第三章光纖通信無源器件3.1光纖的連接與耦合3.2光衰耗器3.3光開關3.4光隔離器3.5光環行器3.6

波分復用/解復用器件3.1連接器連接器是光纖通信中應用 最廣泛最基本的光無源器件；連接器是把兩個光纖端面結合在一起，以實現光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件；對這種器件的基本要求是使發射光纖輸出的光能量最大限度耦合到接收光纖；連接器“跳線”用于終端設備和光纜線路及各種光無源器件之間的互連。對連接器的要求連接損耗(插入損耗)小；回波損耗大；多次插撥重復性好；互換性好；環境溫度變化時，性能保持穩定；并有足夠的機械強度；因此，需要精密的機械和光學設計和加工裝配，以保證兩個光纖端面和角度達到高精度匹配，并保特適當的間隙。圖3.1.1連接損耗的機理圖3.1.1連接損耗的機理連接器的基本結構包括接口零件、光纖插針和對中三部分。光纖插針的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC,AngledPhysicalContact)。對中可以采用套管結構、雙錐結構、V形槽結構或透鏡耦合結構。插針可以是微孔結構、三棒結構或多層結構。因此,連接器的結構也是多種多樣的。采用套管結構對中和微孔結構插針光纖固定效果最好，又適合大批量生產，得到了廣泛的應用，如圖3.1.2（b）所示。圖3.1.2活動連接器結構和特性連接器的種類兩插頭與轉接器的連接有FC型、SC型和ST型。FC：表示用螺紋連接；

SC（Square/SubscriberConnector）： 表示軸向插拔矩形外殼結構；

ST（SpringTension）：表示彈簧帶鍵卡口結構。通常我們把光纖插針端面結構和兩插頭與轉接器的連接結構結合在一起表示光纖活動連接器的類型，通常有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型等。表3.1.1各種單模光纖活動連接器的結構特點和性能指標接頭接頭是把兩個光纖端面結合在一起，以實現光纖與光纖之間的永久性(固定)連接。接頭用于相鄰兩根光纜(纖)之間的連接，以形成長距離光纜線路。永久性連接一般在現場實施，這種連接是光纜線路建造中的重要技術。對接頭的要求主要是連接(接頭)損耗小，有足夠的機械強度，長期的可靠性和穩定性，以及價格便宜等。接頭制作方法

---熱熔連接把端面切割良好的兩根光纖放在V形槽內，用微調器使纖芯精確對中；用高壓電弧加熱把兩個光纖端面熔合在一起；用熱縮套管和鋼絲加固形成接頭；接頭的質量不僅受光纖公差而且受電弧電流和加熱時間的影響。熱熔連接方法在世界范圍得到廣泛應用。市場上有多種規格的自動控制熔接機，使用方便。接頭制作方法---機械連接用V形槽、準直棒或彈性夾頭等機械夾具，使兩根端面良好的光纖保持外表面準直；用熱固化或紫外固化，并用光學兼容環氧樹脂粘結加固。這種連接方法接頭損耗大，因為纖芯對中的程度完全取決于光纖外徑公差和機械夾具對光纖的控制能力。毛細管粘結連接把光纖插入精制的玻璃毛細管中，用紫外固化粘結劑固定，對端面進行拋光；在支架上用壓縮彈簧把毛細管擠壓在一起。調節光纖位置，使輸出功率達到最大，從而實現對中，用光學兼容環氧樹脂粘結形成接頭。這種連接方法接頭損耗很低。圖3.1.2把端面切割良好的兩根光纖放在V形槽內，微調架對中，用高壓電弧加熱熔合在一起耦合器耦合器的功能是把一個或多個光輸入分配給多個或一個光輸出。耦合器對線路的影響是附加插入損耗，可能還有一定的反射和串音。選擇耦合器的主要依據是實際應用場合。T形耦合器是一種3端耦合器或2×2耦合器，它的功能是把一根光纖輸入的光功率分配給2根光纖。這種耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率組合器，或局域網終端的光輸入或光輸出耦合器。星形耦合器是一種NN耦合器，它的功能是把N根光纖輸入的光功率組合在一起，并均勻分配給N根輸出光纖。這種耦合器可以用作多端功率分路器或功率組合器。耦合器基本結構NN星形耦合器可以由幾個22耦合器組合而成。這種組合星形耦合器的缺點是元件多、體積大。熔拉雙錐星形耦合器是一種緊湊的單體星形耦合器。這種耦合器的制造技術是把許多光纖部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成雙錐形結構。錐形部分的作用是把每根光纖輸入的信號混合在一起，并近似相等地分配給每個輸出端。圖3.2.2用熔拉雙錐方法制造的星形耦合器另一種制造單模光纖星形耦合器的方法是新穎的集成光學結構，即在扇形的輸入和輸出波導陣列之間插入一塊聚焦平板波導區，即自由空間區，該區可用硅平面波導電路技術制成，它的作用是將輸入光功率均勻地分配到每個輸出端，如圖3.2.3所示。這種結構的星形耦合器適合構成大規模的NN星形耦合器，利用這種技術已制成用于1.55m波段的6464和144144星形耦合器。圖3.2.3采用硅平面波導技術制成的多端星形耦合器3.2光衰耗器光衰減器是用來穩定地、準確地減小信號光功率的無源光器件。光衰減器主要用于調整中繼段的線路衰減，測量光系統的靈敏度及校正光功率計等。光衰減器分固定衰減器和可變衰減器兩種。（1）固定衰減器，其造成的功率衰減值是固定不變的，一般用于調節傳輸線路中某一區間的損耗。（2）可變衰減器，它所造成的功率衰減值可在一定范圍內調節。可變衰減器又分為連續可變和分擋可變兩種。3.3光開關

