《光纖通信》-第3講無(wú)源光器件剖析

第三講無(wú)源光器件8/16/20241主要內(nèi)容一、光纖的連接與光纖連接器☆二、光纖分路器及耦合器三、光合波器、光分波器四、光隔離器☆五、光開(kāi)關(guān)六、光可變衰減器七、光纖光柵八、光鎖相環(huán)與非線(xiàn)性光環(huán)鏡NLOM8/16/20242概述

構(gòu)成一個(gè)完整的光纖傳輸系統(tǒng)，除了光源、光檢測(cè)器及光纖外，還需要眾多的無(wú)源光器件，如連接器、衰減器、隔離器、濾波器、分路器、復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)和調(diào)制器等。它們?cè)谙到y(tǒng)中各起著光學(xué)連接、光功率分配、光波分復(fù)用、光信道切換及光信息的衰減、隔離和調(diào)制等。由此看來(lái)，無(wú)源光器件在光纖通信系統(tǒng)中起著重要的作用。本講僅介紹幾種常用的無(wú)源光器件的原理及性能。8/16/20243一、光纖的連接與光纖連接器光纖連接器

fiberopticconnector

又稱(chēng)光纖活動(dòng)連接器，俗稱(chēng)活動(dòng)接頭，用于設(shè)備與光纖之間的連接。光纖連接器的作用是將需要連接起來(lái)的單根或多根光纖芯線(xiàn)的斷面對(duì)準(zhǔn)、貼緊，并能多次使用。

光纖連接器在工藝上應(yīng)滿(mǎn)足的條件：

1）連接損耗要小于0.5dB；

2）裝、拆方便，重復(fù)性好；

3）體積小，成本低等。光纖連接器軸心偏離、有夾角會(huì)引起大的損耗。

8/16/20244

光纖與光纖的連接有兩種形式，一種是永久性連接，另一種是活動(dòng)連接。永久性連接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。光纖連接器的基本構(gòu)成由三個(gè)部分組成的：兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管。兩個(gè)插頭裝進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。如圖所示。8/16/20245

光纖很細(xì)，單模光纖的纖芯直徑要在10um以下，因此熔接必須使用機(jī)器才行。良好的接續(xù)是指在接續(xù)點(diǎn)上沒(méi)有光傳輸?shù)牟贿B續(xù)現(xiàn)象。下圖中示出了纖芯不連續(xù)的幾種典型狀態(tài)，有軸錯(cuò)位、纖芯傾斜、空隙、端面傾斜和纖芯直徑及折射率的微小差異等等。由于這些不連續(xù)性，也會(huì)造成光功率的一部分變成散射損耗，或以反射波形式返回發(fā)送端。有空隙時(shí)，因玻璃纖維和空氣折射率的差異，也會(huì)引起反射，此現(xiàn)象又稱(chēng)菲涅耳（Fresnel）反射。8/16/20246接續(xù)點(diǎn)上的不連續(xù)現(xiàn)象8/16/20247

由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式計(jì)算。設(shè)玻璃的折射率為n1時(shí)，光功率的反射系數(shù)可用下式求出：

r=[(n1-n2)/(n1+n2)]2

例如:當(dāng)n1

＝1.45，n2

＝1，r＝3.4%時(shí)，即有14.7dB的反射損耗。在單模光纖連時(shí)接，除要求纖徑一致之外，更重要的是要求在實(shí)質(zhì)上代表分布寬度的模場(chǎng)直徑（MFD：ModeFieldDiameter）一致。目前工程中多采用高精度自動(dòng)熔接機(jī)，光纖端面切割好后，光纖間的對(duì)準(zhǔn)、調(diào)整、熔接及損耗測(cè)量等步驟都在微處理機(jī)的控制下自動(dòng)完成，熔接質(zhì)量很好，接頭附加損耗可控制在0.1dB以下。8/16/20248

