《光電子技術基礎》第二版朱京平

1、第8章 光通信無源器件技術,第8章 光通信無源器件技術,8.1光纖連接器8.2光衰減器8.3光耦合器8.4光波分復用器8.5光隔離器8.6 光開關,光纖通信、光纖傳感及其他光纖應用領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， 各項技術指標、計算公式、測試方法等與纖維光學、集成光學息息相關。,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結構使兩根光纖的纖芯對準

2、性能實現光路接續(xù)，保證光纖網絡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活動性，光纖活動連接器。指標插入損耗(簡稱插損)、回波損耗(簡稱回損)、以及譜損耗、背景光耦合、串擾、帶寬等等；對于活動光纖連接器還有重復性和互換性,8.1.1 光纖連接器主要指標—(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： 其中IL為插損，Pi 為輸入端光功率， Po為輸出端

3、光功率。插損越小越好，ITU建議應不大于0.5dB。多模光纖連接器注入的光功率應當經過穩(wěn)模器以濾去高次模，使光纖中的模式為穩(wěn)態(tài)分布，以準確衡量連接器插損,8.1.1 光纖連接器主要指標—(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的光功率占輸入光功率的份額。會引起激光器相對強度噪聲、非線性啁啾及激射飄移等，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： 其中RL

4、為插損，Pi 為輸入端光功率， Pr為后向反射光功率?；負p越大越好，以減少反射光對光源和系統(tǒng)的影響。典型值初期要求應不小于25dB，現要求不小于38dB。,8.1.1 光纖連接器主要指標—(3)重復性與互換性,重復性 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?；Q性 連接器插頭與轉換器兩部分的任意互換或有條件互換的性能指標，可以考核連接器結構設計和加工工藝的合理性，也是表明連接器實用化的重要標

5、志，用戶和廠家一般要求互換連接器的附加損耗應限制在小于0.2dB的范圍內。,8.1.2 影響插入損耗的各種因素(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50?m、

6、 ，算得橫向錯位2.46?m; 統(tǒng)計值3?m 單模光纖芯徑10?m， ，算得橫向錯位0.72?m; 統(tǒng)計值0.8?m?！碚撆c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

7、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對應多模漸變型光纖傾角0.7°，單模光纖0.3° ?！獙嶋H生產中傾角可控制在0.1°內——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

8、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，n1=1.46，?=1.31 ?m， Z=1?m時，芯徑50 ?m多模漸變光纖端面間隙損耗為0.006dB芯徑10?m單模光纖端面間隙損耗為0.089dB ——只要端面間隙控制在1?m之內，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

9、)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，當光進入其中時就會產生多次反射，從而產生的損耗，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(a2&l

10、t;a1)的光纖時導致的損耗,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)數值孔徑失配損耗,光纖數值孔徑失配損耗：,當光從數值孔徑為N.A.1的光纖射向數值孔徑為N.A.2 (N.A.2< N.A.1)的光纖時導致的損耗,圖8-4 單模光纖數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生

11、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性和互換性，因而在連接器設計和制作時必須針對以上各種因素進行優(yōu)化設計并提高加工精度，以期連接損耗最小，并且同時提高器件的重復性和互換性指標,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25~60mm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?！墒?/p>

12、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定方位對準——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?！蟊ＷC連接時插針體嚴格按照預定方位對準。,出發(fā)點：光通信系統(tǒng)中需回波損耗>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

13、頭) (1) 基礎,用于連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光路的可重復使用的無源器件應用：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，目前使用數量最多的光無源器件基本結構含：對中：可以采用套管、雙錐、V型槽、透鏡耦合等結構插針：可以是微孔、三棒、多層等結構，端面：有平面、球面、斜面等結構。,8.1.4光纖活動連接器 (2) 類型—— 根據功能分,連接器插

14、頭(Plug Connector)：實現光纖在轉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換器(Adaptor)：將光纖插頭連在一起變換器(Converter)：轉變光纖插頭類型裸光纖轉接器(Bare Fiber Adaptor)。 ——可以單獨使用，也可結合為組件使用。 ——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換器。,8.1.4光纖活動連接器（2）類

15、型——根據插針+對中類型分,套管結構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。對準時，以插針的外圓柱面為基準面，插針插入套筒并與其實現緊配合，以保證兩根光纖精密對準。連接器發(fā)展主流。設計合理、能通過加工達到要求精度，量產容易，為FC、SC、ST、D4等型號連接器的基本結構,8.1.4光纖活動連接器（2）類型——根

