第8章 耦合器與連接器

1、第八章 耦合器和連接器 常見光無源器件 l光無源器件是光路的重要組成部分。 l光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如 插頭、開關(guān)、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部 分。常見的光無源器件有光纖連接器、光耦合器、光波分 復(fù)用器、光隔離器、光衰減器、光開關(guān)等。 l光無源器件遵守光學(xué)的基本理論，即光線理論和電磁場理 論。 光纖連接器光纖連接器 1 光光 耦耦 合合 器器 2 常見光無源器件 光纖連接器原理 在光纖通信(傳輸)鏈路中，為了實現(xiàn)不同模塊。 設(shè)備和系統(tǒng)之間靈活連接的需要，必須有一種能在 光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸(活動)連接的器件，使光 路能按所需的通道進(jìn)行傳輸，以實現(xiàn)和完成

2、預(yù)定或 期望的目的和要求，能實現(xiàn)這種功能的器件就叫連 接器。光纖連接器就是把光纖的兩個端面精密對接 起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦 合到接收光纖中去，并使由于其介入光鏈路而對系 統(tǒng)造成的影響減到最小，這是光纖連接器的基本要 求。在一定程度上，光纖連接器也影響了光傳輸系 統(tǒng)的可靠性和各項性能。 光纖連接器 l光纖連接器可分為兩大類：活動連接器和固定連 接器。 1 光纖活動光纖活動 連接器連接器 2 光纖固定光纖固定 連接器連接器 光纖連接的主要方式 1.固定連接。主要用于光纜線路中光纖間的永久性 連接，多采用熔接，也有采用粘接和機(jī)械連接。特 點是接頭損耗小，機(jī)械強(qiáng)度較高。設(shè)備需要熔

3、接機(jī)。 2.活動連接。主要用于光纖與傳輸系統(tǒng)設(shè)備以及與 儀表間的連接，主要是通過光連接插頭進(jìn)行連接。 特點是接頭靈活較好，調(diào)換連接點方便，損耗和反 射較大是這種連接方式的不足?，F(xiàn)在插損方面也已 經(jīng)很好了,性價比較高。 3.臨時連接。測量尾纖與被測光纖間的耦合連接， 一般采用此方法連接。特點是方便靈活，成本低， 對損耗要求不高，臨時測量時多采用此方式連接。 連接器和接頭 連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間 可拆卸連接的器件。（活動連接） 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出 或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路 與其他光無源器件之間的連接。 接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的 永久性連接。（固定連接） 主要用于光纖線路的構(gòu)

4、成。 8 圖8.1 光纖與光纖之間連接損耗產(chǎn)生的原因 (a)橫向錯位 (b)角向錯位 (c ) 端面之間有間隔 (d) 端面不平滑 連接器原理 橫向錯位 圖8.2 發(fā)射光纖與接收光纖的重疊部分，兩纖x 芯中心偏離距離d 圖8.3 多模階躍光纖的橫向錯位損耗 圖8.4 傳輸模式的光斑尺寸為w的單模 光纖的橫向?qū)?zhǔn)差錯損耗曲線 圖8.6 發(fā)射光錐和接收光錐相互重疊的部分 圖8.7 多模光纖的角度錯位產(chǎn)生的損耗 圖8.8 單模階躍光纖的角度錯位產(chǎn)生的損耗 圖8.9 端面之間的間隙使一些發(fā)射光線可以 逃逸出去 光纖端面分離 圖8.10 多模階躍光纖的端面間隙產(chǎn)生的損耗 圖8.11 填充折射率匹配液可以

