《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》(第二版)朱京平課件

第8章

光通信無(wú)源器件技術(shù)第8章

光通信無(wú)源器件技術(shù)1第8章光通信無(wú)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(kāi)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、計(jì)算公式、測(cè)試方法等與纖維光學(xué)、集成光學(xué)息息相關(guān)。第8章光通信無(wú)源器件技術(shù)8.1光纖連接器光纖通信、光纖傳28.1光纖連接器以低損耗的方法把光纖或光纜相互連接起來(lái)的器件方法采用某種機(jī)械或光學(xué)結(jié)構(gòu)使兩根光纖的纖芯對(duì)準(zhǔn)性能實(shí)現(xiàn)光路接續(xù)，保證光纖網(wǎng)絡(luò)90%以上光通過(guò)。分類(lèi)：永久性：采用熔接法、粘接法或固定連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)性，光纖活動(dòng)連接器。指標(biāo)插入損耗(簡(jiǎn)稱(chēng)插損)、回波損耗(簡(jiǎn)稱(chēng)回?fù)p)、以及譜損耗、背景光耦合、串?dāng)_、帶寬等等；對(duì)于活動(dòng)光纖連接器還有重復(fù)性和互換性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(lái)的器件38.1.1光纖連接器主要指標(biāo)—(1)插損光纖中的光信號(hào)通過(guò)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(guò)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)—(1)插損光纖中的光信號(hào)通過(guò)48.1.1光纖連接器主要指標(biāo)—(2)回?fù)p(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(huì)引起激光器相對(duì)強(qiáng)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(duì)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?fù)p越大越好，以減少反射光對(duì)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)—(2)回?fù)p(后向反射損耗)用58.1.1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(dòng)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(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(jì)和加工工藝的合理性，也是表明連接器實(shí)用化的重要標(biāo)志，用戶(hù)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)。8.1.1光纖連接器主要指標(biāo)—(3)重復(fù)性與互換性重復(fù)性68.1.2影響插入損耗的各種因素(1)纖芯錯(cuò)位損耗由于纖芯橫向錯(cuò)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(cuò)位損耗由于纖芯78.1.2影響插入損耗的各種因素(1)纖芯錯(cuò)位損耗芯徑2a漸變多模光纖模式穩(wěn)態(tài)分布時(shí)錯(cuò)位d引起的損耗：?jiǎn)文９饫w傳輸半徑w的高斯分布時(shí)錯(cuò)位d引起的損耗：其中令錯(cuò)位損耗為0.1dB

多模漸變光纖芯徑50m、，算得橫向錯(cuò)位2.46m;統(tǒng)計(jì)值3m

單模光纖芯徑10m，，算得橫向錯(cuò)位0.72m;統(tǒng)計(jì)值0.8m。——理論與實(shí)踐符合良好8.1.2影響插入損耗的各種因素(1)纖芯錯(cuò)位損耗芯徑2a88.1.2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)光纖傾斜損耗由于兩光98.1.2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(shí)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(shí)傾角引起的損耗表示為：圖8-2(b)實(shí)際光纖傾斜損耗統(tǒng)計(jì)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，=1.31m。損耗0.1dB對(duì)應(yīng)多模漸變型光纖傾角0.7°，單模光纖0.3°?！獙?shí)際生產(chǎn)中傾角可控制在0.1°內(nèi)——?？珊雎圆挥?jì)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108.1.2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(shí)，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，=1.31m，Z=1m時(shí)，芯徑50m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(jì)。這一點(diǎn)目前工藝可保證8.1.2影響插入損耗的各種因素(3)端面間隙損耗由于光118.1.2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(gè)端面間隙中存在不同的介質(zhì)，當(dāng)光進(jìn)入其中時(shí)就會(huì)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，=1.31m時(shí)算得菲涅耳反射損耗為0.32dB8.1.2影響插入損耗的各種因素(4)菲涅耳反射損耗由于128.1.2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：?jiǎn)文９饫w芯徑失配損耗：圖8-3為實(shí)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<a1)的光纖時(shí)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(5)芯徑失配損耗多模漸變138.1.2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(shí)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(6)數(shù)值孔徑失配損耗光纖148.1.2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(huì)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(jì)和制作時(shí)必須針對(duì)以上各種因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并提高加工精度，以期連接損耗最小，并且同時(shí)提高器件的重復(fù)性和互換性指標(biāo)8.1.2影響插入損耗的各種因素(7)其他損耗除了上述6158.1.3改進(jìn)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(shí)纖芯間隙接近于0，達(dá)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?！墒够夭〒p耗達(dá)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(shí)插針體按照預(yù)定方位對(duì)準(zhǔn)——除了具有PC優(yōu)點(diǎn)，還可將微弱后向反射光旁路，提高改進(jìn)回?fù)p——可使回波損耗>60dB?！蟊ＷC連接時(shí)插針體嚴(yán)格按照預(yù)定方位對(duì)準(zhǔn)。出發(fā)點(diǎn)：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?cè)鐾改?減小菲涅耳損耗)8.1.3改進(jìn)回波損耗的方法球面接觸(PC)斜球面接觸(A168.1.4光纖活動(dòng)連接器(俗稱(chēng)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(wú)源器件應(yīng)用：光纖傳輸線路、光纖配線架和光纖測(cè)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(wú)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(wú)源器件基本結(jié)構(gòu)含：對(duì)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(dòng)連接器(俗稱(chēng)活接頭)(1)基礎(chǔ)用于連接178.1.4光纖活動(dòng)連接器(2)類(lèi)型——根據(jù)功能分連接器插頭(PlugConnector)：實(shí)現(xiàn)光纖在轉(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(lèi)型裸光纖轉(zhuǎn)接器(BareFiberAdaptor)。

