第04章 常用光無(wú)源器件

第四章常用光無(wú)源器件4.1光纖連接器4.2光纖耦合器4.3波分復(fù)用/解復(fù)用器4.4光開關(guān)4.1光纖連接器4.1.1光纖連接器的結(jié)構(gòu)與種類 光纖(纜)活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖(纜)之間活動(dòng)連接的光無(wú)源器件，它還具有將光纖(纜)與其他無(wú)源器件、光纖(纜)與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。1.光纖連接器的結(jié)構(gòu) 光纖連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖芯對(duì)準(zhǔn)，保證90%以上的光能夠通過，目前有代表性并且正在使用的光纖連接器主要有五種結(jié)構(gòu)。(1)套管結(jié)構(gòu) 套管結(jié)構(gòu)的連接器由插針和套筒組成。(2)雙錐結(jié)構(gòu) 雙錐結(jié)構(gòu)連接器是利用錐面定位。(3)V形槽結(jié)構(gòu)

V形槽結(jié)構(gòu)的光纖連接器是將兩個(gè)插針放入V形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對(duì)準(zhǔn)原理使纖芯對(duì)準(zhǔn)，(如圖4.3所示)。圖4.3V形槽結(jié)構(gòu)(4)球面定心結(jié)構(gòu) 球面定心結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是裝有圓錐面(相當(dāng)于車燈的反光鏡)的插針。(5)透鏡耦合結(jié)構(gòu) 透鏡耦合又稱遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖4.5、圖4.6所示。圖4.5球透鏡耦合結(jié)構(gòu)圖4.6自聚焦透鏡耦合2.光纖活動(dòng)連接器的種類 光纖活動(dòng)連接器的品種、型號(hào)很多，其中有代表性的有：FC、ST、SC、D4、雙錐、VFO(球面定心)、F-SMA、MT-RJ連接器等等。 下面針對(duì)FC、SC和ST這三種連接器作簡(jiǎn)單的介紹。(1)FC系列連接器

FC型連接器是一種用螺紋連接，外部零件采用金屬材料制作的連接器，它是我國(guó)電信網(wǎng)采用的主要品種，我國(guó)已制定了FC型連接器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。FC連接器最早是由日本NTT研制。FC是FerruleConnector的縮寫，表明其外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。

(2)ST型連接器

ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)，確保連接時(shí)準(zhǔn)確對(duì)中。(3)SC型連接器

SC型外殼呈矩形，所采用的插針與耦合套筒的結(jié)構(gòu)尺寸與FC型完全相同，其中插針的端面多采用PC或APC型研磨方式；緊固方式是采用插拔銷閂式，不需旋轉(zhuǎn)。此類連接器插拔操作方便，插入損耗波動(dòng)小，抗壓強(qiáng)度較高，安裝密度高。

1

2

3光纖接頭

FC圓型帶螺紋(配線架上用的最多)

ST卡接式圓型

SC卡接式方型(路由器交換機(jī)上用的最多)

PC微球面研磨拋光

APC呈8度角并做微球面研磨拋光

MT-RJ方型,一頭雙纖收發(fā)一體(華為8850上有用)(4)不同型號(hào)插頭互相連接的轉(zhuǎn)換器 對(duì)于上述FC、SC、ST三種連接器，在對(duì)不同型號(hào)插頭連接時(shí)，需要轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接。(5)活動(dòng)連接器跳線的規(guī)格 由于實(shí)際使用情況非常復(fù)雜，因而跳線的規(guī)格也多種多樣。在選擇跳線時(shí)，至少有下述幾個(gè)參數(shù)是需要明確的。光纖接口(6)新型多芯光纖連接器 隨著用戶通信網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、WDM的普及、電信網(wǎng)／數(shù)據(jù)網(wǎng)的光纖化乃至多媒體大容量信息處理設(shè)備的發(fā)展均推動(dòng)著光纜向多芯、高密度方向深入發(fā)展，帶狀多芯光纜需要用多芯光纖連接器進(jìn)行連接，多芯帶狀光纖MT連接器就應(yīng)運(yùn)而生。4.1.2光纖連接器特性 評(píng)價(jià)一個(gè)連接器的主要指標(biāo)有4個(gè)，即插入損耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性。1.插入損耗 插入損耗是指光纖中的光信號(hào)通過活動(dòng)連接器之后，其輸出光功率相對(duì)輸入光功率的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ac＝-10lgP1/P0(dB)式中：Ac為連接器插入損耗；P0為輸入端的光功率；P1為輸出端的光功率。2.回波損耗 回波損耗又稱為后向反射損耗。它是指光纖連接處，后向反射光對(duì)輸入光的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ar＝-10lgPR/P0

