第三章-光無源器件

第三章光無源器件

（PassiveComponents

）內(nèi)容提要連接性器件功能性器件光衰減器光隔離器與光環(huán)行器光開關(guān)偏振控制器光調(diào)制器

概述

一個完整光纖通信系統(tǒng)不僅需要光端機，光纖線路，而且還需要多種光器件，光器件是光纖傳輸系統(tǒng)重要組成部分。光器件有源光器件：需要外加泵浦源，如電信號、光信號等。無源光器件：無需外加泵浦源就能完成器件功能。光有源器件：

激光器、發(fā)光二極管；光檢測器；光放大器、波長轉(zhuǎn)換器、光調(diào)制器光無源器件：光纖連接器、光定向耦合器、光衰減器、光隔離器、光環(huán)形器、波分復(fù)用器、光纖布拉格光柵、光偏振控制器、光開關(guān)體塊型（分立元件組成）：光隔離器、光濾波器和閃耀光柵波分復(fù)用等全光纖型：光定向耦合器、光纖型波分復(fù)用和光纖型濾波器等。波導(dǎo)型：鈮酸鋰（LiNbO3）波導(dǎo)開關(guān)、波導(dǎo)調(diào)制器等。光無源器件按結(jié)構(gòu)形式分：光纖傳輸系統(tǒng)對光無源器件的要求：1.插入損耗?。ǔ馑p器外），對信號影響小。2.使用方便，便于操作與維護。3.可靠性高，不受反復(fù)操作的影響，重復(fù)性高。4.體積小，重量輕。Agoodbookisagoodfriend§1連接性器件光纖（纜）活動連接器在結(jié)構(gòu)上千差萬別，品種上多種多樣，但按其功能可以分成如下幾個部分：連接器插頭（PlugConnector）：由插針體（即裝配好光纖的插針）和若干外部零件組成。使光纖（纜）在轉(zhuǎn)換器或變換器中完成拔插功能的部件稱為插頭。兩個插頭在插入轉(zhuǎn)換器或變換器后可以實現(xiàn)光纖（纜）之間的對接。光纜跳線（JumperCable）：將一根光纖的兩頭都裝上插頭，稱為跳線。連接器插頭是其特殊情況，即只在光纖一頭裝有插頭。跳線可以是單芯的或多芯的。轉(zhuǎn)換器（Adaptor）：把光纖插頭連接在一起，從而使光纖接通的器件。轉(zhuǎn)換器俗稱插座或法蘭盤。轉(zhuǎn)換器可以連接同型號或不同型號的插頭?？梢赃B接一對或幾對或多芯插頭。變換器（Converter）：將某一型號的插頭變換成另一型號插頭的器件。裸光纖轉(zhuǎn)接器（BareFiberAdaptor）：將裸光纖與光源、探測器以及各類光儀表進行連接的器件。光纖（纜）活動連接器：習(xí)慣上是指兩個連接器插頭加一個轉(zhuǎn)換器?；顒舆B接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件，活動連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無源器件，用于：光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間光纖線路與其他光無源器件之間的連接光纖與測試儀表之間光纖固定接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性（固定）連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實施。FC/FC型活動連接器(用于FC和FC型插頭互連)FC/FC型活動連接器

一．單芯活動連接器的結(jié)構(gòu)與種類FC型插頭采用螺紋連接

FC型插頭：平頭PC型插頭：球面頭APC型插頭：斜八度頭FC/SC型活動連接器(用于FC和SC型插頭互連)SC型插頭SC型插頭：由日本NTT研制，插針、套筒與FC型完全一樣，外殼采用工程塑料制作，矩形結(jié)構(gòu)，不用螺紋連接，可以直接插拔。FC/ST型活動連接器

(用于FC和ST型插頭互連)ST型插頭：由AT&T公司開發(fā)，采用帶鍵的卡口式鎖緊結(jié)構(gòu)，確保連接時準確對準?！癑umpercables”toconnectdevicesandinstruments

“Adaptercables”toconnectinterfacesusingdifferentconnectorstyles

Insertionlossisdominatedbytheconnectorlosses(2mfiberhasalmostnoattenuation)

