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1、光无源器件技术综述万助军中科院上海微系统与信息技术研究所博士生上海上诠光纤通信设备有限公司技术顾问摘要：光无源器件是光纤通信中不可或缺的部分，本文综合介绍各种光无源器件技术原理、特点以及部分工艺考虑，内容包括高斯光束能量耦合、光纤头的8减反射角、光纤准直器设计等单元技术和光纤连接器、晶体光学器件、波分复用器、光开关等器件技术，希望对从事光无源器件设计和制造的工程师有参考作用。关键词：光无源器件，准直器，隔离器、环形器、光开关、FBT一. 绪言适应信息社会对通信容量的要求，光纤通信已经取代电子通信。低损耗光纤、半导体激光器和掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能的三个关键因素，而DWDM+EDFA使
2、光纤通信容量得到空前扩展。在光纤通信系统中，各种光无源器件扮演着不可或缺的角色，本文将综合介绍各种光无源器件技术原理及特点1。下文的组织结构是，第二部分介绍光无源器件中用到的基础知识和单元技术；第三部分对光纤连接器的一些特性进行分析；第四部分介绍各种晶体光学器件的结构、原理和发展情况；第五部分介绍波分复用器的原理和结构；第六部分介绍各种光开关的原理、结构和特点；第七部分介绍各种光衰减器的原理、结构和特点；第八部分介绍光纤熔融拉锥器件的基本原理和各种具体器件的实现方式；第九部分为全文总结。需要说明的是，限于本文作者的知识水平和研究经历，对某些技术有较深入的分析，如光纤头、光纤准直器、光纤连接器、
3、光隔离器、光环形器、Filter型波分复用器和光纤熔融拉锥器件等，对某些技术则大致介绍结构和原理，如Interleaver、光开关和可调光衰减器等，这些都是为了聊补本文的完整性，以顶住光无源器件技术综述这顶帽子。考虑本文的读者对象是从事光无源器件设计和制造的工程师，作者尽量少用复杂的公式，但在某些场合，公式有助于理解问题和说明一些重要结论，因此本文中仍出现多达50个公式。二. 基础知识和单元技术1. 高斯光束的能量耦合在尾纤为单模光纤的光无源器件中，光束可用高斯近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可用（1）式计算
4、2-4。 （1）两束高斯光束之间的耦合，可能存在三种失配模式：径向失配X、轴向失配Z和角向失配，如图1所示。耦合失配造成光场重叠误差，从而影响耦合效率，根据（1）式计算得到耦合损耗与各种失配量之间的关系如图2所示，其中取光束束腰半径分别为200um和5um作对比，分别对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为200um的高斯光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配则有较大容差；束腰半径为5um的高斯光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配则有较大容差。图1.高斯光束的耦合失配情况（a）（b）（d）（c）图2. 两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系（e）（f）2. 光
5、纤头的8度减反射角为了避免光器件中的反射光对通信系统造成影响，一般将光纤头的端面研磨成一定斜角以减少反射光2。此端面斜角的选择依据是在保证回波损耗满足要求的情况下，尽量取小角度以减少对插入损耗的影响。光纤端面研磨成一定斜角之后，回波损耗可视为反射光束与正向传输光束之间的耦合损耗，从图2（f）可以看到，不同波长的光其回波损耗不同，但并非如图2（f）所示差异那么大。这是因为，在角向失配量相同情况下，波长越短则耦合损耗越大，光束束腰半径越大则耦合损耗越大，而在光纤中波长越长则模场半径越大，因此两种因素稍微抵消。下面我们取康宁公司的SMF-28型光纤作分析，其1310nm和1550nm的模场直径分别为
6、9.2um和10.4um，根据公式（1）计算得到两波长的回波损耗与端面角度关系如图3所示。当端面角度为8度时，1310nm和1550nm光的回波损耗分别为40dB和36dB，前者约比后者大4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约4%的光反射回去，增加回波损耗14dB，总回波损耗分别为54dB和50dB；镀增透膜之后，剩余反射率0.25%，增加回波损耗26dB，总回波损耗分别为66dB和62dB，选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB。图3. 光纤头回波损耗与端面角度的关系当然，以上计算方法可能存在几个dB的误差，而且各种单模光纤的模场直径也存在差异，增透膜的实际剩余反射率也不尽相同，因此光