使用連接器進(jìn)行光纖接續(xù)，由于菲涅耳反射等原因，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生不良影響。為了防止菲涅耳反射，設(shè)法把反射光的入射角余角調(diào)整到大于臨界角余角，使反射光進(jìn)入包層并最終泄漏出去。為此把連接器的管芯端面按8°進(jìn)行傾斜研磨，就可以實(shí)現(xiàn)。另外一種方法就是去掉連接之間的間隙。為此使管芯端面間處于緊貼而不留一絲隙縫。通常把這種連接器叫做PC(PhysicalContact)型連接器。實(shí)際使用的PC型連接器如圖所示，把套管端面研磨成球面。PC接續(xù)的反射很小，它的反射損耗可達(dá)25dB以上。如果經(jīng)過(guò)精密加工研磨，就可將反射損耗指標(biāo)提高到40dB以上。8/16/20249

光纖連接器又分為多模連接器和單模連接器。多模連接器用于多模光纖系統(tǒng)，它有U型環(huán)路連接器、插座式連接器、現(xiàn)場(chǎng)裝配連接器（FA）以及C型連接器等，它們的損耗在0.4-0.5dB以下。單模光纖連接器有PC型（直接接觸型）、FC型（平面對(duì)接型）、SC型（矩形）、ST型等幾種。8/16/202410

FC型(平面對(duì)接型)連接器是由連接插頭、插座組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它主要使用在光纜線(xiàn)路與傳輸設(shè)備間的連接，可以方便地進(jìn)行光路的調(diào)整或線(xiàn)路的測(cè)試。連接器具有很高的精度。8/16/202411

SF型連接器是室外用連接器，具有防水功能和良好的溫度特性。由于使用了塑料套管，其價(jià)格便宜，可以和FC型連接器進(jìn)行互換。MF型連接器用于隧（通）道里敷設(shè)光纜的纜間接續(xù)中，可以對(duì)帶狀5芯光纖進(jìn)行一次性連接，由于體積小，可以裝在標(biāo)準(zhǔn)接頭盒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)光纖的高密度接續(xù)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。8/16/202412二、光纖分路器及耦合器

圖表示了波導(dǎo)型分支器的結(jié)構(gòu)。它是一種Y型分支，一根芯線(xiàn)一端輸入的光可用它加以等分。當(dāng)分支器分支路的開(kāi)角增大時(shí),向包層中泄露的光將增多以致增加了過(guò)剩損耗。開(kāi)角一般在1°～2°左右，因此分支器的長(zhǎng)度不可能太短。8/16/202413光纖耦合器

fiberopticcoupler

將不同方向的光信號(hào)耦合送入一根光纖中傳輸，或者相反。結(jié)構(gòu)：

棱鏡耦合式光纖耦合式Port1Port4Port3Port28/16/202414

2x2定向耦合器及l(fā)xN、NxN星形耦合器大多數(shù)采用熔融漸變雙錐的制造方法，即將多根裸光纖絞合在一起，火焰加熱到軟化溫度后適當(dāng)拉伸，在熔融區(qū)形成漸變雙錐結(jié)構(gòu)。圖b是X型2×2定向耦合器。8/16/202415圖c為8路傳輸型星型耦合器圖d為8路反射型星型耦合器8/16/202416

光纖耦合器的指標(biāo)有插入損耗、分光比與隔離度（或方向性）等。例如2x2定向耦合器插入損耗為：

L1,2=10lg(P1,2/(P3+P4))(dB)

式中，P1,2

為從輸入端1或2輸入的光功率，P3,P4

為輸出端3、4的輸出功率。定向耦合器的分光比為輸出端的功率分配比，即

§=P3/P4

隔離度反映定向耦合器反向散射信號(hào)的大小。當(dāng)從1端注入光功率，3、4端輸出功率時(shí)，2端對(duì)1端的隔離度定義為：

I=10lg((P3+P4)/P2))(dB)

