光纤通信_03_光无源器件.

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1、第3章 光无源器件 第3章 光无源器件 o光无源器件在光纤通信系统中发挥着重要作用 o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 o已成为光纤通信系统与光网络不可或缺的重要组成 部分 o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 o光纤连接器（Optical Linker），又称光纤活动 连接器，俗称活接头 o常用于光纤与光端机

2、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 o是一种可拆卸重复使用的光无源器件 o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 o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： 插入损耗低 互换性好 易于装配 环境敏感性好 成本低和可靠的结构 易于连接 一、光纤连接器的性能指标 o不同结构的光纤连接器的性能有很大差异 o不同应用场合下，应选用适当的光纤连接器 o衡量光纤连接器的主要性能指标有 n插入损耗 n回波损耗 n互换性和重复性等 1插入损耗（Insertion Loss ） o所谓插入

3、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 o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 o目前，单模光纤连接器的插入损耗一般低于1 dB 2回波损耗（Reflection Loss） o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 o是度量光纤连接器对链路光功率反射的抑制能力 o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（Reflection Loss） o不同端面的光纤连接器的回波损耗存在很大差异 n面对面连接FC型连接器的回波损耗较小

4、，为25 dB左 右 n物理接触连接PC型连接器的回波损耗较大，一般为35 dB左右 n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50 dB左右 3重复性和互换性 o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0.1 dB o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0.1 dB o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 o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 o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

5、限度地耦合进接收光纤 o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 o常见的结构有螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结 构 o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 o光纤连接器的结构种类很多 oFC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 oSC型连接器是光纤局域网、CATV和光纤接入网 的主要型号 o此外，ST型连接器和LC型连接器也有一定量的应 用 1FC型光纤连接器 oFC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 o外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣 o插针体采用外径2.5 mm的精密陶瓷插针

6、1FC型光纤连接器 o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 oFC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 2SC型光纤连接器 oSC型连接器是日本NTT公司开发的光纤连接器 o是一种矩型插拔式光纤连接器，其外壳呈矩形 o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 o紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转 2SC型光纤连接器 o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

7、oSC型连接器广泛用于光纤用户网中 3ST型光纤连接器 oST型连接器是由AT&T公司设计开发的圆形卡口 式连接器 o采用带键的卡口式锁紧结构 o插针体为外径2.5 mm的精密陶瓷插针，插针的 端面形状通常为PC面 4LC型光纤连接器 oLC型光纤连接器由Bell lab开发，采用操作方便 的模块化插孔闩锁机理制 oLC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1.25 mm，提高了 光配线架中连接器的密度 o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 o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

8、（分配）与合路，这 需要光耦合器来实现 o光纤耦合器（Optical Coupler）的功能是 n将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出（光分路 ） n或把多个输入的光信号组合成一个输出（光合路） o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 o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 o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 o其中光纤耦合器

9、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 22光纤耦合器 o22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 o除了22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 22光纤耦合器 o22光纤耦合器制作过程是 n将两根去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢 n在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸 n最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构 n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 22光纤耦合器 o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

10、耦合长度，以及改变光纤纤径来实现不同 大小的分支量 o反之也可以将多路光信号合为一路信号 22光纤耦合器 o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 o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 o可以看出，被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位 滞后90 22光纤耦合器 o这个相位关系可以随着z的增加而保持 o而当满足Kz=/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 o由这种相位关系，这种22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 22光

11、纤耦合器 o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 o如果KW=/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3 dB耦合器 o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 o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 o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 o光纤熔融技术是制作NN耦合器的最常用的方法 o例如将8根光纤按照上述的熔融拉锥过程可以得到 一个88的光纤耦合器 o但是，由于加热和拉伸过程中

12、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 o星型耦合器也可以采用22耦合器级联的方式构 造 o12个22耦合器级联成一个88耦合器的例子 二、光纤耦合器的主要性能指标 o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 o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 o22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 o在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率 o附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别 o附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的

13、 是器件制作过程的固有损耗 o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 o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 o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 o插入损耗所表示的是各个输出端口的输出功率状况 o不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响 o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 o分光比是指光纤耦合器各输出端口的输出功率的比 值 o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 ） o光分路器的

14、分光比与传输光的波长有关 4隔离度 o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 o以上各个指标中，隔离度对于光分路器的意义更为重大 o在实际应用中，往往要求光耦合器的隔离度达到40 dB以 上，否则将影响整个系统的性能 o另外，光耦合器的稳定性也是一个重要的指标 o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 o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 o光衰减器（Optical Attenua

15、tor）是插入光链 路中控制光能衰耗的一种无源器件 o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 n光路系统的灵敏度 n校正光功率计 n等效代替相应衰减量长度光纤等场合 o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 o光衰减器的种类很多 o按工作原理，光衰减器可分为 n位移型 n衰减片型 n智能型等 o按其衰减量的变化方式不同，可分为 n固定式光衰减器 n可变式光衰减器 位移型光衰减器 o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 o反过来，若将光纤的对准精度做适当调整

16、，就可控 制其衰减量 o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 o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 o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 o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 o光隔离器（Optical Isolator）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 o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