Oftenyellowsheathusedforsingle-modefiber,orangesheathformultimode二．多芯連接器的結(jié)構(gòu)與種類主要針對帶狀光纜，將多芯光纜的光纖分別卡在V型槽對應(yīng)的孔內(nèi)，就可以被固定連接起來。光纖V型槽三．主要性能指標(biāo)1．插入損耗L

若輸入光纖的光功率為PT，輸出光纖的光功率為PR，插入損耗定義為：

dB2.回波（反射）損耗RLdBP′TP′RPTPR其中P′T是反向輸入光功率，P′R是反向輸出光功率引起光纖連接損耗的原因:兩光纖端面之間有間隙D；兩光纖軸有橫向位移d；兩光纖軸傾斜成角度θ；光纖端面不平整。§2功能性器件光衰減器功能：只衰減光的能量，不改變其他性能。用途：光通信系統(tǒng)和測試系統(tǒng)指標(biāo)（1）小可變衰減器（2）吸收膜可變衰減器步進可變衰減器連續(xù)可變衰減器固定衰減器（1）小可變衰減器原理通過法蘭盤旋轉(zhuǎn)使兩根光纖端面之間的距離發(fā)生變化，利用空氣對光的衰耗進行小范圍的光強調(diào)整。（2）吸收膜可變衰減器原理在玻璃板上鍍上一層Ni(鎳)和Cr(珞)化合物等元素構(gòu)成的金屬蒸發(fā)膜，當(dāng)光通過時，能吸收部分或全部光能。旋轉(zhuǎn)軸光路光路旋轉(zhuǎn)軸為了減小反射光，衰減片與光軸可以傾斜放置。光衰減器的主要技術(shù)要求是：

高的衰減精度好的衰減重復(fù)性低的原始插損一．光纖定向耦合器——簡稱光纖耦合器光纖光耦合器的功能：把一個輸入的光信號功率分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號功率組合成一個輸出。這種光耦合器與波長無關(guān)。用途：光通信網(wǎng)絡(luò)，光通信監(jiān)測系統(tǒng)Wavelength-Independentcoupler(WIC)types:couplelightfromeachfibertoallthefibersattheotherside50%/50%(3dB)mostcommon4porttype1%,5%or10%taps(often3portdevices)1.X形定向耦合器（2×2）理想情況下，當(dāng)在端口1輸入光功率時，在3和4端口按一定比例輸出，而不返回端口2，故稱定向耦合器。1243耦合器X形耦合器功能如下:X形耦合器的制作方法主要有兩種：研磨拋光法熔融拉錐法輸入按比例輸出作用P1,P4,P3分路(P2很小)P4,P3P1耦合(P2很小)P2P4,P3分路(P1很小)1243研磨拋光法：基本原理是利用兩根單模光纖之間光信號的耦合。先在一個石英塊上刻上適當(dāng)深度的圓弧型槽，然后把一根單模光纖放在槽內(nèi)，使光纖發(fā)生彎曲，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难心ズ蛼伖猓瑢⒙冻鍪⒈砻娴墓饫w的包層去除一部分，只剩下1μm左右。另一根光纖用同樣方法的處理。將這兩根經(jīng)過研磨和拋光的兩根光纖緊靠在一起，中間涂一層折射率匹配液，這樣在兩光纖相互接觸的面上只留下很薄的一層包層，并通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩根光纖的相對位置以得到需要的功率耦合，這樣就制成了一個光纖耦合器。研磨拋光法熔融拉錐法：將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。輸入臂背向散射臂3耦合臂4直通臂熔融拉錐法下圖可用來定性地表示熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理。入射光功率在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生功率再分配，一部分光功率從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分則由“耦合臂”傳到另一光路。

