常用光无源器件

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1、第四章 常用光无源器件4.1 4.1 光光纤纤连连接接器器4.2 4.2 光纤耦合器光纤耦合器4.3 4.3 波分复用波分复用/ /解复用器解复用器4.4 4.4 光光开开关关4.1 光 纤 连 接 器4.1.1 光纤连接器的结构与种类光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。1. 光纤连接器的结构光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证 90%以上的光能够通过，目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。(1) 套管结构 套管结构的连接器由插针和套筒组成 。

2、(2) 双锥结构 双锥结构连接器是利用锥面定位。 (3) V形槽结构 V形槽结构的光纤连接器是将两个插 针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压 紧，利用对准原理使纤芯对准，(如图4.3所 示)。图4.3 V形槽结构(4) 球面定心结构球面定心结构由两部分组成，一部分 是装有精密钢球的基座，另一部分是装有 圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。 (5) 透镜耦合结构透镜耦合又称远场耦合，它分为球透 镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，其结构分 别如图4.5、图4.6所示。图4.5 球透镜耦合结构图4.6 自聚焦透镜耦合2. 光纤活动连接器的种类光纤活动连接器的品种、型号很多， 其中有代表性的有：FC、ST、

3、SC、D4、 双锥、VF O(球面定心)、F-SMA、MT- RJ连接器等等。下面针对FC、SC和ST这三种连接器 作简单的介绍。(1) FC系列连接器FC型连接器是一种用螺纹连接，外部 零件采用金属材料制作的连接器，它是我 国电信网采用的主要品种，我国已制定了 FC型连接器的国家标准。 (3) ST型连接器ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机 构，确保连接时准确对中。(4) 不同型号插头互相连接的转换器对于上述FC、SC、ST三种连接器， 在对不同型号插头连接时，需要转换器进 行连接。 (5) 活动连接器跳线的规格由于实际使用情况非常复杂，因而跳 线的规格也多种多样。在选择跳线时，至 少有下述

4、几个参数是需要明确的。(6) 新型多芯光纤连接器随着用户通信网规模的扩大、WDM的普及、电信网数据网的光纤化乃至多 媒体大容量信息处理设备的发展均推动着 光缆向多芯、高密度方向深入发展，带状 多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接 ，多芯带状光纤MT连接器就应运而生。4.1.2 光纤连接器特性 评价一个连接器的主要指标有4个， 即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性 。 1. 插入损耗 插入损耗是指光纤中的光信号通过活 动连接器之后，其输出光功率相对输入光 功率的比率的分贝数，表达式为： Ac-10lgP1/P0 (dB) 式中：A c为连接器插入损耗；P0为输入 端的光功率；P1为输出端的光功率

5、。2. 回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比 率的分贝数，表达式为：Ar-10lgPR/P0 (dB)式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功 率；PR表示后向反射光功率。3. 重复性和互换性重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。4.2 光纤耦合器光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。 4.2.1 光纤耦合器的结构与原理制作光耦合器可以有多种方法，大致可分为分立光学元件组合型、全光纤型、 平面波导型等。下面主要介绍熔融拉锥法的原理。熔融拉锥法就是将两

6、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，实现传输光功率耦合的一种方法。(1) 熔融拉锥型单模光纤耦合器在单模光纤中，传导模是两个正交的基模(HE11)信号。图4.9所示是单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图，其中归一化频率(2) 熔融拉锥型多模光纤耦合器 在多模光纤中，传导模是若干个分立 的模式，不仅应在数值孔径角内，还要同 时满足4an1sin=m(m=1，2，3，)。其 中，a为纤芯半径，n1是纤芯折射率，为 传导模与光轴的夹角，为传输光的波长。 总的模式数为： M=V2/2 式中：V为归一化频率。4.2.2

7、 光纤耦合器的特性 1. 插入损耗 插入损耗(Insertin Loss，IL)定义为指 定输出端口的光功率相对全部输入光功率 的减少值。该值通常以分贝(dB)表示，数 学表达式为其中：ILi是第i个输出端口的插入损 耗；Pouti是第i个输出端口测到的光功率值 ；Pin是输入端的光功率值。2. 附加损耗 附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所 有输出端口的光功率总和相对于全部输入 光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的 数学表达式为式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin 为输入光功率。3. 分光比 分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦 合器所特有的技术术语

