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1、第六章 无源光器件和WDM技术,6.1 无源器件的几个常用性能参数 6.2 光纤和波导型无源光器件 6.3 光学无源器件 6.4 波分复用、解复用器件 6.5 光 开 关 6.6 WDM光纤传输系统,6.1 无源器件的几个常用性能参数,1插入损耗 插入损耗指的是无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，一般以分贝为单位，定义为 （6-1） 其中,P0指的是发送到输入端口的光功率，P1指的是从输出端口接收到的光功率。,2回波损耗 回波损耗指的是从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比例，定义为 （6-2） 其中，P0是发送进输入端口的光功率，Pr指的是从同一个输入端口接收到的返回的光功率
2、。,3反射系数 反射系数指的是对于给定的光谱组成、偏振的几何分布，在器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率P0之比，通常用dB表示： （6-3）,4工作波长范围 器件能够按照规定的性能工作的从最小波长（min）到最大波长（max）的范围，是标称工作波长范围。 5偏振相关损耗（PDL） 偏振相关损耗指的是对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值。,6隔离度 在无源器件中，隔离度表示的是由应该被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比，通常用dB表示： （6-4）,6.2 光纤和波导型无源光器件,6.2.1 光连接器和光耦合器 1光连接器 光连接器的功能是将两根光纤连接起来
3、，与高温熔融连接两根光纤不同，这是一种可以拆装式连接。光连接器可以有多种安装结构，如FC/PC型、APC型、ST型、SC型等。光连接器基本都是由插头和插座组成，在插头内精密安装一个插针，光纤就固定在插针中。,影响光连接器的插入损耗的因素 : 被连接的两根光纤是否匹配，即两根单模光纤的模场分布是否匹配，或两根多模光纤的芯径和折射率分布是否相同，被连接的两根光纤性能参数的离散性必然导致插入损耗的增加； 安装的精度，如下图6.1所示，两根光纤横向的错位、纵向的分离（两根光纤中间有间隙）和光纤的倾斜都会增加插入损耗。,图6.1 光连接器插入损耗的产生,尽管连接的两根光纤的端面经过研磨抛光，但连接后它们
4、之间总会有间隙，光在端面处会发生反射。反射不仅增加了连接器的损耗。而且若反射光回馈到激光器，会严重扰乱激光器谐振腔的正常工作。为了减少光的反射，可以采用斜面结构。如图6.2所示。,图6.2 斜面型光连接器（APC型）,（1）光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。这些损耗如图6.3所示。,图6.3 光纤错位连接损耗 (a) 轴向位移； (b) 连接
5、间隔； (c) 倾斜错位; (d) 截面不平整,轴向位移即两根光纤连接处有轴向错位。其耦合损耗在零点几分贝到几个分贝之间，若错位距离小于光纤直径的5%，则损耗一般可以忽略不计。连接间隔有时又称端分离。如果两根光纤直接对接，则必须接触在一起，光纤分得越开，光的损耗越大。如果两根光纤通过连接器相连，则不必接触，因为在连接器接触产生的相互摩擦会损坏光纤。 倾斜错位有时称为角错位。若角错位小于2，则耦合损耗不会超过0.5 dB。截面不平整。光纤连接的两个截面必须经过高精度抛光和正面粘合。如果截面与垂直面的夹角小于3，则耦合损耗不会超过0.5 dB。,除了错位连接之外，任何相连的光纤的几何特性和波导特性
6、的差异对光纤间的耦合损耗都有大的影响。这些特性包括纤芯的直径、纤芯区域的椭圆度、光纤的数值孔径、折射率剖面等。由于这些参数与生产厂家相关，因而使用者不能控制特性的变化。理论结果表明，与折射率剖面、纤芯区域的椭圆度相比，纤芯的直径和数值孔径的差异对连接损耗的影响更大。图6.4（a）、（b）、（c）给出了由纤芯直径、 数值孔径和模场直径失配所引起的损耗的示意图。,图6.4 内部连接损耗 (a) D21; (b) NA1NA2; (c) MFD1MFD2,（2）光纤连接方法 光纤连接是指两根光纤之间的永久或半永久连接，它的典型应用在于建立一个很长的光链路，或者用在不需要经常连接和断开光纤的情况中。为
