1、第8章 光通信無源器件技術(shù),第8章 光通信無源器件技術(shù),8.1光纖連接器 8.2光衰減器 8.3光耦合器 8.4光波分復(fù)用器 8.5光隔離器 8.6 光開關(guān),光纖通信、光纖傳感及其他光纖應(yīng)用領(lǐng)域不可缺少的光器件， 工作原理：遵守光線理論和電磁波理論， 各項技術(shù)指標(biāo)、計算公式、測試方法等與纖維光學(xué)、集成光學(xué)息息相關(guān)。,8.1光纖連接器,以低損耗的方法把光纖或光纜相互連接起來的器件 方法 采用某種機械或光學(xué)結(jié)構(gòu)使兩根光纖的纖芯對準(zhǔn) 性能 實現(xiàn)光路接續(xù)，保證光纖網(wǎng)絡(luò)90%以上光通過。 分類： 永久性：采用熔接法、粘接法或固定連接器來實現(xiàn) 活動性，光纖活動連接器。 指標(biāo) 插入損耗(簡稱插損)、回波損耗

2、(簡稱回損)、以及譜損耗、背景光耦合、串?dāng)_、帶寬等等； 對于活動光纖連接器還有重復(fù)性和互換性,8.1.1 光纖連接器主要指標(biāo)(1)插損,光纖中的光信號通過連接器之后的輸出光功率與輸入光功率比值的分貝數(shù)： 其中IL為插損，Pi 為輸入端光功率， Po為輸出端光功率。 插損越小越好，ITU建議應(yīng)不大于0.5dB。 多模光纖連接器注入的光功率應(yīng)當(dāng)經(jīng)過穩(wěn)模器以濾去高次模，使光纖中的模式為穩(wěn)態(tài)分布，以準(zhǔn)確衡量連接器插損,8.1.1 光纖連接器主要指標(biāo)(2)回損(后向反射損耗),用以衡量輸入光功率中從連接器反射并沿輸入通道反向傳輸?shù)墓夤β收驾斎牍夤β实姆蓊~。 會引起激光器相對強度噪聲、非線性啁啾及激射飄移

3、等，使通信系統(tǒng)性能惡化。 光纖連接處后向反射光對輸入光的比率的分貝數(shù)： 其中RL為插損，Pi 為輸入端光功率， Pr為后向反射光功率。 回損越大越好，以減少反射光對光源和系統(tǒng)的影響。 典型值初期要求應(yīng)不小于25dB，現(xiàn)要求不小于38dB。,8.1.1 光纖連接器主要指標(biāo)(3)重復(fù)性與互換性,重復(fù)性 光纖（光纜）活動連接器多次插拔后插入損耗的變化情況，用dB表示。 互換性 連接器插頭與轉(zhuǎn)換器兩部分的任意互換或有條件互換的性能指標(biāo)，可以考核連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝的合理性，也是表明連接器實用化的重要標(biāo)志，用戶和廠家一般要求互換連接器的附加損耗應(yīng)限制在小于0.2dB的范圍內(nèi)。,8.1.2 影響插入損

4、耗的各種因素(1)纖芯錯位損耗,由于纖芯橫向錯位(如圖8-1a)引起的損耗。 連接損耗的重要原因,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(1)纖芯錯位損耗,芯徑2a漸變多模光纖模式穩(wěn)態(tài)分布時錯位d 引起的損耗： 單模光纖傳輸半徑w的高斯分布時錯位d引起的損耗： 其中 令錯位損耗為0.1dB 多模漸變光纖芯徑50m、 ，算得橫向錯位2.46m; 統(tǒng)計值3m 單模光纖芯徑10m， ，算得橫向錯位0.72m; 統(tǒng)計值0.8m。 理論與實踐符合良好,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(2)光纖傾斜損耗,由于兩光纖軸線的角度傾斜 (如圖8-2a)而引起在連接處的光功率損耗。,8.1.2 影響插入損耗的各種因

5、素(2)光纖傾斜損耗,多模漸變光纖模式穩(wěn)態(tài)分布時傾角引起的傾斜損耗為： 其中 單模光纖傳輸半徑w的高斯分布時傾角引起的損耗表示為： 圖8-2(b) 實際光纖傾斜損耗統(tǒng)計平均值，傾角以弧度表示，包層折射率n2=1.455，芯折射率n1=1.46，=1.31 m 。 損耗0.1dB對應(yīng)多模漸變型光纖傾角0.7，單模光纖0.3 。 實際生產(chǎn)中傾角可控制在0.1內(nèi)常可忽略不計,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(3)端面間隙損耗,由于光纖連接端面處存在間隙Z而引起的損耗 多模漸變光纖在模式穩(wěn)態(tài)分布時，端面間隙損耗： n0：空氣折射率，Z: 端面間隙。 單模光纖端面間隙Z引起的損耗： n2=1.455，

