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1、第四章 光波系统的无源器件,一个完整的光波传输系统，除了光源、光纤（光缆）和光电检测器外，还需许多不用电源的光路器件来完成各种不同的功能。 按结构分类：分立元件型、全光纤型和集成波导型。 分力元件型：输入光纤的光波经准直透镜扩束，无源光变换器件对光束进行光学处理，然后经聚焦透镜聚焦后，耦合到输出光纤。 全光纤型光无源器件：器件主体是光纤，通过光纤自身特性来影响光信号的传输性能，从而实现器件的功能。 光波导型光无源器件：核心是光波导，通过控制波导折射率的变化来处理光信号。,4.1 概述,相对于光电器件，如半导体激光器、发光二极管、光电二极管以及光纤放大器等光“有源器件”而言，这一类本身不发光、不
2、放大、不产生光电转换的光学器件，常被称之为光“无源器件”。 主要的无源器件光纤连接器、光缆连接器、光纤耦合器、光开关、光复用器(合波器和分波器)、光分路器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器，等等。它的作用概括起来主要是：连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；以及合波和分波等作用。,4.2 光纤连接器,光纤连接器又叫光纤活动连接器、或叫活接头。这是用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路的可以可拆卸重复使用的光“无源器件”，被广泛应用在光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，也是目前使用数量最多的光无源器件。尽管光纤连接器在结构
3、上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几个部分：,4.2.1 光纤连接器分类,连接器插头：插头由插针体和外部配件组成，用于完成在光纤器件连接中插拔功能。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤之间的对接。通常将一端装有插头的光纤称为尾纤。,4.2.1 光纤连接器分类,光纤跳线：将一根光纤两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是其特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。跳线的两头可以是同一型号，也可以是不同的型号；可以是单芯的，也可以是多芯的。,4.2.1 光纤连接器分类,转换器：把两个光纤插头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器。转换器又称法兰盘。,4.2.1 光纤连接器分类,变
4、换器：将某一种型号的插头变换成另一种型号插头的器件叫做变换器。在实际使用中，往往会遇到这种情况，即手头上有某种型号的插头，而设备或仪器上是另一种信号的插头或变换器，彼此配接不上，不能工作。此时，使用相对应型号的变换器，问题就迎刃而解了。,4.2.1 光纤连接器分类,裸光纤转接器：将裸光纤与光源、探测器以及各类光仪器进行连接的器件，称为裸光纤转接器。裸光纤与裸光纤转接器使用时可相互连接；用完后，可以将裸光纤抽出它用。因此彼此是可以结合和分离的。,4.2.1 光纤连接器分类,光纤连接器按传输媒介的不同可分为单模光纤连接器和多模光纤连接器；按结构类型的不同可分为FC、SC、ST、MU、LC、MT等各
5、种型式；按连接器的插针端面接触方式可分为FC、PC（UPC）和APC；还有按光纤芯数的多少分，有单芯光纤连接器和多芯光纤连接器。不管何种连接器，都必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点。,FC、SC、ST连接器是目前世界上使用量最大的品种，也是我国采用比较常见的光纤品种。,（1）FC型（平面对接型）连接器,是一种采用卡口螺纹方式连接。这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求，是目前国内广泛使用的类型。 FC连接器外形结构图参见图4.1.2和图4.1.3所示。它具有结构简单、操作方便、制造容易的优点。缺点是对沾污较
