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1、第四章第四章 常用光无源器件常用光无源器件4.1 光光 纤纤 连连 接接 器器4.2 光纤耦合器光纤耦合器4.3 波分复用波分复用/解复用器解复用器4.4 光光 开开 关关4.1 光光 纤纤 连连 接接 器器4.1.1 光纤连接器的结构与种类光纤连接器的结构与种类光光纤纤(缆缆)活活动动连连接接器器是是实实现现光光纤纤(缆缆)之之间间活活动动连连接接的的光光无无源源器器件件，它它还还具具有有将将光光纤纤(缆缆)与与其其他他无无源源器器件件、光光纤纤(缆缆)与与系系统和仪表进行活动连接的功能。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的结构光光纤纤连连接接器器基基本本上上是是采
2、采用用某某种种机机械械和和光光学学结结构构，使使两两根根光光纤纤的的纤纤芯芯对对准准，保保证证90%以以上上的的光光能能够够通通过过，目目前前有有代代表表性性并并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。(1) 套管结构套管结构套管结构的连接器由插针和套筒组成。套管结构的连接器由插针和套筒组成。(2) 双锥结构双锥结构双锥结构连接器是利用锥面定位。双锥结构连接器是利用锥面定位。(3) V形槽结构形槽结构V形形槽槽结结构构的的光光纤纤连连接接器器是是将将两两个个插插针针放放入入V形形槽槽基基座座中中，再再用用盖盖板板将将插插针针压压紧紧，利利用用对对准准原原理理
3、使使纤纤芯芯对对准准，(如如图图4.3所示所示)。图图4.3 V形槽结构形槽结构(4) 球面定心结构球面定心结构球球面面定定心心结结构构由由两两部部分分组组成成，一一部部分分是是装装有有精精密密钢钢球球的的基基座座，另另一一部部分分是是装装有有圆锥面圆锥面(相当于车灯的反光镜相当于车灯的反光镜)的插针。的插针。(5) 透镜耦合结构透镜耦合结构透透镜镜耦耦合合又又称称远远场场耦耦合合，它它分分为为球球透透镜镜耦耦合合和和自自聚聚焦焦透透镜镜耦耦合合两两种种，其其结结构构分分别如图别如图4.5、图、图4.6所示。所示。图图4.5 球透镜耦合结构球透镜耦合结构图图4.6 自聚焦透镜耦合自聚焦透镜耦合
4、2. 光纤活动连接器的种类光纤活动连接器的种类光光纤纤活活动动连连接接器器的的品品种种、型型号号很很多多，其其中中有有代代表表性性的的有有：FC、ST、SC、D4、双双锥锥、VFO(球球面面定定心心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。连接器等等。下下面面针针对对FC、SC和和ST这这三三种种连连接接器器作简单的介绍。作简单的介绍。(1) FC系列连接器系列连接器FC型连接器是一种用螺纹连接，外部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。型
5、连接器的国家标准。(3) ST型连接器型连接器ST型型连连接接器器采采用用带带键键的的卡卡口口式式锁锁紧紧机机构，确保连接时准确对中。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不同型号插头互相连接的转换器对于上述对于上述FC、SC、ST三种连接器，三种连接器，在对不同型号插头连接时，需要转换器进在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。行连接。(5) 活动连接器跳线的规格活动连接器跳线的规格由由于于实实际际使使用用情情况况非非常常复复杂杂，因因而而跳跳线线的的规规格格也也多多种种多多样样。在在选选择择跳跳线线时时，至至少有下述几个参数是需要明确的。少有下述几个参数是需要明确