6、n1=1.46，=1.31 m， Z=1m時， 芯徑50 m多模漸變光纖端面間隙損耗為0.006dB 芯徑10m單模光纖端面間隙損耗為0.089dB 只要端面間隙控制在1m之內(nèi)，端面間隙損耗即可忽略不計。這一點目前工藝可保證,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(4)菲涅耳反射損耗,由于光纖兩個端面間隙中存在不同的介質(zhì)，當(dāng)光進入其中時就會產(chǎn)生多次反射，從而產(chǎn)生的損耗，表示為 n0：空氣折射率，n1: 纖芯折射率。 n1=1.46，=1.31 m時算得菲涅耳反射損耗為0.32dB,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(5)芯徑失配損耗,多模漸變光纖芯徑失配損耗： 單模光纖芯徑失配損耗： 圖8-3為實

7、際單模光纖芯徑失配損耗曲線,光從纖芯半徑為a1的光纖射向纖芯半徑為a2(a2a1)的光纖時導(dǎo)致的損耗,圖8-3單模光纖芯徑失配損耗曲線,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(6)數(shù)值孔徑失配損耗,光纖數(shù)值孔徑失配損耗：,當(dāng)光從數(shù)值孔徑為N.A.1的光纖射向數(shù)值孔徑為N.A.2 (N.A.2 N.A.1)的光纖時導(dǎo)致的損耗,圖8-4 單模光纖數(shù)值孔徑失配損耗曲線,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(7)其他損耗,除了上述6種因素外，還有 光纖端面的不光滑 光纖端面不平整 光纖端面與軸線不垂直 等都會產(chǎn)生耦合損耗。 這種種因素不僅影響光纖插入損耗，而且影響連接器的重復(fù)性和互換性，因而在連接器設(shè)計和制

8、作時必須針對以上各種因素進行優(yōu)化設(shè)計并提高加工精度，以期連接損耗最小，并且同時提高器件的重復(fù)性和互換性指標(biāo),8.1.3 改進回波損耗的方法,球面接觸(PC) 將裝有光纖的插針體端面加工成曲率半徑2560mm的球面，兩插針接觸時纖芯間隙接近于0，達到“物理接觸”，則端面間隙損耗和菲涅耳損耗將為0，從而后向反射光大大減小。 可使回波損耗達到50dB以上,斜球面接觸(APC) 將插針體端面先加工成8左右傾角，再拋磨成斜球面，連接時插針體按照預(yù)定方位對準(zhǔn) 除了具有PC優(yōu)點，還可將微弱后向反射光旁路，提高改進回損 可使回波損耗60dB。 要求保證連接時插針體嚴(yán)格按照預(yù)定方位對準(zhǔn)。,出發(fā)點：光通信系統(tǒng)中需

9、回波損耗40dB,甚至60dB 手段：光纖端面形狀改變，或鍍增透膜(減小菲涅耳損耗),8.1.4光纖活動連接器(俗稱活接頭) (1) 基礎(chǔ),用于連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光路的可重復(fù)使用的無源器件 應(yīng)用：光纖傳輸線路、光纖配線架和光纖測試儀器儀表中 功能：連接光纖與光纖、光纖與有源器件、光纖與其他無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表等， 目前使用數(shù)量最多的光無源器件 基本結(jié)構(gòu)含： 對中：可以采用套管、雙錐、V型槽、透鏡耦合等結(jié)構(gòu) 插針：可以是微孔、三棒、多層等結(jié)構(gòu)， 端面：有平面、球面、斜面等結(jié)構(gòu)。,8.1.4光纖活動連接器 (2) 類型 根據(jù)功能分,連接器插頭(Plug Connector)：實現(xiàn)光纖

10、在轉(zhuǎn)換器或變換器間插拔 跳線(Jumper)：將一根光纖的兩頭都裝上插頭就形成跳線 轉(zhuǎn)換器(Adaptor)：將光纖插頭連在一起 變換器(Converter)：轉(zhuǎn)變光纖插頭類型 裸光纖轉(zhuǎn)接器(Bare Fiber Adaptor)。 可以單獨使用，也可結(jié)合為組件使用。 我國一套光纖活動連接器一般包括兩個連接器插頭和一個轉(zhuǎn)換器。,8.1.4光纖活動連接器（2）類型根據(jù)插針+對中類型分,套管結(jié)構(gòu) 兩個插針和一個套筒組成。插針為一帶有微孔的精密圓柱體，將光纖插入微孔后用膠固定并加工形成插針體。套筒是一種加工精密的套管，有開口和不開口兩種，開口套筒使用最普遍。 對準(zhǔn)時，以插針的外圓柱面為基準(zhǔn)面，插針插

