第4章 光纤通信无源器件光 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、原理和主要性能无源器件无源器件n连接器和接头连接器和接头p92n光纤耦合器、波分复用器光纤耦合器、波分复用器p94n光纤隔离器、光纤环行器光纤隔离器、光纤环行器p99n光调制器光调制器p102n光开关光开关p98n光纤光栅光纤光栅常用连接器类型常用连接器类型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack常用连接器类型常用连接器类型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type常用连接器类型常用连接器类型BICONIC TypeD4 TypeSMA 905 TypeSMA 906 TypeMINI BNC Type连接头端面类型连接头端面类型Ferrule + Flange Insertion Loss(插入损耗) 40dB SPC45dB UPC50dB APC60dB 连接器和接头连接器和接头 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。
表给出光纤连接器的一般性能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连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器，其特性主要取决于结构设计、加工精度和所用材料单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜大规模生产，因而得到很广泛的应用 表表 3.5 光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能 图示给出精密套管结构的连接器简图，包括用于对中的套管、带有微孔的插针和端面的形状(图中画出平面的端面)光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接要求光纤与微孔、插针与套管精密配合对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在1m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0.1 dB)大大改善 一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成2纤或4纤连接器。
另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精密V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳这种多纤连接器配合高密度带状光缆，适用于接入网或局域网的连接 对于实现固定连接的接头，国内外大多借助专用自动熔接机在现场进行热熔接，也可以用V形槽连接热熔接的接头平均损耗达0.05 dB/个耦合器实物图耦合器实物图无源器件无源器件n耦合器（耦合器（coupler）n主要功能再分配光信号主要功能再分配光信号n重要应用在光纤网络重要应用在光纤网络n尤其是应用在局域网尤其是应用在局域网n在波分复用器件上应用在波分复用器件上应用无源器件无源器件n耦合器（耦合器（coupler）p94n基本结构基本结构耦合器是双向无源器件耦合器是双向无源器件基本形式有树型、星型基本形式有树型、星型与耦合器对应的有分路器（与耦合器对应的有分路器（splitter）无源器件无源器件n耦合器耦合器n以图以图1形表示形表示图图1 1423 光耦合器光耦合器 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. 耦合器类型耦合器类型p94 图2给出常用耦合器的类型，它们各具不同的功能和用途 T形耦合器这是一种22的3端耦合器，其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤图 2 常用耦合器的类型 这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器星形耦合器这是一种nm耦合器，见下图3（a），其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等这种耦合器通常用作多端功率分配器 定向耦合器这是一种22的3端或4端耦合器，其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号见图3(c)，光信号从端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器 波分复用器/解复用器(也称合波器/分波器)这是一种与波长有关的耦合器，见图2(d)波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机 2. 基本结构基本结构 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图6示出这三种类型的有代表性器件的基本结构。
图 3光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12个22耦合器组成的88星形耦合器 光纤型把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件这种方法可以构成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解复用器图3(a)和(b)分别示出单模22定向耦合器和多模nn星形耦合器的结构单模星形耦合器的端数受到一定限制，通常可以用22耦合器组成，图3(c)示出由12个单模22耦合器组成的88星形耦合器 图3(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器如图4，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(CL) (4-1) Pb=sin2(CL) 图 4 光纤型波分解复用器原理 式中，L为耦合器有效作用长度，C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数 设特定波长为1和2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得当光纤a的输出Pa(1)最大时，光纤b的输出Pb(1)=0；当Pa(2)=0时，Pb(2)最大对于1和2分别为和的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度大于20 dB 微微器器件件型型用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)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等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5所示。
图5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 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6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 3. 主要特性主要特性 说明耦合器参数的模型如图6所示，主要参数定义如下 图6 波导型耦合器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=10 lg 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 Lt=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 下表列出波长为或(和单模光纤型耦合器和波分复用器/解复用器的一般性能耦合器的一般性能耦合器的一般性能无源器件无源器件n波分复用器波分复用器p100WDMWavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。
波分复用器信号频率不同，颜色不同波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来多个光信号区分出来无源器件无源器件n波分复用器（图例）波分复用器（图例） 1传送器传送器 2传送器传送器 1+ 2 1+ 2 1接收器接收器 2接收器接收器波分复用器的一般性能波分复用器的一般性能光纤耦合器的制作光纤耦合器的制作-制作方法：制作方法：1.蚀刻法：最先是由蚀刻法：最先是由Sheem和和Giallorenzi发明，将两根裸光纤发明，将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包层，从而使光纤纤芯相接近，实现两光纤间的耦合这种方层，从而使光纤纤芯相接近，实现两光纤间的耦合这种方法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而且对环境法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而且对环境温度的变化很敏感，缺乏使用价值温度的变化很敏感，缺乏使用价值2.研磨法：研磨法：Bergh等人发明了光纤研磨法，是将每根光纤预先等人发明了光纤研磨法，是将每根光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光通量，研磨结束后，在磨面上加以小滴匹配液，同时监视光通量，研磨结束后，在磨面上加以小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。
这种办法克服了分立元件再将光纤拼接，做成光纤耦合器这种办法克服了分立元件法的一些缺点，并可做成分光比可调的耦合器（目前仍是制法的一些缺点，并可做成分光比可调的耦合器（目前仍是制作这类器件的一种选择），器件的实用性也有所提高，但制作这类器件的一种选择），器件的实用性也有所提高，但制作困难，成品率低，环境特性也不理想作困难，成品率低，环境特性也不理想光纤耦合器的制作光纤耦合器的制作-制作方法：制作方法：3.熔融拉锥法：具体是将两根（或两根以上）除去涂覆熔融拉锥法：具体是将两根（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，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，实现传输光的耦合常用的加热源特殊波导结构，实现传输光的耦合常用的加热源是氢氧焰或氢焰等，加热源有的采用固定式，有的是氢氧焰或氢焰等，加热源有的采用固定式，有的采用可移动式这种方法可以用计算机较精确地控采用可移动式这种方法可以用计算机较精确地控制各种过程参量，并随时监控光线输出端口的光功制各种过程参量，并随时监控光线输出端口的光功率变化，从而实现制作各种器件的目的。
率变化，从而实现制作各种器件的目的熔融拉锥法熔融拉锥法-设备设备光源夹具光探测器光纤计算机熔融拉锥法熔融拉锥法-设备设备 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器p99 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，称之为互易器件然而在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件隔隔离离器器就就是是一一种种非非互互易易器器件件，其其主主要要作作用用是是只只允允许许光光波波往往一一个个方方向向上上传传输输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输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1 dB。