光纖通信六無源器件

第八節(jié)無源器件

光無源器件是能量消耗型光學(xué)器件。種類繁多，功能各異。是一類實用性很強的不可缺少的器件。

耦合器、濾波器、隔離器、衰減器、光開關(guān)和連接器。

作用:

連接光路，控制光的傳輸方向，控制光功率的分配，控制光波導(dǎo)之間、器件之間以及光波導(dǎo)與器件之間的光耦合、合波、分波。一、耦合器

1.耦合器類型

耦合器是對光信號實現(xiàn)分路、合路和分配的無源器件，是波分復(fù)用、光纖局域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)以及某些測量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。光纖耦合器有熔錐型，研磨型。還可用集成光波導(dǎo)制作耦合器。

(b)4端口耦合器4312分路器合路器(a)3端口耦合器(c)星形耦合器NMλ1λ1＋λ2λ2λ1＋λ2(d)3波分復(fù)用器λ2λ1二、濾波器

濾波器是一種波長選擇器件。特別在WDM光纖網(wǎng)絡(luò)中每個接收機都必須選擇所需要的信道，濾波器成為必不可少的部分。

濾波器分成固定濾波器和可調(diào)諧濾波器兩大類。前者是允許一個確定波長的信號光通過，而后者是可以在一定光帶寬范圍內(nèi)動態(tài)地選擇波長。

(a)固定波長濾波器 (b)可調(diào)諧波段

光濾波器λk(固定)光濾波器λi(可調(diào))λ1，λ2，…λnΔλλ1λ2λn光纖F-P濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

光纖壓電陶瓷壓電陶瓷光纖反射鏡支架三、隔離器

隔離器是一種只允許光單方向傳輸?shù)钠骷?。光纖通信系統(tǒng)中的很多光器件如激光器，光放大器對來自連接器，熔接點，濾波器的反射光非常敏感，反射光將導(dǎo)致它們的性能惡化，例如半導(dǎo)體激光器的線寬受反射光的影響會展寬或壓縮，甚至可達幾個數(shù)量級。因此要在靠近這種光器件的輸出端放置隔離器，阻止反射光的影響。

隔離器由三個功能部件組成，輸入偏振器（起偏器），法拉第旋轉(zhuǎn)器和輸出偏振器（檢偏器）。輸入和輸出偏振器的作用是將光變成固定偏振方向的線偏振光。法拉第旋轉(zhuǎn)器是使入射光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化，旋轉(zhuǎn)的角度由下式?jīng)Q定：

式中L是法拉第旋轉(zhuǎn)器的長度，H是法拉第旋轉(zhuǎn)器沿光束傳播上所加的磁場強度，單位為A/m（安培/米，對石英光纖，（弧度/安培）。

輸出偏振器450入射光（非偏振光）H輸入偏振器法拉第旋轉(zhuǎn)器出射光（偏振光）反射光（非偏振光）隔離器的工作原理四、環(huán)形器

環(huán)形器有3、4和6端口之分，它是只允許某端口的入射光從確定端口輸出的器件，對于3端口環(huán)形器，端口1的輸入光信號只能從端口2輸出，而端口2的輸入光信號只能從端口3輸出。環(huán)形器的主要功能部件為雙折射分離元件、法拉第旋轉(zhuǎn)器和相位旋轉(zhuǎn)器。雙折射分離元件不僅能使入射光分離成相互正交的偏振光，而且兩者具有一定的分裂度，即在空間上可以分離開來。環(huán)形器的工作原理（a）反射棱鏡①雙折射率分離元件②1232偏振分束立方體透鏡法拉第旋轉(zhuǎn)器相位旋轉(zhuǎn)器（b）五、衰減器

衰減器的功能是對光功率進行預(yù)定量的衰減。在光纖通信系統(tǒng)中，許多場合都需要減少光信號的功率。例如，光接收機必須將輸入功率控制在接收機的動態(tài)范圍內(nèi)，防止其飽和；光放大器前的不同信道輸入功率間的平衡，防止某個或某些信道的輸入功率過大，引起光放大器增益飽和等。另外，在光系統(tǒng)的評估、研究和調(diào)整、校正等方面也大量使用衰減器。

1.耦合型

它是通過輸入、輸出兩根光纖纖芯的偏移來改變光耦合的大小，從而達到改變衰減量的目的。有橫向位移動型和軸向位移兩種，衰減器與位移、橫場直徑、纖態(tài)和兩端面介質(zhì)的折射率等因素有關(guān)。