光纖定向耦合器的插入損耗為0.2～1dB,分光比1％～99％（根據(jù)需要)，隔離度可大于65dB。8/16/202417

星形耦合器的插入損耗為從輸入端口把光功率耦合到所有輸出口的光功率損耗，即

Lin=10lg[∑Pj/Pi]j=1….N

式中Pj為從各端口輸出的功率，Pi為從某個(gè)輸入端上輸入的功率。對(duì)傳輸型耦合器，N為輸出端數(shù)；對(duì)于反射型耦合器，N為輸入端數(shù)與輸出端數(shù)之和。進(jìn)入星形耦合器的光功率分配是等分到N個(gè)輸出端口，即任一個(gè)輸出端口得到的光等于各個(gè)輸出端口輸出的功率和的1／N，它稱(chēng)為功率分配系數(shù)。另外，可用多個(gè)2×2定向耦合器來(lái)構(gòu)成N×N的星形耦合器。8/16/202418三、光合波器、光分波器

光合波器和光分波器是用于波分復(fù)用等傳輸方式中的無(wú)源光器件。可將不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)合并在一起耦合到一根光纖中傳輸，或者反過(guò)來(lái)說(shuō)，將從一根光纖傳輸來(lái)的不同波長(zhǎng)的復(fù)合光信號(hào)，按不同光波長(zhǎng)分開(kāi)。前者稱(chēng)為合波器，后者稱(chēng)為光分波器。如下圖所示，可分為棱鏡型，多層電介質(zhì)干涉膜（干涉膜濾波器）型以及衍射光柵型等幾種類(lèi)型。

8/16/202419光合波器和光分波器的類(lèi)型

8/16/202420

1，

2

2

1直通臂耦合臂

12P0

P1P2熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2公共臂8/16/202421衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光纖透鏡光柵

1

2

3

1

2

3

1+2+3

1+2+3

1+2+3

1

2

38/16/202422采用棒透鏡的光柵型WDM光纖棒透鏡光柵

1+2+3

1

2

3

1+2+3

1

2

38/16/202423

圖中給出了一種利用多層膜制成的濾光器，這是一種波導(dǎo)型分波濾光器。其結(jié)構(gòu)是一直線(xiàn)形單模波導(dǎo)的中間開(kāi)一斜槽，且在其中插入一多層膜濾光器。當(dāng)1.55um的光進(jìn)入時(shí)可通過(guò)該濾光器繼續(xù)前進(jìn)，而當(dāng)1.3um的光進(jìn)入時(shí)則被該濾光器反射，沿另一斜置的多模波導(dǎo)被分離出來(lái)。這種結(jié)構(gòu)可用來(lái)作為分波器，但若反向使用時(shí)卻不能做合波器用，這是因?yàn)槎嗄Ｒ粋?cè)損耗大的緣故。8/16/202424

多層電介質(zhì)干涉膜型合波分波器，是把具有接近λ/2或者λ/4光學(xué)厚度的高折射率電介質(zhì)膜和低折射率電介質(zhì)膜交替重塑形成薄膜，于是對(duì)于特定波長(zhǎng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的選擇性。這種波長(zhǎng)選擇性主要依賴(lài)于電介質(zhì)膜的層數(shù)、膜的厚度、膜的材料等。8/16/202425

采用電子射束蒸鍍方法，可將SiO2（低折射率材料，n=1.46）和TiO2（高折射率材料，n＝2.3）積層20～40層，實(shí)現(xiàn)帶通濾波器（BPF）、長(zhǎng)波長(zhǎng)帶通濾波器（LWPF）、短波長(zhǎng)帶通濾波器(SWPF)等各種濾波特性。這種帶通濾波器的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖所示。8/16/202426四、光隔離器

半導(dǎo)體激光器及光放大器等對(duì)來(lái)自連接器、熔接點(diǎn)、濾波器等的反射光非常敏感，并導(dǎo)致性能惡化。因此需要用光隔離器阻止反射光。光隔離器是一種只允許單向光通過(guò)的無(wú)源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋轉(zhuǎn)的非互易性。偏振器:一種光學(xué)器件，偏振器中有一透光軸，其輸出光為某一種形式的偏振光。當(dāng)光的偏振方向與透光軸水平時(shí)，則光全部通過(guò)；垂直時(shí)，則光全部隔離。8/16/202427隔離器工作原理如下圖所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個(gè)偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過(guò)第一個(gè)偏振器。緊接第一個(gè)偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無(wú)關(guān)?；貞浺幌拢汗馄?極化)