11、入套筒并與其實現(xiàn)緊配合，以保證兩根光纖精密對準(zhǔn)。 連接器發(fā)展主流。設(shè)計合理、能通過加工達到要求精度，量產(chǎn)容易，為FC、SC、ST、D4等型號連接器的基本結(jié)構(gòu),8.1.4光纖活動連接器（2）類型根據(jù)插針+對中類型分,雙錐結(jié)構(gòu) 插針外端面加工成圓錐面，基座內(nèi)孔也加工成雙圓錐面。兩個插針插入時利用錐面定位進行對接。 加工精度要求極高，插針和基座常采用聚合物模壓成型，內(nèi)外錐面的結(jié)合不僅保證纖芯對中，而且保證兩光纖端面間距恰好符合要求。 AT 產(chǎn)生的波長相關(guān)相移使陣列波導(dǎo)呈衍射光柵特性，使輸出端按波長順序輸出光波 陣列波導(dǎo)輸出光波通過2nd平板耦合器傳輸?shù)较鄳?yīng)輸出波導(dǎo)端 除具有干涉、光柵法器件的光學(xué)特性

12、之外，還具有組合分配功能。,圖8-37 AWG型DWDM,8.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理,5. FBG,利用光纖制造中的缺陷，用紫外光照射光纖，令光纖纖芯折射率分布呈周期變化，從而使得入射多波長光在滿足布拉格光柵條件的波長上全反射，而其余的波長則透過,圖8-38 FBG型DWDM濾波作用,8.5光隔離器,為避免回返光對光源等器件的工作產(chǎn)生影響并對回返光進行抑制 光通信系統(tǒng)中光傳輸會經(jīng)過許多光學(xué)界面，界面反射產(chǎn)生的回返光逆原光路傳回光源，使光源工作不穩(wěn)定，致頻率漂移、幅度變化等，影響系統(tǒng)工作。 作用： 對正向傳輸光具有較低插入損耗，而對反向傳輸光有很大衰減， 可抑制反射對光源的不利影響，確

13、保光通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量， 一般置于光源后，為一種非互易器件 工作原理：磁光晶體的法拉第效應(yīng) 。,8.5.1光隔離器元件,1.光纖準(zhǔn)直器(Optical Fiber Collimator),由1/4節(jié)距GRIN透鏡和單模光纖組成，一般成對使用，中間可插光學(xué)元件。 對光纖中傳輸?shù)母咚构馐M行準(zhǔn)直，以提高光纖耦合效率。,圖8-39 光纖準(zhǔn)直器,2.法拉第旋轉(zhuǎn)器(Faraday Rotator),法拉第效應(yīng)：線偏振光通過厚L的磁光晶體時旋轉(zhuǎn)角為：,材料越長、磁場強度越大，則旋轉(zhuǎn)角越大。旋角與磁場方向有關(guān)，與光傳播方向無關(guān),8.5.1光隔離器元件,3.偏振器(Polarizator),雙折射晶體： 基于

14、單軸晶體各向異性性能而工作，一般加工成楔形。 薄膜起偏分束器SWP：兩種人造各向異性介質(zhì)周期層迭制成，厚400m ，性能穩(wěn)定 線柵起偏器： 由金屬和電介質(zhì)周期交替層迭構(gòu)成，厚幾十m，但消光比卻很高； 玻璃偏振器線：在玻璃上掠射濺銀并激化制成，偏振輸出很高，主透射系數(shù)也很高， 接收角大于60，體積小，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良。,4.特種光纖,磁敏光纖：在光纖的制作過程中摻稀土元素(如鋱) 在外磁場作用下有良好透光性和法拉第旋光性，配起偏器可制成光隔離器。 擴束光纖(TEC光纖)：將SiO2光纖中摻GeO2經(jīng)熱處理后形成。 可使隔離器不再需要自聚焦透鏡。,8.5.2 光隔離器(Isolator)的