光開關的功能是轉換光路，實現光信號的交換。對光開關的要求是插入損耗小、串音低、重復性高、開關速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長、結構小型化和操作方便。光開關分類機械光開關 包括微機械光開關波導光開關 利用電光、磁光、熱光和聲光效應機械光開關機械光開關優缺點在插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；但開關時間較長（幾十毫秒到毫秒量級）；開關尺寸較大，而且不易集成。微機電系統微機電系統(MEMS，Micro-Electro-MichanicalSystems)構成的微機電光開關已成為DWDM網中大容量光交換技術的主流。它是一種在半導體襯底材料上，用傳統的半導體工藝制造出可以前傾后仰、上下移動或旋轉的微反射鏡陣列，在驅動力的作用下，對輸入光信號可切換到不同輸出光纖的微機電系統。通常微反射鏡的尺寸只有140m150m，驅動力可以利用熱力效應、磁力效應和靜電效應產生。這種器件的特點是體積小、消光比大(60dB左右)、對偏振不敏感、成本低，其開關速度適中(約5ms)，插入損耗小于1dB。圖3.6.2可升降微反射鏡MEMS光開關圖3.6.2可升降微反射鏡MEMS光開關

圖3.6.3可旋轉微反射鏡MEMS光開關圖3.6.4可立臥微反射鏡MEMS光開關微機械光開關優缺點具有機械光開關和波導光開關的優點，卻克服了它們所固有的缺點；采用了機械光開關的原理，但又能象波導開關那樣，集成在單片硅基上；基于圍繞微機械中樞轉動的自由移動鏡面。主要開發商有美國Lucent、德克薩斯儀表公司和康寧等公司。微機械光開關進展用貝爾實驗室開發的MEMs

技術（微透鏡），已實現256256的光交叉連接（交換能力10萬億比特/s），是世界上第一個10G全光交叉連接系統；2001年已達到10241024；它可以運行在任何光層速率，包括40Gb/s以及更高的速率。波導開關開關時間短（毫秒到亞毫秒量級）；體積非常小，而且易于大規模集成；但插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標都比較差。圖3.6.5馬赫-曾德爾11光開關波導

光開關

原理互易器件和非互易器件連接器、耦合器等大多數無源器件的輸入和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而光通信系統也需要非互易器件，如光隔離器。光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件。某些光器件特別是激光器和光放大器，對于從連接器、接頭、調制器或濾波器反射回來的光非常敏感。因此通常要在最靠近這種光器件的輸出端放置光隔離器，以消除反射光的影響，使系統工作穩定。對光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和磁場低和價格便宜。3.4光隔離器隔離器

