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1、第八章第八章 光无源器件光无源器件 2024/7/262024/7/261 1光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件概述概述 简介简介 是一种光学元器件是一种光学元器件 工艺原理遵循光学的基本原理，即光线理论工艺原理遵循光学的基本原理，即光线理论 以及电磁波理论以及电磁波理论 光通信设备的重要组成部分光通信设备的重要组成部分 工艺涉及多种加工工艺，特别复杂工艺涉及多种加工工艺，特别复杂2024/7/262024/7/262 2光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件概述概述 光无源器件主要分为以下几种光无源器件主要分为以下几种1. 光纤准直器（光纤准直器（Fiber Collimator
2、s ）2. 光纤连接器（光纤连接器（Connector）3. 光耦合器件（光耦合器件（Coupler）4. 光衰减器（光衰减器（Attenuator）5. 光隔离器（光隔离器（Isolator）6. 光波分复用器（光波分复用器（WDM）7. 偏振光合波器（偏振光合波器（PBC）8. 光开关光开关(Switch)9. 光环形器（光环形器（Circulator）2024/7/262024/7/263 3光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件概述概述 PPT内容介绍内容介绍 各种无源器件的基本原理各种无源器件的基本原理 各种无源器件的种类各种无源器件的种类各种无源器件的性能技术指标各种无源器件的
3、性能技术指标2024/7/262024/7/264 4光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤准直器（光纤准直器（Collimator) 1. 光纤准直器（光纤准直器（Fiber Collimator）2024/7/262024/7/265 5光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤准直器（光纤准直器（Collimator) 原理与作用原理与作用 光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处， 使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得 到所需工作距离
4、，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间 距距L 相关。相关。 光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大 的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加 对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样 可使两准直器之间保持较长的距离，可以插入光学元件以实现可使两准直器之间保持较长的距离，可以插入光学元件以实现 器件性能。如下图所示；器件性能。如下图所示
5、；2024/7/262024/7/266 6光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤准直器（光纤准直器（Collimator) 原理示意图原理示意图 腰斑较大腰斑较大发散角小发散角小 Grin Lens（1/4透镜）透镜）Fiber Pigtail束腰半径小束腰半径小发散角大发散角大Glass Sleeve近高斯光束近高斯光束折射率径向变折射率径向变化示意图化示意图 玻璃套管玻璃套管光纤尾纤光纤尾纤2024/7/262024/7/267 7光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤准直器（光纤准直器（Collimator)种类种类 C-Lens光纤准直器光纤准直器: Cylindri
6、cal-Lens,球端面透镜技术准直器球端面透镜技术准直器 G-Lens光纤准直器光纤准直器: Grin Lens,斜端面折射率径向渐变技术准直器斜端面折射率径向渐变技术准直器 C-Lens 可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比G-Lens 改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而在普通应改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而在普通应 用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在Filter 型型WDM 中，需中，需 要在透镜的端面粘贴滤波片，要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens端面为平面易于贴片。端
7、面为平面易于贴片。 2024/7/262024/7/268 8光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤准直器（光纤准直器（Collimator)UV胶胶 Epoxy环氧树脂环氧树脂制作工艺制作工艺 Lens组装组装玻璃管玻璃管Lens2024/7/262024/7/269 9光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤准直器（光纤准直器（Collimator)制作工艺制作工艺 Pigtail组装组装对齐后作标记对齐后作标记斜面对齐斜面对齐2024/7/262024/7/261010光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤准直器（光纤准直器（Collimator)制作工艺制作工艺
