第三章-光無(wú)源器件

第三章光無(wú)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(kāi)關(guān)偏振控制器光調(diào)制器

概述

一個(gè)完整光纖通信系統(tǒng)不僅需要光端機(jī)，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(hào)、光信號(hào)等。無(wú)源光器件：無(wú)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(cè)器；光放大器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、光調(diào)制器光無(wú)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(kāi)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(kāi)關(guān)、波導(dǎo)調(diào)制器等。光無(wú)源器件按結(jié)構(gòu)形式分：光纖傳輸系統(tǒng)對(duì)光無(wú)源器件的要求：1.插入損耗小（除光衰減器外），對(duì)信號(hào)影響小。2.使用方便，便于操作與維護(hù)。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(dòng)連接器在結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，品種上多種多樣，但按其功能可以分成如下幾個(gè)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(chēng)為插頭。兩個(gè)插頭在插入轉(zhuǎn)換器或變換器后可以實(shí)現(xiàn)光纖（纜）之間的對(duì)接。光纜跳線（JumperCable）：將一根光纖的兩頭都裝上插頭，稱(chēng)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(chēng)插座或法蘭盤(pán)。轉(zhuǎn)換器可以連接同型號(hào)或不同型號(hào)的插頭?？梢赃B接一對(duì)或幾對(duì)或多芯插頭。變換器（Converter）：將某一型號(hào)的插頭變換成另一型號(hào)插頭的器件。裸光纖轉(zhuǎn)接器（BareFiberAdaptor）：將裸光纖與光源、探測(cè)器以及各類(lèi)光儀表進(jìn)行連接的器件。光纖（纜）活動(dòng)連接器：習(xí)慣上是指兩個(gè)連接器插頭加一個(gè)轉(zhuǎn)換器?；顒?dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件，活動(dòng)連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源器件，用于：光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間光纖線路與其他光無(wú)源器件之間的連接光纖與測(cè)試儀表之間光纖固定接頭是實(shí)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(chǎng)實(shí)施。FC/FC型活動(dòng)連接器(用于FC和FC型插頭互連)FC/FC型活動(dòng)連接器

一．單芯活動(dòng)連接器的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)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(dòng)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(dòng)連接器

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

“Adaptercables”toconnectinterfacesusingdifferentconnectorstyles

Insertionlossisdominatedbytheconnectorlosses(2mfiberhasalmostnoattenuation)

Oftenyellowsheathusedforsingle-modefiber,orangesheathformultimode二．多芯連接器的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)主要針對(duì)帶狀光纜，將多芯光纜的光纖分別卡在V型槽對(duì)應(yīng)的孔內(nèi)，就可以被固定連接起來(lái)。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?！?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(cè)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(jìn)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(guò)法蘭盤(pán)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(duì)光的衰耗進(jìn)行小范圍的光強(qiáng)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(guò)時(shí)，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?xún)A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(jiǎn)稱(chēng)光纖耦合器光纖光耦合器的功能：把一個(gè)輸入的光信號(hào)功率分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)功率組合成一個(gè)輸出。這種光耦合器與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。用途：光通信網(wǎng)絡(luò)，光通信監(jiān)測(cè)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(shí)，在3和4端口按一定比例輸出，而不返回端口2，故稱(chēng)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(hào)的耦合。先在一個(gè)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(guò)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(guò)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(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩根光纖的相對(duì)位置以得到需要的功率耦合，這樣就制成了一個(gè)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(shí)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(lái)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(jìn)入熔錐區(qū)時(shí)，隨著纖芯a的不斷變細(xì)，光纖的歸一化截止頻率V值逐漸減小，有越來(lái)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(chǎng)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(dòng)，通過(guò)很薄的包層，實(shí)現(xiàn)兩根單模光纖之間的光耦合。對(duì)于單獨(dú)的單模光纖，可以從波動(dòng)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(chǎng)型。但在光纖耦合器中，由于另一根光纖的存在，使光纖中場(chǎng)分布發(fā)生畸變，在這種情況下，精確求解場(chǎng)分布是很困難的。因此，可以用微擾法近似地進(jìn)行分析，即假設(shè)在耦合器中，每一光纖的場(chǎng)分布不受另一光纖的擾動(dòng)，耦合器系統(tǒng)總的場(chǎng)分布可以用每一根光纖原來(lái)的場(chǎng)分布的線性疊加來(lái)表示，即光纖耦合器中兩波導(dǎo)的耦合性質(zhì)就可通過(guò)線性耦合方程來(lái)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(diǎn)：該耦合器通常用作多端功率分配器。這種光耦合器與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

