第三章 光無源器件

第三章光纖通信無源器件3.1光纖的連接與耦合3.2光衰耗器3.3光開關(guān)3.4光隔離器3.5光環(huán)行器3.6

波分復(fù)用/解復(fù)用器件3.1連接器連接器是光纖通信中應(yīng)用 最廣泛最基本的光無源器件；連接器是把兩個光纖端面結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件；對這種器件的基本要求是使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度耦合到接收光纖；連接器“跳線”用于終端設(shè)備和光纜線路及各種光無源器件之間的互連。光纖連接器分類光纖適配器活動連接可以采用活動連接器,下圖為FC/PC型活動連接器對連接器的要求連接損耗(插入損耗)??；回波損耗大；多次插撥重復(fù)性好；互換性好；環(huán)境溫度變化時，性能保持穩(wěn)定；并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；因此，需要精密的機(jī)械和光學(xué)設(shè)計(jì)和加工裝配，以保證兩個光纖端面和角度達(dá)到高精度匹配，并保特適當(dāng)?shù)拈g隙。1、插入損耗：IL---InsertionLoss2、回波損耗：RL---ReturnLoss圖3.1.1連接損耗的機(jī)理圖3.1.1連接損耗的機(jī)理連接器的基本結(jié)構(gòu)包括接口零件、光纖插針和對中三部分。光纖插針的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC,AngledPhysicalContact)。對中可以采用套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V形槽結(jié)構(gòu)或透鏡耦合結(jié)構(gòu)。插針可以是微孔結(jié)構(gòu)、三棒結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。因此,連接器的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的。采用套管結(jié)構(gòu)對中和微孔結(jié)構(gòu)插針光纖固定效果最好，又適合大批量生產(chǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，如圖3.1.2（b）所示。圖3.1.2活動連接器結(jié)構(gòu)和特性連接器的種類兩插頭與轉(zhuǎn)接器的連接有FC型、SC型和ST型。FC：表示用螺紋連接；

SC（Square/SubscriberConnector）： 表示軸向插拔矩形外殼結(jié)構(gòu)；

ST（SpringTension）：表示彈簧帶鍵卡口結(jié)構(gòu)。通常我們把光纖插針端面結(jié)構(gòu)和兩插頭與轉(zhuǎn)接器的連接結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起表示光纖活動連接器的類型，通常有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型等。光纖連接器的主要性能指標(biāo)插入損耗回波損耗互換性重復(fù)性插拔壽命表3.1.1各種單模光纖活動連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)光纖跳線光纖適配器（法蘭盤）光纖連接器端面接頭接頭是把兩個光纖端面結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接。接頭用于相鄰兩根光纜(纖)之間的連接，以形成長距離光纜線路。永久性連接一般在現(xiàn)場實(shí)施，這種連接是光纜線路建造中的重要技術(shù)。對接頭的要求主要是連接(接頭)損耗小，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，長期的可靠性和穩(wěn)定性，以及價格便宜等。接頭制作方法

---熱熔連接把端面切割良好的兩根光纖放在V形槽內(nèi)，用微調(diào)器使纖芯精確對中；用高壓電弧加熱把兩個光纖端面熔合在一起；用熱縮套管和鋼絲加固形成接頭；接頭的質(zhì)量不僅受光纖公差而且受電弧電流和加熱時間的影響。熱熔連接方法在世界范圍得到廣泛應(yīng)用。市場上有多種規(guī)格的自動控制熔接機(jī)，使用方便。接頭制作方法---機(jī)械連接用V形槽、準(zhǔn)直棒或彈性夾頭等機(jī)械夾具，使兩根端面良好的光纖保持外表面準(zhǔn)直；用熱固化或紫外固化，并用光學(xué)兼容環(huán)氧樹脂粘結(jié)加固。這種連接方法接頭損耗大，因?yàn)槔w芯對中的程度完全取決于光纖外徑公差和機(jī)械夾具對光纖的控制能力。毛細(xì)管粘結(jié)連接把光纖插入精制的玻璃毛細(xì)管中，用紫外固化粘結(jié)劑固定，對端面進(jìn)行拋光；在支架上用壓縮彈簧把毛細(xì)管擠壓在一起。調(diào)節(jié)光纖位置，使輸出功率達(dá)到最大，從而實(shí)現(xiàn)對中，用光學(xué)兼容環(huán)氧樹脂粘結(jié)形成接頭。這種連接方法接頭損耗很低。圖3.1.2把端面切割良好的兩根光纖放在V形槽內(nèi)，微調(diào)架對中，用高壓電弧加熱熔合在一起光纖的連接