15、結(jié)構(gòu)與工作原理,根據(jù)光隔離器的偏振特性分 偏振相關(guān)型：不論入射光是否為偏振光，出射光均為線光 偏振無關(guān)型：對輸入光偏振態(tài)依賴性很小(典型值0.2dB)， 利用有角度分離光束原理制成 根據(jù)隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分 塊狀型：通過分立的棒透鏡、偏振器和法拉第旋轉(zhuǎn)器將光纖間接耦合起來 光纖型：將光纖斷面作適當(dāng)拋光、鍍膜等實現(xiàn)，其它元件幾乎不介入光路 波導(dǎo)型：采用Ti:LN經(jīng)波導(dǎo)工藝制成磁光波導(dǎo)，再與其它元件及光纖耦合 根據(jù)其外部結(jié)構(gòu)分 在線型(尾纖型+連結(jié)器端口型)偏振無關(guān)型光隔離器則常作成在線型 微型化型偏振相關(guān)型光隔離器常作成微型化型,8.5.2 光隔離器(Isolator)的結(jié)構(gòu)與工作原理,以微型空間

16、型偏振相關(guān)光隔離器為例了解隔離器工作原理。,包括兩個透光方向夾角45的偏振器和一個法拉地旋轉(zhuǎn)器。 入射平行光往返一次時，偏振角變化90，反向光不能通過P1，實現(xiàn)反向隔離。,圖8-40 微型空間型偏振相關(guān)光隔離器典型結(jié)構(gòu),8.5.3 光隔離器的性能指標(biāo),光通訊系統(tǒng)對光隔離器性能要求： 正向插入損耗低、反向隔離度度高、回波損耗高、器件體積小、環(huán)境性能好,1.插入損耗,來源于偏振器、法拉第旋轉(zhuǎn)器和光纖準(zhǔn)直器的插損。 偏振相關(guān)光隔離器的插損表達式,偏振無關(guān)光隔離器插入損耗(在線式典型值0.30.4dB)主要來源： 法拉第旋轉(zhuǎn)器出射o光和e光的會聚效果 偏振器/法拉第旋轉(zhuǎn)器消光比 o光和e光所經(jīng)過的光學(xué)

17、界面的反射率 準(zhǔn)直器的耦合效率 各元件存在的尺寸和裝配誤差等。,微型化偏振相關(guān)光隔離器可達0.1dB以下,8.5.3 光隔離器的性能指標(biāo),偏振相關(guān)光隔離器,3.回波損耗,指正向入射到隔離器中的光功率與沿輸入路徑返回隔離器輸入端口的光功率之比,由各元件和空氣折射率失配并形成反射引起，主要來源于入射光的準(zhǔn)直光路部分。,4.偏振相關(guān)損耗PDL,當(dāng)輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量 衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)，主要產(chǎn)生在折射率發(fā)生突變的界面上。偏振無關(guān)隔離器中存在能引起偏振的元件，當(dāng)輸入光信號偏振態(tài)不同時會引起PDL,2.反向隔離度,當(dāng)光從隔離器輸出端入射時，輸

18、入端反向出射光功率與入射光功率的比值,表征隔離器對反向傳輸光的衰減能力,8.5.3 光隔離器的性能指標(biāo),5. 30dB隔離度帶寬,以30dB帶寬表示的光隔離器能夠覆蓋的工作波長范圍，一般在-2020nm左右。,6.偏振模色散PMD,指通過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。 偏振無關(guān)光隔離器中雙折射晶體產(chǎn)生的兩束線偏光以不同相速和群速度傳輸，形成的色散，稱偏振無關(guān)隔離器的偏振模色散PMD， 用雙折射晶體中兩束線偏振光的光程差L表示為：,式中，Lo表示整個器件中o光傳播的光程，Le表示整個器件中e光傳播的光程。,8.6 光開關(guān),一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口、可對光傳輸線路或集成光路中的光

19、信號進行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件， 用途：光纖通信系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、光纖測量系統(tǒng)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng)。 根據(jù)端口數(shù)量不同可分為 11（即通斷開關(guān)） 12 1N 22 44 NM,8.6 光開關(guān)分類,根據(jù)工作原理分 機械式：靠光纖或光學(xué)元件移動使光路發(fā)生改變， 優(yōu)點：插入損耗較低(一般不大于2dB)、隔離度高(一般大于45dB)、不受偏振和波長的影響； 不足：開關(guān)時間較長(一般為毫秒數(shù)量級)，有的還存在回跳抖動、重復(fù)性較差 MEMS式：利用MEMS技術(shù)制作的微型化的自由空間光開關(guān) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)小巧、開關(guān)時間較短、隔離度較高， 不足：各通道一致性差、控制困難。 集成光波導(dǎo)式 依靠光電、磁光、聲光