熔融拉錐型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖I4I3當(dāng)傳導(dǎo)模進入熔錐區(qū)時，隨著纖芯a的不斷變細，光纖的歸一化截止頻率V值逐漸減小，有越來越多的光功率滲入光纖包層中，轉(zhuǎn)換成在由包層作為芯，纖外介質(zhì)（一般是空氣）作為新包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸；在輸出端，隨著纖芯的逐漸變粗，V值重新增大，光功率被兩根纖芯以特定的比例“捕獲”。迅衰場耦合示意圖在熔錐區(qū)，兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合。將一根光纖看做是另一光纖的擾動，通過很薄的包層，實現(xiàn)兩根單模光纖之間的光耦合。對于單獨的單模光纖，可以從波動方程式和邊界條件比較精確地求出光纖中的傳輸模式及其場型。但在光纖耦合器中，由于另一根光纖的存在，使光纖中場分布發(fā)生畸變，在這種情況下，精確求解場分布是很困難的。因此，可以用微擾法近似地進行分析，即假設(shè)在耦合器中，每一光纖的場分布不受另一光纖的擾動，耦合器系統(tǒng)總的場分布可以用每一根光纖原來的場分布的線性疊加來表示，即光纖耦合器中兩波導(dǎo)的耦合性質(zhì)就可通過線性耦合方程來表示。這樣，參數(shù)相同的兩根平行光纖沿互作用區(qū)域光功率的分布為：式中，P0——z=0處注入光纖1中的光功率，初始條件為P1(0)＝1,P2(0)＝0；P1(z)、P2(z)——沿互作用區(qū)z處光纖1和光纖2中的光功率；z——兩根光纖的互作用區(qū)的距離；C——兩根光纖HE11模的耦合系數(shù)。

2.星形耦合器（n×m)星形耦合器如圖3-7所示。功能：把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖輸出,n和m不一定相等。特點：該耦合器通常用作多端功率分配器。這種光耦合器與波長無關(guān)。

星形耦合器nm用2×2耦合器拼接星型、樹型耦合器星形耦合器應(yīng)用光耦合器的性能指標(biāo)

以X型光耦合器為例，其性能指標(biāo)如下:1.插入損耗L：

L=10LgP1/（P4+P3）dB2.耦合率C：

C=P3/P1

3.分光比R：

R=P4/P34.隔離度I：

I=10lg（P4+P3）/P2dB

二.Wavelength-DependentCouplersWavelength-divisionmultiplexers(WDM)types:3portdevices(4thportterminated)1310/1550nm(“classic”WDMtechnology)1480/1550nmand980/1550nmforpumpingopticalamplifiers(seelater)1550/1625nmfornetworkmonitoring

Insertionandrejection:Lowloss(<1dB)forpathwavelengthHighloss(20to50dB)forotherwavelengthCommonl1l2詳見第七章§3光隔離器與光環(huán)行器一.光隔離器功能：只允許光波往一個方向上傳輸，阻礙光波往其他方向特別是往反方向傳輸。指標(biāo)要求:是正向入射光的插入損耗約1dB，對反向光的隔離度大致為40~50dB。用途：光通信系統(tǒng)IsolatorsMainapplication:Toprotectlasersandopticalamplifiersfromlightcomingback(whichotherwisecancauseinstabilities)

Insertionloss:Lowloss(0.2to2dB)inforwarddirectionHighlossinreversedirection:

20to40dBsinglestage,40to80dBdualstage)

Returnloss:Morethan60dBwithoutconnectors隔離器工作原理偏振器的作用：選擇一定偏振方向的光偏振器的特點是它有一透光軸，對理想的偏振器，沿透光軸方向的偏振光能完全通過，而與之垂直的偏振光則完全被阻止。旋轉(zhuǎn)器作用：改變偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)器常采用釔鐵石榴石（YIG）晶片（或小球）外加磁場做成。2.光隔離器的特性如圖所示，光隔離器的性能參數(shù)定義如下：①正向插入損耗：L=10lgPi1/P01dB

②反向損耗：L*=10lgPi2/P02dB③隔離度I=L*-L=反向損耗-正向損耗反向輸入Pi2反向輸出P02正向輸入Pi1正向輸出P01光隔離器二．光環(huán)行器

環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與光隔離器類似。

光纖環(huán)形器的應(yīng)用：主要用于光分插復(fù)用器中光發(fā)射機1光接收機1光環(huán)形器光接收機2光發(fā)射機2雙向傳輸系統(tǒng)中§4光開關(guān)

光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實現(xiàn)光空間交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。光開關(guān)在光通信中的作用有兩類：1.將某一光纖通道的光信號切斷或開通；2.將某波長光信號由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；光開關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長、消光比、開關(guān)時間等。光開關(guān)可分為兩大類：機械光開關(guān)：利用電磁鐵或步進電機驅(qū)動光纖，棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。非機械光開關(guān)：電光開關(guān)、磁光開關(guān)、集成光路光開關(guān)。

一.機械光開關(guān)圖3-16移動光纖式光開關(guān)