光纖與光纖的永久性連接通常采用光纖熔接機(jī)高頻電弧放電熔接.光纖熔接機(jī)如下圖3.1.3耦合器耦合器的功能是把一個或多個光輸入分配給多個或一個光輸出。耦合器對線路的影響是附加插入損耗，可能還有一定的反射和串音。選擇耦合器的主要依據(jù)是實(shí)際應(yīng)用場合。T形耦合器是一種3端耦合器或1×2耦合器，它的功能是把一根光纖輸入的光功率分配給2根光纖。這種耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率組合器，或局域網(wǎng)終端的光輸入或光輸出耦合器。星形耦合器是一種N

N耦合器，它的功能是把N根光纖輸入的光功率組合在一起，并均勻分配給N根輸出光纖。這種耦合器可以用作多端功率分路器或功率組合器。耦合器基本結(jié)構(gòu)N

N星形耦合器可以由幾個2

2耦合器組合而成。這種組合星形耦合器的缺點(diǎn)是元件多、體積大。熔拉雙錐星形耦合器是一種緊湊的單體星形耦合器。這種耦合器的制造技術(shù)是把許多光纖部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成雙錐形結(jié)構(gòu)。錐形部分的作用是把每根光纖輸入的信號混合在一起，并近似相等地分配給每個輸出端。圖3.2.2用熔拉雙錐方法制造的星形耦合器另一種制造單模光纖星形耦合器的方法是新穎的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，即在扇形的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即自由空間區(qū)，該區(qū)可用硅平面波導(dǎo)電路技術(shù)制成，它的作用是將輸入光功率均勻地分配到每個輸出端，如圖3.2.3所示。這種結(jié)構(gòu)的星形耦合器適合構(gòu)成大規(guī)模的N

N星形耦合器，利用這種技術(shù)已制成用于1.55

m波段的64

64和144

144星形耦合器。圖3.2.3采用硅平面波導(dǎo)技術(shù)制成的多端星形耦合器輸入光功率是10dBm，經(jīng)10:90分光器后，兩個輸出光功率是多少？3.2光衰耗器光衰減器是用來穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號光功率的無源光器件。光衰減器主要用于調(diào)整中繼段的線路衰減，測量光系統(tǒng)的靈敏度及校正光功率計(jì)等。光衰減器分固定衰減器和可變衰減器兩種。（1）固定衰減器，其造成的功率衰減值是固定不變的，一般用于調(diào)節(jié)傳輸線路中某一區(qū)間的損耗。（2）可變衰減器，它所造成的功率衰減值可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)?？勺兯p器又分為連續(xù)可變和分擋可變兩種。3.3光開關(guān)

光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光信號的交換。對光開關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。光開關(guān)分類機(jī)械光開關(guān) 包括微機(jī)械光開關(guān)電子光開關(guān) 利用電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng)機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)在插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；但開關(guān)時間較長（幾十毫秒到毫秒量級）；開關(guān)尺寸較大，而且不易集成。微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-MichanicalSystems)構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為DWDM網(wǎng)中大容量光交換技術(shù)的主流。它是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝制造出可以前傾后仰、上下移動或旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列，在驅(qū)動力的作用下，對輸入光信號可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng)。通常微反射鏡的尺寸只有140

m

150

m，驅(qū)動力可以利用熱力效應(yīng)、磁力效應(yīng)和靜電效應(yīng)產(chǎn)生。這種器件的特點(diǎn)是體積小、消光比大(60dB左右)、對偏振不敏感、成本低，其開關(guān)速度適中(約5ms)，插入損耗小于1dB。圖3.6.2可升降微反射鏡MEMS光開關(guān)圖3.6.2可升降微反射鏡MEMS光開關(guān)