6、敏感，应保持插针端面的绝对于净，否则影响连接衰耗。,FC型连接器结构采用插头转接器插头的螺旋耦合方式。根据其插针端面形状的不同，它分为固定光纤端面的平面接触FC、球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC结构，后两种有利于减少插针端面的反射损耗。,（2）SC（矩形）光纤连接器,是一种直接插拔耦合式连接器，不用旋转，可自锁和开启，为非螺旋卡口型。它的外壳是矩形结构，采用模塑工艺制作，用增强的PBT的内注模玻璃制造。插针套管是氧化锆整体型，将其端面研磨成凸球面。插针体尾入口是锥形的，以便光纤插入到套管内。SC矩形光纤连接器可以是单纤连接器也可以是多纤连接器，单纤外形结构图参见图4.1.4和图4
7、.1.5所示。该器件特点是不需要螺纹连接，直接插拔，操作空间小，非常适合于密集安装状态下使用，如光纤配线架，光端机，以及局域网、用户网等。按其插针端面形状也分为平面接触SC、球面接触的SC/PC和斜球面接触的SC/APC几种结构。,（3）ST连接器,是一种采用带键的卡口式锁紧机构来确保连接时准确对中的连接器，插针的端面形状通常为PC面。它的特点主要是使用非常方便，ST连接器外形结构图参见图4.1.6和图4.1.7所示。,4.2.2 光纤连接器的损耗,光纤活动连接器产生的损耗主要原因有两个方面，一是连接技术上的原因；二是光纤参数不一致所引起。前者主要有轴心错位、有折角、间隙以及端面不完整等造成光
8、损耗。后者是由于光纤芯径、相对折射率差、椭圆度、外径、偏心度以及折射率分布参数等的差别所引起。连接技术所造成的损耗往往是主要的，其中轴心错位和间隙造成损耗占有较大的比例。图 4.1.8较直观的反映了几种光纤连接损耗的原因。,4.2.3 主要性能指标,插入损耗（Insertion Loss）：即连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。插入损耗越小越好，一般要求应不大于0.5dB。 回波损耗（Return Loss, Reflection Loss）：是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不小于25dB。实际应用的连接器，插针表面经过了专门的抛光处理，可以使回波损耗更大
9、，一般不低于45dB。,重复性：同一对插头，可以重复多次使用，该指标反映器件在插拔一次或数次之后，其插入损耗的变化情况。性能稳定的连接器重复性一般应在0.1dB之内； 互换性：对于同一类型的光纤连接器，一般都可以任意组合使用，不同连接器之间任意置换后，由此而导入的附加损耗应在一定要求范围内，它反映了连接器的一致性性能。较好的连接器，一般都在附加损耗0.2dB以内； 使用寿命（插拔次数）：反映连接器满足技术参数范围内插拔次数的多少。目前使用的光纤连接器一般都可以插拔l000次以上。 温度性能：是指连接器能够正常使用的温度范围。具体是在一定温度范围内（通常在：-40+70）连接器的损耗变化量应在0
10、.2dB以内；,此外还有抗拉强度、振动等各种环境试验数据等。,端面对接连接器的插针端面的接触型式对光纤连接性能影响很大。由于存在公差，平面型接触的两端面会有空隙，因玻璃纤维和空气折射率的不同而引起多次反射，这种反射称为菲涅尔（Fresnel）反射。菲涅尔反射既增加损耗，而且反射回波将使光源输出不稳定，造成光脉冲波形畸变，增加误码率。 因此，端面设计的出发点是缩小端面间隙（实际上，当光纤端面间隙小于/4时，由于干涉效应，菲涅尔反射基本消除），并使部分反射光旁路，以增大回波损耗，从而遏制反射波对光源的影响。将光纤端面加工成球面或斜球面，使端面形成球面接触或斜面接触如图5-2所示，能有效地满足这一要
11、求。球面接触使纤芯之间的间隙趋近于零，因而称为物理接触（PCPhysical Connect），其回波损耗可达到50dB。若将光纤端面加工成6080的傾角，再抛光成球面，便形成斜球面接触，斜球面接触除具有物理接触效果外，还能将后向反射光旁路，难以返回光源，其回波损耗可达60dB甚至达70dB。,4.3 耦合器件,光耦合器是一种能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区内进行功率积聚与再分配，不同波长光的合波与分波，以及光的转换和转移的器件。耦合器具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接，一般可用MN表示，即M个输入端，N个输出端。目前最常用的22器件，又称作“X耦合器”或“方向耦合器”,在电信网路、有线
