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(gè)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(dòng))連接的器件；對(duì)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。對(duì)連接器的要求連接損耗(插入損耗)小；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(shí)，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(gè)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。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(duì)中三部分。光纖插針的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC,AngledPhysicalContact)。對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)連接器的類型，通常有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型等。表3.1.1各種單模光纖活動(dòng)連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)接頭接頭是把兩個(gè)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(duì)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(jià)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(duì)中；用高壓電弧加熱把兩個(gè)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(shí)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(dòng)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(duì)中的程度完全取決于光纖外徑公差和機(jī)械夾具對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)中，用高壓電弧加熱熔合在一起耦合器耦合器的功能是把一個(gè)或多個(gè)光輸入分配給多個(gè)或一個(gè)光輸出。耦合器對(duì)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2×2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NN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)NN星形耦合器可以由幾個(gè)22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(hào)混合在一起，并近似相等地分配給每個(gè)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(gè)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NN星形耦合器，利用這種技術(shù)已制成用于1.55m波段的6464和144144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(hào)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(hào)的交換。對(duì)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、回波損耗小、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)波導(dǎo)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(shí)間較長（幾十毫秒到毫秒量級(jí)）；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(dòng)或旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對(duì)輸入光信號(hào)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140m150m，驅(qū)動(dòng)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(duì)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)和波導(dǎo)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(dòng)的自由移動(dòng)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)256256的光交叉連接（交換能力10萬億比特/s），是世界上第一個(gè)10G全光交叉連接系統(tǒng)；2001年已達(dá)到10241024；它可以運(yùn)行在任何光層速率，包括40Gb/s以及更高的速率。波導(dǎo)開關(guān)開關(guān)時(shí)間短（毫秒到亞毫秒量級(jí)）；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11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(duì)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(duì)光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和磁場低和價(jià)格便宜。3.4光隔離器隔離器

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(shí)，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，因此不會(huì)使入射光受到影響，等于把入射光和反射光相互隔離開來。

光隔離器光環(huán)行器用途和原理光環(huán)行器除了有多個(gè)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；方向性一般大于50dB。端口1輸入的光信號(hào)只有在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)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(hào)只會(huì)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(hào)，方向性一般大于50dB。3.5光環(huán)行器---用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)3.6

波分復(fù)用/解復(fù)用器件波分復(fù)用器(WDM)的功能是把多個(gè)不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)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。棱鏡對(duì)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(shí)，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。衍射光柵解復(fù)用器輸入的多波長復(fù)合信號(hào)聚焦在反射光柵上；光柵對(duì)不同波長光的衍射角不一樣，從而把復(fù)合信號(hào)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。介質(zhì)薄膜干涉濾波器解復(fù)用器介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器利用光的干涉效應(yīng)選擇波長。連續(xù)反射光在前表面相長干涉復(fù)合，在一定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，就使一些波長的光通過，而另一些波長的光透射。多層電介質(zhì)鏡工作原理所有從前后相挨的兩個(gè)界面上反射的波都具有相長干涉的特性(相位差為180度)，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。圖3.4.7用介質(zhì)薄膜濾波器

構(gòu)成典型的解復(fù)用器

布拉格光柵

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(duì)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。光纖光柵帶通濾波器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(gè)22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。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(gè)波分復(fù)用/解復(fù)用對(duì)。右圖表示固定波長光分插復(fù)用器。可編程分插復(fù)用器可編程分插復(fù)用器通過對(duì)光纖光柵調(diào)諧取出所需要的波長，而讓其它波長信道通過；所以這樣的分插復(fù)用器稱為分插濾波器。光交叉連接(OXC)光交叉連接(OXC)具有傳輸速率高、容量大、抗干擾能力強(qiáng)和對(duì)速率、信號(hào)格式透明等優(yōu)點(diǎn)，是最有前途的下一代交換設(shè)備的基礎(chǔ)。右圖表示具有M個(gè)端口的OXC，每個(gè)端口接收N個(gè)波長的WDM信號(hào)，解復(fù)用器后分配每個(gè)波長到相應(yīng)的空分交換矩陣，每個(gè)交換矩陣的輸入信號(hào)的波長都相同，并有一個(gè)額外的輸入和輸出口，容許插入和分出信道。交換后再將它們的輸出信號(hào)送到M個(gè)復(fù)用器，以便構(gòu)成WDM信號(hào)?？偨Y(jié)總結(jié)

3.光開關(guān)的作用是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的切換。光開關(guān)可以分為兩大類:一類是利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖或透鏡來實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換的機(jī)械式光開關(guān)。近來出現(xiàn)的微機(jī)械光開關(guān)，采用機(jī)械光開關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅基底上，所以很有發(fā)展前途。另一類光開關(guān)是利用固體物理效應(yīng)(如電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng))的固