5、減少光束發(fā)散， 從而降低光纖的分離損耗 圖8.13 傾斜端面產(chǎn)生的損耗 19 圖8.14 纖芯不匹配可能產(chǎn)生的損耗 不同光纖之間的連接 20 圖8.16 數(shù)值孔徑不匹配可能產(chǎn)生的損耗 接收光錐 發(fā)射光錐 21 圖8.17 減少連接反射的兩種方法 (a)物理接觸 (b)傾斜端面 連接點的反射 纖芯 包層 纖芯 包層 光纖頭預(yù)處理 l刻痕-斷裂 l研磨-拋光 22 23 圖8.18 將光纖固定在套筒內(nèi) 環(huán)氧樹脂 套筒 光纜 裸光纖 接頭 l接頭通常指永久性的光纖連接 l熔接 粘結(jié) 24 光纖固定連接器 l光纖固定連接器的作用是使一對或幾對光纖之 間永久性的連接。 l制作固定接頭的方法有熔接法、V形

6、槽法、套 管法等。 l1熔接法 l用熔接法制作固定連接器，是光纖固定連接的 主要方法。 光纖固定連接器 l它采用加熱的方法將光纖熔接在一起，只 要操作得當(dāng)，熔接機(jī)設(shè)計合理，連接插入 損耗很小，后向反射光近似為零，可以得 到非常理想的光纖固定接頭。 光纖固定連接器 l光纖加熱和熔化的方法有三種，如圖所示。 l(1) 電弧熔接 (2) 氫氧焰熔接 (3) 激光熔接 光纖熔接方法 光纖固定連接器 l(1)電弧熔接 l用高壓電極放電來加熱光纖，使之熔融連接，電 弧放電和光纖的對準(zhǔn)可以由微機(jī)控制，實現(xiàn)自動 化操作。電弧熔接是熔接法中應(yīng)用廣泛的方法。 l(2)氫氧焰熔接 l用于一些特殊的場合，如海底光纜的

7、光纖熔接， 其特點是接頭強(qiáng)度高，但火焰的控制較為困難。 l(3)激光熔接 l如用激光器加熱并熔接光纖，其特點是加熱環(huán)境 非常干凈，接頭強(qiáng)度高，但設(shè)備昂貴。 光纖固定連接器 l實現(xiàn)光纖熔接的設(shè)備是光纖熔接機(jī)，它由下述部 分組成：(1)光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)；(2)光纖的 對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；(3)電弧放電機(jī)構(gòu)；(4)電弧放電和電 機(jī)驅(qū)動的控制機(jī)構(gòu)。 l以下是詳細(xì)介紹。 光纖固定連接器 l(1) 光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu) l光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)由精密V形槽和壓板構(gòu)成 ， l精密V形槽的作用是使一對光纖不產(chǎn)生軸偏移， 壓板使光纖固定在V形槽內(nèi)。 光纖固定連接器 l(2) 光纖的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu) l在熔接光纖之前，一般要通過

8、手動或自動裝置使纖 心完全對準(zhǔn)。常用如下三種方法來實現(xiàn)光纖的對準(zhǔn) ： 功率監(jiān)測 纖心直視 包層對準(zhǔn) l(3) 電弧放電機(jī)構(gòu) 光纖固定連接器 l熔接機(jī)的電弧放電由兩根電極完成，電極由 鉬絲制成。 l(4) 電弧放電和電機(jī)驅(qū)動的控制機(jī)構(gòu) l在電極放電過程中，電機(jī)的驅(qū)動都由微處理 機(jī)控制，按預(yù)定程序工作。 光纖固定連接器 l2其他固定連接方式 l(1) V 形槽固定接頭 l這種接頭攜帶方便，操作簡單，不需要貴重的儀 表和設(shè)備。V 形槽的結(jié)構(gòu)是多樣的，圖為 FMS-1 型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖。 光纖固定連接器 l(2) 毛細(xì)管固定接頭 l毛細(xì)管固定接頭一般采用玻璃材料制作，將兩根 處理好的光纖從兩頭