16、據插針+對中類型分,雙錐結構插針外端面加工成圓錐面，基座內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，內外錐面的結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&T的專利技術，由其創(chuàng)立和使用。,8.1.4光纖活動連接器（2）類型——根據插針+對中類型分,V型槽結構將兩個插針放入精密設計的V型槽中，再用蓋板將插針壓緊，使纖芯達到對準。荷蘭飛利浦的

17、專利技術，單纖連接時一般不被采用，常用于單纖/多纖與平板波導連接或多纖之間互相連接。,8.1.4光纖活動連接器（2）類型——根據插針+對中類型分,球面定心結構由裝有精密鋼球的基座和裝有圓錐面的插針組成。鋼球開有一內徑比插針外徑大的通孔，當兩插針插入基座時，球面與錐面切合使纖芯對準并使纖芯間距符合要求結構設計巧妙，但結構復雜，未被廣泛采用。,8.1.4光纖活動連接器（2）類型——根據插針+對中類型分,透鏡耦合結構通過球透鏡或自聚焦

18、透鏡來實現光纖的對準。透鏡將一根光纖的出射光變成平行光后進入另一透鏡聚焦并耦合入第二根光纖。可以降低對機械加工的精度要求，但結構復雜、體積大、調整元件多、損耗大，在短距離便捷通信中采用 。,,,球透鏡耦合,自聚焦透鏡耦合,8.1.4光纖活動連接器（2）類型——根據插針+對中類型分,以上五種基本結構的插針體（插針+對中）再加上若干外部零件就組成連接器插頭，用來實現光纖在轉換器或變換器之間完成插拔功能，其機械機構必須保證使光纖不受外界

19、損害。,,,,8.1.4光纖活動連接器（3）跳線——結構與功能,將一根光纖的兩頭都裝上插頭就形成跳線。 可以是單芯的也可以是多芯的 兩個插頭的型號可以相同也可以不同。 最常用的光連接器功能元件，用于終端設備和光纜線路及各光無源器件間互連,,,,8.1.4光纖活動連接器（3）跳線——選擇參數,插頭型號——跳線兩頭的型號可以相同也可以不同光纖型號——如：單模、多模、色散位移、保偏等光纖芯徑——如：?62.5?m、?50?m、?9?

20、m、?8?m、?4?m光纖芯數——如：單芯、雙芯、四芯等光纜類型——如：塑料光纖、涂覆光纖、帶狀光纜等光纜外徑——如：?3.5mm、?3mm、?2.5mm、?2mm 、?0.9mm等光纜長度——如：0.5m、1m等插頭數 ——如：一頭裝單插頭、兩頭各裝單插頭、兩頭各裝雙插頭等插入損耗——如：40dB、>50dB、>60dB等插針材料——如：陶瓷、玻璃、不銹鋼、塑料等套筒材料——如：磷青銅、鈹青銅、陶瓷等。

21、插針端面形狀——如：平面、球面、斜球面,,,,8.1.5光纖固定連接器（固定接頭或接線子）,作用： 使一對或幾對光纖之間形成永久性連接，要求 要求損耗低、后向反射光小、操作簡便、性能穩(wěn)定。 對互換性、重復性沒有要求制作方法：熔接法：應用最廣。插損很小，無后向反射光，理想接頭V形槽法：多芯連接。插損小，后向反射小，小巧、操作簡毛細管法：插損小，一定后向反射光，小巧、操作簡，適合野外作業(yè)套管法：插損小，一定后

22、向反射光，小巧、操作簡便，適合野外作業(yè)這些方法各有優(yōu)缺點，都能制作出滿足工程需要的固定接頭 。,,,,,8.1.5光纖固定連接器——發(fā)展方向,,除光纖熔接機外，其他固定連接器發(fā)展方向：多芯化提高加工精度和研制更好的匹配液利用V形槽和毛細管結構實現帶狀光纖、光波 導陣列、光有源器件陣列,,,,8.2 光衰減器,可按照用戶的要求將光信號能量盡量進行預期衰減的器件 用途： 光通信線路系統(tǒng)的評估、研究及調整、校正。

23、分類(根據工作原理分)：,,,,,,8.2.1光衰減器結構和工作原理(1)位移型光衰減器,,工作原理： 兩段光纖進行連接時，纖芯錯位、端面間隙都會引起連接器損耗。 反之，將光纖對中精度做適當調整，可以控制連接時的衰減量?！幸庾尮饫w在對接時發(fā)生一定錯位，引起光能量損失，達到控制衰減量目的。分類：橫向位移型 軸向位移型,,,,,,8.2.1光衰減器結構與工作原理(1)位移型光衰減器,(a)橫向位移型光衰減器,采