6、的。(6) 新型多芯光纤连接器新型多芯光纤连接器随随着着用用户户通通信信网网规规模模的的扩扩大大、WDM的的普普及及、电电信信网网数数据据网网的的光光纤纤化化乃乃至至多多媒媒体体大大容容量量信信息息处处理理设设备备的的发发展展均均推推动动着着光光缆缆向向多多芯芯、高高密密度度方方向向深深入入发发展展，带带状状多多芯芯光光缆缆需需要要用用多多芯芯光光纤纤连连接接器器进进行行连连接接，多芯带状光纤多芯带状光纤MT连接器就应运而生。连接器就应运而生。4.1.2 光纤连接器特性光纤连接器特性评评价价一一个个连连接接器器的的主主要要指指标标有有4个个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。即插入损耗、回
7、波损耗、重复性和互换性。1. 插入损耗插入损耗插插入入损损耗耗是是指指光光纤纤中中的的光光信信号号通通过过活活动动连连接接器器之之后后，其其输输出出光光功功率率相相对对输输入入光光功率的比率的分贝数，表达式为：功率的比率的分贝数，表达式为：Ac-10lgP1/P0(dB)式式中中：Ac为为连连接接器器插插入入损损耗耗；P0为为输输入入端的光功率；端的光功率；P1为输出端的光功率。为输出端的光功率。2. 回波损耗回波损耗回回波波损损耗耗又又称称为为后后向向反反射射损损耗耗。它它是是指指光光纤纤连连接接处处，后后向向反反射射光光对对输输入入光光的的比比率的分贝数，表达式为：率的分贝数，表达式为：A
8、r-10lgPR/P0 (dB)式式中中：Ar表表示示回回波波损损耗耗；P0表表示示输输入入光光功功率；率；PR表示后向反射光功率。表示后向反射光功率。3. 重复性和互换性重复性和互换性重重复复性性是是指指光光纤纤(缆缆)活活动动连连接接器器多多次次插插拔拔后后插插入入损损耗耗的的变变化化，用用dB表表示示。互互换换性性是是指指连连接接器器各各部部件件互互换换时时插插入入损损耗耗的的变变化，也用化，也用dB表示。表示。4.2 光纤耦合器光纤耦合器光耦合器是将光信号进行分路或合路、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。插入、分配的一种器件。4.2.1 光纤耦合器的结构与原理光纤
9、耦合器的结构与原理制制作作光光耦耦合合器器可可以以有有多多种种方方法法，大大致致可可分分为为分分立立光光学学元元件件组组合合型型、全全光光纤纤型型、平面波导型等。平面波导型等。下面主要介绍熔融拉锥法的原理。下面主要介绍熔融拉锥法的原理。熔熔融融拉拉锥锥法法就就是是将将两两根根(或或两两根根以以上上)除除去去涂涂覆覆层层的的光光纤纤以以一一定定的的方方式式靠靠拢拢，在在高高温温加加热热下下熔熔融融，同同时时向向两两侧侧拉拉伸伸，最最终终在在加加热热区区形形成成双双锥锥体体形形式式的的特特殊殊波波导导结结构构，实现传输光功率耦合的一种方法。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
10、合器熔融拉锥型单模光纤耦合器在在单单模模光光纤纤中中，传传导导模模是是两两个个正正交交的的基基模模(HE11)信信号号。图图4.9所所示示是是单单模模光光纤纤耦耦合合器器的的迅迅衰衰场场耦耦合合示示意意图图，其其中中归归一一化化频频率率(2) 熔融拉锥型多模光纤耦合器熔融拉锥型多模光纤耦合器在在多多模模光光纤纤中中，传传导导模模是是若若干干个个分分立立的的模模式式，不不仅仅应应在在数数值值孔孔径径角角内内，还还要要同同时时满满足足4an1sin=m(m=1，2，3，)。其其中中，a为为纤纤芯芯半半径径，n1是是纤纤芯芯折折射射率率，为为传传导导模模与与光光轴轴的的夹夹角角，为为传传输输光光的的
11、波波长长。总的模式数为：总的模式数为：M=V2/2式中：式中：V为归一化频率。为归一化频率。4.2.2 光纤耦合器的特性光纤耦合器的特性1. 插入损耗插入损耗插插入入损损耗耗(Insertin Loss，IL)定定义义为为指指定定输输出出端端口口的的光光功功率率相相对对全全部部输输入入光光功功率率的的减减少少值值。该该值值通通常常以以分分贝贝(dB)表表示示，数学表达式为数学表达式为其其中中：ILi是是第第i个个输输出出端端口口的的插插入入损损耗耗；Pouti是是第第i个个输输出出端端口口测测到到的的光光功功率率值值；Pin是输入端的光功率值。是输入端的光功率值。2. 附加损耗附加损耗附附加加