9、穿入玻璃毛細(xì)管內(nèi)，利用其 精密內(nèi)孔使兩根光纖纖心對準(zhǔn)。在兩根光纖端面 加入匹配液，消除菲涅爾反射。 l(3) 套管式固定接頭 l與活動連接器一樣，其主要零件也是插針和套筒 。插入損耗在0.1 dB以下。 35 圖8.20 電弧熔接 熔接 電極 定位單元 裸光纖 36 圖8.21 各類機(jī)械式接頭 粘接 光纖 光纖 光纖 光纖 型槽 精密套筒 松套管 三根棒 圖8.22 熔融玻璃棒接頭的彎曲部位 圖8.24 帶狀接頭剖面圖，光纖對接的位置用箭 頭指示 連接器 可拆卸，用于收發(fā)端機(jī)與光纖的連接及實 驗室中，操作簡單，損耗較大。 39 40 l低損耗 l可重復(fù)性 l可預(yù)測性 l壽命長 l高強(qiáng)度 l環(huán)境

10、適應(yīng)性 l易于組裝 l易于使用 l成本低 光纖活動連接器 l1基本結(jié)構(gòu)及工作原理 l光纖活動連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié) 構(gòu)，使兩根光纖的纖心對接，保證95以上的光 能通過連接器。 l目前，活動連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有 以下幾種。 1 套管結(jié)構(gòu) 3.1.1 光纖活動 連接器 l 2 雙錐結(jié)構(gòu) 4 球面定心結(jié)構(gòu) l 3 V形槽結(jié)構(gòu) 5 透鏡耦合結(jié)構(gòu) 光纖活動連接器 l套管結(jié)構(gòu)的核心是插針與套筒。 l插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主 要尺寸如圖所示。 插針的結(jié)構(gòu)與主要尺寸 光纖活動連接器 l插針的精度要求是：外徑不圓度小于0.0005 mm； 外圓柱面光潔度為 ；微孔偏心量

11、小于 ；插針端面為球面，其曲率半徑為20 60 mm。 l套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結(jié)構(gòu)，如 圖所示。 141 m 光纖活動連接器 套筒的結(jié)構(gòu)與尺寸 l套筒的精度要求是：內(nèi)孔光潔度為 ；拔插 力為3.92 5.88 N。開口套筒使用彈性好的材料， 如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。 14 14 光纖活動連接器 l光纖活動連接器結(jié)構(gòu)上差別很大，品種也 很多，但按功能可分成如下幾部分： l(1) 連接器插頭(Plug Connector)：由插針體和 若干外部零件組成。 l(2) 轉(zhuǎn)換器或適配器(Adapter)：即插座，可以連 接同型號插頭，也可以連接不同型號插頭，可以 連一對插頭，也可以

12、連接幾對插頭或多心插頭。 光纖活動連接器 l(3) 轉(zhuǎn)換器(Converter)：將某一種型號的插頭變 換成另一種型號的插頭，由一種型號的轉(zhuǎn)換器加 上另外其他型號的插頭組成。 l(4) 光纜跳線(Cable Jumper)：一根光纜兩端面 裝上插頭，稱為跳線。兩個插頭型號可以不同， 可以是單心的，也可以是多心的。 l(5) 裸光纖轉(zhuǎn)換器(Bare Fiber Adapter): 將裸 光纖穿入裸光纖轉(zhuǎn)換器，處理好光纖端面，形成 一個插頭。 光纖活動連接器 l2主要性能指標(biāo)及測試方法 l(1) 插入損耗 l插入損耗是指光信號通過活動連接器后，輸出光 功率相對輸入光功率的分貝數(shù)，其表達(dá)式為 (dB

13、) 式中， 為輸入光功率； 為輸出光功率。插入 損耗越小越好。 Loutin 10lg/IPP in P out P 光纖活動連接器 l重復(fù)性和互換性 l重復(fù)性是指光纖活動連接器多次插拔后，插入損 耗的變化，用dB表示。 l互換性是指連接器各部件互換時，插入損耗的變 化，也用dB表示。 光纖活動連接器 l影響光纖活動連接器插入損耗的因素很多，現(xiàn)簡 述如下： l(1) 兩個光纖纖心位置的錯位，如圖所示。 實際有三種情況，即橫向錯位、角度傾斜和端面 間隙。 l光纖纖心位置的錯位 光源耦合 51 l反射損耗 l面積失配損耗 l封裝比損耗 l數(shù)值孔徑損耗 l高強(qiáng)度 l環(huán)境適應(yīng)性 l易于組裝 l易于使用