7、纤头的实际回波损耗可能与以上计算结果存在一些差异，但实际证明选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB。3. 光纤准直器图4.光纤之间的耦合与光纤准直器之间的耦合情况在自由空间型的光无源器件（如光隔离器、光环形器、光开关等）中，输入和输出光纤端面必须间隔一定距离，以便在光路中插入一些光学元件，从而实现器件功能4。从光纤输出的高斯光束（实际为近高斯光束，可以高斯光束近似处理），束腰半径较小而发散角较大，两根光纤之间的直接耦合损耗对其间距极其敏感，光纤准直器扮演这样一种功能，将从光纤输出的光准直为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差，如图4所示，从图2（c）（d）亦可看出准直器对轴
8、向容差的改善。1) 光纤准直器的结构和参数光纤准直器的结构参数如图5所示，因光纤头端面的8度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角，称为点精度。图6所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为2t，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。图5. 光纤准直器的结构和参数光纤头准直透镜图6. 两准直器的理想耦合情况2) 光纤准直器的设计方法光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤
9、端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。具体设计步骤如下：a) 确定所需工作距离Zw；b) 列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵；下面以Grin-Lens准直器为例：光纤头与透镜间隙： （2）Grin-Lens： （3）透镜端面至光束束腰： （4）总传输矩阵： （5）c) 列出输出光束束腰位置的q参数；我们知道，高斯光束的传输可用q参数及ABCD法则来描述，如（6）式和（7）式所示：（6）（7
10、）一般考虑光纤端面高斯光束的模场半径为0且波面曲率半径为R0，因此光纤端面的q参数为：（8）根据ABCD法则，输出光束束腰位置的q参数为：（9）d) 确定光纤头与透镜间距L；在输出光束束腰位置，波面曲率半径为R3=即1/q3的实部为0：（10）纵观以上推导过程，q3中只包含一个变量L，因此可依据（10）确定间距L。e) 计算光斑尺寸和点精度；根据确定的间距L，可由q3计算光斑尺寸：（11）点精度可用光线追迹的方式计算，此处不赘述。光纤准直器常用0.23节距的Grin-Lens，就是为了能够通过微调间隙L而得到不同工作距离的光纤准直器，C-Lens的长度选择，也应作类似考虑。3) 光纤准直器的分
11、析和比较Grin-Lens最早用于光纤准直器的准直透镜，NSG公司是最早的供应者，目前国内的上海中科光纤通讯器件有限公司、西安飞秒光电科技有限公司和西安同维通信技术有限公司均能供应Grin-Lens。CASIX公司的罗勇将C-Lens引入光纤准直器，因成本优势而得到顾客欢迎。前面已经提到，准直器的工作距离与光纤头和透镜间距L相关，增加间距L可增加工作距离，但是对一个确定的准直透镜，工作距离不能无限增加。当光纤端面在透镜焦点附近调节时，光斑尺寸变化较大，然而将光纤端面置于透镜焦点上（此时工作距离接近0），计算所得光斑尺寸仍有参考作用，有助于估算确定的透镜参数所能得到的光斑尺寸。点精度随光纤头位置
12、变化不大，取间距L等于透镜焦距所得点精度可作为其他情况的近似。下面针对Grin-Lens和C-Lens，分析工作距离、光斑尺寸和点精度与透镜参数的关系。a) 工作距离限制对（10）式稍作变换，得到一个关于L的一元二次方程（12），该方程有解（两个解中接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件（13）式。（12）（13）其中系数a、b、c与透镜参数相关且包含工作距离Zw，因此由（13）式可得到工作距离的限制条件：Grin-Lens： （14）C-Lens： （15）b) 光斑尺寸取间距L等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下：Grin-Lens： （16）C-Lens： （17）c) 点精