(dB)式中：Ar表示回波損耗；P0表示輸入光功率；PR表示后向反射光功率。3.重復(fù)性和互換性 重復(fù)性是指光纖(纜)活動(dòng)連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指連接器各部件互換時(shí)插入損耗的變化，也用dB表示。4.1.3光纖連接損耗及影響因素良好的接續(xù)是指在接續(xù)點(diǎn)上，沒有光傳輸?shù)牟贿B續(xù)現(xiàn)象。纖芯不連續(xù)的幾種典型狀態(tài)，有軸錯(cuò)位、

纖芯傾斜、空隙、

端面傾斜和纖芯直徑及折射率的微小差異等等。由于這些不連續(xù)性，也會(huì)造成光功率的一部分變成散射損耗，或以反射波形式返回發(fā)送端。有空隙時(shí)，

因玻璃纖維和空氣折射率的差異，也會(huì)引起反射，此現(xiàn)象又稱菲涅耳（Fresnel）反射。

在單模光纖連接時(shí)，除要求纖徑一致之外，更重要的是要求在實(shí)質(zhì)上代表分布寬度的模場(chǎng)直徑(MFD:ModeFieldDiameter)一致。目前工程中多采用高精度自動(dòng)熔接機(jī)，光纖端面切割好后，光纖間的對(duì)準(zhǔn)、調(diào)整、熔接及損耗測(cè)量等步驟都在微處理機(jī)的控制下自動(dòng)完成，熔接質(zhì)量很好，接頭附加損耗可控制在0．1dB以下。

1、光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)失配引起的損耗1、纖芯直徑不同引起的連接損耗多模時(shí)：（從1到2，a為纖芯半徑）La=-10lg(a2/a1)2a1≥a2La=0a1<a2單模時(shí)：（從1到2，w為模場(chǎng)半徑）La=-10lg[(w2/w1+w1/w2)/2]22、數(shù)值孔徑不同引起的連接損耗當(dāng)數(shù)值孔徑NA1和NA2的兩根光纖相連時(shí)，損耗為L(zhǎng)NA=-10lg(NA2/NA1)2a=-10lg(△2/△1)NA1≥NA2LNA=0NA1<NA23、不同折射率分布光纖的連接損耗折射率分布不同時(shí)：（從1到2，α為折射率分布參數(shù)）La=-10lg[α2(α1+2)/α1(α2+2)]α1≥α2La=0α1<α22、光纖相對(duì)位置偏離引起的損耗

1、

橫向錯(cuò)位引起的連接損耗多模時(shí)：漸變/階躍單模時(shí)：（從1到2，w為模場(chǎng)半徑，d為橫向錯(cuò)位）Ld=-10lgexp[-(d/w)2]

2、端面不平時(shí)引起的連接損耗多模時(shí)：漸變/階躍單模時(shí)：（從1到2，θ為端面傾斜角，w為模場(chǎng)半徑）Lθ=-10lgexp[-(πn2wθ/λ)2]

