第三章光無源器件

（PassiveComponents

）內容提要連接性器件功能性器件光衰減器光隔離器與光環行器光開關偏振控制器光調制器

概述

一個完整光纖通信系統不僅需要光端機，光纖線路，而且還需要多種光器件，光器件是光纖傳輸系統重要組成部分。光器件有源光器件：需要外加泵浦源，如電信號、光信號等。無源光器件：無需外加泵浦源就能完成器件功能。光有源器件：

激光器、發光二極管；光檢測器；光放大器、波長轉換器、光調制器光無源器件：光纖連接器、光定向耦合器、光衰減器、光隔離器、光環形器、波分復用器、光纖布拉格光柵、光偏振控制器、光開關體塊型（分立元件組成）：光隔離器、光濾波器和閃耀光柵波分復用等全光纖型：光定向耦合器、光纖型波分復用和光纖型濾波器等。波導型：鈮酸鋰（LiNbO3）波導開關、波導調制器等。光無源器件按結構形式分：光纖傳輸系統對光無源器件的要求：1.插入損耗小（除光衰減器外），對信號影響小。2.使用方便，便于操作與維護。3.可靠性高，不受反復操作的影響，重復性高。4.體積小，重量輕。Agoodbookisagoodfriend§1連接性器件光纖（纜）活動連接器在結構上千差萬別，品種上多種多樣，但按其功能可以分成如下幾個部分：連接器插頭（PlugConnector）：由插針體（即裝配好光纖的插針）和若干外部零件組成。使光纖（纜）在轉換器或變換器中完成拔插功能的部件稱為插頭。兩個插頭在插入轉換器或變換器后可以實現光纖（纜）之間的對接。光纜跳線（JumperCable）：將一根光纖的兩頭都裝上插頭，稱為跳線。連接器插頭是其特殊情況，即只在光纖一頭裝有插頭。跳線可以是單芯的或多芯的。轉換器（Adaptor）：把光纖插頭連接在一起，從而使光纖接通的器件。轉換器俗稱插座或法蘭盤。轉換器可以連接同型號或不同型號的插頭。可以連接一對或幾對或多芯插頭。變換器（Converter）：將某一型號的插頭變換成另一型號插頭的器件。裸光纖轉接器（BareFiberAdaptor）：將裸光纖與光源、探測器以及各類光儀表進行連接的器件。光纖（纜）活動連接器：習慣上是指兩個連接器插頭加一個轉換器。活動連接器是實現光纖與光纖之間可拆卸連接的器件，活動連接器件是光纖通信領域最基本、應用最廣泛的無源器件，用于：光纖線路與光發射機輸出或光接收機輸入之間光纖線路與其他光無源器件之間的連接光纖與測試儀表之間光纖固定接頭是實現光纖與光纖之間的永久性（固定）連接，主要用于光纖線路的構成，通常在工程現場實施。FC/FC型活動連接器(用于FC和FC型插頭互連)FC/FC型活動連接器

一．單芯活動連接器的結構與種類FC型插頭采用螺紋連接

FC型插頭：平頭PC型插頭：球面頭APC型插頭：斜八度頭FC/SC型活動連接器(用于FC和SC型插頭互連)SC型插頭SC型插頭：由日本NTT研制，插針、套筒與FC型完全一樣，外殼采用工程塑料制作，矩形結構，不用螺紋連接，可以直接插拔。FC/ST型活動連接器

(用于FC和ST型插頭互連)ST型插頭：由AT&T公司開發，采用帶鍵的卡口式鎖緊結構，確保連接時準確對準。“Jumpercables”toconnectdevicesandinstruments

“Adaptercables”toconnectinterfacesusingdifferentconnectorstyles

Insertionlossisdominatedbytheconnectorlosses(2mfiberhasalmostnoattenuation)