20、及熱光效應(yīng)來改變波導(dǎo)折射率，使光路發(fā)生改變 優(yōu)點：開關(guān)時間短(達到毫微秒數(shù)量級甚至更低)，體積小，便于光集成或光電集成； 不足：插損大，隔離度低(只有20dB左右)。,8.6.1光開關(guān)的特性參數(shù),1.插入損耗,輸入和輸出端口之間以分貝表示光功率的減少：,插損與開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。,2.回波損耗（也稱為反射損耗或反射率）,從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值，以分貝表示。,回損也與開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。,3.隔離度,i端口輸入時m端口測得的光功率與相隔離的n端口輸出光功率的比值，以分貝表示。,8.6.1光開關(guān)的特性參數(shù),4.遠端串?dāng)_,光開關(guān)接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值。 對于12光開

21、關(guān)，當(dāng)?shù)谝惠敵龆丝诮油〞r，遠端串?dāng)_定義為：,5.近端串?dāng)_,其他端口接終端匹配，連接端口與另一個名義隔離端口的光功率之比。 對于12光開關(guān)，當(dāng)端口1與匹配終端相連接時，近端串?dāng)_定義為：,8.6.1光開關(guān)的特性參數(shù),式中： 為m、n端口導(dǎo)通時的插損， 為非導(dǎo)通狀態(tài)的插損。,6.消光比,兩個端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差,7.開關(guān)時間,開關(guān)端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時間， 從在開關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時刻起測量。,機械式光開關(guān)還有 回跳時間 壽命 重復(fù)性等 波導(dǎo)型開關(guān)還有 偏振相關(guān)性 溫度穩(wěn)定性 耐沖擊與振動性 環(huán)境性能,8.6.2 機械式光開關(guān),1.移動光纖型光開關(guān),光開關(guān)的輸入、

22、輸出端口中一端光纖固定，另一端活動，移動活動光纖，使之與固定光纖中的不同端口相耦合以實現(xiàn)光路切換。 活動光纖的移動方式：機械撥動、電磁吸引或壓電陶瓷伸縮效應(yīng)等。 結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好、插入損耗低，不依靠電驅(qū)動時不會產(chǎn)生回跳抖動。,圖8-41 移動光纖型光開關(guān),“V”型槽定位方式,導(dǎo)桿定位方式,簧片定位式,壓電陶瓷式,8.6.2 機械式光開關(guān),2.移動套管型光開關(guān),輸入、輸出光纖分別固定在兩套管中，其一固定在底座上，另一個可帶著光纖相對固定套管移動，實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。 活動套管移動方式：機械外力撥動、電磁鐵吸引、雙穩(wěn)態(tài)移動。 活動套管需通過插針定位法或側(cè)壁定位法以很高的精度定位在兩個或多個位置上。,圖

23、8-42 移動套管型光開關(guān),插針定位法22光開關(guān)動作前后狀態(tài)。動作前，1通3、2通4，動作后1通4、2通3,8.6.2 機械式光開關(guān),3.移動透鏡型光開關(guān),輸入輸出端口光纖均固定，依靠微透鏡精密的準(zhǔn)直而實現(xiàn)輸入、輸出光路的連接光從入纖進入輸入透鏡后變成平行光，裝在由微處理器控制的步進電機或其他移動機構(gòu)上的輸入透鏡移動，可使得光準(zhǔn)直到輸出透鏡或零位置。 當(dāng)兩透鏡成互相準(zhǔn)直狀態(tài)后，光被輸出透鏡，聚焦進入輸出光纖。 微處理器控制步進電機可實現(xiàn)精密的定位活動套管移動方式：機械外力撥動、電磁鐵吸引、雙穩(wěn)態(tài)移動。 活動套管需通過插針定位法或側(cè)壁定位法以很高的精度定位在兩個或多個位置上。,8.6.2 機械式

24、光開關(guān),4.移動反射鏡型光開關(guān),出入纖均固定，依靠旋轉(zhuǎn)球面或平面反射鏡，使輸入光與不同的輸出端口接通。,圖8-43 移動反射鏡型光開關(guān),8.6.2 機械式光開關(guān),5.移動棱鏡型光開關(guān),出入纖與其準(zhǔn)直光學(xué)元件(如自聚焦透鏡、平凸棒透鏡、球透鏡等)相連接，并固定不動，通過移動棱鏡而改變輸入輸出端口間的光路,圖8-44 移動棱鏡型光開關(guān),8.6.2 機械式光開關(guān),6.移動自聚焦透鏡型光開關(guān),適用于光纖與光纖的遠場耦合，廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)器件中。 除P/4GRIN透鏡可用于準(zhǔn)直耦合外，P/2的自聚焦透鏡還可用作移動光束的開關(guān),圖8-45 移動自聚焦透鏡型光開關(guān),8.6.3 MEMS式光開關(guān),利用MEMS技術(shù)制作的微型化的自由空間光