13、度取间距L等于透镜焦距，得到准直器点精度如下：Grin-Lens： （18）C-Lens： （19）以上关于光斑尺寸和点精度的计算是基于间距L等于透镜焦距，其结果仅作为选择透镜参数时的参考，精确的计算可依照上述光纤准直器的设计方法进行。C-Lens可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比Grin-Lens改变参数相对容易，因此在长工作距离应用中具有优势，而在普通应用中，也因其成本优势受到欢迎。但是在Filter型WDM中，需要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens因其端面为平面而占绝对优势。4. 双光纤准直器双光纤准直器的设计方法与单光纤准直器类似，也是依据高斯光束传输理论，由需要的工作距
14、离确定光纤头与透镜间距并计算光斑尺寸，差别在点精度的计算。双光纤准直器依光纤头不同分为两种：垂直排列型和水平排列型，如图7所示，其中子午面对应端面斜角方向。水平排列型亦称等光程型，因其两束光是等光程的，本文仅对水平排列型双光纤准直器进行分析，垂直排列型可作类似分析。图8. 双光纤准直器输出光方向子午面透镜轴线透镜端面（a）垂直排列（b）水平排列图7. 双光纤准直器尾纤排列方式子午面双光纤准直器的输出光偏角由水平偏角/和竖直偏角两个分量组成，如图8所示，其中竖直偏角与单光纤准直器相同，是由光纤头端面的斜角引起，而水平偏角是因光纤位置离轴引起。双光纤准直器两束输出光交叉角可计算如下： （20）竖直
15、偏角与单光纤准直器的点精度计算相同，可以确定1，即cos()1（此近似所引入的误差，远小于工艺本身的误差），（20）式可简化如下： （21）另外，对于一些特殊应用场合，如图9所示的光开关方案，要求双光纤准直器的两束输出光有一定的交叉长度，如图10所示。对于Grin-Lens和C-Lens，计算水平偏角/得到：Grin-Lens： （22）（23） C-Lens： （24）（25） 反射镜双光纤准直器图9. 一种2X2光开关方案图10. 双光纤准直器的交叉角度和交叉长度采用NSG公司SLW-18型Grin-Lens的双光纤准直器，其交叉长度约为0.25mm，而采用C-Lens，取R1.8mm和n
16、1.7447，可得到交叉长度2.42mm，因此在要求一定交叉长度的应用场合，C-Lens双光纤准直器具有优势。5. 双光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合在光开关和环形器等器件中，为了减少准直器的数量和缩小器件体积，常用到双光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合，如图11和图12所示。图11. 双光纤准直器与屋脊棱镜的耦合图12. 双光纤准直器与Wedge对的耦合对图11中的屋脊棱镜在此不赘述，图12中的Wedge对，就是晶体光学中的渥拉斯顿棱镜5，两片楔形晶体的光轴互相垂直，光从一片晶体传输到另一片晶体时发生o光和e光的转换（相应折射率发生no和ne的转换），达到偏转光束方向的目的。光
17、束经过Wedge对的偏转角如（26）式所示，其中为Wedge对的楔角，该耦合单元的设计原则是选择适当的Wedge对楔角，使偏转角2与双光纤准直器的交叉角2cross匹配。（26）屋脊棱镜和Wedge对由冷光学加工得到，其角度的精度和一致性可满足要求，而双光纤准直器角度的一致性则相对差一些，制作一系列细微角度差异的屋脊棱镜和Wedge对，选择性的与双光纤准直器匹配，有助于解决问题。6. Displacer晶体Displacer晶体的功能是将o光与e光分离所需的距离，如图13所示，o光和e光分离角度称为发散角，表示如下5：光轴d图13. Displacer晶体功能示意图O光e光L（27） 经简单的
18、数学处理可得到：当 时， （28）有 （29）对于钒酸钇（YVO4）晶体，有no1.9447，ne2.1486，当47.85时，max5.7，晶体长度与e光偏移量的比值为L:d=1:tan(5.7)10:1，这是钒酸钇晶体能够达到的最大偏移比率，此光轴方向是Displacer晶体中最常用的。7. Displacer型Wedge对6光轴图14. Displacer型Wedge对光轴前面提到的Wedge对，即渥拉斯顿棱镜，两片楔形晶体的光轴相互垂直且平行于入射表面，Displacer型Wedge对稍有不同，如图14所示，其第二片晶体光轴方向与渥拉斯顿棱镜相同，而第一片晶体的光轴方向与Displac
19、er晶体相同，两片晶体的光轴方向仍保持相互垂直。Displacer型Wedge对兼有Displacer晶体和Wedge对的功能，o光和e光在第一片晶体中分离，而在进入第二片晶体时亦发生了o光和e光的转换，因此光束方向发生偏转，偏转角如（30）式所示，与（26）式不同的是n2取代了ne，n2可根据光轴方向由晶体光学定律计算。Displacer型Wedge对的各种参数，需根据实际应用场合，进行严格的光线追迹来确定。（30） 三. 光纤连接器作为最基本的光无源器件，光纤连接器的应用最为广泛，其种类也非常繁多，有FC、SC、ST、LC、MU、E2000，等等，本文抛开这些种类分别，对广受关注的端面三项