7、了实施和计算这样的连接，必须考虑的因素有两根光纤的几何差异、光纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。这里介绍光纤通信中常用的连接方法。 光纤连接方法包括光纤熔接法、V型槽机械连接和弹性管连接。第一种方法可产生永久性的连接，而后两种连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。,光纤熔接是通过加热的方法使已制备好的光纤端面连接在一起，如图6.5所示。这种方法首先将光纤端面对齐，并且对接在一起，该过程是在一个槽状光纤固定器里、在带有微型控制器的显微镜之下完成的。然后在两根光纤的连接处，使用电弧或激光脉冲加热，使光纤头尾端被熔化，进而连接在一起。这种技术产生非常小的连接损耗（典型的平均值小于0.06 dB
8、）。但是，在采用这种连接方法时必须注意到，由于用手接触时产生的光纤表面损伤、加热时引起的表面损伤加深、光纤连接处附近的残余应力等都会在光纤介质熔化时导致化学成分的变化，从而产生不牢固的连接。,图6.5 光纤的熔接,在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的光纤端面紧靠在一起，如图6.6所示。然后将两根光纤使用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成槽状。这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤的尺寸（外尺寸和纤芯直径）变化和偏心度（纤芯相对于光纤中心的位置）。,图6.6 V型槽机械连接,图6.7所示为弹性管连接装置的剖面图。这是一种可以
9、自动进行横向、纵向、角度对准的独特器件。使用它连接多模光纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗，但它所需要的设备和技巧却要少得多。这种连接器件基本上就是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小于待连接的光纤。在孔的两端做成圆锥形以便于光纤插入。当插入光纤时，光纤使孔膨胀，于是塑料材料对光纤施加均匀的力。,这种对称特征让两根待连接光纤的轴自动准确地对齐。尺寸范围较宽的光纤都能够插入弹性管中。由于每一根光纤在插入到弹性管中时，其各自位置与弹性管管轴相关，因此两根待连接的光纤在尺寸上并不一定要相等。,图6.7 弹性管连接,（3）常用的几种连接器 光纤连接器常采用螺丝卡口、卡销固定、推拉式
10、三种结构。这三种结构都包括单通道连接器和既可应用于光缆对光缆，也可用于光缆对线路卡连接的多通道器。这些连接器利用的基本耦合机理既可以是对接类型，也可以是扩展光束类型。 对接类型的连接器采用金属、陶瓷或模制塑料的套圈，这些套圈可以很好地适配每根光纤和精密套管。将光纤涂上环氧树脂后插入套圈内的精密孔中。套圈连接器对机械结构的要求包括小孔直径尺寸以及小孔相对于套圈外表面的位置。,图6.8给出了用于单模光纤和多模光纤系统中的两种常用对接类型的对准设计，它们分别采用直套筒和锥形（双锥形）套筒结构。在直套筒连接器中，套圈中的套管和引导环的长度决定了光纤的端面间距。而双锥形的连接器使用了锥形套筒以便接纳和引
11、导锥形套管。类似地，筒中的套管和引导环的长度同样也使光纤的端面保持给定的间距。,图6.8 常用光纤连接器的对准方案示意图 (a) 直套筒； (b) 锥形套筒； (c) 扩展光束,扩展光束类型的连接器在光纤的端面之间加进透镜，如图6.8（c）所示。这些透镜既可以准直从传输光纤出射的光，也可以将扩展光束聚焦到接收光纤的纤芯处，光纤到透镜的距离等于透镜的焦距。这种结构的优点是由于准直了光束，因此在连接器的光纤端面间就可以保持一定的距离，这样连接器的精度将较少地受横向对准误差的影响。而且，一些光处理元件，诸如分束器和光开关等，也能很容易地插入到光纤端面间的扩展光束中。,连接器的主要特性如下： 1）插入