單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場(chǎng)矢量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱(chēng)為水平模和垂直模。

8/16/202428偏振器法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光SOP隔離器工作原理8/16/202429

法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器，這個(gè)偏振器的透振方向在45°方向上，因此經(jīng)過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能夠順利地通過(guò)第二個(gè)偏振器，也就是說(shuō)光信號(hào)從左到右通過(guò)這些器件(即正方向傳輸)是沒(méi)有損耗的(插入損耗除外)。

另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)，反射光的偏振態(tài)也在45°方向上，當(dāng)反射光通過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，此時(shí)就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過(guò)左面偏振器(第一個(gè)偏振器)，于是就達(dá)到隔離效果。然而在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時(shí)間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如下圖所示。8/16/202430一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器

光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b)8/16/202431

具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過(guò)一個(gè)空間分離偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。

這個(gè)SWP的作用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量直線(xiàn)通過(guò)，水平分量偏折通過(guò)。

這個(gè)半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆猓粗嗳?。最后兩個(gè)分量的光在輸出端由另一個(gè)SWP合在一起輸出。

兩個(gè)分量都要通過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45°。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片(λ/2plate或halfwaveplate)。8/16/202432

另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過(guò)這兩個(gè)器件時(shí)，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖所示，于是就起到隔離作用。

環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類(lèi)似。如圖所示，典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)由端口1輸出。

光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。8/16/202433

光環(huán)行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)13248/16/202434五、光開(kāi)關(guān)

光開(kāi)關(guān)在光纖通信技術(shù)中作光路切換之用，如為了提高系統(tǒng)可靠性用于主開(kāi)關(guān)切換等。光開(kāi)關(guān)大體可分為兩種:

一種是以機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)光纖和棱鏡等光學(xué)器件進(jìn)行光路的轉(zhuǎn)換；

一種是利用光電效應(yīng)和聲光效應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)換電路，而沒(méi)有機(jī)械動(dòng)作。前者為機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，后者為電子式光開(kāi)關(guān)。二者相比，目前機(jī)械式光開(kāi)關(guān)的光路轉(zhuǎn)移速度慢，但因它具有較低的主損耗和較低的串光量?jī)?yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到應(yīng)用。一般損耗典型值為0.5dB，最大1.2dB，隔離度可達(dá)80dB，響應(yīng)速度約為15ms，其結(jié)構(gòu)原理示意圖如下圖所示。8/16/202435微電機(jī)械光開(kāi)關(guān)MEMS

近來(lái)由于微電機(jī)械系統(tǒng)即MEMS的出現(xiàn)，使得機(jī)械開(kāi)關(guān)備受人們的重視。MEMS采用了毫微米技術(shù)的工藝,可以像半導(dǎo)體工藝一樣在一個(gè)基片上制造出很微小的機(jī)械，如傳動(dòng)齒輪裝置、步進(jìn)電機(jī)、高度拋光的金平板（反射鏡）、螺桿等。這樣的微機(jī)械可以與電的傳動(dòng)機(jī)械相連安排在光路上，來(lái)控制反射鏡使其運(yùn)動(dòng)，從而改變光的方向。MEMS技術(shù)已發(fā)展到能在同一個(gè)芯片上集成按陣列排放的許多反射鏡，有望獲得低損耗連接、小型化設(shè)計(jì)及大的互連矩陣。下圖給出了一個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)的原理，和相應(yīng)的實(shí)例8/16/202436微機(jī)械反射鏡開(kāi)關(guān)MMS(a)MEMS開(kāi)關(guān)的原理；(b)實(shí)例8/16/202437