用法拉第磁光效應原理制成

隔離器

工作原理

起偏器P使入射光的垂直偏振分量通過調整加在法拉第介質的磁場強度，使偏振面旋轉45o，然后通過檢偏器A。反射光返回時，通過法拉第介質又一次旋轉45o

，正好和入射光偏振面正交，因此不會使入射光受到影響，等于把入射光和反射光相互隔離開來。

光隔離器光環行器用途和原理光環行器除了有多個端口外，其工作原理與光隔離器類似，也是一種單向傳輸器件；主要用于單纖雙向傳輸系統和光分插復用器中；方向性一般大于50dB。端口1輸入的光信號只有在端口2輸出，端口2輸入的光信號只有在端口3輸出。在所謂“理想”的環行器中,在端口3輸入的信號只會在端口1輸出。但是在許多應用中，這最后一種狀態是不必要的。因此，大多數商用環行器都設計成“非理想”狀態，即吸收從端口3輸入的任何信號，方向性一般大于50dB。3.5光環行器---用于單纖雙向傳輸系統3.6

波分復用/解復用器件波分復用器(WDM)的功能是把多個不同波長的發射機輸出的光信號復合在一起,并注入到一根光纖。解復用器的功能與波分復用器正好相反。棱鏡對不同波長的光有不同的折射角，當這些分開的光從棱鏡進入空氣時，又一次發生折射，從而進一步把復用光束分開，完成解復用。衍射光柵解復用器輸入的多波長復合信號聚焦在反射光柵上；光柵對不同波長光的衍射角不一樣，從而把復合信號分解為不同波長的分量；然后由透鏡聚焦在每根輸出光纖上。介質薄膜干涉濾波器解復用器介質薄膜光濾波器解復用器利用光的干涉效應選擇波長。連續反射光在前表面相長干涉復合，在一定的波長范圍內產生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過多層介質膜的干涉，就使一些波長的光通過，而另一些波長的光透射。多層電介質鏡工作原理所有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有相長干涉的特性(相位差為180度)，經過幾層這樣的反射后，透射光強度將很小，而反射系數將達到1。圖3.4.7用介質薄膜濾波器

構成典型的解復用器

布拉格光柵

光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵是一小段光纖，一般幾毫米長，其纖芯折射率經兩束相互干涉的紫外光（峰值波長為240nm）照射后產生周期性地調制，干涉條紋周期由兩光束之間的夾角決定。大多數光纖的纖芯對于紫外光來說是光敏的，將纖芯直接曝光于紫外光下將導致纖芯折射率永久性變化。光纖光柵帶通濾波器利用光纖布拉格光柵反射布拉格共振波長附近光的特性，可以做成波長選擇分布式反射鏡或帶阻濾光器。如果在一個22光纖耦合器輸出側的兩根光纖上寫入同樣的布拉格光柵，則還可以構成帶通濾波器。光分插復用器(OADM)在WDM網絡中，需要光分插復用器(OADM)，在保持其它信道傳輸不變的情況下，將某些信道取出而將另外一些信道插入。可以認為，這樣的器件是一個波分復用/解復用對。右圖表示固定波長光分插復用器。可編程分插復用器可編程分插復用器通過對光纖光柵調諧取出所需要的波長，而讓其它波長信道通過；所以這樣的分插復用器稱為分插濾波器。光交叉連接(OXC)光交叉連接(OXC)具有傳輸速率高、容量大、抗干擾能力強和對速率、信號格式透明等優點，是最有前途的下一代交換設備的基礎。右圖表示具有M個端口的OXC，每個端口接收N個波長的WDM信號，解復用器后分配每個波長到相應的空分交換矩陣，每個交換矩陣的輸入信號的波長都相同，并有一個額外的輸入和輸出口，容許插入和分出信道。交換后再將它們的輸出信號送到M個復用器，以便構成WDM信號。總結總結

3.光開關的作用是轉換光路，實現光信號的切換。光開關可以分為兩大類:一類是利用電磁鐵或步進電機驅動光纖或透鏡來實現光路轉換的機械式光開關。近來出現的微機械光開關，采用機械光開關的原理，但又能象波導開關那樣，集成在單片硅基底上，所以很有發展前途。另一類光開關是利用固體物理效應(如電光、磁光、熱光和聲光效應)的固