第三章光纖材料及光纖器件1

2/3/20231光纖器件2/3/20232光纖器件：光纖無源器件

光纖有源器件

2/3/2023Page3概述

簡介

一種光學(xué)元器件工藝原理遵循光學(xué)的基本原理，即光線理論以及電磁波理論光通信設(shè)備的重要組成部分

涉及多種加工工藝，特別復(fù)雜2/3/2023Page4概述光無源器件主要分為以下幾種光纖準(zhǔn)直器（FiberCollimators）光纖連接器（Connector）光耦合器件（Coupler）光衰減器（Attenuator）光隔離器（Isolator）光波分復(fù)用器（WDM）偏振光合波器（PBC）光開關(guān)(Switch)光環(huán)形器（Circulator）2/3/2023Page5概述

內(nèi)容介紹

各種無源器件的基本原理各種無源器件的種類舉例介紹具體無源器件的制作工藝各種無源器件的性能技術(shù)指標(biāo)2/3/2023Page61.光纖準(zhǔn)直器（FiberCollimator）2/3/2023Page7光纖準(zhǔn)直器（Collimator)原理與作用光纖準(zhǔn)直器的基本原理是，將光纖端面置于準(zhǔn)直透鏡的焦點處，使光束得到準(zhǔn)直，然后在焦點附近輕微調(diào)節(jié)光纖端面位置，得到所需工作距離，因此準(zhǔn)直器的工作距離與光纖頭和透鏡的間距L相關(guān)。光纖準(zhǔn)直器的作用是將光纖輸出的束腰半徑較小而發(fā)散角較大的近似高斯光束轉(zhuǎn)化為腰斑較大而發(fā)散角較小的光束，以增加對軸向間距的容查從而提高光纖與光纖之間的耦合效率，這樣

可使兩準(zhǔn)直器之間保持較長的距離，可以插入光學(xué)元件以實現(xiàn)器件性能。如下圖所示；2/3/2023Page8光纖準(zhǔn)直器（Collimator)原理示意圖

腰斑較大發(fā)散角小GrinLens（1/4透鏡）FiberPigtail束腰半徑小發(fā)散角大GlassSleeve近高斯光束折射率徑向變化示意圖玻璃套管光纖尾纖2/3/2023Page9光纖準(zhǔn)直器（Collimator)種類C-Lens光纖準(zhǔn)直器:Cylindrical-Lens,球端面透鏡技術(shù)準(zhǔn)直器G-Lens光纖準(zhǔn)直器:GrinLens,斜端面折射率徑向漸變技術(shù)準(zhǔn)直器C-Lens可通過增大端面曲率半徑來增加工作距離，比G-Lens改變參數(shù)相對容易，長工作距離應(yīng)用中具有優(yōu)勢，而在普通應(yīng)用中，也因其成本優(yōu)勢受到歡迎。只是在Filter型WDM中，需要在透鏡的端面粘貼濾波片，Grin-Lens端面為平面易于貼片。

2/3/2023Page10光纖準(zhǔn)直器（Collimator)UV膠

Epoxy環(huán)氧樹脂制作工藝Lens組裝玻璃管Lens2/3/2023Page11光纖準(zhǔn)直器（Collimator)制作工藝Pigtail組裝對齊后作標(biāo)記斜面對齊2/3/2023Page12光纖準(zhǔn)直器（Collimator)制作工藝LensHolder套管組裝LensHolder

2/3/2023Page13主要性能技術(shù)指標(biāo)：Wavelength（波長）=1520~1580nmInsertionLoss（插入損耗）<0.15dBReturnLoss（回波損耗）>65dBTensileLoad（拉力）>5NWorkingDistance（工作距離）:10mm光纖準(zhǔn)直器（Collimator)2/3/2023Page142.連接器（Connector）2/3/2023Page15連接器（Connector）基本原理光纖連接器的基本原理是采用某種機(jī)械和光學(xué)機(jī)構(gòu)，是兩根光纖的纖心對準(zhǔn)，保證90％以上的光可以通過。光纖連接器是光學(xué)元器件中的基礎(chǔ)元件，除了實現(xiàn)光纖之間的連接外，它還具有將光纖光纜、有源器件、其他無源器件、系統(tǒng)與儀表實現(xiàn)連接的功能。2/3/2023Page16連接器（Connector）種類1、活動連接器：a、連接器插頭（PlugConnector）使光纖（纜）在轉(zhuǎn)換器或變換器中完成插拔功能的器件b、轉(zhuǎn)換器（Adaptor）把光纖（纜）插頭連接在一起，從而實現(xiàn)光纖接通的器件c、跳線（JumperConnector）一根光纖（纜）的兩端都裝上插頭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(zhuǎn)換器（BareFiberAdaptor）使裸光纖與光源、探測器、各類光儀表連接的器件2、固定連接器：主要為光纖熔接（FiberFusingSplicing）2/3/2023Page17連接器（Connector）基本制造類型2/3/2023Page18各種制造標(biāo)準(zhǔn)連接器（Connector）2/3/2023Page19連接器（Connector）