8、Lens Holder套管组装套管组装Lens Holder 2024/7/262024/7/261111光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件主要性能技术指标：主要性能技术指标：1.Wavelength（波长）（波长） = 1520 1580 nm2.Insertion Loss（插入损耗）（插入损耗） 65 dB4.Tensile Load （拉力）（拉力） 5 N5.Working Distance（工作距离）（工作距离）: 10 mm光纤准直器（光纤准直器（Collimator)2024/7/262024/7/261212光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件连接器（连接器（C
9、onnector） 2. 连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/261313光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件连接器（连接器（Connector）基本原理基本原理光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学机光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学机构，是两根光纤的纤心对准，保证构，是两根光纤的纤心对准，保证90以上的光以上的光可以通过。可以通过。光纤连接器是光学元器件中的基础元件，除了实光纤连接器是光学元器件中的基础元件，除了实现光纤之间的连接外，它还具有将光纤光缆、有现光纤之间的连接外，它还具有将光纤光缆、有源器件、其他无源器件、系统与仪表实现连接的源器件
10、、其他无源器件、系统与仪表实现连接的功能。功能。2024/7/262024/7/261414光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件连接器（连接器（Connector）种类种类1 1、活动连接器：、活动连接器： a a、连接器插头（、连接器插头（Plug ConnectorPlug Connector） 使光纤（缆）在转换器或变换器中完成插拔功能的器件使光纤（缆）在转换器或变换器中完成插拔功能的器件 b b、转换器（、转换器（AdaptorAdaptor） 把光纤（缆）插头连接在一起，从而实现光纤接通的器件把光纤（缆）插头连接在一起，从而实现光纤接通的器件 c c、跳线（、跳线（Jumper
11、 ConnectorJumper Connector） 一根光纤（缆）的两端都装上插头一根光纤（缆）的两端都装上插头 d d、变换器（、变换器（ConverterConverter） 使某种型号的插头换成另一种型号插头的器件使某种型号的插头换成另一种型号插头的器件 e e、裸光纤转换器（、裸光纤转换器（Bare Fiber AdaptorBare Fiber Adaptor） 使裸光纤与光源、探测器、各类光仪表连接的器件使裸光纤与光源、探测器、各类光仪表连接的器件2 2、固定连接器：主要为光纤熔接（、固定连接器：主要为光纤熔接（Fiber Fusing SplicingFiber Fusing
12、 Splicing）2024/7/262024/7/261515光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件连接器（连接器（Connector）基本制造类型基本制造类型2024/7/262024/7/261616光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件 各种制造标准各种制造标准连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/261717光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件连接器（连接器（Connector） 插针端面插针端面 PC： Non-angled Physical Contact connector 无角度接触连接器无角度接触连接器 APC： Angled P
13、hysical Contact connector 有角度接触连接器有角度接触连接器 这里端面一般为球面，球面增加回损。比较两种连接器，这里端面一般为球面，球面增加回损。比较两种连接器，APC斜球端面连接器可以在接触时产生更大的回波损耗，斜球端面连接器可以在接触时产生更大的回波损耗，其数值可以达到其数值可以达到50-70dB，而一般的，而一般的PC端面连接器回损约端面连接器回损约为为30-40dB，只是由于角度位置的要求，只是由于角度位置的要求，APC连接器制作连接器制作工艺会稍微复杂。工艺会稍微复杂。 2024/7/262024/7/261818光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件连接
14、器（连接器（Connector） 部分连接器图例部分连接器图例 SC/PCSC/APC2024/7/262024/7/261919光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件FC/PCFC/APC连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/262020光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件LC/PCLC/APC连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/262121光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件MU/PCMU/APC连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/262222光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀
15、课件ST/PC连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/262323光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件E2000/PCE2000/APC连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/262424光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件F3000/PCF3000/APCNote: SFF Connector: Small Form Factor (1.25mm ferrule OD). 连接器（连接器（Connector）2024/7/262024/7/262525光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件插针插针A插针插针B光纤光纤 插
16、针插针连接器（连接器（Connector）插针套筒式连接器示意图插针套筒式连接器示意图2024/7/262024/7/262626光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件LC/PC连接器组装结构连接器组装结构连接器（连接器（Connector）组装前组装前组装后组装后2024/7/262024/7/262727光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件主要性能技术指标主要性能技术指标连接器（连接器（Connector）1、插入损耗（、插入损耗（Insertion Loss)2、回波损耗（、回波损耗（Return Loss）3、重复损耗：多次插拔的损耗、重复损耗：多次插拔的损耗4、互换损耗：连
17、接器部件互换时损耗、互换损耗：连接器部件互换时损耗2024/7/262024/7/262828光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光耦合器（光耦合器（Coupler） 3. 光耦合器（光耦合器（Coupler）2024/7/262024/7/262929光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光耦合器（光耦合器（Coupler）耦合器件的定义以及种类耦合器件的定义以及种类光耦合器是重要的无源器件，可是传输中的光信号在特殊结构的耦合光耦合器是重要的无源器件，可是传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，然后进行再分配。区发生耦合，然后进行再分配。种类从功能上分光功率（种类从功能上分光功率
18、（Splitter）和光波长分配耦合器（）和光波长分配耦合器（WDM Coupler）；从端口形式可分为）；从端口形式可分为X形、形、Y形、星形以及树形耦合器；从形、星形以及树形耦合器；从工作带宽分窄带耦合器、单工作窗口宽带耦合器、双工作窗口的宽带工作带宽分窄带耦合器、单工作窗口宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器；从传导光模式分多模耦合器、单模耦合器。耦合器；从传导光模式分多模耦合器、单模耦合器。熔融拉锥型全光纤耦合器熔融拉锥型全光纤耦合器应为其良好的综合优势成为现在制作耦合器应为其良好的综合优势成为现在制作耦合器的主要方法。的主要方法。JDSU主要制造此类主要制造此类Coupler，为本章节
19、专讲内容。，为本章节专讲内容。2024/7/262024/7/263030光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件熔融拉锥型全光纤耦合器的优势熔融拉锥型全光纤耦合器的优势1、极低的附加损耗：标准、极低的附加损耗：标准X型可达到型可达到0.05dB以下；以下；2、方向性好：一般超过、方向性好：一般超过60dB;3、良好的环境稳定性：例如在、良好的环境稳定性：例如在-40度度85度范围内可度范围内可 保持稳定的工作特性；保持稳定的工作特性；4、控制方法简单、灵活；、控制方法简单、灵活；5、成本低廉：原料为一般光纤，自动化程度高，成品、成本低廉：原料为一般光纤，自动化程度高，成品 率高。率高。光耦
20、合器（光耦合器（Coupler）2024/7/262024/7/263131光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光纤结构示意图光纤结构示意图光耦合器（光耦合器（Coupler）Coating包胶层Core纤芯Cladding涂覆层2024/7/262024/7/263232光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光耦合器（光耦合器（Coupler）光线的传播光线的传播 1. Meridional Ray子午光线的传播（总与光纤轴相交）子午光线的传播（总与光纤轴相交）CladdingCladding2024/7/262024/7/263333光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件2.
21、 Skew Ray斜光线的传播（射入角大于子午线，不与光纤轴相交）斜光线的传播（射入角大于子午线，不与光纤轴相交）光线的传播光线的传播 光耦合器（光耦合器（Coupler）2024/7/262024/7/263434光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光耦合器（光耦合器（Coupler）耦合机理：（单模光纤耦合器）耦合机理：（单模光纤耦合器） 耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过“直通臂直通臂”继续传输，另一部分由继续传输，另一部分由“耦合臂耦合臂”传到另一光路。传到另一光路。基本原理是：当光线输入进入熔锥区
22、输入端时，由于纤芯的不断变基本原理是：当光线输入进入熔锥区输入端时，由于纤芯的不断变细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部分的光功率会逸出分的光功率会逸出“输入臂输入臂”熔锥区的光纤包层，这时光功率是以熔锥区的光纤包层，这时光功率是以包层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输包层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输出端，随着纤芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特出端，随着纤芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特定的比率捕获。定的比率捕获。 2024/7/262024