Oftenyellowsheathusedforsingle-modefiber,orangesheathformultimode二．多芯連接器的結構與種類主要針對帶狀光纜，將多芯光纜的光纖分別卡在V型槽對應的孔內，就可以被固定連接起來。光纖V型槽三．主要性能指標1．插入損耗L

若輸入光纖的光功率為PT，輸出光纖的光功率為PR，插入損耗定義為：

dB2.回波（反射）損耗RLdBP′TP′RPTPR其中P′T是反向輸入光功率，P′R是反向輸出光功率引起光纖連接損耗的原因:兩光纖端面之間有間隙D；兩光纖軸有橫向位移d；兩光纖軸傾斜成角度θ；光纖端面不平整。§2功能性器件光衰減器功能：只衰減光的能量，不改變其他性能。用途：光通信系統和測試系統指標（1）小可變衰減器（2）吸收膜可變衰減器步進可變衰減器連續可變衰減器固定衰減器（1）小可變衰減器原理通過法蘭盤旋轉使兩根光纖端面之間的距離發生變化，利用空氣對光的衰耗進行小范圍的光強調整。（2）吸收膜可變衰減器原理在玻璃板上鍍上一層Ni(鎳)和Cr(珞)化合物等元素構成的金屬蒸發膜，當光通過時，能吸收部分或全部光能。旋轉軸光路光路旋轉軸為了減小反射光，衰減片與光軸可以傾斜放置。光衰減器的主要技術要求是：

高的衰減精度好的衰減重復性低的原始插損一．光纖定向耦合器——簡稱光纖耦合器光纖光耦合器的功能：把一個輸入的光信號功率分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號功率組合成一個輸出。這種光耦合器與波長無關。用途：光通信網絡，光通信監測系統Wavelength-Independentcoupler(WIC)types:couplelightfromeachfibertoallthefibersattheotherside50%/50%(3dB)mostcommon4porttype1%,5%or10%taps(often3portdevices)1.X形定向耦合器（2×2）理想情況下，當在端口1輸入光功率時，在3和4端口按一定比例輸出，而不返回端口2，故稱定向耦合器。1243耦合器X形耦合器功能如下:X形耦合器的制作方法主要有兩種：研磨拋光法熔融拉錐法輸入按比例輸出作用P1,P4,P3分路(P2很小)P4,P3P1耦合(P2很小)P2P4,P3分路(P1很小)1243研磨拋光法：基本原理是利用兩根單模光纖之間光信號的耦合。先在一個石英塊上刻上適當深度的圓弧型槽，然后把一根單模光纖放在槽內，使光纖發生彎曲，經過適當的研磨和拋光，將露出石英表面的光纖的包層去除一部分，只剩下1μm左右。另一根光纖用同樣方法的處理。將這兩根經過研磨和拋光的兩根光纖緊靠在一起，中間涂一層折射率匹配液，這樣在兩光纖相互接觸的面上只留下很薄的一層包層，并通過適當的調整兩根光纖的相對位置以得到需要的功率耦合，這樣就制成了一個光纖耦合器。研磨拋光法熔融拉錐法：將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，最終在加熱區形成雙錐體形式的特殊波導結構。輸入臂背向散射臂3耦合臂4直通臂熔融拉錐法下圖可用來定性地表示熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理。入射光功率在雙錐體結構的耦合區發生功率再分配，一部分光功率從“直通臂”繼續傳輸，另一部分則由“耦合臂”傳到另一光路。