圖3.6.3可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開關(guān)圖3.6.4可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān)微機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)具有機(jī)械光開關(guān)和電子光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，卻克服了它們所固有的缺點(diǎn)；采用了機(jī)械光開關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅基上；基于圍繞微機(jī)械中樞轉(zhuǎn)動的自由移動鏡面。主要開發(fā)商有美國Lucent、德克薩斯儀表公司和康寧等公司。微機(jī)械光開關(guān)進(jìn)展用貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的MEMs

技術(shù)（微透鏡），已實(shí)現(xiàn)256

256的光交叉連接（交換能力10萬億比特/s），是世界上第一個10G全光交叉連接系統(tǒng)；2001年已達(dá)到1024

1024；它可以運(yùn)行在任何光層速率，包括40Gb/s以及更高的速率。電子開關(guān)開關(guān)時間短（毫秒到亞毫秒量級）；體積非常小，而且易于大規(guī)模集成；但插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標(biāo)都比較差。圖3.6.5馬赫-曾德爾1

1光開關(guān)波導(dǎo)

光開關(guān)

原理互易器件和非互易器件連接器、耦合(分光)器等大多數(shù)無源器件的輸入和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而光通信系統(tǒng)也需要非互易器件，如光隔離器。光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件。某些光器件特別是激光器和光放大器，對于從連接器、接頭、調(diào)制器或?yàn)V波器反射回來的光非常敏感。因此通常要在最靠近這種光器件的輸出端放置光隔離器，以消除反射光的影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。對光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和磁場低和價格便宜。3.4光隔離器保證光信號只能正向傳輸，避免線路中由于各種因素而產(chǎn)生的反射再次進(jìn)入激光器，影響激光器工作穩(wěn)定隔離器

用法拉第磁光效應(yīng)原理制成

隔離器

工作原理

起偏器P使入射光的垂直偏振分量通過調(diào)整加在法拉第介質(zhì)的磁場強(qiáng)度，使偏振面旋轉(zhuǎn)45o，然后通過檢偏器A。反射光返回時，通過法拉第介質(zhì)又一次旋轉(zhuǎn)45o

，正好和入射光偏振面正交（垂直），因此不會使入射光受到影響，等于把入射光和反射光相互隔離開來?；貞浺幌拢汗馄?極化)

單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模偏振器:一種光學(xué)器件，偏振器中有一透光軸，其輸出光為某一種形式的偏振光。當(dāng)光的偏振方向與透光軸水平時，則光全部通過；垂直時，則光全部隔離。

偏振器法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光SOP隔離器工作原理隔離器工作原理如下圖所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個偏振器。緊接第一個偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)。

法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個偏振器，這個偏振器的透振方向在45°方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能夠順利地通過第二個偏振器，也就是說光信號從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(插入損耗除外)。另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)，反射光的偏振態(tài)也在45°方向上，當(dāng)反射光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，此時就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個偏振器)，于是就達(dá)到隔離效果。