——可以單獨(dú)使用，也可結(jié)合為組件使用?！覈?guó)一套光纖活動(dòng)連接器一般包括兩個(gè)連接器插頭和一個(gè)轉(zhuǎn)換器。8.1.4光纖活動(dòng)連接器(2)類(lèi)型——根據(jù)功能分連接器188.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分套管結(jié)構(gòu)兩個(gè)插針和一個(gè)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(kāi)口和不開(kāi)口兩種，開(kāi)口套筒使用最普遍。對(duì)準(zhǔn)時(shí)，以插針的外圓柱面為基準(zhǔn)面，插針插入套筒并與其實(shí)現(xiàn)緊配合，以保證兩根光纖精密對(duì)準(zhǔn)。連接器發(fā)展主流。設(shè)計(jì)合理、能通過(guò)加工達(dá)到要求精度，量產(chǎn)容易，為FC、SC、ST、D4等型號(hào)連接器的基本結(jié)構(gòu)8.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分套198.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)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(gè)插針插入時(shí)利用錐面定位進(jìn)行對(duì)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(duì)中，而且保證兩光纖端面間距恰好符合要求。AT&T的專(zhuān)利技術(shù)，由其創(chuàng)立和使用。

8.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分雙208.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分V型槽結(jié)構(gòu)將兩個(gè)插針?lè)湃刖茉O(shè)計(jì)的V型槽中，再用蓋板將插針壓緊，使纖芯達(dá)到對(duì)準(zhǔn)。荷蘭飛利浦的專(zhuān)利技術(shù)，單纖連接時(shí)一般不被采用，常用于單纖/多纖與平板波導(dǎo)連接或多纖之間互相連接。

8.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分V218.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分球面定心結(jié)構(gòu)由裝有精密鋼球的基座和裝有圓錐面的插針組成。鋼球開(kāi)有一內(nèi)徑比插針外徑大的通孔，當(dāng)兩插針插入基座時(shí)，球面與錐面切合使纖芯對(duì)準(zhǔn)并使纖芯間距符合要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，未被廣泛采用。8.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分球228.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分透鏡耦合結(jié)構(gòu)通過(guò)球透鏡或自聚焦透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖的對(duì)準(zhǔn)。透鏡將一根光纖的出射光變成平行光后進(jìn)入另一透鏡聚焦并耦合入第二根光纖?？梢越档蛯?duì)機(jī)械加工的精度要求，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)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(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分透238.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分以上五種基本結(jié)構(gòu)的插針體（插針+對(duì)中）再加上若干外部零件就組成連接器插頭，用來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖在轉(zhuǎn)換器或變換器之間完成插拔功能，其機(jī)械機(jī)構(gòu)必須保證使光纖不受外界損害。8.1.4光纖活動(dòng)連接器（2）類(lèi)型——根據(jù)插針+對(duì)中類(lèi)型分以248.1.4光纖活動(dòng)連接器（3）跳線——結(jié)構(gòu)與功能將一根光纖的兩頭都裝上插頭就形成跳線?？梢允菃涡镜囊部梢允嵌嘈镜膬蓚€(gè)插頭的型號(hào)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(shè)備和光纜線路及各光無(wú)源器件間互連8.1.4光纖活動(dòng)連接器（3）跳線——結(jié)構(gòu)與功能將一根光纖258.1.4光纖活動(dòng)連接器（3）跳線——選擇參數(shù)插頭型號(hào)——跳線兩頭的型號(hào)可以相同也可以不同光纖型號(hào)——如：?jiǎn)文?、多模、色散位移、保偏等光纖芯徑——如：62.5m、50m、9m、8m、4m光纖芯數(shù)——如：?jiǎn)涡?、雙芯、四芯等光纜類(lèi)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(zhǎng)度——如：0.5m、1m等插頭數(shù)——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：<0.5dB、<0.3dB等回波損耗——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。插針端面形狀——如：平面、球面、斜球面8.1.4光纖活動(dòng)連接器（3）跳線——選擇參數(shù)插頭型號(hào)——跳268.1.5光纖固定連接器（固定接頭或接線子）作用：