24、用波動光學的理論推導光纖耦合過程。,理想狀態(tài)下，無論光纖端面形狀如何，單模光纖基模總可近似為高斯函數,,該光束經過橫向錯位d傳輸到第二根光纖的端面時，模場分布變?yōu)椋?,,其中，,,即在第二根光纖端面處，相對于第二根光纖纖芯，入射光束的模場分布發(fā)生了變化，帶來了由于模場失配產生的能量損失。,,(8-13),(8-14),,,,8.2.1光衰減器結構與工作原理(1)位移型光衰減器,,將前述各式代入，得橫向位移光能量損耗：,,式中，,同樣，模

25、式穩(wěn)態(tài)分布情況下多模漸變光纖的耦合損耗：,,式中，k=n1/n0，n0為兩端面間物質折射率，n1為纖芯折射率，n2為包層折射率， d為兩光纖間橫向位移， a 為纖芯半徑，?為波長，A0、A0’ 為修正因子。,,,,設光纖間軸向間隙z0可忽略，則橫向耦合效率可表示為兩模場的交疊積分：,(a)橫向位移型光衰減器,8.2.1光衰減器結構與工作原理(1)位移型光衰減器,圖8-15(b)為k=1時的Ld?d曲線圖。實際制作中常根據該類曲線圖確

26、定所需衰減量對應的橫向位移量，并通過一定的機械定位方式、用熔接或粘接法制作成需要的固定衰減器。這類衰減器回波損耗很高(通常大于60dB)，目前仍具有較大市場。,,,,,k=1時的Ld?d曲線圖,(a)橫向位移型光衰減器,8.2.1光衰減器結構與工作原理(1)位移型光衰減器,,,,,,利用光纖端面間隙帶來光通量損失的原理制作的光衰減器。 即使3dB衰減器對應間隙>在0.1mm，工藝易控制，被很多廠家采用 實現方式：用機械的方式

27、將兩根光纖拉開一定距離進行對中 可制作衰減器類型：固定光衰減器和一些小型可變光衰減器。 可看成一個損耗大的光纖連接器，與連接器結構結合可形成轉換器式光衰減器和變換器式光衰減器?？膳c系統(tǒng)中的連接器配套使用。,(b)軸向位移型光衰減器,8.2.1光衰減器結構與工作原理(1)位移型光衰減器,，B0: 修正因子，Z: 兩光纖端面間的距離。,,,,,,,可通過高斯光束失配法求得光纖端面間的軸向間隙Z引起的光能量損失。,單模光纖：,(b)軸向

28、位移型光衰減器,,,模斑直徑10微米，k=1,8.2.1光衰減器結構與工作原理(2)直接鍍膜型光衰減器,直接在光纖端面或玻璃基片上鍍制金屬吸收膜或反射膜來衰減光能量的衰減器。常用的蒸鍍金屬膜包括：Al、Ti、Cr、W膜等。如果采用Al膜，常在上面加鍍一層SiO2或MgF2薄膜作為保護膜。,,圖8-17 直接鍍膜型光衰減器結構示意圖,,,,8.2.1光衰減器結構與工作原理(3)衰減片型光衰減器,,將具有吸收特性的衰減片通過機械裝置直接

29、固定在光纖端面或準直光路中的衰減器?？芍谱鞴潭ü馑p器、變光衰減器。光信號經1/4節(jié)距GRIN透鏡準直、衰減片衰減后，再被第二個GRIN聚焦耦合進光纖使用不同衰減量的衰減片，就可得到相應衰減值的光衰減器。一般常選用有色玻璃和濾光片作衰減片。分類雙輪式可變光衰減器平移式光衰減器智能型機械式光衰減器,,,,8.2.1光衰減器結構與工作原理(3)衰減片型光衰減器,(a)雙輪式可變光衰減器：將光衰減單元插入由一對1/4節(jié)距GR

30、IN透鏡和單模光纖構成的光纖準直器間距中分類——根據衰減圓盤上衰減片的不同步進式雙輪可變光衰減器： 每個輪上有多個固定衰減量衰減片，輪旋轉，二輪衰減片組合，得多檔衰減連續(xù)可變光衰減器： 將其中一個輪上的衰減片換成一片連續(xù)變化的衰減片即可?！B續(xù)衰減片：采用真空鍍膜法在圓形光學玻璃片上鍍制金屬吸收膜而制成的扇形漸變?yōu)V光片。,,圖8-18 雙輪式可變光衰減器,,,,,8.2.1光衰減器結構與工作原理(3)