20、值和重复性问题作一些探讨。光纤连接器的基本原理是利用某种机械结构，使两个抛光的光纤端面精确对准并紧密接触。从图2（b）可知，两根光纤之间的对接耦合，对径向错位非常敏感，因此要求固定光纤的陶瓷插芯外径具有非常高的圆度，内孔具有非常高的同心度，内孔径尺寸非常精确。为了保证两根光纤的紧密接触，要求陶瓷插芯端面研磨成球面而非平面，这样有助于其中心的光纤相互接触，另外光纤连接器对接时，借助弹簧施加一定压力，使陶瓷插芯的球端面发生轻微变形以保证两光纤端面的紧密接触，如图15所示。需要说明的是，光纤连接器就是靠这种紧密接触来避免菲涅尔反射，而不在端面镀增透膜。试想如果在端面镀增透膜，经多次插拔之后，膜层必然
21、破坏脱落。图15. 两光纤连接器之间的对接耦合情况光纤连接器依端面形状分为PC（Physical Contact）和APC（Angled Physical Contact）两种，其中APC连接器的端面一般研磨成8倾角。对于PC型连接器，其端面三项值为端面曲率半径（1025mm）、球面顶点偏心（30dB。双级光隔离器使反向光偏移更大角度，但属锦上添花，真正起作用的是两级串接克服旋光片的消光比和波长相关性制约。P2122.522.5P11，P22P12图23. 双级光隔离器方案三P11P12P21P22我们接下来考察方案一，反向光在P22中开始分成两路传播，在各楔角片中的的偏振态为oeoe和eoe
22、o，相当于通过两个渥拉斯顿棱镜，因此偏离角度约为单级光隔离器的两倍。以上假设各楔角片的光轴处于理想方向，现在我们假设楔角片P12和P21的光轴并非完全垂直，其夹角为90-，那么从P21进入P12的两路光将各分为两路传播，因此除以上偏振态的两路光，另外两路光的偏振态为oeeo和eooe，这两束光的强度为sin2()。考虑后两路光的偏振态，P12和P21组合对其相当于一个平行平板，P11和P22组合对其相当于另一个平行平板，因此这两路光通过之后方向不变，或者解释为前后两级相当于两个倒装的渥拉斯顿棱镜，被第二级偏离的光束，又被第一级折回，如图24所示。这两路光直接耦合进入输入端准直器，成为制约隔离度
23、的主要原因。分别取0.1和0.2，得到隔离度为55dB和49dB，可见对装配精度要求之高。方案三对两级中的楔角片取不同角度，被第二级偏离的光束，并不会被第一级完全折回，因为偏折角与楔角大小近似成正比。ooooeeeeooooeeee方案一方案三图24. 偏振态为oeeo和eooe的两路反向光轨迹示意图方案三的核心在于了解到，P12与P21光轴非严格垂直对隔离度的影响至关重要，对此提出了解决办法，采用相应的装配工艺，可以制作出高隔离度的双级光隔离器，并因装配容差大而提高效率。2. 光环形器光环形器的端口功能如图25所示，光沿箭头方向传播，反向则被隔离。一个普通三端口光环形器的原理如图27所示，注
24、意Displacer1和Displacer3使e光水平偏移，而Displacer2使e光垂直偏移。为便于理解其光路，图26中描述了一个法拉第旋光片与半波片组成的旋光单元功能，正向光偏振方向旋转90，反向光偏振方向不变。在实际的光环形器方案中，一般在Displacer2与旋光单元2之间插入一个Wedge对或者屋脊棱镜，与双光纤准直器进行耦合，如图28所示。Wedge对与双光纤准直器耦合代替两个单光纤准直器，可以减小晶体体积，从而降低器件体积和成本。Wedge对选择图中插入位置，是因为双光纤准直器与Wedge对的耦合需要一定间距，这样插入可以缩短整个器件长度。注意图28中红色光线从Displace
25、r2出射时的偏转方向是由Wedge对产生的，图中Wedge对与Displacer2间距太小，不便画出，可参见图29的PBC。另外，两个准直器的轴线不在同一直线上，封装设计时应加以考虑。如果将图28中的Displacer2和Wedge对用图14中的Displacer型Wedge对代替，则得到改进型的光环形器，减少了一个元件，因而提高可靠性和降低成本6。1231243图25. 光环形器的端口功能图26. 法拉第旋光片与半波片组成的旋光单元功能端口光路及偏振态变化Displacer1旋光单元1旋光单元2端口光路及偏振态变化图27. 普通三端口光环形器原理图Displacer2Displacer3图28. 光环形器中Wedge对与双光纤准直器的耦合双光纤准直器Wedge对单光纤准直器3. 偏振光合束器偏振光合束器（PBC）的功能是将两束偏振方向正交的线偏振光合成一束，一个典型应用场合是，在Raman光纤放大器中，增益取决于信号光与泵浦光的偏振态关系，也就是说增益是偏振相关的，因此将两束正交的泵浦光合束以进行泵浦可以改善增益的偏振相关性。普通PBC结构如图29所示，双光纤准直器与Displacer晶体和Wedge对的组合进行耦合，输出端用单光纤准直器。Wedge对也可以用屋脊棱镜取代。图29. 普通PBC结构将图2