第四章 光無源器件

1第四章光無源器件

OpticalPassiveDevices4.1光纖連接器4.2光纖耦合器4.3光隔離器4.4光環(huán)行器4.5衰減器4.6光學開關4.7光波分復用器件4.8光插分復用器2光無源器件定義：不需要外加能源驅動工作的光電子器件3§4.1光纖連接器OpticalFiberConnectors光纖的連接將兩根光纖端面結合在一起，實現(xiàn)光信號的持續(xù)傳輸。根據(jù)連接方式的不同，可分為活動連接和固定連接?；顒舆B接器是實現(xiàn)活動連接的主要方法熔接法是固定連接的主要方法

連接兩根光纖使其成為光通路的可以重復裝拆的活接頭用于光源到光纖、光纖到光纖、光纖與深測器、器件之間等的連接具備損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復性和互換性好以及價格低廉等優(yōu)點。要求能承受機械振動和沖擊、適應一定的溫度和濕度環(huán)境條件、裝拆時防止雜質污染的保護措施。

活動連接器4可分為單芯型和多芯型可分為多模和單模單芯型按結構可分為調心型和非調心型：非調心型內部沒有調心機構,靠光纖活動連接器結構組件之間的精密配合來達到最佳耦合常用的非調心型結構有以下幾種：套管結構、雙錐結構、V型槽結構、微透鏡結構以及自聚焦透鏡結構等按連接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式活動連接器分類5活動連接器包括：

a、連接器插頭（PlugConnector）使光纖在轉換器或變換器中完成插拔功能的器件b、轉換器（Adaptor）

把光纖插頭連接在一起，從而實現(xiàn)光纖接通的器件c、跳線（JumperConnector）

一根兩端都裝上插頭的光纖d、變換器（Converter）

使某種型號的插頭換成另一種型號插頭的器件e、裸光纖轉換器（BareFiberAdaptor）

使裸光纖與光源、探測器、各類光儀表連接的器件固定連接器：主要為光纖熔接（FiberFusingSplicing）連接器插頭連接器的由插針體和若干外部機械結構零件組成。插頭按其端面的形狀分為三類：PC型、SPC型和APC型。PC型插頭端面曲率半徑最大，近乎平面接觸，反射損耗最低。SPC型插頭端面的曲率半徑為20mm，反射損耗可以達到45dB，插入損耗可以達到0.2dB。APC型插頭除了采用球面接觸，還將端面加工成斜面，以使反射光反射出光纖。斜面的傾角越大，反射損耗越大，但是插入損耗也隨之增大，一般取8°~9°。插針和光纖以及兩者的選配對連接器插頭的質量影響極大。一個插頭損耗的正常值一般小于0.3dB。7跳線將一根光纖的兩頭都裝上插頭稱為跳線。連接器插頭是跳線的特殊情況，即只在一端裝有插頭。跳線中光纖兩頭的插頭可以是同一型號，也可以是不同型號。8連接器與轉換器轉化器俗稱法蘭盤，應用最多的是FC型。FC型連接器是一種用螺紋連接，外部元件采用金屬材料制作的圓形連接器。它是我國采用的主要品種，具有較大的抗拉強度，能適用于各種工程的要求。SC型連接器外殼采用工程塑料制作，采用矩形結構，便于密集安裝，不用螺紋連接，可以直接插拔。ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊結構，確保連接時對準。對同種型號的插頭進行連接，需要上述三種型號的轉換器。對不同型號的插頭的連接需要FC/SC型、FC/ST、SC/TC型。9PCSCST10變換器將某一種型號的插頭變換成另一種型號的插頭的器件叫做變換器，其中一半為某一種型號的轉換器，另一半是其他型號的插頭。對于FC、ST、SC三種連接器能做到6種變換器。11