2.反射型

通過改變反射鏡的角度，控制透射光的大小。衰減器可分成固定式、步進可變式和連續(xù)可變式三種類型。固定衰減器引入一個預(yù)定的損耗，例如5dB，10dB等。步進衰減器常表示成諸如10dB×5的形式，也即5步進式的，每步為10dB。連續(xù)可變式是指衰減量在一個范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，如0~60dB。

根據(jù)使用場合的不同，又可將衰減器分為在線型衰減器、適配器型固定衰減器、插頭式衰減器、光纖端口終止器等。

技術(shù)參數(shù)主要有中心波長、帶寬、衰減器、衰減精度、最小回波損耗、最大偏振靈敏度等，其中的衰減精度是指能被精細調(diào)節(jié)衰減的準確性。

六、連接器

光纖的連接常采用兩種辦法，一種是要求兩根光纖（纜）的連接固定、永久。在光纜施工中，因為一盤光纜的長度一般在2km以內(nèi)，所以兩根光纜的接續(xù)要采用熔接機將它們?nèi)廴谙噙B。另一種是光纖與光發(fā)射機（附帶尾纖）、光接收機或儀表之間的連接，或者是與另一根光纖暫時性的連接，就要用到連接器。連接器是易出故障的器件，也是用途最廣泛的無源器件，我們有必要對其結(jié)構(gòu)性能等有所了解。

1．連接器結(jié)構(gòu)

連接器的基本功能部件有：插針件，閉鎖裝置，后殼，壓接套管和保護套，圖（a）是一與光接收機相連的連接器示意圖。

3．連接器型號和參數(shù)

常用的連接器型號有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型

分子部分表示外部加強件的材料、固定方式：FC是金屬套筒，卡口螺旋式；SC是插拔式，外殼為矩形；ST是彈簧帶鎖卡口結(jié)構(gòu)。

分母部分表示內(nèi)部光纖端面的處理形式：PC是端面做成凸球面形，APC是端面處理成斜面。APC連接器端面的傾斜面為80，這是為了保證光傳輸?shù)絻晒饫w端面產(chǎn)生部分反射時，反射光不致反射傳播回去，而是近距離消失。因為標準單模光纖的數(shù)值孔徑是0.13，這相當于7.50（NA=sinθ0），所以80的傾斜角使反射光角度大于接收角。

除了單芯活動連接器外，已經(jīng)有大量雙芯和多芯連接器問世，它們在光纖用戶接入網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

連接器的規(guī)格型號繁多，各種型號的連接器都有自己的特點和用途。例如FC/PC型接連器，插入損耗小，適用于長距離干線網(wǎng)。APC型連接器回波段損耗大，可用于高速率數(shù)字系統(tǒng)或模數(shù)視頻系統(tǒng)。

光纖光柵光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性調(diào)制的一種光纖無源器件。其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。光纖光柵折射率沿其軸向分布可表示為式中為n0光纖纖芯折射率，為光纖纖芯折射率變化幅值(也稱為折變量)，ν為折射率變化的條紋可見度，Λ為光柵折射率變化的周期。光纖光柵分類1、按周期分類：Bragg光柵：折射率變化的周期一般為量級；長周期光柵：折射率變化的周期一般為量級。2、按周期均勻性分類：

均勻光纖光柵：纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期均沿光纖軸向保持不變的光纖光柵；非均勻光纖光柵：纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向變化的光纖光柵，如啁啾光纖光柵、相移光纖光柵和切趾光纖光柵等。光纖光柵的工作原理Bragg光柵按照耦合模理論，在光纖光柵中兩個傳輸模要發(fā)生耦合，必須滿足下列相位匹配條件

正向傳輸導(dǎo)模耦合到反向傳輸導(dǎo)模，形成窄帶反射，峰值反射波長（Bragg波長）和反射率為圖1.5均勻光纖光柵結(jié)構(gòu)

圖1.6均勻光纖光柵反射譜

長周期光柵

在Bragg光纖光柵中，前向傳輸?shù)哪Ｅc后向傳輸?shù)哪Ｏ囫詈?，因此，在這種情況下，值較大，因此就要求光柵周期較小。在長周期光纖光柵中，前向傳輸?shù)哪Ｅc前向傳輸?shù)牡趎階包層模相耦合，值較小，因此光柵周期較大。正向傳輸導(dǎo)模耦合到正向傳輸包層模，形成窄帶反射，推導(dǎo)得峰值透射波長為在一個給定的頻率時的正向?qū)？神詈系蕉嚯A包層模中。因此，典型的長周期光纖光柵具有一系列的分立吸收帶，每一個吸收帶對應(yīng)于導(dǎo)模到一個包層模的耦合。