光隔離器光環(huán)行器用途和原理光環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與光隔離器類似，也是一種單向傳輸器件；主要用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)和光分插復(fù)用器中；隔離度一般大于50dB。端口1輸入的光信號只有在端口2輸出，端口2輸入的光信號只有在端口3輸出。在所謂“理想”的環(huán)行器中,在端口3輸入的信號只會在端口1輸出。但是在許多應(yīng)用中，這最后一種狀態(tài)是不必要的。因此，大多數(shù)商用環(huán)行器都設(shè)計(jì)成“非理想”狀態(tài)，即吸收從端口3輸入的任何信號，隔離度一般大于50dB。3.5光環(huán)行器---用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)光纖光柵光敏性——外界入射的紫外光照射到纖芯中參鍺的光纖時，光的折射率隨光強(qiáng)發(fā)生永久性改變（強(qiáng)度高的地方，折射率增加；強(qiáng)度低的地方，折射率無變化）光纖光柵——高強(qiáng)度紫外光形成的干涉條紋，在幾厘米（如光纖不喇格光柵有效長度3.5cm）之內(nèi)進(jìn)行側(cè)面橫向曝光，在該纖芯中產(chǎn)生的折射率調(diào)制或相位光柵光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵是一小段光纖，一般幾毫米長，其纖芯折射率經(jīng)兩束相互干涉的紫外光（峰值波長為240nm）照射后產(chǎn)生周期性地調(diào)制，干涉條紋周期由兩光束之間的夾角決定。大多數(shù)光纖的纖芯對于紫外光來說是光敏的，將纖芯直接曝光于紫外光下將導(dǎo)致纖芯折射率永久性變化。不滿足布拉格定律的波長不受光纖光柵影響，可以繼續(xù)傳播。所以布拉格光纖光柵的基本作用是濾波器改變布拉格間距，可以改變?yōu)V波波長

布拉格光柵

3.6

波分復(fù)用/解復(fù)用器件波分復(fù)用器(WDM)（合波器）的功能是把多個不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號復(fù)合在一起,并注入到一根光纖。解復(fù)用器的功能與波分復(fù)用器正好相反。解復(fù)用器（分波器）棱鏡對不同波長的光有不同的折射角，當(dāng)這些分開的光從棱鏡進(jìn)入空氣時，又一次發(fā)生折射，從而進(jìn)一步把復(fù)用光束分開，完成解復(fù)用。分類衍射光柵型多層介質(zhì)膜光纖光柵型熔拉雙錐型介質(zhì)薄膜干涉濾波器解復(fù)用器如果每層厚度是?/4,垂直入射，反射波和入射波相位相反(相位差為180度)，形成相消干涉，也就是光不會被反射，透射光。如果每層厚度是?/2,垂直入射，反射波和入射波相位相同(相位差為360度的整數(shù)倍)，形成相長干涉，也就是光形成一個高反射所有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有相長干涉的特性，經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強(qiáng)度將很小，而反射系數(shù)將達(dá)到1。用介質(zhì)薄膜濾波器

構(gòu)成典型的解復(fù)用器多層介質(zhì)膜在溫度變化時穩(wěn)定性強(qiáng)，插入損耗小，被廣泛的應(yīng)用衍射光柵解復(fù)用器輸入的多波長復(fù)合信號聚焦在反射光柵上；光柵對不同波長光的衍射角不一樣，從而把復(fù)合信號分解為不同波長的分量；然后由透鏡聚焦在每根輸出光纖上。衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光纖透鏡光柵

1

2

3

1

2

3

1+2+3

1+2+3

1+2+3

1

2

3采用棒透鏡的光柵型WDM光纖棒透鏡光柵

1+2+3

1

2

3

1+2+3

1

2

3光纖光柵型利用光纖布拉格光柵反射布拉格共振波長附近光的特性，可以做成波長選擇分布式反射鏡或帶阻濾光器。如果在一個2

2光纖耦合器輸出側(cè)的兩根光纖上寫入同樣的布拉格光柵，則還可以構(gòu)成帶通濾波器。熔纖雙錐型多根光纖在熱熔條件下拉成錐形，使其達(dá)到所需要的耦合功率EDFA，980nm的泵浦光和1550nm的信號光融合適用于信號間隔大（>10nm），不適用與密集波分光分插復(fù)用器(OADM)在WDM網(wǎng)絡(luò)中，需要光分插復(fù)用器(OADM)，在保持其它信道傳輸不變的情況下，將某些信道取出而將另外一些信道插入。可以認(rèn)為，這樣的器件是一個波分復(fù)用/解復(fù)用對。右圖表示固定波長光分插復(fù)用器?？删幊谭植鍙?fù)用器可編程分插復(fù)