部分連接器圖例

SC/PCSC/APCFC/PCFC/APCST/PC主要性能指標插入損耗：一般在0.5dB以下?；夭〒p耗：一般應大于45dB。重復性：每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應小于0.1dB?；Q性：是指同一種連接器不同插針替換時損耗的變化范圍，一般應小于0.1dB。插拔次數(shù)：連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內插拔的次數(shù)，一般應在千次以上。工作溫度：在工作溫度范圍內（-25～＋70℃范圍內），連接器的損耗變化量應在0.2dB范圍內變化。151.插入損耗插入損耗定義為光纖中的光信號通過活動連接器后，其輸出光功率相對輸入光功率的分貝比。其表達式為：插入損耗越小越好影響插入損耗的主要因素有以下幾種：纖芯錯位損耗、光纖傾斜損耗、光纖端面間隙損耗、光纖端面菲涅爾反射損耗、數(shù)值孔徑不同損耗、芯徑直徑不同損耗等2.回波損耗回波損耗又稱反射損耗，在光纖連接處，后向反射光相對于輸入光的比率的分貝數(shù)。163.重復性和互換性重復性是指同一對插頭，在同一只轉換器中多次插拔之后，其插入損耗的變化范圍。插拔次數(shù)一般取5次。互換性是指不同插頭之間。或者不同連接器任意置換之后，其插入損耗的變化范圍，性能一致性。其表達式為：回波損耗越大越好，以減少反射光對光源和系統(tǒng)的影響。改進回波損耗的途徑只有一個，即將插頭端面加工成球面或寫球面。1718§4.2光纖耦合器OpticalCoupler主要功能：再分配光信號重要應用在光纖網(wǎng)絡尤其是應用在局域網(wǎng)在波分復用器件上應用光耦合器件分類

光耦合器是一類能使傳輸中的光信號在特殊結構的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行再分配的器件。從端口形式上劃分，它包括X型(2×2)耦合器、Y形（1×2）耦合器、星形（N×N，N>2）耦合器以及樹形耦合器等。19光纖耦合器基本原理按工作原理分：光纖型、微光學機械型、波導型。從性能和價格考慮，光纖型為最好。下面介紹光纖型耦合器的基本結構和工作原理。把兩根或多根去掉涂覆層的光纖排列，用熔融拉錐技術制作。在熔接區(qū)，光纖變細，相互靠近，發(fā)生了耦合。由于常規(guī)單模光纖中大約有20％的光是靠包層傳輸?shù)?，光纖變細就有更多的能量分布于芯線外，加之光纖相互靠近，于是在耦合區(qū)就發(fā)生了不同程度的耦合。耦合區(qū)201.插入損耗（InsertionLoss）插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對于全部輸入光功率的減少值。2.附加損耗（ExcessLoss）

附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。光耦合器的技術參數(shù)21附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質量的指標，反映器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗表示各個輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響。3.分光比（CouplingRatio）

分光比是耦合器各輸出端口的輸出功率與輸入功率的比值。Pi1PiNPo1PoNPotPit22

4.方向性（Directivity）在耦合器正常工作時，輸入一側非注入光的一端的輸出光功率與全部注入光功率的比較值。5.均勻性（uniformity)在器件的工作帶寬內，各輸出端口輸出光功率的變大變化量。用來衡量均分器件的“不均勻程度“的參數(shù)。Pi1PiNPo1PoN23

6.偏振相關損耗（Polarizationdependentloss）衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。指當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360度變化時，器件個輸出端口光功率的最大變化量。7.隔離度（Isolation)是指光纖耦合器件的某一光路對其他光路中的光信號隔離能力。最大應用是用于反映WDM器件對不同波長信號的分離能力。24-40~+70-40~+70工作溫度/oC1~1.250.8~2.0穩(wěn)定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入損耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波長/n×n星型2×2型耦合器光纖耦合器的一般特性2526§4.3光隔離器OpticalIsolators光隔離器是一種只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件作用：防止光路中的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產生不良影響。例如：半導體激光器、光纖放大器應用：光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學測量系統(tǒng)等實現(xiàn)原理：旋光效應和法拉第效應分類：按其內布結構分為：塊狀型、光纖型、波導型按其外部結構分為:尾纖型、連接器端口型、微型化型按其性能分為：偏振相關型、偏振無關型27偏振相關型光隔離器

由起偏器、檢偏器和旋光器三部分組成。

28偏振無關型光隔離器29回波損耗(RL)回波損耗：指由于構成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對入射光信號的衰減。Pi：正向輸入光隔離器的光信號功率Pr：返回輸入端口的光功率

PiPr30隔離度指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產生的損耗

Pi’：反向輸入光隔離器的光信號功率

Po’：返回輸入端口的光功率值越大越好

31偏振相關損耗和偏振模色散偏振相關損耗（PDL）：指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量，是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標。偏振模色散（PMD）：指通過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲差。

3233§4.4光環(huán)形器OpticalCirculators光學環(huán)形器是一種多端口輸入輸出的非互易性器件,它的作用是使光信號只能沿規(guī)定的端口順序傳輸。環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。典型的環(huán)行器一般有三個或四個端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。1321324三端口四端口34光學環(huán)行器的應用由于光學環(huán)行器的這種順序傳輸特性,它可用于將同一根光纖中正向傳輸和反向傳輸?shù)墓庑盘柗珠_。應用于光纖通信、光纖傳感以及光纖測試系統(tǒng)之中時,往往使系統(tǒng)結構簡化。光學環(huán)行器已成為一個基本的結構模塊,實現(xiàn)一些特殊的用途。35以下是其在光通信系統(tǒng)中的幾種典型應用:（1）與光纖布拉格光柵(FBG)組合應用