12、电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到,我们通常又将与波长无关的耦合器称为合分路器；而将与波长有关者又称为波分复用器。与波长无关类合分路器常用 1N表示其合分路数，也就是在星形耦合的某一侧只保留一个端口而已。实际上，对于路数较多的合分路器完全可以采取和垦形粥合器一样的工艺，如熔融技术。,光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位12，亦即将光讯号分成两个功率）、星状树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90）
13、。层中泄漏的,几种微光元件型耦合器。,（a）由微型透镜L和半反半透镜M组合而成。 光束由光纤1输入后，经凸透镜L变成平行光，一部分平行光透过M后，经L聚焦并耦合到光纤2，另一部分平行光被M反射后，经L会聚并耦合到光纤3。由于光传播的可逆性，这种分光耦合器同时也是合光耦合器。分立光学元件组合而成的光耦合器，耦合机理简单、直观，但存在损耗大、与光纤线路耦合困难、环境稳定性较差等缺点，这使它在应用上受到限制。,(b)所示采用半透明镜面的耦合器 由两个长度为1/4节距的自聚焦棒透镜GRIN(渐变折射率棒状透镜的缩写,其折射指数分布为抛物线型)和半透明镜面的介质膜构成,介质膜直接镀制在两GRIN的结合面
14、上。 当光波由端口1入射到介质膜上时，一部分光透射进入端口4，另一部分光反射进入端口3，两端口输出分配比取决于介质膜的反射率的大小；同样，由端口2输入的光功率也将按比例分配至端口3和4输出；而端口1与2之间以及端口3和4之间的光信号是相互隔离的。光传播的可逆性使耦合器可反向使用，即由3，4端口输入,由1，2端口输出,其分路特性保持不变。这种光耦合器结构紧凑、简单，插入损耗较低（1dB）,对模式功率分配不敏感，得到了很多应用。,(c)将介质膜镀制在直角棱镜斜面上， 构成T型耦合器.,全光纤型耦合器,直接在两根或多根光纤之间形成某种形式的耦合，通常有两种结构：一种是拼接式，另种是熔融拉锥式。 将每
15、根光纤埋入玻璃块中的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，研磨好后，在磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接在一起，制成光纤耦合器。这种耦合器靠透过光纤的芯、包界面的渐消场产生耦合，当研磨抛光深入纤芯部分，将产生强耦合，否则耦合较弱，可作成可调分光比耦合器。 将两根或多根除去涂覆层的光纤扭绞在一起，在高温加热（例如用氢氧焰等）下使之熔融，同时向两侧拉伸，形成双锥形的特殊波导结构，作为传输光功率的耦合区。在双锥形区，各光纤的包层合并成同一包层，耦合的强弱取决于各光纤的靠近程度和光纤芯经的减小程度。,光波导型耦合器,用光刻、溅射沉积膜、扩散或生长的办法，在玻璃、晶体或半导体为衬底的材料上，形成光导波
16、 . 图5-13所示为在铌酸锂(LiNbO3)衬底的基片上，扩散钛(Ti)的办法，形成淹埋条形波导。钛原子经扩散进入铌酸锂晶格中，将其折射率提高约1%左右。由于条形波导的折射率高于周围的介质，当光射入波导时，只要入射角小于最大接收角，就可使光射线在波导中全反射并被导行。,光纤耦合器 是实现光信号分路/合路的功能器件。 图3-3表示了波导型分支器的结构,它是一种Y型分支，由一根芯线一端输入的光可用它加以等分。,图3-4为拼接式原理图,拼接式结构是将光纤埋入玻璃块中的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，然后将经抛磨的两根光纤拼接在一起，靠透过纤芯和包层界面的消失场产生耦合。,4.4 光衰减器,能够使
17、传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为光衰减器。光衰减器可大致分为固定和可变两类。固定衰减器和可变衰减器的主要指标是其衰减量的准确度、精度和稳定性或重复性，以及适用的波长区域。 使光纤中的光信号功率衰减的办法很多，因此衰减器的原理和结构形式也多种多样。一种小型法兰式光可调衰减器（FC标准适配器形式），应用于光纤传输线路中，可对光强进行025dB连续可变的衰减，对衰减量进行在线式调整与锁定，使用极为方便。,图4.1.9小型法兰式光可调衰减器,表 4.1.2 法兰式光可调衰减器技术性能参数,位移型光衰减器是通过调节两光纤的横向位移量或纵向位移量来实现光能量衰减的目的；而吸收型光衰减器则利用镀制金