12、损损耗耗(Excess Loss，EL)定定义义为为所所有有输输出出端端口口的的光光功功率率总总和和相相对对于于全全部部输输入入光光功功率率的的减减小小值值。该该值值以以分分贝贝(dB)表表示示的的数学表达式为数学表达式为式式中中：Pouti为为第第i个个输输出出口口的的输输出出功功率率；Pin为输入光功率。为输入光功率。3. 分光比分光比分分光光比比(Coupling Ratio，CR)是是光光耦耦合合器器所所特特有有的的技技术术术术语语，它它定定义义为为耦耦合合器器各各输输出出端端口口的的输输出出功功率率相相对对输输出出总总功功率率的的百百分分比比，在在具具体体应应用用中中常常用用数数学学
13、表表达达式式表表示为示为例如对于标准例如对于标准X形耦合器，形耦合器，1 1或或50 50代代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。表了同样的分光比，即输出为均分的器件。4. 方向性方向性方方向向性性也也是是光光耦耦合合器器所所特特有有的的一一个个技技术术术术语语，它它是是衡衡量量器器件件定定向向传传输输性性的的参参数数。以以标标准准X形形耦耦合合器器为为例例，方方向向性性定定义义为为在在耦耦合合器器正正常常工工作作时时，输输入入端端非非注注入入光光端端口口的的输输出出光光功功率率(图图4.8中中的的I2)与与总总注注入入光光功功率率的的比比值值，以以分分贝贝(dB)为为单单位位的的数数学学表
14、表达达式为：式为：式式中中：Pin1代代表表总总注注入入光光功功率率；Pin2代代表输入端非注入光端口的输出光功率。表输入端非注入光端口的输出光功率。5. 均匀性均匀性均均匀匀性性就就是是衡衡量量均均分分器器件件的的“不不均均匀匀程程度度”的的参参数数。它它定定义义为为在在器器件件的的工工作作带带宽宽范范围围内内，各各输输出出端端口口输输出出功功率率的的最最大大变变化量。其数学表达式为化量。其数学表达式为式式中中：MIN(Pout)为为最最小小输输出出光光功功率率；MAX(Pout)为最大输出光功率。为最大输出光功率。6. 偏振相关损耗偏振相关损耗偏偏 振振 相相 关关 损损 耗耗 (Pola
15、rization Dependent Loss，PDL)是是衡衡量量器器件件性性能能对对于于传传输输光光信信号号的的偏偏振振态态的的敏敏感感程程度度的的参参量量。它它是是指指当当传传输输光光信信号号的的偏偏振振态态发发生生360变变化化时时，器器件件各各输输出出端端口口输输出出光光功功率率的的最最大大变化量：变化量：在在实实际际应应用用中中，光光信信号号偏偏振振态态的的变变化化是是经经常常发发生生的的，因因此此，为为了了不不影影响响器器件件的的使使用用效效果果往往往往要要求求器器件件有有足足够够小小的的偏偏振振相相关损耗。关损耗。7. 隔离度隔离度隔隔离离度度是是指指某某一一光光路路对对其其他
16、他光光路路中中的的信信号号的的隔隔离离能能力力。隔隔离离度度高高，也也就就意意味味着着线路之间的线路之间的“串话串话”小。其数学表达式为小。其数学表达式为式式中中：Pt是是某某一一光光路路输输出出端端测测到到的的其其他他光光路路信信号号的的功功率率值值；Pin是是被被检检测测光光信信号号的的输输入功率值。入功率值。4.3 波分复用波分复用/ /解复用器解复用器4.3.1 波分复用波分复用/解复用器的原理与分类解复用器的原理与分类1. 光栅型光栅型衍射光栅型波分复用器件是近年发展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起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向异性腐蚀制作的
17、光栅与棱镜分光相比具有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更大优势，常用来制作波分复用器的主要分光元件。分光元件。2. 波导阵列光栅型波导阵列光栅型图图4.15所所示示是是一一种种波波导导阵阵列列光光栅栅型型波波分分复复用用器器件件。它它是是由由输输入入、输输出出波波导导、空空间耦合器和波导阵列光栅构成。间耦合器和波导阵列光栅构成。图图4.15 波导阵列光栅型波导阵列光栅型DWDM3. 光纤光栅光纤光栅光光纤纤光光栅栅是是利利用用光光纤纤制制造造中中的的缺缺陷陷，用用紫紫外外光光照照射射，使使得得光光纤纤纤纤芯芯折折射射率率分分布布呈呈周周期期性性变变化化图