下圖是一種由環(huán)行器和光纖光柵所組成的上/下路復用器(OADM)。與之類似的應用還有解復用器和利用啁啾光纖光柵做成的色散補償器等。36（2）與光纖放大器的組合應用在光纖放大器中,光信號的增益與放大器中光纖的長度成正比,要得到足夠大的增益需要光信號通過相當長的一段增益介質。如果讓被放大光信號通過光纖放大器后折返,可使其兩次通過增益介質從而減小了放大器的總長度,這一設想已經在摻餌光纖放大器(EDFA)中得到了應用。37將EDFA與一環(huán)行器耦合,使光信號通過EDFA放大后在其輸出端由高反膜反射再次反向通過增益介質,相當于將增益介質的長度增加一倍,這一方法極大地提高了EDFA的泵浦效率,降低了所需的泵浦能量。3839§4.5光衰減器OpticalAttenuators光衰減器是用來在光纖線路中產生可控制衰減的一種無源器件。功能是在光信息傳輸過程中對光功率進行預定量的光衰減?？捎糜诠馔ㄐ啪€路、系統(tǒng)評估、研究、調整及校正等方面。在短距離小系統(tǒng)光纖通信中，光衰減器用來防止到光端機的功率過大而溢出動態(tài)接收范圍；在光纖測試系統(tǒng)中，則可用光纖衰減器來取代一段光纖以模擬長距離傳輸情況。光衰減器按固定于可變可分為可調光衰減器和固定光衰減器。前者主要用于調節(jié)光功率電平，后者主要用于電平過高的光纖通信線路。

固定光衰減器可調光衰減器(VOA)40手持式光衰減器41光衰減器根據(jù)工作原理分類：位移型光衰減器橫向位移型光衰減器縱向位移型光衰減器直接鍍膜型光衰減器（吸收模或反射模型）衰減片型光衰減器液晶型光衰減器光衰減器42對光衰減器主要要求是：插入損耗低、回波損耗高、分辨率線性度和重復性好、衰減量可調范圍大、衰減精度高、器件體積小，環(huán)境性能好。

位移型光衰減器：是根據(jù)有意在光纖對接時，發(fā)生一定錯位，是使光能損失一些，從而達到控制衰減量的目的。直接鍍膜型衰減器：直接在光纖端面或玻璃基片上鍍制金屬吸收或反射膜來衰減光能量。液晶型衰減器：由自聚焦透鏡、液晶元件等組成，利用磁致旋光效應使耦合進光纖的光信號減小。衰減片型衰減器：直接將具有吸收特性的衰減片固定在光纖端面上或光路上，達到衰減光信號的目的。4344§4.6光學開關OpticalSwitch定義：一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。主要功能：目前主要是光交換系統(tǒng)和主備倒換，即利用光開關技術實現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護等功能。45光開關類型根據(jù)驅動方式可分為：機械式光開關、非機械式光開關。依據(jù)原理可分為：機械光開關、熱光開關、電光開關和聲光開關。依據(jù)交換介質可分為：自由空間交換光開關和波導交換光開關。常用的光開關有：MEMS光開關、噴墨氣泡光開關、熱光效應光開關、液晶光開關、全息光開關、聲光開關、液體光柵光開關、SOA光開關等。

46光開關主要技術要求快的開關速度大消光比小的串擾低的偏振損耗小的驅動電壓高隔離度小尺寸可大規(guī)模集成低成本高可靠性47光開光主要技術參數(shù)插入損耗：輸入和輸出端口之間光功率的減少；回波損耗：從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值隔離度：兩個相隔離輸出端口光功率的比值遠端串擾：光開關的接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值。48消光比：兩個端口處于導通和非導通狀態(tài)的插入損耗之差。近端串擾：當其他端口接終端匹配，連接的端口與另一個名義上是隔離的端口的光功率之比。開關時間：指開關端口從某一初始轉為通或斷所需的時間從在開關上施加或撤去轉換能量的時刻起測量。49光開關應用（1）

光開關在光網(wǎng)絡中起到十分重要的作用，它不僅構成了波分復用光網(wǎng)絡中關鍵設備（如OADM/OXC）的交換核心，本身也是光網(wǎng)絡中的關鍵器件。其應用范圍主要有：

