nancy3.4.5波长转换器能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件称为波长转换器。波长转换器根据波长转换机理可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器，光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要求。全光型波长转换器技术主要由半导体光放大器（SOA）构成。1/7/2025nancy1．光电型波长转换器图3-41光电光型波长转换器1/7/2025nancy2．全光型波长转换器图3-42全光型波长转换器1/7/2025nancy3.4.6波分复用器在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。如果在系统发送端采用此技术，将不同波长的光信号组合起来送入光纤传输的设备称为光波分复用器。在系统接收端可通过解复用器（分波器），将组合在一起的光信号分离并送入不同的终端。1/7/2025nancy3.4.6波分复用器1．光波分复用系统的结构与工作原理2．光波分复用器1/7/2025nancy1．光波分复用系统的结构与工作原理光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。由光波分复用器构成的光波分复用系统，从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统和单纤双向WDM系统。1/7/2025nancy1．光波分复用系统的结构与工作原理图3-43单纤单向结构WDM传输系统1/7/2025nancy1．光波分复用系统的结构与工作原理图3-44单纤双向结构WDM传输系统1/7/2025nancy2．光波分复用器（1）光波分复用器的工作原理器件的各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。1/7/2025nancy2．光波分复用器图3-45WDM光传输原理图1/7/2025nancy2．光波分复用器（2）光波分复用器的光学特性①复用器复用器的光学特性可以用给定的输入端口的插入损耗—波长关系曲线表示。②解复用器解复用的光学特性，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1/7/2025nancy2．光波分复用器图3-46复用器插入损耗—波长关系曲线1/7/2025nancy2．光波分复用器图3-47解复用器波长—插入损耗关系曲线1/7/2025nancy2．光波分复用器Ⅰ中心波长λ和中心波长的工作范围Δλ

Ⅱ中心波长对应的最小插入损耗L1和L2

Ⅲ相邻信道之间串音耦合最大值L12和L231/7/2025nancy2．光波分复用器（3）熔融光纤型波分复用器熔融光纤型是指将两根光纤紧靠在一起并通过加热使两光纤熔接而成。这种复用器非常便于与光纤通信系统耦合连接，而且插入损耗极小，且体积小，结构紧凑。1/7/2025nancy2．光波分复用器图3-48熔融光纤型波分复用器结构示意图1/7/2025nancy3.4.7光纤光栅光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源器件。它是利用光纤中的光敏性而制成的。光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久性改变。人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。1/7/2025nancy3.4.7光纤光栅图3-49光纤布拉格光栅滤波器1/7/2025nancy3.3光无源器件

一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。1/7/2025nancy

3.3.1连接器和接头

连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。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。连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。1/7/2025nancy图3.27套管结构连接器简图1/7/2025nancy对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在1μm以内，轴线倾角小于0.5°。普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触(PC)型。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命(插拔次数)和工作温度范围(插入损耗变化±0.1dB)大大改善。1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy

3.3.2光耦合器

耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。

1.耦合器类型

图3.28示出常用耦合器的类型，它们各具不同的功能和用途。

1/7/2025nancy图3.28常用耦合器的类型

1/7/2025nancy2.基本结构

耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，图3.29~图3.32示出这三种类型的有代表性器件的基本结构。

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图3.29光纤型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12个2×2耦合器组成的8×8星形耦合器1/7/2025nancy图3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。如图3.30，光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到Pa=cos2(CλL)(3.28a)Pb=sin2(CλL)式中，L为耦合器有效作用长度，Cλ为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。1/7/2025nancy图3.30光纤型波分解复用器原理Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)1/7/2025nancy

设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0；当Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大。对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55μm的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5dB，波长隔离度大于20dB。

1/7/2025nancy微器件型自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)光栅(不同波长的光有不同反射方向)微光学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和波分解复用器，如图3.31所示。1/7/2025nancy

图3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复1/7/2025nancy

波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。图3.32示出波导型T型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。

1/7/2025nancy图3.32波导型藕合器1/7/2025nancy

3.主要特性

说明耦合器参数的模型如图3.33所示，主要参数定义如下。1/7/2025nancy由此可定义功率分路损耗Ls：Ls=10lg

附加损耗Le由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示Le=10lg

插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示1/7/2025nancyLt=10lg

方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示DIR=10lg

一致性U是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。

表3.6、表3.7列出波长为1.31μm或(和)1.55μm单模光纤型耦合器和波分复用器/解复用器的一般性能。1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy

3.3.3光隔离器与光环行器

耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。

1/7/2025nancy隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1dB，隔离度的典型值的大致范围为40~50dB。1/7/2025nancy

首先介绍一下光偏振(极化)的概念。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。

1/7/2025nancy图3.34隔离器的工作原理1/7/2025nancy在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。

具有任意偏振态的入射光通过一个空间分离偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。1/7/2025nancy图3.35一种与输入光的偏振态无关的隔离器1/7/2025nancy环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。

图3.36光环行器(a)三端口；(b)四端口1/7/2025nancy

图3.36光环行器(a)三端口；(b)四端口1/7