移動反射鏡式光開關(guān)

靠微型電磁鐵或壓電器件驅(qū)動光纖或反射光的光學(xué)元件發(fā)生機械移動，使光信號改變光纖通道的光開關(guān)。

近年來正大力發(fā)展一種集成化的微機電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)，在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列，通過靜電力使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動。下圖是一個MEMS實例，它采用16個可以轉(zhuǎn)動的微型反射鏡，實現(xiàn)兩組光纖束間的4×4光互連。

MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微電子機械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。在當(dāng)前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（ScalingEffects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎(chǔ)都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進行深入的研究。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。二.非機械光開關(guān)1.電光開關(guān)的原理一般是利用鐵電體、化合物半導(dǎo)體、有機聚合物等材料的電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）或電吸收效應(yīng)（Franz-Keldysh效應(yīng)）以及硅材料的等離子體色散效應(yīng)，在電場的作用下改變材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光強突變或光路轉(zhuǎn)變。

電光開關(guān)：通過對電介質(zhì)施加電場使其折射率分布發(fā)生改變，從而導(dǎo)致偏振光反射特性改變，實現(xiàn)光開關(guān)，速率可達s級。磁光開關(guān)：利用某些旋磁材料在外加磁場作用下產(chǎn)生旋光性，使材料的光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)光開關(guān)。集成光路光開關(guān)：利用集成光學(xué)Mach-Zehnder干涉儀的熱光效應(yīng)和電光效應(yīng)實現(xiàn)，是未來光纖通信最有希望的光開關(guān)。2.偏振強度調(diào)制型光開關(guān)

3.熱光開關(guān)圖3-18M-Z干涉型熱光開關(guān)

數(shù)字熱光開關(guān)（a）X型（開關(guān)）

(b)Y型（開關(guān)）固體光開關(guān)優(yōu)點：開關(guān)速度快，易于集成缺點：插入損耗大，串音大。機械光開關(guān)優(yōu)點：插入損耗小，串音小。缺點：開關(guān)速度慢。光交換方式：1.空分光交換是在空間域上將光信號進行交換。主要的功能元件是空間光開關(guān)。2.時分光交換在時間軸上將復(fù)用的光信號的時間位置從t1轉(zhuǎn)換成另一時間位置t2。主要的功能元件是光纖延遲線。3.波分光交換將波分復(fù)用信號中任一波長1變換成另一波長2

。主要的功能元件是波長轉(zhuǎn)換器。1.空分光交換2×2光開關(guān)4個1×2光開關(guān)構(gòu)成基本的光纖型光開關(guān)的入端和出端各有兩條光纖，可以完成平行和交叉兩種連接狀態(tài)。有波導(dǎo)型，門型，機械型，熱光開關(guān)等實現(xiàn)方案。LiNbO3的方向耦合器構(gòu)成1×2光開關(guān)2.時分光交換目前的光時隙交換器都是由空間光開關(guān)和一組光纖延遲線構(gòu)成。光纖延遲線以光信號在其中傳輸一個時隙時間經(jīng)歷的長度為單位，光信號需要延時幾個時隙，就讓它經(jīng)過幾個單位長度的光纖延遲線。123T光開關(guān)光開關(guān)t1,t2…tTt1,t2…tT3.波分光交換波分復(fù)用器1,2…nm…z波分復(fù)用器OTUOTUOTU21nmz4.復(fù)合光交換§5偏振控制器

偏振控制器控制光的偏振態(tài)，可將任意偏振態(tài)的輸入偏振光，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龆酥付ǖ钠駹顟B(tài)。偏振控制器有廣泛的應(yīng)用。主要類型有：光纖型偏振控制器波片型偏振控制器光纖型偏振態(tài)控制器實物圖圖3-19光纖型偏振控制器裝置圖波片型偏振控制器圖3-20偏振控制器原理圖

偏振控制器由兩個相位波片PP1和PP2構(gòu)成。

PPl是λ／4光延遲器（或稱波片），PP2是λ／2波片。

通過改變延遲量或主軸的方向來實現(xiàn)偏振控制，有時配以光旋轉(zhuǎn)器。工作原理一般輸入為任意的橢圓偏振光?，F(xiàn)假定要求通過偏振控制器PP1變?yōu)橹付ǚ较颍ㄈ鏨方向）線偏振光。

λ／4