3、

端面與光纖軸線不垂直引起的連接損耗3、端面形狀與間隙引起的損耗1、

間隙損耗階躍多模單模

2、

非平面端面損耗4.2光纖耦合器 光耦合器是將光信號(hào)進(jìn)行分路或合路、插入、分配的一種器件。4.2.1光纖耦合器的結(jié)構(gòu)與原理 制作光耦合器可以有多種方法，大致可分為分立光學(xué)元件組合型、全光纖型、平面波導(dǎo)型等。圖4-7表示了波導(dǎo)型分支器的結(jié)構(gòu)。它是一種Y型分支，由一根芯線一端輸入的光可用它加以等分。當(dāng)分支器分支路的開角增大時(shí)，向包層中泄漏的光將增多以致增加了過剩損耗。多模光纖與單模光纖均可做成耦合器，通常有拼接式，另一種是熔融拉錐式。圖4-8為拼接式原理圖，拼接式結(jié)構(gòu)是將光纖埋入玻璃快中的弧形槽中，在光纖側(cè)面進(jìn)行研磨拋光，然后將經(jīng)拋磨的兩根光纖拼接在一起，靠透過纖芯和包層界面的消失場(chǎng)長(zhǎng)生耦合。 下面主要介紹熔融拉錐法的原理。 熔融拉錐法就是將兩根(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(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。(1)熔融拉錐型單模光纖耦合器 在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個(gè)正交的基模(HE11)信號(hào)。圖4.9所示是單模光纖耦合器的迅衰場(chǎng)耦合示意圖，其中歸一化頻率(2)熔融拉錐型多模光纖耦合器 在多模光纖中，傳導(dǎo)模是若干個(gè)分立的模式，不僅應(yīng)在數(shù)值孔徑角內(nèi)，還要同時(shí)滿足4an1sinθ=mλ(m=1，2，3，…)。其中，a為纖芯半徑，n1是纖芯折射率，θ為傳導(dǎo)模與光軸的夾角，λ為傳輸光的波長(zhǎng)。總的模式數(shù)為：M=V2/2式中：V為歸一化頻率。4.2.2光纖耦合器的特性1.插入損耗 插入損耗(InsertinLoss，IL)定義為指定輸出端口的光功率相對(duì)全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 其中：ILi是第i個(gè)輸出端口的插入損耗；Pouti是第i個(gè)輸出端口測(cè)到的光功率值；Pin是輸入端的光功率值。2.附加損耗 附加損耗(ExcessLoss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：Pouti為第i個(gè)輸出口的輸出功率；Pin為輸入光功率。3.分光比 分光比(CouplingRatio，CR)是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對(duì)輸出總功率的百分比，在具體應(yīng)用中常用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，1∶1或50∶50代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。4.方向性 方向性也是光耦合器所特有的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它是衡量器件定向傳輸性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時(shí)，輸入端非注入光端口的輸出光功率(圖4.8中的I2)與總注入光功率的比值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中：Pin1代表總注入光功率；Pin2代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。5.均勻性 均勻性就是衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：MIN(Pout)為最小輸出光功率；MAX(Pout)為最大輸出光功率。6.偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗(PolarizationDependentLoss，PDL)是衡量器件性能對(duì)于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360°變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量： 在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果往往要求器件有足夠小的偏振相關(guān)損耗。7.隔離度 隔離度是指某一光路對(duì)其他光路中的信號(hào)的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話”小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：Pt是某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值；Pin是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。4.3波分復(fù)用/解復(fù)用器 光合波器和光分波器是用于波分復(fù)用等傳輸方式中的無(wú)源光器件?？蓪⒉煌ㄩL(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)合并在一起精合到一根光纖中傳輸，或者反過來(lái)說(shuō)，將從一根光纖傳輸來(lái)的不同波長(zhǎng)的復(fù)合光信號(hào)，按不同光波長(zhǎng)分開。前者稱為合波器，后者稱為光分波器。4.3.1波分復(fù)用/解復(fù)用器的原理與分類光合波器和光分波器可分為衍射光柵型，棱鏡型,波導(dǎo)型等幾種類型。1.光柵型 衍射光柵型波分復(fù)用器件是近年發(fā)展起來(lái)的。衍射光柵是利用硅襯底單晶各向異性腐蝕制作的光柵與棱鏡分光相比具有更大優(yōu)勢(shì)，常用來(lái)制作波分復(fù)用器的主要分光元件。圖4-10為衍射光柵型光合波和光分波的原理圖:圖4-10衍射光柵型光合波和光分波的原理圖2.棱鏡型光合波和光分波型圖4-11為棱鏡型光合波和光分波的原理圖3.為波導(dǎo)型分波器