長周期光纖光柵結(jié)構(gòu)長周期光纖光柵透射譜3）相位掩模法相位掩模板（PhaseMask）是衍射光學(xué)元件，是一個在石英襯底上刻制的相位光柵，它可以用全息曝光或電子束蝕刻結(jié)合反應(yīng)離子束蝕刻技術(shù)制作。它具有抑制零級，增強一級衍射的功能。用以將入射光束分為+1級和-1級衍射光束，它們的光功率電平相等，兩束激光相干涉并形成明暗相間條紋，在相應(yīng)的光強作用下纖芯折射率受到調(diào)制。

Bragg光柵寫入周期為掩模周期PM一半的。這種成柵方法不依賴于入射光波長，只與相位掩模的周期有關(guān)。因此，對光源的相干性要求不高，簡化了光纖光柵的制造系統(tǒng)。主要缺點是不同Bragg波長要求不同的相位掩模板，并且，掩模板的價錢較貴。長周期光纖光柵制作１）UV曝光振幅掩模法２）殘余應(yīng)力釋放３）掃描法光纖光柵應(yīng)用光纖激光器光纖放大器色散補償器波分復(fù)用/解復(fù)用器光纖傳感器（1）光纖激光器

基于光波分復(fù)用（WDM）的全光通信網(wǎng)（AON）中，光纖復(fù)用的路數(shù)將大大提高。而半導(dǎo)體激光器的波長較難符合ITU-T建議的WDM波長標準要求，相反利用光纖光柵做成的激光器則能非常準確地控制波長，且制作成本低。

分布布拉格反射（DBR）光纖光柵激光器，利用一段稀土摻鉺光纖（EDF）和一對均勻光纖光柵（Bragg波長相同）構(gòu)成諧振腔；另一種是分布反饋（DFB）光纖光柵激光器，利用直接在稀土摻雜光纖（如EDF）寫入的均勻光柵構(gòu)成諧振腔。

優(yōu)點：激光出射波長線寬極窄、可調(diào)諧；具有波導(dǎo)式光纖結(jié)構(gòu)，與標準通信光纖兼容性好；高頻調(diào)制下頻率啁啾效應(yīng)?。豢闺姶鸥蓴_；溫度膨脹系數(shù)較半導(dǎo)體激光器?。怀杀镜偷?。

（2）EDFA增益譜平坦光纖通信向長距離和高速率方向發(fā)展的兩個主要因素是損耗和色散，其中的損耗問題自從摻鉺光纖放大器（EDFA）產(chǎn)生后已得到解決。然而摻鉺光纖放大器具有增益不平坦性。利用閃耀光纖光柵的透射譜特性可以抑制光纖放大器的增益峰，從而使引入閃耀光纖光柵后的光纖放大器增益譜平坦化。

（3）色散補償器

在啁啾（Chirp）光纖光柵不同反射點有不同的反射波長，我們讓紅移分量在光柵前端反射，而讓藍移分量在光柵末端反射，即藍移分量比紅移分量多走2L的距離。由于色散在光脈沖中紅藍移分量之間產(chǎn)生的距離差，經(jīng)過光柵后，滯后的紅移分量便會趕上藍移分量，這樣就消除了色散效應(yīng)。目前光纖光柵作為色散補償已經(jīng)達到實用階段。

（4）光分插復(fù)用器（OADM）

光分插復(fù)用器實際是合波器與分波器的組合。光分插復(fù)用器作為全光網(wǎng)中的重要器件，其功能是從分波器中有選擇的取下幾路通過本地的光信號，其余路波長直通合波器，另外可以有幾路本地波長信號輸入，與直通的信號復(fù)合在一起輸出（Add）。也就是說OADM在光域內(nèi)實現(xiàn)了傳統(tǒng)的SDH設(shè)備中電的分插復(fù)用器在時域中的功能。

(5)光終端復(fù)接器(OTM)光終端復(fù)接器(OTM)的作用是將終端用戶光波長復(fù)用進系統(tǒng)中，或在終端從系統(tǒng)中解出用戶需要的波長。光終端復(fù)接器是基于WDM全光網(wǎng)系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備。其核心部件就是復(fù)用/解復(fù)用器(分波/合波器)。它可以實現(xiàn)在一