插針端面

PC：Non-angledPhysicalContactconnector無角度接觸連接器

APC：AngledPhysicalContactconnector有角度接觸連接器這里端面一般為球面，球面增加回?fù)p。比較兩種連接器，APC斜球端面連接器可以在接觸時產(chǎn)生更大的回波損耗，其數(shù)值可以達(dá)到50-70dB，而一般的PC端面連接器回?fù)p約為30-40dB，只是由于角度位置的要求，APC連接器制作工藝會稍微復(fù)雜。

2/3/2023Page20連接器（Connector）

部分連接器圖例

SC/PCSC/APC2/3/2023Page21FC/PCFC/APC連接器（Connector）2/3/2023Page22插針A插針B光纖插針連接器（Connector）插針套筒式連接器示意圖2/3/2023Page23LC/PC連接器組裝結(jié)構(gòu)連接器（Connector）組裝前組裝后2/3/2023Page24主要性能技術(shù)指標(biāo)連接器（Connector）1、插入損耗（InsertionLoss)2、回波損耗（ReturnLoss）3、重復(fù)損耗：多次插拔的損耗4、互換損耗：連接器部件互換時損耗2/3/2023Page253.光耦合器（Coupler）2/3/2023Page26光耦合器（Coupler）耦合器件的定義以及種類光耦合器是重要的無源器件，是傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，然后進(jìn)行再分配。種類從功能上分光功率（Splitter）和光波長分配耦合器（WDMCoupler）；從端口形式可分為X形、Y形、星形以及樹形耦合器；從工作帶寬分窄帶耦合器、單工作窗口寬帶耦合器、雙工作窗口的寬帶耦合器；從傳導(dǎo)光模式分多模耦合器、單模耦合器。熔融拉錐型全光纖耦合器應(yīng)為其良好的綜合優(yōu)勢成為現(xiàn)在制作耦合器的主要方法。2/3/2023Page27光耦合器（Coupler）耦合機(jī)理：（單模光纖耦合器）

耦合即是入射光功率在熔融拉錐區(qū)域進(jìn)行功率再分配，一部分通過“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分由“耦合臂”傳到另一光路?；驹硎牵寒?dāng)光線輸入進(jìn)入熔錐區(qū)輸入端時，由于纖芯的不斷變細(xì)，入射角度也不斷變大，當(dāng)超過全反射的角度臨界點時，會有部分的光功率會逸出“輸入臂”熔錐區(qū)的光纖包層，這時光功率是以包層作為芯，纖外介質(zhì)（空氣）作為新的復(fù)合波導(dǎo)中傳播的；在輸出端，隨著纖芯變粗，入射角度逐漸變小，光功率被兩個纖芯以特定的比率捕獲。

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光耦合器（Coupler）耦合機(jī)理示意圖(1X2Single為例)