31、衰減片型光衰減器,(b)平移式光衰減器： 將雙輪改用全量程連續(xù)變化的中性濾光片，垂直光路平移濾光片即可調節(jié)衰減量。 全量程連續(xù)變化的中性濾光片：光學密度隨濾光片平移方向呈線性變化。 連續(xù)變化濾光片的透過率： 式中，k為常數，由濾光片吸收系數? 和濾光片的幾何尺寸決定；s為濾光片垂直 于光路的位移量；d0為濾光片起始處透過率。只要濾光片上吸收膜足夠均勻，濾光片位移面足夠平整，就具有理想線性度

32、。,圖8-19 平移式可變光衰減器,,,,8.2.1光衰減器結構與工作原理(3)衰減片型光衰減器,(c)智能型機械式光衰減器：通過電路控制電動齒輪帶動平移濾光片，再將數據編碼盤檢測到的實際衰減量反饋信號反饋到電路中進行修正，從而實現自動驅動、自動檢測和顯示光衰減量。提高了光衰減器衰減精度，同時體小、質輕、使用方便。,,,,利用液晶的電光效應制作的光衰減器eg.扭轉向列P型液晶光衰減器(液晶光軸與P1夾角45°) ：

33、 光強Ii、波長?的入射光經GRIN透鏡準直后被分束器P1分為o光和e光， 進入厚度為z的液晶。液晶元件不加壓時，o光e光同時旋轉90°后通過? P1的P2出射并由第二個GRIN透鏡耦合進光纖；液晶兩電極加壓后，扭轉向列小盒使輸出光強 其中 隨外加電場增強而增大，——隨著電場不斷增大，Io逐漸變小，耦合進入出纖的信號越小,8.2.1光衰減器結構與工作原理(4

34、)液晶型光衰減器,圖8-20 液晶型光衰減器工作原理示意圖,8.2.2 光衰減器的性能,光通信系統(tǒng)中光衰減器要求： 插損低回損高衰減量可調范圍大衰減精度高分辨率線性度高分辨率重復性好、環(huán)境性能好。 分辨率線性度取決于衰減元件特性和所采用的讀數顯示方式及機械調整結構 重復性取決于所采用的讀數顯示方式及機械調整結構。,,,,8.2.2 光衰減器的性能,1.衰減量和插入損耗,固定光衰減器：插損指標要求高質量可變光

35、衰減器插損<1.0dB，普通可變光衰減器<3.0dB。來源：光纖準直器的插入損耗和衰減單元的透過率精度及耦合工藝。若光纖和GRIN透鏡及兩光纖準直器耦合很好，則整個光衰減器插損可大大降低,2.衰減精度,機械式光衰減器：其衰減量的±0.1倍。 衰減量取決于金屬蒸發(fā)鍍膜層的透過率和均勻性。 t為膜層厚度，呈線性變化——對吸收材料的均勻性應做嚴格要求。

36、 ?取決于材料吸收本領，是波長的函數——選擇?隨波長變化小的材料 機械式光衰減器的讀數顯示方式及機械調整方式也將影響到衰減精度。,,,,3.頻譜特性,在計量、定標等場合使用中，需要衰減器在一定的帶寬范圍內有較高的衰減精度，其衰減譜線具有較好的平坦性?！蛔鳛樗p器常規(guī)測試指標，僅在需要時測量。一般情況下，固定光衰減器的頻譜損耗在－30～30nm的范圍內不大于0.5dB。,8.2.2 光衰減器的性能,4.回

37、波損耗,指入射到光衰減器中的光能量和衰減器中沿入射光路反射出的光能量之比。 一般由各元件和空氣折射率失配造成的反射引起，平面元件引起的回損約14dB光衰減片是引起回損的一個重要原因。傾斜放置可提高回損。準直器型光衰減器回損主要來源于入射光的準直光路部分：單模光纖端面反射、GRIN透鏡前后端面反射 提高回損的方法 表面鍍制抗反射膜 采用斜面透鏡 將光學衰減元件傾斜于光軸放置 進行折射率匹配——運用范圍有限