熔融拉錐型光纖耦合器的結構示意圖I4I3當傳導模進入熔錐區時，隨著纖芯a的不斷變細，光纖的歸一化截止頻率V值逐漸減小，有越來越多的光功率滲入光纖包層中，轉換成在由包層作為芯，纖外介質（一般是空氣）作為新包層的復合波導中傳輸；在輸出端，隨著纖芯的逐漸變粗，V值重新增大，光功率被兩根纖芯以特定的比例“捕獲”。迅衰場耦合示意圖在熔錐區，兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合。將一根光纖看做是另一光纖的擾動，通過很薄的包層，實現兩根單模光纖之間的光耦合。對于單獨的單模光纖，可以從波動方程式和邊界條件比較精確地求出光纖中的傳輸模式及其場型。但在光纖耦合器中，由于另一根光纖的存在，使光纖中場分布發生畸變，在這種情況下，精確求解場分布是很困難的。因此，可以用微擾法近似地進行分析，即假設在耦合器中，每一光纖的場分布不受另一光纖的擾動，耦合器系統總的場分布可以用每一根光纖原來的場分布的線性疊加來表示，即光纖耦合器中兩波導的耦合性質就可通過線性耦合方程來表示。這樣，參數相同的兩根平行光纖沿互作用區域光功率的分布為：式中，P0——z=0處注入光纖1中的光功率，初始條件為P1(0)＝1,P2(0)＝0；P1(z)、P2(z)——沿互作用區z處光纖1和光纖2中的光功率；z——兩根光纖的互作用區的距離；C——兩根光纖HE11模的耦合系數。

2.星形耦合器（n×m)星形耦合器如圖3-7所示。功能：把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖輸出,n和m不一定相等。特點：該耦合器通常用作多端功率分配器。這種光耦合器與波長無關。

星形耦合器nm用2×2耦合器拼接星型、樹型耦合器星形耦合器應用光耦合器的性能指標

以X型光耦合器為例，其性能指標如下:1.插入損耗L：

L=10LgP1/（P4+P3）dB2.耦合率C：

C=P3/P1

3.分光比R：

R=P4/P34.隔離度I：

I=10lg（P4+P3）/P2dB

二.Wavelength-DependentCouplersWavelength-divisionmultiplexers(WDM)types:3portdevices(4thportterminated)1310/1550nm(“classic”WDMtechnology)1480/1550nmand980/1550nmforpumpingopticalamplifiers(seelater)1550/1625nmfornetworkmonitoring

Insertionandrejection:Lowloss(<1dB)forpathwavelengthHighloss(20to50dB)forotherwavelengthCommonl1l2詳見第七章§3光隔離器與光環行器一.光隔離器功能：只允許光波往一個方向上傳輸，阻礙光波往其他方向特別是往反方向傳輸。指標要求:是正向入射光的插入損耗約1dB，對反向光的隔離度大致為40~50dB。用途：光通信系統IsolatorsMainapplication:Toprotectlasersandopticalamplifiersfromlightcomingback(whichotherwisecancauseinstabilities)

Insertionloss:Lowloss(0.2to2dB)inforwarddirectionHighlossinreversedirection:

20to40dBsinglestage,40to80dBdualstage)

Returnloss:Morethan60dBwithoutconnectors隔離器工作原理偏振器的作用：選擇一定偏振方向的光偏振器的特點是它有一透光軸，對理想的偏振器，沿透光軸方向的偏振光能完全通過，而與之垂直的偏振光則完全被阻止。旋轉器作用：改變偏振光的偏振方向旋轉器常采用釔鐵石榴石（YIG）晶片（或小球）外加磁場做成。2.光隔離器的特性如圖所示，光隔離器的性能參數定義如下：①正向插入損耗：L=10lgPi1/P01dB

②反向損耗：L*=10lgPi2/P02dB③隔離度I=L*-L=反向損耗-正向損耗反向輸入Pi2反向輸出P02正向輸入Pi1正向輸出P01光隔離器二．光環行器

環行器除了有多個端口外，其工作原理與光隔離器類似。

光纖環形器的應用：主要用于光分插復用器中光發射機1光接收機1光環形器光接收機2光發射機2雙向傳輸系統中§4光開關

光開關的功能是轉換光路，實現光空間交換，它是光網絡的重要器件。光開關在光通信中的作用有兩類：1.將某一光纖通道的光信號切斷或開通；2.將某波長光信號由一光纖通道轉換到另一光纖通道去；光開關的特性參數主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、串擾、工作波長、消光比、開關時間等。光開關可分為兩大類：機械光開關：利用電磁鐵或步進電機驅動光纖，棱鏡或反射鏡等光學元件實現光路轉換。非機械光開關：電光開關、磁光開關、集成光路光開關。