波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)采用LiNbO3或GaAs等半導(dǎo)體材料為襯底，制造兩條（或多條）條形光波導(dǎo)，形成定向耦合器，通過(guò)電極上的調(diào)制電壓控制兩個(gè)輸出臂間的光功率通斷。波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速率高，可達(dá)幾個(gè)GHz以上，開(kāi)關(guān)電壓5V～10V，但插入損耗相對(duì)較大，可達(dá)幾dB（分貝）。8/16/202438六、光可變衰減器

光可變衰減器是對(duì)光功率有一定衰減量的器件。為了衰減光的強(qiáng)度，一般采用使一部分光功率被物質(zhì)吸收的方法。這可以在玻璃基片上蒸鍍透射系數(shù)（和反射系數(shù)）變化很小的金屬膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。金屬薄膜使用鎳（Ni）、鉻（Cr）等化合物材料，光的衰減量大小可由薄膜的厚度進(jìn)行控制。光可變衰減器可以分為：能改變光衰減量而尺寸比較大的可變衰減器和衰減量為一定值的固定衰減器兩種。光可變衰減器用在測(cè)定光接收機(jī)靈敏度時(shí)，把它置于光接收機(jī)的輸入端，用來(lái)調(diào)整接收機(jī)光電平的大小。8/16/202439

此外，可變衰減器也可以作為一個(gè)器件在光學(xué)測(cè)量中使用，下圖示出了光衰減器的基本構(gòu)成。對(duì)應(yīng)于衰減元件A的旋轉(zhuǎn)角，通過(guò)連續(xù)改變蒸鍍薄膜的厚度，實(shí)現(xiàn)衰減量的連續(xù)調(diào)整。衰減元件B對(duì)于入射的光束而言是按傾斜狀態(tài)設(shè)計(jì)的，這樣可以防止反射光返回與光衰減器相連接的光纖中。8/16/202440

固定衰減器主要用于調(diào)整光纖傳輸線(xiàn)路的光損耗。因?yàn)樵诠饨邮斩?，如果光功率過(guò)大，可能會(huì)燒壞光電檢測(cè)器件，或使其飽和。在光接收機(jī)輸入端用固定衰減器給出一定的衰減量．以確保接收光功率大小在合適的范圍以?xún)?nèi)。8/16/202441WG光可變衰減器產(chǎn)品名稱(chēng):光衰減器型號(hào):OLA-15生產(chǎn)廠(chǎng)家:WG產(chǎn)地:德國(guó)適用范圍:郵電工程與維護(hù)CATV工程與維護(hù)綜合布線(xiàn)系統(tǒng)其它光纖工程8/16/202442產(chǎn)品主要特點(diǎn)1.可對(duì)1310nm和1550nm單模衰減.2.可提供良好的回波抑制.3.衰減范圍寬,顯示精確.4.低插入損耗,使測(cè)試更精確.5.防水防振,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固.6.全數(shù)字顯示,方便直觀(guān).8/16/202443技術(shù)指標(biāo)波長(zhǎng)范圍:1260nm--1600nm光纖類(lèi)型:9/125um衰減范圍:3--60dB插入損耗:<3dB反射損耗:>40dB電池時(shí)間:45小時(shí)光接頭:可選8/16/202444七光

纖

光

柵

光纖光柵由一段折射率沿其長(zhǎng)度周期性變化的光纖構(gòu)成。利用摻鍺石英光纖受到240nm附近紫外光照射時(shí)纖芯折射率會(huì)增大這一現(xiàn)象，將光纖沿中心軸線(xiàn)切開(kāi)，從光纖切面照射呈空間周期性變化的紫外光，纖芯部位就會(huì)出現(xiàn)周期性折射率變化，這就形成了光柵(FG)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。8/16/202445光纖光柵的結(jié)構(gòu)圖8/16/202446

光纖光柵(FG)以其特有的高波長(zhǎng)選擇性能，易與光纖耦合，插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的關(guān)注，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展到諸如光纖激光器、WDM合波/分波器、超高速系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償器、EDFA增益均衡器等光纖通信及溫度