12、损耗 连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。正如前面所讨论的，存在各种可能的原因引起光的损耗。为了减小插入损耗，可使用三种方法。第一种方法是使用保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。第二种方法是将加固件（例如芳香族聚酰胺）与连接器连接在一起，浙样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就是用插针体来保护裸光纤。,插入损耗是由制造商以如下的两个数值提供的：平均值和最大值。一般的连接器平均损耗大约为0.25 dB，这个数值可以在0.11 dB之间浮动。最大损耗大约为0.5 dB，变化范围在0.31.5 dB之间。 2）回波损耗（简称回损） 对连接器来说，回波损耗的问题起源于一个简单的矛盾现象：
13、为了最小化插入损耗，需要尽可能地将光纤端面抛光，而抛光的端面对光的反射增强，这样回波损耗就产生了。,回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为此安装人员提出了有效的解决方法：将两个连接器通过物理接触（PC）来减小它们之间的空气缝隙。现在多数连接器都是利用这种方法安装的。由于制造完美的平面来实现理想的物理接触是不可能的，因此制造商将插针体的端面做成不同的形状，如圆弧形等。,为了提高物理接触的效果就必须减少接触面积， 因为小面积的质量可以更加有效地控制。抛光方法的提高使得制造商可以将PC连接器的回波损耗从几年前的-40 dB减小到如今的-55 dB， 同时， 也将平均插入损耗限制在可接受的0.2 dB以
14、内。 3）可重复性（耐用性） 连接器是作为临时连接使用的，应在多次插拔之后仍保持它们的特性。所以可重复性是连接器的一个重要特性。资料表明，连接器在多次插拔之后其插入损耗将增加，通常5000次插拔之后增加量应小于0.2 dB。,2光耦合器（Couplers） 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。图6.9所示是简单的22和1 2光耦合器（Y型分路器）。以22耦合器为例，端口1（或端口4）输入的光信号可以按原设计的功率分配比例耦合到端口2和端口3输出，端口1和端口4输入的光还可以耦合在一起，并按一定的比例从端口2和端口3输出。反之，从端口2和端
15、口3输入的光信号也可以从端口1和端口4输出。,图6.9简单的耦合器 常用的制造光耦合器的方法有研磨抛光法、熔融拉锥法和平面波导法。用研磨抛光法制造耦合器时，先将去除包层的裸光纤埋入带有特定弧形槽的石英玻璃中，在进行光学研磨、抛光，去除一部分包层，然后将两根经过研磨的光线拼接在一起（见图6.10（a），利用被研磨部分的光场相互耦合，从而构成光耦合器。耦合强度与研磨的深度有关，若研磨没有触及到纤芯，属于弱耦合，主要靠纤芯和包层界面,上的消逝波发生耦合；若研磨进入纤芯中，纤芯中的光场将发生强耦合。 图6.10 研磨抛光制作法,用熔融拉锥法制造光耦合器时，先将两根或多根光纤扭绞在一起，用高温火焰对扭绞
16、区局部加热使其熔融，并在熔融过程中使其拉伸，形成双锥形耦合区，如图6.10（b）所示。由于被拉伸的部分光纤芯径变细，使更多的光场在纤芯外传输而耦合进另一光纤中。假设耦合器是无附加损耗的，输入到一根光纤中的光功率是p0，根据耦合模理论，耦合到另一根光纤中的功率为 （6-5）,根据功率守恒，第一根光纤中的输出功率为： （6-6） 是耦合系数，与两根光纤耦合区的长度、耦合区两根光纤的半径比及光波长有关。通常用分光比表示耦合器输出端口之间光功率分配比例，表示为 （6-7）,若在两根输出光纤中光功率相等，则称这种耦合器为3dB耦合器。3dB耦合器的分光比为50:50，但两个输出端口的光有的相对相位差，即耦合到另一光纤的输出光与沿直通输出方向的光相比存在的相位滞后。 利用式（6-5）、（6-6）给出的关系，可以通过适当的设计将耦合器结构用于两路波分解复用。假设从端口1输入1和2的信号光，由于耦合系数与光波长有关，而1和2的波长间隔又较大，适当的设计耦合情况可以实现对1波长，满足,对于2波长，满足 （6-8） 则此