18、图4.17光光纤纤光光栅栅滤滤波波作作用用，在在满满足足布布拉拉格格光光栅栅条条件件的的波波长长上上全全反反射射，而而其其余余波波长长通通过过的的是是一一种种全全光光纤纤陷陷波波滤滤波波器，如图器，如图4.17所示。所示。图图4.17 光纤光栅滤波作用光纤光栅滤波作用(1) 干涉法干涉法干干涉涉法法是是利利用用双双光光束束干干涉涉原原理理，将将一一束束紫紫外外光光分分成成两两束束平平行行光光，并并在在光光纤纤外外形形成成干干涉涉场场，调调节节两两干干涉涉臂臂长长，使使得得形形成成的的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。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相相位
19、位掩掩膜膜板板法法，是是利利用用预预先先制制作作的的膜膜板板，当当紫紫外外光光通通过过相相位位板板时时产产生生干干涉涉，从从而而在在光光纤纤圆圆柱柱面面形形成成干干涉涉场场，将将光光栅栅写写入入光纤。光纤。4.3.2波分复用波分复用/解复用器的特性解复用器的特性1. 解复用器解复用器以以光光信信号号波波长长为为函函数数的的解解复复用用器器的的主主要光学特性有以下几点。要光学特性有以下几点。(1) 中心波长中心波长(或通带或通带)1、2n+1(2) 中心波长工作范围中心波长工作范围1、2(3) 中心波长对应的最小插入损耗中心波长对应的最小插入损耗L1式式中中：P1代代表表波波长长为为1的的光光束
20、束在在输输出出端端的的光光功功率率；P01分分别别代代表表波波长长为为1的的光光束束在在输输入端合路信号中的光功率。入端合路信号中的光功率。4.4.相邻信道之间串音耦合最大值相邻信道之间串音耦合最大值L12式中：式中：P1代表波长为代表波长为1的光束在输出的光束在输出端串扰到端串扰到2的输出端口处的光功率，的输出端口处的光功率，P2分分别代表波长为别代表波长为2的光束在输出端口处的输的光束在输出端口处的输出光功率。出光功率。(5) 偏振相关损耗偏振相关损耗偏偏振振相相关关损损耗耗是是指指光光信信号号以以不不同同的的偏偏振振状状态态输输入入时时(如如线线偏偏振振、圆圆偏偏振振、椭椭圆圆偏偏振等振
21、等)，对应输出端口插入损耗最大变化量。，对应输出端口插入损耗最大变化量。2. 复用器复用器以以光光信信号号波波长长为为函函数数的的复复用用器器的的光光学学特特性性，可可用用于于给给定定的的输输入入端端口口(1#至至N#端口为输入端口，端口为输入端口，0#端口为输出端口端口为输出端口)。4.4 光光 开开 关关4.4.1 光开关的种类光开关的种类1. 机械式光开关机械式光开关机机械械式式光光开开关关是是最最传传统统的的光光开开关关，一一种种实实用用化化的的机机械械式式多多模模光光纤纤光光开开关关的的插插入入损耗小于损耗小于1dB，开关时间小于开关时间小于1ms。(1) 微光机电系统光开关微光机电
22、系统光开关微微光光机机电电系系统统光光开开关关是是微微光光机机电电系系统统技技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关。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毛毛细细管管效效应应光光开开关关是是采采用用了了电电毛毛细细管管效效应或热毛细管效应的光开关结构。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金金属属薄薄膜膜光光开开关关使使用用了了金金属属膜膜与与无无源源波波导相结合的构形，其结构如图导相结合的构形，其结构如图4.23所示。所示。图图4.23 使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构2.