38、連接器不斷插拔中折射率匹配材料受到不斷摩擦，從而影響光衰減器壽命可變光衰減器中衰減元件使用時常處于移動狀態(tài)，不宜填加折射率匹配材料不同的斜面傾角有不同的折射率最佳匹配 未鍍膜、傾角0?時，回損14dB左右；光纖準直器GRIN透鏡端面鍍0.1%增透膜，衰減元件傾角8?時，回損可>60dB,,,,8.3 光耦合器,使傳輸中的光信號在特殊結構耦合區(qū)發(fā)生耦合并進行再分配。 應用：早期用于從傳輸干路取出一定的功率進行監(jiān)控等。

39、 隨著光纖通信、光纖用戶網、光纖CATV、無源光網絡(PON)、光纖傳感技術等領域的迅猛發(fā)展，應用越來越廣，已形成多功能、多用途的產品系列 除具有一般光無源器件特性參數外，還另有特定含義參數。,,,,8.3光耦合器——分類,從功能分光功率分配器(Splitter)光波長分配（合/分波）耦合器（WDM coupler）從端口形式上劃分X形（2×2）耦合器Y形（1×2）耦合器星形（N×N，N&g

40、t;2）耦合器、樹形（1×N，N>2）耦合器等；從工作帶寬的角度劃分單工作窗口的窄帶耦合器（Standard Coupler）單工作窗口的寬帶耦合器（Wave Length Flattened Coupler，簡稱WFC）雙窗口的寬帶耦合器（Wavelength Independent Coupler，簡稱WIC）；從傳導光模式差異分多模耦合器單模耦合器之分；從結構上分分立光學元件組合型全光纖型平

41、面波導型,8.3.1光耦合器特性參數,反映器件制作過程帶來的固有損耗定義：所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率以分貝表示的減小值：,3.分光比（Coupling Ratio）,定義：耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比,,,,1.插入損耗(Insertion Loss),反映各輸出端口的輸出功率狀況——與分光比有關，不能反映器件制作質量定義：以分貝表示的第i個輸出端口的光功率POUTi相對全部輸入光功率PIN的減

42、少值,2.附加損耗（Excess Loss）,,,8.3.1光耦合器特性參數,4.方向性（Directivity）,光耦合器所特有的衡量器件定向傳輸特性的參數。以標準X形耦合器為例定義：耦合器正常工作時輸入側非注光端輸出光功率與全部注入光功率比值的分貝數,其中，PIN1為注入光功率，PIN2代表輸入側非注光端的輸出光功率。,5.均勻性（Uniformity）,用來衡量均分型光耦合器“不均勻程度”的參數。定義：在器件的工作帶寬范圍內各

43、輸出端口輸出光功率的最大變化量：,6.偏振相關損耗（Polarization Dependent Loss）,衡量器件性能對傳輸光信號偏振態(tài)敏感程度的參數，俗稱偏振靈敏度。定義：當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360o變化時，器件各輸出端光功率的最大變化量：,,,,,,,8.3.1光耦合器特性參數,7.隔離度（Isolation）,反映WDM器件對不同波長信號分離能力的參數定義：指光纖耦合器某一光路對其他光路中光信號的隔離能力,式中Pt是某

44、一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值。 隔離度高則串擾（crosstalk）小。 隔離度對于分波耦合器意義更為重大，要求也更高(>40dB)； 一般合波耦合器對隔離度要求不苛刻，20dB左右不帶來實際應用明顯不利影響。,,,,,8.3.2 熔融拉錐(FBT, Fiber biconical taper)型全光纖耦合器,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，最終形成雙錐體形式的特

45、殊波導結構，實現傳輸光功率耦合的一種方法?？捎糜嬎銠C較精確控制各過程參量，并隨時監(jiān)控光纖輸出端光功率變化附加損耗極低(已可低于0.05dB)、方向性好(一般超過60dB)、環(huán)境穩(wěn)定性好(工作范圍－40℃～85℃)、控制方法簡單且靈活(一機多用)、制作成本低廉、適于批量生產,圖8-21 電弧式光纖熔接機,8.3.2 熔融拉錐(FBT, Fiber biconical taper)型全光纖耦合器,在單模光纖中，傳導模是兩個正交基模(HE

46、11) 歸一化頻率V中除了纖芯直徑2a以外的其它參數都為常數。當傳導模進入熔錐區(qū)時，隨著纖芯不斷變細，V值不斷減小，模場直徑越來越比纖芯直徑大，于是越來越多的光模傳輸到光纖包層中:熔錐區(qū)，由于兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，光從一根纖芯耦合到另一纖芯逐漸離開拉錐區(qū)時，隨著纖芯的逐漸變粗，V值重新增大，光模以特定的比例重新被限制在兩光纖纖芯中，實現了功率的再分配,8-22熔融拉錐型單模光纖耦合器工作原理,8.3.2 熔融拉錐(F