18、属膜（或液晶）来吸收光能，进行光衰减，衰减量的大小与吸收膜的厚度成正比。常用的蒸镀金属膜有Al膜（采用Al膜时，常在上面加镀一层SiO2或MgF2薄膜作为保护）、Ti膜、Cr膜和W膜等。,4.5 光开关,光开关是使传输通路中的光路控制器件，起着控制光信号通、断或转换光路的作用。它目前广泛应用在主、备光纤线路的切换，光纤或光缆的测量系统中，以及用户系统、专用线路、光交换机中等领域。一个性能良好的光开关应具备插入损耗低、转换重复性好、开关速度快、使用寿命长以及结构紧凑等。,机械式光开关：利用机械动作达到光开关的目的。其光开关优点具有插入损耗小、串扰低；缺点是速度慢，易磨损，容易受振动和冲击的影响。
19、 非机械式光开关：利用电光效应、磁光效应及声光效应实现光开关。其光开关优点具有重复性好、开关速度快、可靠性高、使用寿命长、尺寸小等。缺点是插入损耗、串光性能不够理想。,由于只要能在时间上或空间上对光波进行切换的器件都可制作成光开关，所以光开关种类繁多。通常，可将光开关概括为三类，每一类又有多种具体形式。,半导体光波导开关：基于电光效应电场引起折射率变化、填充带效应或载流子注入感生折射率变化以及量子限制 Stark效应场感生折射率变化制作成光开关。其光开关优点具有损耗低、开关速度快、重复性好，便于与其它元期间单片集成进行批量生产等。,4.6 光隔离器,光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光
20、的单向器。光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要作用。 例如，光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去的。活接头处的光纤端面间隙会使约 4的反射光向着光源传输（菲涅耳反射光）。对于光频稳定性要求高的光纤通信系统(如相干光通信系统，密集波分复用或光频分复用系统等)，这部分返回光可能影响光源的工作稳定性，进而影响到系统的正常工作。为此，需在光源和活动连接器之间设置光隔离器，消除不良影响。,1光隔离器的作用阻止反射光 2结构图39 3工作原理法拉第旋转的非互易性,半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感
21、，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。,光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件,法拉弟旋转的非互易性 对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。,对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。,4.7 光滤波器,1多层电介质干涉膜型合波分波器 2带通滤波器(BPF)、长波长带通滤波器(LWPF)、短波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性的实现方法,多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具
22、有接近2或者4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重叠形成薄膜， 于是对于特定波长表现出较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等。,举例： 采用电子射束蒸镀方法，可将 Si02 (低折射率材料，n1.46) 和 Ti02 (高折射率材料，n2.3)积层2040层，实现带通滤波器(BPF)、长波长带通滤波器(LWPF)、短波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。 图3-8为带通滤波器原理图，调整带通滤波器可以对2个波长的光按反射或者透过进行分离。,4.8 使用光纤无源器件时注意事项,1、每个光纤部件插头都带有保护套，注意插拔。 2、光纤部件属于易损、娇贵器件，应轻拿轻放；各部件之间连接时须仔细对准定位销位置，并注意接头的旋紧方向（如 FC头）。 3、注意保持光纤插头前端纤芯表面的清洁，避免碰撞、摩擦，如发现有污物时，可用软缎或棉扦沾无水乙醇轻轻擦拭干净,