23、 液晶光开关液晶光开关液液晶晶光光开开关关是是在在硅硅衬衬底底材材料料上上制制作作出出偏偏振振光光束束分分支支波波导导，再再把把每每个个分分支支波波导导交交叉叉点点刻刻蚀蚀成成有有一一定定角角度度的的槽槽，槽槽内内装装上上折折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。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热热光光效效应应光光开开关关是是利利用用加加热热光光波波导导，改改变变光光波波导导的的折折射射率率，引引起起主主波波导导与与需需要要的的分分支支波波导导间间的的光光耦耦合合，从从而而实实现现光光开开/关关的器件。的器件。4.4.2 光开关的特性参数光开关的特性参数1. 插
24、入损耗插入损耗插插入入损损耗耗是是指指输输入入与与输输出出端端口口之之间间光光功功率率的减少，以分贝来表示：的减少，以分贝来表示：式式中中：P0为为进进入入输输入入端端的的光光功功率率；P1为为输输出出端端接接收收的的光光功功率率。插插入入损损耗耗与与开开关关的的状状态有关。态有关。2. 回波损耗回波损耗回回波波损损耗耗(也也称称反反射射损损耗耗或或反反射射率率)是是指指从从输输入入端端返返回回的的光光功功率率与与输输入入光光功功率率的的比值，以分贝表示：比值，以分贝表示：式式中中：P0为为进进入入输输入入端端的的光光功功率率；P1为为输输入入端端口口接接收收到到的的返返回回光光功功率率。回回
25、波波损损耗耗与与开关的状态有关。开关的状态有关。3. 隔离度隔离度隔隔离离度度是是指指两两个个相相隔隔离离输输出出端端口口光光功功率的比值，以分贝来表示。率的比值，以分贝来表示。式式 中中 ： n、m为为 开开 关关 的的 两两 个个 隔隔 离离 端端 口口(nm) ；Pin是是光光从从i端端口口输输入入时时n端端口口的的输输出出光光功功率率，Pim是是光光从从n端端口口输输入入时时在在m端口测得的光功率。端口测得的光功率。4. 远端串扰远端串扰远远端端串串扰扰是是指指光光开开关关的的接接通通端端口口的的输输出出光光功功率率与与串串入入另另一一端端口口的的输输出出光光功功率率的的比值。比值。5
26、. 近端串扰近端串扰近近端端串串扰扰是是指指当当其其他他端端口口接接终终端端匹匹配配，连连接接的的端端口口与与另另一一个个名名义义上上是是隔隔离离的的端端口口的光功率之比。的光功率之比。6. 消光比消光比消消光光比比是是两两个个端端口口处处于于导导通通和和非非导导通通状态的插入损耗之差。状态的插入损耗之差。式式中中：ILnm为为n，m端端口口导导通通时时的的插插入入损损耗耗；ILnm0为为n，m端端口口非非导导通通时时的的插插入入损损耗。耗。7. 开关时间开关时间开开关关时时间间是是指指开开关关端端口口从从某某一一初初始始状状态态转转为为通通或或断断所所需需的的时时间间，开开关关时时间间从从开开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。关上施加或撤去转换能量的时刻算起。