星形耦合器nm用2×2耦合器拼接星型、樹(shù)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(jiàn)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(gè)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(duì)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(diǎn)是它有一透光軸，對(duì)理想的偏振器，沿透光軸方向的偏振光能完全通過(guò)，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(chǎng)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(gè)端口外，其工作原理與光隔離器類(lèi)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(jī)1光接收機(jī)1光環(huán)形器光接收機(jī)2光發(fā)射機(jī)2雙向傳輸系統(tǒng)中§4光開(kāi)關(guān)

光開(kāi)關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光空間交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。光開(kāi)關(guān)在光通信中的作用有兩類(lèi)：1.將某一光纖通道的光信號(hào)切斷或開(kāi)通；2.將某波長(zhǎng)光信號(hào)由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；光開(kāi)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(zhǎng)、消光比、開(kāi)關(guān)時(shí)間等。光開(kāi)關(guān)可分為兩大類(lèi)：機(jī)械光開(kāi)關(guān)：利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖，棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。非機(jī)械光開(kāi)關(guān)：電光開(kāi)關(guān)、磁光開(kāi)關(guān)、集成光路光開(kāi)關(guān)。

一.機(jī)械光開(kāi)關(guān)圖3-16移動(dòng)光纖式光開(kāi)關(guān)

移動(dòng)反射鏡式光開(kāi)關(guān)

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

近年來(lái)正大力發(fā)展一種集成化的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開(kāi)關(guān)，在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動(dòng)的微型鏡片構(gòu)成的開(kāi)關(guān)陣列，通過(guò)靜電力使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。下圖是一個(gè)MEMS實(shí)例，它采用16個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的微型反射鏡，實(shí)現(xiàn)兩組光纖束間的4×4光互連。

MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微電子機(jī)械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。在當(dāng)前MEMS所能達(dá)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(lái)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(lái)的理論基礎(chǔ)都會(huì)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(jī)理等，因此有必要對(duì)微動(dòng)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(jìn)行深入的研究。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過(guò)系統(tǒng)的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。二.非機(jī)械光開(kāi)關(guān)1.電光開(kāi)關(guān)的原理一般是利用鐵電體、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)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(chǎng)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(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變。

電光開(kāi)關(guān)：通過(guò)對(duì)電介質(zhì)施加電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)，速率可達(dá)s級(jí)。磁光開(kāi)關(guān)：利用某些旋磁材料在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生旋光性，使材料的光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)。集成光路光開(kāi)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(shí)現(xiàn)，是未來(lái)光纖通信最有希望的光開(kāi)關(guān)。2.偏振強(qiáng)度調(diào)制型光開(kāi)關(guān)

3.熱光開(kāi)關(guān)圖3-18M-Z干涉型熱光開(kāi)關(guān)

數(shù)字熱光開(kāi)關(guān)（a）X型（開(kāi)關(guān)）

(b)Y型（開(kāi)關(guān)）固體光開(kāi)關(guān)優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度快，易于集成缺點(diǎn)：插入損耗大，串音大。機(jī)械光開(kāi)關(guān)優(yōu)點(diǎn)：插入損耗小，串音小。缺點(diǎn)：開(kāi)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(hào)進(jìn)行交換。主要的功能元件是空間光開(kāi)關(guān)。2.時(shí)分光交換在時(shí)間軸上將復(fù)用的光信號(hào)的時(shí)間位置從t1轉(zhuǎn)換成另一時(shí)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(hào)中任一波長(zhǎng)1變換成另一波長(zhǎng)2

。主要的功能元件是波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。1.空分光交換2×2光開(kāi)關(guān)4個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)構(gòu)成基本的光纖型光開(kāi)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(mén)型，機(jī)械型，熱光開(kāi)關(guān)等實(shí)現(xiàn)方案。LiNbO3的方向耦合器構(gòu)成1×2光開(kāi)關(guān)2.時(shí)分光交換目前的光時(shí)隙交換器都是由空間光開(kāi)關(guān)和一組光纖延遲線構(gòu)成。光纖延遲線以光信號(hào)在其中傳輸一個(gè)時(shí)隙時(shí)間經(jīng)歷的長(zhǎng)度為單位，光信號(hào)需要延時(shí)幾個(gè)時(shí)隙，就讓它經(jīng)過(guò)幾個(gè)單位長(zhǎng)度的光纖延遲線。123T光開(kāi)關(guān)光開(kāi)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(lèi)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(shí)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(gè)相位波片PP1和PP2構(gòu)成。

PPl是λ／4光延遲器（或稱(chēng)波片），PP2是λ／2波片。

通過(guò)改變延遲量或主軸的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振控制，有時(shí)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(guò)偏振控制器PP1變?yōu)橹付ǚ较颍ㄈ鏨方向）線偏振光。

λ／4