23、/7/263535光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件 光耦合器（光耦合器（Coupler）耦合机理示意图耦合机理示意图(1X2 Single为例为例) 耦合区耦合区 单模输入光单模输入光 （小角度单一路径）（小角度单一路径）背散射臂背散射臂 输入臂输入臂 入射角度变大入射角度变大 逸出折射光逸出折射光耦合臂耦合臂形成新的全反射形成新的全反射 直通臂直通臂2024/7/262024/7/263636光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件 光耦合器（光耦合器（Coupler）熔融拉锥示意图熔融拉锥示意图99.9氢气火焰氢气火焰拉力拉力一定要打两个结一定要打两个结2024/7/26202
24、4/7/263737光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件 光耦合器（光耦合器（Coupler）V-shape Quartz Tube石英基板石英基板Shrink Tube热缩套热缩套Silicon Rubber硅胶硅胶Stainless Steel Tube不锈钢套不锈钢套Epoxy环氧胶环氧胶UV 胶胶Fiber光纤光纤Shrink Tube热缩套热缩套Silicon Rubber硅胶硅胶V-shape Quartz Tube V型石英基板型石英基板Stainless Steel Tube不锈钢套不锈钢套结构示意图结构示意图2024/7/262024/7/263838光无源器件光无源器
25、件( (优秀课件优秀课件光耦合器（光耦合器（Coupler）主要性能技术指标主要性能技术指标1、插入损耗、插入损耗 2、附加损耗（、附加损耗（Excess Loss ）：）： 全部输出端口功率总和相对于全部输入功全部输出端口功率总和相对于全部输入功 率总和的减少值率总和的减少值3、分光比（、分光比（Coupling Ratio）：）： 耦合器各输出端口的输出功率的比值耦合器各输出端口的输出功率的比值4、方向性（、方向性（Directivity）：）： 输入侧非注入光一端的输出光功率与全部注入功率的比较值输入侧非注入光一端的输出光功率与全部注入功率的比较值5、均匀性（、均匀性（Uniformit
26、y）: 在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化值在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化值6、偏振相关损耗（、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss） 当传输光信号偏振态发生当传输光信号偏振态发生360度变化，器件各端口输出光功率最大度变化，器件各端口输出光功率最大 变化量变化量7、隔离度（、隔离度（Isolation） 光纤耦合器件某一光路对其他光路中光信号的隔离能力光纤耦合器件某一光路对其他光路中光信号的隔离能力 2024/7/262024/7/263939光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光衰减器（光衰减器（Attenuat
27、or） 4. 光衰减器（光衰减器（Attenuator）2024/7/262024/7/264040光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光衰减器是重要的光学无缘器件，常用于在系统中吸收或反射光衰减器是重要的光学无缘器件，常用于在系统中吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗以及各类测试中。掉光功率余量、评估系统的损耗以及各类测试中。光衰减器可以按照用户的要求将光信号进行预期的衰减，类型光衰减器可以按照用户的要求将光信号进行预期的衰减，类型很多，不同类型衰减器分别采用不同的工作原理。很多，不同类型衰减器分别采用不同的工作原理。光衰减器的作用：光衰减器的作用：光衰减器（光衰减器（Attenua
28、tor）2024/7/262024/7/264141光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光衰减器（光衰减器（Attenuator） 直接镀膜型光衰减器（吸收或反射膜）直接镀膜型光衰减器（吸收或反射膜）纵向位移型纵向位移型横向位移型横向位移型衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器 光衰减器光衰减器位移型光衰减器位移型光衰减器光衰减器的种类光衰减器的种类2024/7/262024/7/264242光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光衰减器（光衰减器（Attenuator）MEMS衰减器的原理衰减器的原理正视图正视图Air Gap气孔气孔 Double Core
29、Tube双光纤毛细管双光纤毛细管 Vane折光叶片折光叶片Coating镀反射模镀反射模Wedged Mirror双折射晶体双折射晶体 G-Lens格林透镜格林透镜Flex PCB （MEMS Chip Soldered）印刷线路板（印刷线路板（Chip 已焊接）已焊接）Epoxy 632胶胶2024/7/262024/7/264343光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件光衰减器（光衰减器（Attenuator）光衰减器主要性能指标光衰减器主要性能指标1、Insertion Loss：插入损耗，即衰减量：插入损耗，即衰减量2、Return Loss：回波损耗：回波损耗3、Attenuation range ：衰减范围：衰减范围4、Attenuation resolution ：衰减精度：衰减精度5、PDL：偏振相关损耗：偏振相关损耗2024/7/262024/7/264444光无源器件光无源器件( (优秀课件优秀课件