47、BT, Fiber biconical taper)型全光纖耦合器,多模光纖中，當傳導模（模式數越高，離光軸越遠）進入多模光纖耦合器熔錐區(qū)時，纖芯逐漸變細，導致V值減小，纖芯中束縛的模式數減小，較高階的模進入包層中，形成包層模；在熔錐區(qū)中，兩光纖的包層合并，所以當輸出端纖芯又逐漸變粗時，“耦合臂”的纖芯將可以一定比例“捕獲”這些較高階的模式，獲得耦合光功率。而“直通臂”纖芯中傳輸的較低階的模式只能繼續(xù)由“直通臂”輸出，不參與耦合過程。

48、兩輸出端的傳導模一般不同，器件性能對傳輸光信號的模式比較敏感。對傳統(tǒng)熔融拉錐工藝改進，使多模信號在熔錐區(qū)實現模式混合，各階模式均參與耦合過程，輸出端的模式一致，從而消除器件的模式敏感性,8-23熔融拉錐型多模光纖耦合器工作原理,8.3.3 波導型光耦合器,指利用平面介質光波導工藝制作的一類光耦合器件，制作：在鈮酸鋰(LiNbO3)等襯底材料上，以薄膜沉積、光刻、擴散等工藝形成所需的波導結構制成芯片芯片與單模光纖耦合有端面直接耦合

49、和通過迅衰場表面耦合等方法。優(yōu)點體積小、重量輕、易于集成、機械及環(huán)境穩(wěn)定性好、耦合分光比易于精確控制、易于制成小型化的寬帶耦合器件順應光纖通信等領域未來發(fā)展趨勢，為主流發(fā)展方向問題技術欠完善，工藝設備昂貴，母板成本高，不適于批量生產。目前利用平面波導技術已成功地研制出包括（樹形）分路器、星型耦合器、波分復用器、寬帶耦合器等在內的多種無源光耦合器件。這類器件常以波導的特殊結構作為分類的依據。以分路器為例介紹,8.3.3 波導

50、型光耦合器,1.單模波導型,對單模光信號進行功率分配的器件，由于基本結構的不同可分為分支波導、方向耦合器和間隙漸變的方向耦合器等種類。,(a) 分支波導型光耦合器結構與光的分布耦合無關，帶寬僅取決于模色散限制，極適合制作寬帶分路器， 單窗口帶寬可達100nm。目前市場上的波導型分路器多采用這種結構。制作技術關鍵在于抑制分支點產生二階橫模及確定最佳的分支角。前者要求在分支點前加合適的過渡波導，后者則要兼顧最小分支角和分支點

51、處散射損耗隨分支角增大而增加。,,,,(a) 分支波導形狀,(b) 兩種波導型耦合器,圖8-25 波導型分支波導耦合器,功率分路器的另一種重要的結構，也是制作星型耦合器的基礎器件 由兩條單模波導構成的方向耦合器 把交連部分做成能夠傳輸兩個模的波導耦合器 以三條波導為基礎形成的方向耦合器。分光比通過耦合長度來調整。,8.3.3 波導型光耦合器,,,圖8-26 方向耦合器,,,,(b) 方向耦合器,8.3.3 波導型光耦合器,,2.

52、多模波導型,在局域網中，目前較多采用的是多模耦合器。多模波導往往激勵出多種不同的模式，在輸出端口通常有不同的分配特性。 為獲得均勻的輸出信號，必須在波導結構中實現模式混合。實際中，通過設計合適的耦合區(qū)長度，使各種模式因衍射而展寬，在側壁上往返反射，直至橫向的光強分布達到相同，從而實現光功率在各輸出端口的均勻分配。,,,,8.4光波分復用器,對光波波長進行分離與合成的光無源器件，其一個端口作為器件的輸出/輸入端，N個端口作為器件

53、的輸入/輸出端系統(tǒng)容量升級制作單纖雙向傳輸系統(tǒng)接入網的圖像傳送對光纖/光纜進行全網監(jiān)控并確定線路中光纖接點監(jiān)控隨著時間/環(huán)境的變化引起光纖光纜的損耗變化情況確定光纖故障斷點的位置、在全光網絡中實現波長復用及全光化光波系統(tǒng)。 發(fā)展： 稀疏波分復用（CWDM，主要是指1310nm與1550nm的復用) 4信道以上的密集波分復用（DWDM） 成百信道的超密集波分復用（UDWDM）,圖8-28 WDM復用器與解復