圖4.12波導(dǎo)型分波的原理圖4.波導(dǎo)陣列光柵型 圖4.15所示是一種波導(dǎo)陣列光柵型波分復(fù)用器件。它是由輸入、輸出波導(dǎo)、空間耦合器和波導(dǎo)陣列光柵構(gòu)成。圖4.15波導(dǎo)陣列光柵型DWDM5.光纖光柵 光纖光柵是利用光纖制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纖纖芯折射率分布呈周期性變化圖4.17光纖光柵濾波作用，在滿足布拉格光柵條件的波長(zhǎng)上全反射，而其余波長(zhǎng)通過的是一種全光纖陷波濾波器，如圖4.17所示。圖4.17光纖光柵濾波作用(1)干涉法 干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場(chǎng)，調(diào)節(jié)兩干涉臂長(zhǎng)，使得形成的干涉條紋周期滿足制作光纖光柵的要求。(2)相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用預(yù)先制作的膜板，當(dāng)紫外光通過相位板時(shí)產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場(chǎng)，將光柵寫入光纖。4.3.2波分復(fù)用/解復(fù)用器的特性1.解復(fù)用器 以光信號(hào)波長(zhǎng)為函數(shù)的解復(fù)用器的主要光學(xué)特性有以下幾點(diǎn)。 (1)中心波長(zhǎng)(或通帶)λ1、λ2…λn+1 (2)中心波長(zhǎng)工作范圍Δλ1、Δλ2 (3)中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最小插入損耗L1式中：P′1代表波長(zhǎng)為λ1的光束在輸出端的光功率；P01分別代表波長(zhǎng)為λ1的光束在輸入端合路信號(hào)中的光功率。 (4)相鄰信道之間串音耦合最大值L12 式中：P‘1代表波長(zhǎng)為λ1的光束在輸出端串?dāng)_到λ2的輸出端口處的光功率，P2分別代表波長(zhǎng)為λ2的光束在輸出端口處的輸出光功率。(5)偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗是指光信號(hào)以不同的偏振狀態(tài)輸入時(shí)(如線偏振、圓偏振、橢圓偏振等)，對(duì)應(yīng)輸出端口插入損耗最大變化量。2.復(fù)用器 以光信號(hào)波長(zhǎng)為函數(shù)的復(fù)用器的光學(xué)特性，可用于給定的輸入端口(1#至N#端口為輸入端口，0#端口為輸出端口)。4.4光開關(guān)4.4.1光開關(guān)的種類1.機(jī)械式光開關(guān) 機(jī)械式光開關(guān)是最傳統(tǒng)的光開關(guān)，一種實(shí)用化的機(jī)械式多模光纖光開關(guān)的插入損耗小于1dB，開關(guān)時(shí)間小于1ms。(1)微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān) 微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)是微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)與傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型機(jī)械式光開關(guān)。(2)毛細(xì)管效應(yīng)光開關(guān) 毛細(xì)管效應(yīng)光開關(guān)是采用了電毛細(xì)管效應(yīng)或熱毛細(xì)管效應(yīng)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)。(3)金屬薄膜光開關(guān) 金屬薄膜光開關(guān)使用了金屬膜與無(wú)源波導(dǎo)相結(jié)合的構(gòu)形，其結(jié)構(gòu)如圖4.23所示。圖4.23使用了金屬膜與無(wú)源波導(dǎo)相結(jié)合的光開關(guān)結(jié)構(gòu)2.液晶光開關(guān) 液晶光開關(guān)是在硅襯底材料上制作出偏振光束分支波導(dǎo)，再把每個(gè)分支波導(dǎo)交叉點(diǎn)刻蝕成有一定角度的槽，槽內(nèi)裝上折射匹配的液晶，液晶槽下面是電熱器。3.熱光效應(yīng)光開關(guān) 熱光效應(yīng)光開關(guān)是利用加熱光波導(dǎo)，改變光波導(dǎo)的折射率，引起主波導(dǎo)與需要的分支波導(dǎo)間的光耦合，從而實(shí)現(xiàn)光開/關(guān)的器件。4.4.2光開關(guān)的特性參數(shù)1.插入損耗插入損耗是指輸入與輸出端口之間光功率的減少，以分貝來(lái)表示：式中：P0為進(jìn)入輸入端的光功率；P1為輸出端接收的光功率。插入損耗與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。2.回波損耗 回波損耗(也稱反射損耗或反射率)是指從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值，以分貝表示：式中：P0為進(jìn)入輸入端的光功率；P1為輸入端口接收到的返回光功率。回波損耗與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。3.隔離度 隔離度是指兩個(gè)相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來(lái)表示。式中：n、m為開關(guān)的兩個(gè)隔離端口(n≠m)；Pin是光從i端口輸入時(shí)n端口的輸出光功率，Pim是光從i端口輸入時(shí)在m端口測(cè)得的光功率。4.遠(yuǎn)端串?dāng)_ 遠(yuǎn)端串?dāng)_是指光開關(guān)的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。5.近端串?dāng)_ 近端串?dāng)_是指當(dāng)其他端口接終端匹配，連接的端口與另一個(gè)名義上是隔離的端口的光功率之比。6.消光比 消光比是兩個(gè)端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。