耦合區(qū)單模輸入光（小角度單一路徑）背散射臂

輸入臂入射角度變大

逸出折射光耦合臂形成新的全反射直通臂2/3/2023Page29

光耦合器（Coupler）熔融拉錐示意圖99.9％氫氣火焰拉力一定要打兩個結(jié)2/3/2023Page30

光耦合器（Coupler）V-shapeQuartzTube石英基板ShrinkTube熱縮套SiliconRubber硅膠StainlessSteelTube不銹鋼套Epoxy環(huán)氧膠UV膠Fiber光纖ShrinkTube熱縮套SiliconRubber硅膠V-shapeQuartzTubeV型石英基板StainlessSteelTube不銹鋼套結(jié)構(gòu)示意圖2/3/2023Page31熔融拉錐型全光纖耦合器的優(yōu)勢1、極低的附加損耗：標(biāo)準(zhǔn)X型可達(dá)到0.05dB以下；2、方向性好：一般超過60dB;3、良好的環(huán)境穩(wěn)定性：例如在-40度－85度范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定的工作特性；4、控制方法簡單、靈活；5、成本低廉：原料為一般光纖，自動化程度高，成品率高。光耦合器（Coupler）2/3/2023Page32光耦合器（Coupler）主要性能技術(shù)指標(biāo)1、插入損耗2、附加損耗（ExcessLoss）：全部輸出端口功率總和相對于全部輸入功率總和的減少值3、分光比（CouplingRatio）：耦合器各輸出端口的輸出功率的比值4、方向性（Directivity）：輸入側(cè)非注入光一端的輸出光功率與全部注入功率的比較值5、均勻性（Uniformity）:在器件工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出光功率的最大變化值6、偏振相關(guān)損耗（PolarizationDependentLoss）當(dāng)傳輸光信號偏振態(tài)發(fā)生360度變化，器件各端口輸出光功率最大變化量7、隔離度（Isolation）光纖耦合器件某一光路對其他光路中光信號的隔離能力

2/3/2023Page334.光衰減器（Attenuator）2/3/2023Page34光衰減器是重要的光學(xué)無源器件，常用于在系統(tǒng)中吸收或反射掉光功率余量、評估系統(tǒng)的損耗以及各類測試中。

光衰減器可以按照用戶的要求將光信號進(jìn)行預(yù)期的衰減，類型很多，不同類型衰減器分別采用不同的工作原理。光衰減器的作用：光衰減器（Attenuator）2/3/2023Page35光衰減器（Attenuator）直接鍍膜型光衰減器（吸收或反射膜）縱向位移型橫向位移型衰減片型光衰減器液晶型光衰減器光衰減器位移型光衰減器光衰減器的種類2/3/2023Page36光衰減器（Attenuator）ATT：Attenuator衰減器MATT:MemsOpticalAttenuator微機(jī)電系統(tǒng)光衰減器（MicroElectroMechanicalSystems）VCB:Voltage-controlledOpticalAttenuatorserialBB系列電控光衰減器MV:MiniatureVariableOpticalAttenuator微型可調(diào)光衰減器VSA:Voltage-controlledSlopOpticalAttenuator電控溢出光衰減器VCF:Voltage-controlledOpticalFilter電控溢出光衰減器JDSU光衰減器的制造種類2/3/2023Page37光衰減器（Attenuator）光衰減器主要性能指標(biāo)1、InsertionLoss：插入損耗，即衰減量2、ReturnLoss：回波損耗3、Attenuationrange：衰減范圍4、Attenuationresolution：衰減精度5、PDL：偏振相關(guān)損耗2/3/2023Page385.光隔離器（Isolator）2/3/2023Page39光隔離器（Isolator）概述與光隔離器種類光隔離器主要是解決光路中光的反射問題，它是只允許光線沿光路正向傳輸?shù)姆腔ヒ仔詿o源器件。包括：Polarization-DependentFree-spaceOpticalIsolator

空間型偏振相關(guān)隔離器，簡稱PDFI。其工作原理是利用了磁光晶體的法拉第效應(yīng)，具體結(jié)構(gòu)是兩個線偏振器中加一個法拉第旋轉(zhuǎn)器而成。MiniatureOpticalFree-spaceIsolator

微型空間型偏振相關(guān)隔離器，簡稱MOFI，是PDFI的微型化，原理與其相同。Polarization-InsensitiveFiberIsolator偏振無關(guān)光隔離器，簡稱PIFI。其工作原理是采用雙折射晶體，產(chǎn)生偏振態(tài)互相垂直的o光和e光，又經(jīng)雙折射晶體耦合。但反射光經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)后，o光與e光之間的角度加大，無法耦合反射到入射口。

以下是光隔離器中常用的一些光學(xué)元件以及特性。2、1、3、2/3/2023Page40法拉第旋轉(zhuǎn)器（FaradayRotator）光隔離器（Isolator）不具有旋光性的物質(zhì)在磁場的作用下，偏振光通過該物質(zhì)時其震動面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。此現(xiàn)象稱為磁致旋光效應(yīng)，也稱法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)的一個重要特性是：不管光的傳播特性如何，迎著外加磁場的方向觀察，偏振光按反時針旋轉(zhuǎn)，其旋向是不可逆轉(zhuǎn)的。這是制作光隔離器的基礎(chǔ)特性。常用材料包括YIG晶體（釔鐵石榴石）、高性能磁光晶體。典型的隔離器采用選光角度為45度的旋轉(zhuǎn)器。法拉第旋轉(zhuǎn)器2/3/2023Page41光隔離器（Isolator）自然光、偏振光與偏振片自然光為橫波其振動態(tài)為