54、用器示意圖,8.4.1 光波分復用器特性,解復用器注入到入射端(單端口)的各種光波信號分別按波長傳輸到對應出射端不同工作波長其輸出端口不同，以光信號波長為函數的解復用器的光學特性，可以用輸入端到N個輸出端的各信道的波長——插入損耗關系曲線來表達。給定工作波長的光信號從輸入單端口傳輸到對應的輸出端口時器件具有最低的插入損耗，而其它輸出端口對該輸入光信號具有理想的隔離。復用器以光信號波長為函數的復用器的光學特性可以用對于給定的輸入

55、端口到輸出端的插入損耗——波長關系曲線表示。以不同端口作為輸入端口，其插入損耗最小值分布在端口所對應的中心波長附近，而其它輸入端口對該輸入光則有理想的隔離。,圖8-29 WDM解復用器波長—插損關系曲線,圖8-30 WDM復用器波長—插損關系曲線,8.4.1光波分復用器特性,1.中心波長（或通帶）?1、?2、……、?n,由設計、制造者根據相應國際、國家標準或實際應用要求來選定。ITU-T規(guī)定DWDM在1550nm區(qū)域以1552.5

56、2nm為標準波長，其它復用波長與標準波長間隔100G（0.8nm）或其整數倍。,2.中心波長工作范圍Δλ1、Δλ2、……、??n,指每一工作通道允許的中心波長變化范圍，常以平均信道間隔的10%表示。限定了選用光源（LED或LD）的譜線寬度及中心波長位置。,3.中心波長對應的最小插入損耗IL1、IL2、……、ILn,指器件輸入端和對應的輸出端光功率以分貝表示的減小值。以兩波長復用器為例，其最小插損IL1、IL2分別為：,,越小越好。對

57、于DWDM必須給出器件最大一路插入損耗的值，并以小于“X”dB表示。,,,,,8.4.1光波分復用器特性,4.相鄰信道隔離度（最大串擾）I12、I23、……、I(n-1)n,指器件輸出端口的光進入非指定輸出端口光能量大小。如兩波長復用器隔離度為,在數字通信系統(tǒng)中一般應大于30dB，在模擬通信中則應大于50dB。DWDM標準是假定相鄰信道間串擾最大，必須給出器件串擾最小值，以“>XdB”表示,5.光回波損耗RL,指光信號從指定端口

58、輸入時，由于器件引起反向回傳的光能量?，F在廠家制作的各類器件回損均可大于50dB，完全滿足各類系統(tǒng)的要求。,6.偏振相關損耗PDL,指光信號以不同的偏振狀態(tài)輸入時，對應輸出端口插入損耗最大變化量。均值一般應小于0.1dB，根據應用要求確定。,7最大光功率Pmax.,指器件允許通過的最大光功率值，以mW表示。,除此外，還有環(huán)境參數：溫度穩(wěn)定性、溫度波長漂移、工作溫度(0C)、儲存溫度(0C)等。,,,,,,8.4.2光波分復用器結構與

59、工作原理,根據工作原理(基于色散、偏振、干涉等物理現象)分類：,,,,8.4.2光波分復用器結構與工作原理,以兩波長器件為例說明其工作原理。構成：雙光纖、1/4GRIN透鏡和多層介質膜。光學膜：中心波長?2的超窄帶濾光片；GRIN透鏡：其中光軌跡呈正/余弦曲線?1+?2經入纖進入第一個GRIN透鏡后會聚成近平行光，射到多層介質膜上分成兩路 ?2絕大部分透過，再經第二個自聚焦透鏡會聚成一點出射， ?1反射并經第一個GRIN透

60、鏡會聚并出射。波長復用間隔可小于1nm。,1. CWDM器件,(1)干涉膜型光波分復用器(又稱介質膜片法、介質薄膜法、介質薄膜濾波器法),圖8-31 兩波長干涉膜濾波器型波分復用器,,,,8.4.2光波分復用器結構與工作原理,(2)嵌入式光纖波分復用器,由厚度為幾十?m量級超薄型光學濾波片和光纖嵌入玻璃或金屬基體之中而構成。全光纖型，省去準直元件，降低了插損，又能有效抑制回損。易于批量生產，產品一致性好。,圖8-32 嵌入式光纖波分