14、 l成本低 圖8.36 光源的耦合損耗 53 圖8.40 減少光源的光束發(fā)散角 光源 纖心 源 54 圖8.41 光源耦合 柱透鏡 光纖 球形透鏡 光纖 柱透鏡 光纖 1 描 述 光 耦描 述 光 耦 合 器 特 性合 器 特 性 的 一 些 技的 一 些 技 術(shù)參數(shù)術(shù)參數(shù) 2 光 耦 合 器光 耦 合 器 的 制 作 方的 制 作 方 法法 3 耦合機(jī)理耦合機(jī)理 4 波 導(dǎo) 型 光波 導(dǎo) 型 光 耦合器耦合器 5 光 波 分 復(fù)光 波 分 復(fù) 用器用器(WDM)(WDM) 和 解 復(fù) 用和 解 復(fù) 用 器器 光光 耦耦 合合 器器 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù) l1插入損耗(Inserti

15、on Loss) (3.4) 式中， 為第i個輸出端口的插入損耗； 為第 i個輸出端口的光功率； 為輸入的光功率。 l2附加損耗(Excess Loss) (3.5) l插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關(guān)，而且 與分光比有很大的關(guān)系。 outin 10lg/(dB) ii ILPP i IL outi P in P out in 10lg (dB) i i P EL P 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù) l3分光比(Coupling Ration) (3.6) l它是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo)。 l4方向性(Directivity) l方向性是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo), 是衡量器件

16、 定向傳輸特性的參數(shù)。以X形耦合器為例，方向性 定義為耦合器正常工作時，輸入一側(cè)非注入光的 一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。 out out 100 i i i P CR P 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù) l由 2 端輸出的光功率 與全部注入的光功 率(即圖3.11中 1 端注入的光功率 )之比為 (3.7) 圖 X形耦合器的方向性 IN2(out) P IN1 P IN2(out) IN1 10lg (dB) P DL P 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù) l5均勻性(Uniformity) l對于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹 形），由于工藝局限，往往不可能做到絕對的均

17、勻，用均勻性來衡量其不均勻程度： (3.8) l6偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss) l衡量器件對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為偏振靈 敏度。 out out Min() 10lg (dB) Max() i i P FL P 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù) l當(dāng)傳輸光信號的偏振態(tài)變化 時，器件各輸出 端輸出功率的最大變化量： (3.9) l 7隔離度(Isolation) (3.10) l式中， 為在第i個光路輸出端測到的其他輸出 端光信號的功率； 為輸入的光功率。 out out Min() 10lg(dB) Max() i i P PDL

18、P out in 10lg (dB) i i P I iP outi P ini P 360 光耦合器的制作方法 l光耦合器大致可分為分立元件組合型、全 光纖型和平面波導(dǎo)型。 l1、早期采用分立光學(xué)元件（如棒透鏡、反射鏡 、棱鏡等）組合拼接。 l 其耦合機(jī)理簡單直觀，可用一般的幾何光學(xué)進(jìn) 行描述。 l 但損耗大，與光纖耦合困難，環(huán)境穩(wěn)定性較差 。 光耦合器的制作方法 l 2、全光纖耦合器，即直接在兩根（或兩根以上 ）光纖之間形成某種形式的耦合。 l全光纖耦合器的發(fā)展： （1）最早是Sheem和Giallorenzi發(fā)明的蝕刻法 （2） Bergh等人發(fā)明了光纖研磨法， （3）研磨結(jié)束后，在研磨