各向均勻振動二向色性偏振片：只允許與光軸平行振動態(tài)光通過

2/3/2023Page42光隔離器（Isolator）雙折射晶體Wedged片birefringentCrystalWedged入射光楔形單軸雙折射晶體光軸o光光軸e光2/3/2023Page43光隔離器（Isolator）FaradayRotatorPolarizer1FaradayRotator1ForwardtransmissionPolarizer1Polarizer2Polarizer3FaradayRotator1FaradayRotator2Polarizer34590901354590Polarizer2FaradayRotator2MOFI光隔離器原理（雙極）2/3/2023Page44光隔離器（Isolator）主要性能技術(shù)指標(biāo)

1、InsertionLoss：插入損耗2、ReturnLoss：回波損耗3、Isolation：反向隔離度，表征隔離期對反向傳輸光的衰減能力4、PolarizationDependentLoss:PDL偏振相關(guān)損耗，是指當(dāng)輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其他參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量5、PolarizationModeDispersion：偏振模色散，是指通過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。2/3/2023Page45光波分復(fù)用器（WDM）6、光波分復(fù)用器（WDM）2/3/2023Page46光波分復(fù)用器（WDM）概述：波分復(fù)用技術(shù)是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個波段，每個波段用作一個獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。這樣大大提高了單模光纖的帶寬利用光波分復(fù)用器是對光波波長進(jìn)行分離與合成的光無源器件。光波分復(fù)用器件的一個端口，作為器件的輸出/輸入端，N個端口作為器件的輸入/輸出端。P0(0#端口)1P1端口2P2端口nPn端口2/3/2023Page47LWDM：LaserWeldingWavelengthDivisionMultiplexer干涉模型激光焊接波分復(fù)用器IWDM：IsolatorWavelengthDivisionMultiplexer隔離器型激光焊接波分復(fù)用器DWDM：DenseWDM密集波分復(fù)用（通道間隔小于100GHz）CWDM：CoarseWDMJDSU生產(chǎn)線LW平臺光波分復(fù)用器（WDM）GSWDM：基于JDSUGS平臺的波分復(fù)用器，原理與LWDM相同，只是封裝方式不一致2/3/2023Page48光波分復(fù)用器（WDM）光波分復(fù)用器件技術(shù)指標(biāo)（僅指單模光纖WDM器件）復(fù)用中心波長：信道通道帶寬：±20nm，指允許的中心波長范圍的變化。插入損耗：指器件輸入端和對應(yīng)的輸出端光功率的減小值。隔離度：指器件輸出端口的光進(jìn)入非指定輸出端口光能量大小。光回波損耗：指光信號從指定端口輸入時，由于器件引起反向回傳的光能量。偏振相光損耗：指光信號以不同的偏振狀態(tài)輸入時，（如線偏振、圓偏振、橢圓偏振），對應(yīng)輸出端口插入損耗最大變化量。溫度穩(wěn)定性：指器件插入損耗隨溫度的變化。最大光功率：指器件允許通過的最大光功率。工作溫度：指器件正常工作時，允許的溫度變化。儲存溫度：指器件存放、運(yùn)輸?shù)臏囟确秶?/3/2023Page497.偏振光合束器（PBC)2/3/2023Page50PBC是PolarizationBeamCombiner的縮寫，意即偏振光合（分）波器。

由于生產(chǎn)普通光纖難以克服的橢圓度和殘余應(yīng)力，以及在使用過程中不可避免的外力和磁場的影響，所以普通光纖將隨機(jī)改變在其中傳輸?shù)亩€簡并模的相位差，使其偏振態(tài)隨機(jī)變化。

PBC偏振光合束器就是將兩束偏振方向正交的線偏光合成一束。

概述：2/3/2023Page51WollastonPrism渥拉斯頓棱鏡

渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡能產(chǎn)生兩束互相分開的、振動互相垂直的平面偏振光．它是由兩個直角棱鏡組成的，自然光垂直入射到AD表面。它與雙折射晶體的作用一樣，都是使正交的偏振模按不同角度分開；兩個直角或斜角的方解石粘結(jié)到一起就是渥拉斯頓透鏡。反過來，如果兩束偏振光逆行進(jìn)入，渥拉斯頓棱鏡就能將其合成為一束正交的偏振模光束，PBC就是利用此特性。

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2塊方解石（膠粘結(jié)）2/3/2023Page52Cente