61、復用器,(3)耦合器型光波分復用器件,可以是波導型的，也可以是熔融拉錐型的。熔融拉錐型是一種全光纖器件，插入損耗可低于0.05dB、工作信道帶寬10nm～20nm、隔離度大于18dB、偏振靈敏度一般小于0.1dB。通過串拉法或加濾波片法可以進一步提高其隔離度。,,圖8-33 耦合器型光纖波分復用器,,,,8.4.2光波分復用器結構與工作原理,2.DWDM器件,一般有4波、8波、16波、32波等，工作波長一般在1550nm區(qū)域。市場上最

62、多的是介質膜濾波器(TFF)型器件，研究最熱、最有前途的是光纖光柵(FBG)型、蝕刻衍射光柵(EDG)型與陣列波導光柵(AWG)型器件。,(1) TFF型,4通道DWDM器件由5支GRIN透鏡軟線、4組高穩(wěn)定帶通濾光片和一個通光基體構成。經第一級濾波的光分離出波長?1，反射光再進入下一路濾波器，分離出波長?2?，如此反復，則可將所有波長都分離出來。實際器件并非簡單串聯(lián)，而是按一定規(guī)則組合，以減小最后一路的插入損耗，并使各路能量均衡；

63、入射光以一定的角度入射濾光片，保證了回波損耗大于50dB。,圖8-34 TFF型DWDM器件,幾十Gb/s通信系統(tǒng)首選方案， 技術成熟，低通道數100GHz系統(tǒng) 市場占有率>40%，不適用于50GHz、32路以上DWDM,,,,8.4.2光波分復用器結構與工作原理,(2)衍射光柵型,利用光柵對輸入光束進行散射的原理工作，每個波長通道對應于空間唯一的衍射角，衍射光被各自的光纖接收。低空間頻率光柵（小于400線/mm）型

64、光波分復用器、高空間頻率光柵型光波分復用器體全息光柵型光波分復用器?？梢灾谱?00GHzDWDM。器件通道數僅決定于光纖陣列制作，可>128路。,(3) EDG型,衍射光柵集成化產物，將光波導陣列、光柵采用微加工工藝制作在平板波導上形成工作原理: 同普通光柵型波分復用器，但體積更小巧、緊湊，穩(wěn)定性更好,,圖8-35 光柵型DWDM器件,圖8-36 EDG型DWDM器件,,,,8.4.2光波分復用器結構與工作原理,4.

65、AWG型,通過標準的集成光學工藝在硅、磷化銦、有機聚合物上制成 由輸入波導、輸出波導、平板耦合器和波導陣列光柵集成在單一襯底上構成。 輸出、輸入波導結構及光學參數要盡量與單模光纖匹配，以減小耦合損耗； 輸出、輸入波導和陣列波導的位置滿足羅蘭圓規(guī)則； 1st平板耦合器將各種波長的輸入信號耦合進陣列波導輸入端，實現1:1的光學成像。 幾百條光程差為?0/2整數倍的波導構成陣列波導，以充分接收平板波導區(qū)衍射光功率; 產生的波長相關相

66、移使陣列波導呈衍射光柵特性，使輸出端按波長順序輸出光波 陣列波導輸出光波通過2nd平板耦合器傳輸到相應輸出波導端——除具有干涉、光柵法器件的光學特性之外，還具有組合分配功能。,,圖8-37 AWG型DWDM,,,,8.4.2光波分復用器結構與工作原理,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 FB

67、G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生影響并對回返光進行抑制光通信系統(tǒng)中光傳輸會經過許多光學界面，界面反射產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，確保光通信系統(tǒng)的工作質量，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 。,,,

68、,,8.5.1光隔離器元件,1.光纖準直器(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，中間可插光學元件。 對光纖中傳輸的高斯光束進行準直，以提高光纖耦合效率。,,圖8-39 光纖準直器,,,,2.法拉第旋轉器(Faraday Rotator),法拉第效應：線偏振光通過厚L的磁光晶體時旋轉角為：,材料越長、磁場強度越大，則旋轉角越大。旋角與磁場方向有關，與光傳播方向無關,8

69、.5.1光隔離器元件,3.偏振器(Polarizator),雙折射晶體： 基于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周期層迭制成，厚<400μm ，性能穩(wěn)定線柵起偏器： 由金屬和電介質周期交替層迭構成，厚幾十μm，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，主透射系數也很高， 接收角大于6