19、面上加一小滴匹配液， 再將光纖拼接，做成光纖耦合器。 光耦合器的制作方法 （4）20世紀(jì)80年代初，人們開始用光纖熔融拉錐 法制作單模光纖耦合器，已成為當(dāng)前制作光耦合 器的主要方法。 l3、集成化是未來光纖通信發(fā)展的必然趨勢。 利用平面光波導(dǎo)制作的光耦合器具有體積小，分 光比控制精確，易于大批生產(chǎn)等特點。 光耦合器的制作方法 l熔融拉錐法是：將兩根（或兩根以上）除去涂覆 層的光纖以一定方式靠攏，在高溫下熔融，同時 向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐形式的特殊 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。 l熔融拉錐制作系統(tǒng)的示意圖如圖所示。 熔融拉錐制作系統(tǒng)示意 光耦合器的制作方法 l熔融拉錐型全光

20、纖耦合器有如下優(yōu)點： l(1) 極低的附加損耗，對于X 形或Y 形耦合器（參 見表），附加損耗小于0.05 dB。 表 標(biāo)準(zhǔn)X, Y型全光纖耦合器的典型性能指標(biāo) 指 標(biāo)單模2(1)2 工作波長1310, 1550nm 附加損耗0.1 dB 分光比容差 分光比 方向性60 dB 工作溫度-40C85C 光耦合器的制作方法 l(2) 方向性好，一般達(dá)到60 dB，保證了傳 輸光信號的定向性，減小了線路之間的串 擾。 l(3) 良好的環(huán)境穩(wěn)定性，光路結(jié)構(gòu)簡單緊 湊，在 -4085溫度范圍內(nèi)耦合器可以保證穩(wěn) 定工作。 光耦合器的制作方法 l(4) 控制方法簡單、靈活，不僅可以方便 地改變器件的性能參數(shù)

21、，還能制作具有不 同功能的其他器件。 l(5) 制作成本低，適于批量生產(chǎn)。上表給 出了標(biāo)準(zhǔn)X，Y型全光纖耦合器的典型性能 指標(biāo)。 耦合機(jī)理 l1單模光纖耦合器 l在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個正交的基模( 模)，耦合器中光場強(qiáng)分布如圖所示。 耦合器中光場強(qiáng)分布 11 HE 耦合機(jī)理 l傳導(dǎo)模進(jìn)入熔融錐區(qū)，纖心不斷變細(xì)，V 值逐漸減小，有越來越多的光功率進(jìn)入光 纖包層中，實際光功率是在以包層為心、 光纖外介質(zhì)為包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸?shù)摹?耦合機(jī)理 l在輸出端，隨著纖心的逐漸變粗，V 值增大，光 功率被兩根纖心以特定比例捕獲。在熔錐區(qū)，兩 根光纖包層合并在一起，兩根光纖纖心足夠接近 ，形成弱耦合，如下圖

22、所示。 l 圖 熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理 耦合機(jī)理 l在弱導(dǎo)近似下，假設(shè)光纖無損耗，則有耦合方程 ： (3.11) l式中， 分別為兩根光纖的模式場幅度； 是獨(dú)立 狀態(tài)的兩根光纖的傳輸常數(shù)； 是耦合系數(shù)。 l實際上，自耦合系數(shù) ，且 。 當(dāng)z = 0 時，已知 ，則耦合方程的 解為式(3.12)所示。 1 1111122 2 2222211 d( ) j()j d d( ) j()j d A z CACA z Az CACA z 12 ,A A 12 , i j C 1122 0CC 1221 CCC 12 (0),(0)AA 耦合機(jī)理 l因此可求得每根光纖中的功率為 l (3.13) l由此得到： 耦合比率與熔融 拉伸長度的關(guān)系 曲線，如圖3.15 所示。最大耦合率 可以達(dá)到100。 耦合比率與熔融拉伸長度的關(guān)系 2 22 11 2 22 22 ( )( )1sin ( )( )sin C P zA zFz F C P zAzFz F 耦合機(jī)理 l2多模光纖耦合器 l階躍多模光纖的模式總數(shù) ，當(dāng)傳導(dǎo)模（ 靠近光軸為低階模，離光軸較遠(yuǎn)的是高階模）進(jìn) 入多模光纖耦合器的熔錐區(qū)時，纖心變細(xì)，V值 變小，纖心中束縛的模式數(shù)減小，較高階模進(jìn)入 包層，形成