使一對(duì)或幾對(duì)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(jiǎn)便、性能穩(wěn)定。對(duì)互換性、重復(fù)性沒(méi)有要求制作方法：熔接法：應(yīng)用最廣。插損很小，無(wú)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(jiǎn)毛細(xì)管法：插損小，一定后向反射光，小巧、操作簡(jiǎn)，適合野外作業(yè)套管法：插損小，一定后向反射光，小巧、操作簡(jiǎn)便，適合野外作業(yè)這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，都能制作出滿(mǎn)足工程需要的固定接頭。8.1.5光纖固定連接器（固定接頭或接線子）作用：278.1.5光纖固定連接器——發(fā)展方向除光纖熔接機(jī)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(xì)管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)帶狀光纖、光波導(dǎo)陣列、光有源器件陣列8.1.5光纖固定連接器——發(fā)展方向除光纖熔接機(jī)外，其他固定28

8.2光衰減器

可按照用戶(hù)的要求將光信號(hào)能量盡量進(jìn)行預(yù)期衰減的器件用途：光通信線路系統(tǒng)的評(píng)估、研究及調(diào)整、校正。分類(lèi)(根據(jù)工作原理分)：

8.2光衰減器可按照用戶(hù)的要求將光信號(hào)能量盡量進(jìn)行29

8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)和工作原理(1)位移型光衰減器

工作原理：兩段光纖進(jìn)行連接時(shí)，纖芯錯(cuò)位、端面間隙都會(huì)引起連接器損耗。反之，將光纖對(duì)中精度做適當(dāng)調(diào)整，可以控制連接時(shí)的衰減量?！幸庾尮饫w在對(duì)接時(shí)發(fā)生一定錯(cuò)位，引起光能量損失，達(dá)到控制衰減量目的。分類(lèi)：橫向位移型軸向位移型8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)和工作原理(1)位移型光衰減器工308.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器

(a)橫向位移型光衰減器采用波動(dòng)光學(xué)的理論推導(dǎo)光纖耦合過(guò)程。

理想狀態(tài)下，無(wú)論光纖端面形狀如何，單模光纖基模總可近似為高斯函數(shù)該光束經(jīng)過(guò)橫向錯(cuò)位d傳輸?shù)降诙饫w的端面時(shí)，模場(chǎng)分布變?yōu)椋浩渲校丛诘诙饫w端面處，相對(duì)于第二根光纖纖芯，入射光束的模場(chǎng)分布發(fā)生了變化，帶來(lái)了由于模場(chǎng)失配產(chǎn)生的能量損失。(8-13)(8-14)8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器(a)318.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhǎng)，A0、A0’為修正因子。

設(shè)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(chǎng)的交疊積分：(a)橫向位移型光衰減器8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器將前述328.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器圖8-15(b)為k=1時(shí)的Ldd曲線圖。實(shí)際制作中常根據(jù)該類(lèi)曲線圖確定所需衰減量對(duì)應(yīng)的橫向位移量，并通過(guò)一定的機(jī)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(lèi)衰減器回波損耗很高(通常大于60dB)，目前仍具有較大市場(chǎng)。k=1時(shí)的Ldd曲線圖(a)橫向位移型光衰減器8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器圖8-1338.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器利用光纖端面間隙帶來(lái)光通量損失的原理制作的光衰減器。即使3dB衰減器對(duì)應(yīng)間隙>在0.1mm，工藝易控制，被很多廠家采用實(shí)現(xiàn)方式：用機(jī)械的方式將兩根光纖拉開(kāi)一定距離進(jìn)行對(duì)中可制作衰減器類(lèi)型：固定光衰減器和一些小型可變光衰減器?？煽闯梢粋€(gè)損耗大的光纖連接器，與連接器結(jié)構(gòu)結(jié)合可形成轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器利用光348.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)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?？赏ㄟ^(guò)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)軸向位移型光衰減器

模斑直徑10微米，k=18.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(1)位移型光衰減器358.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)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(lái)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(hù)膜。圖8-17直接鍍膜型光衰減器結(jié)構(gòu)示意圖