8、，它定义为耦合器 各输出端口的输出功率相对输出总功率的 百分比，在具体应用中常用数学表达式表 示为例如对于标准X形耦合器，11或5050代 表了同样的分光比，即输出为均分的器件 。4. 方向性方向性也是光耦合器所特有的一个技 术术语，它是衡量器件定向传输性的参数 。以标准X形耦合器为例，方向性定义为 在耦合器正常工作时，输入端非注入光端 口的输出光功率(图4.8中的I2)与总注入光功 率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达 式为：式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。5. 均匀性 均匀性就是衡量均分器件的“不均匀 程度”的参数。它定义为在器件的工作带宽

9、范围内，各输出端口输出功率的最大变化 量。其数学表达式为式中：MIN(Pout)为最小输出光功率； MAX(Pout)为最大输出光功率。6. 偏振相关损耗偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当 传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相 关损耗。7. 隔离度 隔离度是指某一光路对其他光路中的 信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着 线路之间的“串话”小。其数学表

10、达式为式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光 路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输 入功率值。4.3 波分复用/解复用器4.3.1 波分复用/解复用器的原理与分类 1. 光栅型 衍射光栅型波分复用器件是近年发展 起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向 异性腐蚀制作的光栅与棱镜分光相比具有 更大优势，常用来制作波分复用器的主要 分光元件。2. 波导阵列光栅型图4.15所示是一种波导阵列光栅型波分复用器件。它是由输入、输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。图4.15 波导阵列光栅型DWDM3. 光纤光栅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 呈周期性变化图4.17

11、光纤光栅滤波作用，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，如图4.17所示。图4.17 光纤光栅滤波作用(1) 干涉法 干涉法是利用双光束干涉原理，将一 束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形 成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的 干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。 (2) 相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜 板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从 而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入 光纤。4.3.2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 要光学特性有以下几点。(1) 中心波长(或通带)1、2n+1(2) 中心

12、波长工作范围1、2(3) 中心波长对应的最小插入损耗L1式中：P1代表波长为1的光束在输出端的 光功率；P01分别代表波长为1的光束在输 入端合路信号中的光功率。4.相邻信道之间串音耦合最大值L12式中：P1代表波长为1的光束在输出 端串扰到2的输出端口处的光功率，P2分 别代表波长为2的光束在输出端口处的输 出光功率。(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 振等)，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 #至N # 端口为输入端口，0#端口为输出端口)。4.4

13、光 开 关4.4.1 光开关的种类1. 机械式光开关机械式光开关是最传统的光开关，一种实用化的机械式多模光纤光开关的插入 损耗小于1dB，开关时间小于1ms。(1) 微光机电系统光开关 微光机电系统光开关是微光机电系统技 术与传统光技术相结合的新型机械式光开关 。 (2) 毛细管效应光开关 毛细管效应光开关是采用了电毛细管效 应或热毛细管效应的光开关结构。 (3) 金属薄膜光开关 金属薄膜光开关使用了金属膜与无源波 导相结合的构形，其结构如图4.23所示。图4.23 使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构2. 液晶光开关 液晶光开关是在硅衬底材料上制作出 偏振光束分支波导，再把每个分支波导交

14、 叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折 射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。 3. 热光效应光开关 热光效应光开关是利用加热光波导， 改变光波导的折射率，引起主波导与需要 的分支波导间的光耦合，从而实现光开/关 的器件。4.4.2 光开关的特性参数 1. 插入损耗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：P0为进入输入端的光功率；P1为输 出端接收的光功率。插入损耗与开关的状 态有关。2. 回波损耗 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：P0为进入输入端的光功率；P1为输 入端口接收到的返回光功率。回波损耗与 开

15、关的状态有关。3. 隔离度 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：n、m为开关的两个隔离端口 (nm) ；Pin是光从i端口输入时n端口的输 出光功率，Pim是光从n端口输入时在m端 口测得的光功率。4. 远端串扰 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。 5. 近端串扰 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。6. 消光比 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：ILnm为n，m端口导通时的插入 损耗；ILnm0为n，m端口非导通时的插入损 耗。7. 开关时间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。