一.機械光開關圖3-16移動光纖式光開關

移動反射鏡式光開關

靠微型電磁鐵或壓電器件驅動光纖或反射光的光學元件發生機械移動，使光信號改變光纖通道的光開關。

近年來正大力發展一種集成化的微機電系統（MEMS）開關，在硅片上用微加工技術做出大量可移動的微型鏡片構成的開關陣列，通過靜電力使微鏡發生轉動。下圖是一個MEMS實例，它采用16個可以轉動的微型反射鏡，實現兩組光纖束間的4×4光互連。

MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微電子機械系統)是指集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統。在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（ScalingEffects），許多物理現象與宏觀世界有很大區別，因此許多原來的理論基礎都會發生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。MEMS技術的目標是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。二.非機械光開關1.電光開關的原理一般是利用鐵電體、化合物半導體、有機聚合物等材料的電光效應（Pockels效應）或電吸收效應（Franz-Keldysh效應）以及硅材料的等離子體色散效應，在電場的作用下改變材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光強突變或光路轉變。

電光開關：通過對電介質施加電場使其折射率分布發生改變，從而導致偏振光反射特性改變，實現光開關，速率可達s級。磁光開關：利用某些旋磁材料在外加磁場作用下產生旋光性，使材料的光偏振面發生旋轉實現光開關。集成光路光開關：利用集成光學Mach-Zehnder干涉儀的熱光效應和電光效應實現，是未來光纖通信最有希望的光開關。2.偏振強度調制型光開關

3.熱光開關圖3-18M-Z干涉型熱光開關

數字熱光開關（a）X型（開關）

(b)Y型（開關）固體光開關優點：開關速度快，易于集成缺點：插入損耗大，串音大。機械光開關優點：插入損耗小，串音小。缺點：開關速度慢。光交換方式：1.空分光交換是在空間域上將光信號進行交換。主要的功能元件是空間光開關。2.時分光交換在時間軸上將復用的光信號的時間位置從t1轉換成另一時間位置t2。主要的功能元件是光纖延遲線。3.波分光交換將波分復用信號中任一波長1變換成另一波長2

。主要的功能元件是波長轉換器。1.空分光交換2×2光開關4個1×2光開關構成基本的光纖型光開關的入端和出端各有兩條光纖，可以完成平行和交叉兩種連接狀態。有波導型，門型，機械型，熱光開關等實現方案。LiNbO3的方向耦合器構成1×2光開關2.時分光交換目前的光時隙交換器都是由空間光開關和一組光纖延遲線構成。光纖延遲線以光信號在其中傳輸一個時隙時間經歷的長度為單位，光信號需要延時幾個時隙，就讓它經過幾個單位長度的光纖延遲線。123T光開關光開關t1,t2…tTt1,t2…tT3.波分光交換波分復用器1,2…nm…z波分復用器OTUOTUOTU21nmz4.復合光交換§5偏振控制器

偏振控制器控制光的偏振態，可將任意偏振態的輸入偏振光，轉變為輸出端指定的偏振狀態。偏振控制器有廣泛的應用。主要類型有：光纖型偏振控制器波片型偏振控制器光纖型偏振態控制器實物圖圖3-19光纖型偏振控制器裝置圖波片型偏振控制器圖3-20偏振控制器原理圖

偏振控制器由兩個相位波片PP1和PP2構成。

PPl是λ／4光延遲器（或稱波片），PP2是λ／2波片。

通過改變延遲量或主軸的方向來實現偏振控制，有時配以光旋轉器。工作原理一般輸入為任意的橢圓偏振光。現假定要求通過偏振控制器PP1變為指定方向（如Y方向）線偏振光。

λ／4