保護倒換功能：光開關通常用于網(wǎng)絡的故障恢復。當光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生時，利用光開關實現(xiàn)信號迂回路由，從主路由切換到備用路由上。這種保護通常只需要最簡單的1×2光開關。

網(wǎng)絡監(jiān)視功能：使用簡單的1×N光開關可以將多纖聯(lián)系起來。當需要監(jiān)視網(wǎng)絡時，只需在遠端監(jiān)測點將多纖經光開關連接到網(wǎng)絡監(jiān)視儀器上（如OTDR），通過光開關的動作，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡在線監(jiān)測。50光開關應用（2）光器件的測試：可以將多個待測光器件通過光纖連接，通過1×N光開關，可以通過監(jiān)測光開關的每個通道信號來測試器件。構建OADM設備核心：OADM是光網(wǎng)絡關鍵設備之一，通常用于城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)。實現(xiàn)OADM光信號上下路的具體方式很多，但大多數(shù)情況下都應用了光開關，主要是2×2光開關，來實現(xiàn)對密集波分復用光網(wǎng)絡中光信號的上下路功能。由于光開關的使用，使OADM能動態(tài)配置業(yè)務，增強了OADM節(jié)點的靈活性，同時，使得OADM節(jié)點能支持保護倒換，當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，節(jié)點將故障業(yè)務切換到備用路由中，增強了網(wǎng)絡的生存能力和網(wǎng)絡的保護和恢復能力。

51光開關應用（3）構建OXC設備的交換核心：OXC主要應用于骨干網(wǎng)，對不同子網(wǎng)的業(yè)務進行匯聚和交換。因此，需要對不同端口的業(yè)務交換，同時，光開關的使用使OXC具有動態(tài)配置交換業(yè)務和支持保護倒換功能，在光層支持波長路由的配置和動態(tài)選路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分復用光骨干網(wǎng)上，要求光開關具有透明性、高速、大容量和多粒度交換的特點。5253§4.7光波分復用器WavelengthDivisionMultiplexingDevice什么是波分復用技術？WDM:(WavelengthDvisionMultiplexing)

簡單地說，不同的信號匯集在一起傳輸而互不干擾稱為復用。“波分復用技術”指的是將不同波長的光信號匯集在一根光纖中發(fā)射傳輸，在接收端將它們分開。波分復用器l1l2l3l4l1,l2,l3,l45455光復用器和光解復用器示意圖λ1λ2λNλNλ2λ1…………主要特點充分利用了光纖的巨大帶寬節(jié)約了大量的光纖降低了器件的超高速要求通道對傳輸信號完全透明可擴展性好56波分復用使用的波段 波分復用系統(tǒng)使用的是兩個低損耗傳輸口，其波長為1.31μm和1.55μm的窗口，目前該系統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)段內，同時用8，16或更多個波長在一對光纖上(也可采用單光纖)構成的光通信系統(tǒng)。原理及其分類波分復用器件是利用了一些特殊材料的光學特性，及色散、偏振、干涉等物理現(xiàn)象實現(xiàn)分波及其合波的功能。

57波分復用的原理在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復用)，并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用技術主要有光柵型、干涉濾波片型、陣列光波導型和熔錐型四種基本形式。下面將介紹幾種類型的WDM器件。干涉濾波片型采用干涉濾波片來實現(xiàn)不同波長的光的分離，實現(xiàn)分/合波功能。由于采用了微等離子體鍍膜技術，介質膜窄帶濾光片的光學性能有了很大改善，工藝也較為成熟。透過率高，帶寬窄，中心波長溫度系數(shù)可小于3pm/°C。同時，DWDM系統(tǒng)市場的日益增長也使多腔介質膜窄帶濾光片的批量成本降低。580,1，…n1，…n059輸入光纖14320(監(jiān)管信道)干涉濾光膜n1L1n2L2介質薄膜型波分復用器件信道1信道2信道8LensLensLensLensLens信道7窄帶濾波器1,…81287公共端利用多層介質膜窄帶濾光器制成的八波DWDM器件601547.71555.71562.1-450介質膜波分復用器件各信道上光傳輸特性波長(nm)功率61WDMl1P1(l1)N2(l1)WDMl1P1(l1)N2(l1)遠端串擾系數(shù)近端串擾系數(shù)中心波長及工作范圍插入損耗波長隔離度、串擾

波分復用器件的性能指標

62光插分復用器英文名稱是opticaladd-dropmultiplexer。簡寫為OADM。其定義為對多波長光信號,一種能從中分出單個光波長