8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(2)直接鍍膜型光衰減器直接368.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)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(guò)機(jī)械裝置直接固定在光纖端面或準(zhǔn)直光路中的衰減器?？芍谱鞴潭ü馑p器、變光衰減器。光信號(hào)經(jīng)1/4節(jié)距GRIN透鏡準(zhǔn)直、衰減片衰減后，再被第二個(gè)GRIN聚焦耦合進(jìn)光纖使用不同衰減量的衰減片，就可得到相應(yīng)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(lèi)雙輪式可變光衰減器平移式光衰減器智能型機(jī)械式光衰減器8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(3)衰減片型光衰減器將具有378.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)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(duì)1/4節(jié)距GRIN透鏡和單模光纖構(gòu)成的光纖準(zhǔn)直器間距中分類(lèi)——根據(jù)衰減圓盤(pán)上衰減片的不同步進(jìn)式雙輪可變光衰減器：每個(gè)輪上有多個(gè)固定衰減量衰減片，輪旋轉(zhuǎn)，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(gè)輪上的衰減片換成一片連續(xù)變化的衰減片即可。——連續(xù)衰減片：采用真空鍍膜法在圓形光學(xué)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(jié)構(gòu)與工作原理(3)衰減片型光衰減器(a)388.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(3)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(diào)節(jié)衰減量。全量程連續(xù)變化的中性濾光片：光學(xué)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(guò)率：式中，k為常數(shù)，由濾光片吸收系數(shù)

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(guò)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。圖8-19平移式可變光衰減器8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(3)衰減片型光衰減器(b)398.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(3)衰減片型光衰減器(c)智能型機(jī)械式光衰減器：通過(guò)電路控制電動(dòng)齒輪帶動(dòng)平移濾光片，再將數(shù)據(jù)編碼盤(pán)檢測(cè)到的實(shí)際衰減量反饋信號(hào)反饋到電路中進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)檢測(cè)和顯示光衰減量。提高了光衰減器衰減精度，同時(shí)體小、質(zhì)輕、使用方便。

8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(3)衰減片型光衰減器(c)40利用液晶的電光效應(yīng)制作的光衰減器eg.扭轉(zhuǎn)向列P型液晶光衰減器(液晶光軸與P1夾角45°)：光強(qiáng)Ii、波長(zhǎng)的入射光經(jīng)GRIN透鏡準(zhǔn)直后被分束器P1分為o光和e光，進(jìn)入厚度為z的液晶。液晶元件不加壓時(shí)，o光e光同時(shí)旋轉(zhuǎn)90°后通過(guò)P1的P2出射并由第二個(gè)GRIN透鏡耦合進(jìn)光纖；液晶兩電極加壓后，扭轉(zhuǎn)向列小盒使輸出光強(qiáng)其中隨外加電場(chǎng)增強(qiáng)而增大，——隨著電場(chǎng)不斷增大，Io逐漸變小，耦合進(jìn)入出纖的信號(hào)越小8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作原理(4)液晶型光衰減器圖8-20液晶型光衰減器工作原理示意圖

利用液晶的電光效應(yīng)制作的光衰減器8.2.1光衰減器結(jié)構(gòu)與工作418.2.2光衰減器的性能光通信系統(tǒng)中光衰減器要求：插損低回?fù)p高衰減量可調(diào)范圍大衰減精度高分辨率線性度高分辨率重復(fù)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(shù)顯示方式及機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)重復(fù)性取決于所采用的讀數(shù)顯示方式及機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)。8.2.2光衰減器的性能光通信系統(tǒng)中光衰減器要求：428.2.2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(biāo)要求高質(zhì)量可變光衰減器插損<1.0dB，普通可變光衰減器<3.0dB。來(lái)源：光纖準(zhǔn)直器的插入損耗和衰減單元的透過(guò)率精度及耦合工藝。若光纖和GRIN透鏡及兩光纖準(zhǔn)直器耦合很好，則整個(gè)光衰減器插損可大大降低2.衰減精度機(jī)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(guò)率和均勻性。t為膜層厚度，呈線性變化——對(duì)吸收材料的均勻性應(yīng)做嚴(yán)格要求。

取決于材料吸收本領(lǐng)，是波長(zhǎng)的函數(shù)——選擇隨波長(zhǎng)變化小的材料機(jī)械式光衰減器的讀數(shù)顯示方式及機(jī)械調(diào)整方式也將影響到衰減精度。3.頻譜特性

在計(jì)量、定標(biāo)等場(chǎng)合使用中，需要衰減器在一定的帶寬范圍內(nèi)有較高的衰減精度，其衰減譜線具有較好的平坦性。——不作為衰減器常規(guī)測(cè)試指標(biāo)，僅在需要時(shí)測(cè)量。一般情況下，固定光衰減器的頻譜損耗在－30～30nm的范圍內(nèi)不大于0.5dB。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：438.2.2光衰減器的性能4.回波損耗

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?fù)p約14dB光衰減片是引起回?fù)p的一個(gè)重要原因。傾斜放置可提高回?fù)p。準(zhǔn)直器型光衰減器回?fù)p主要來(lái)源于入射光的準(zhǔn)直光路部分：?jiǎn)文９饫w端面反射、GRIN透鏡前后端面反射

提高回?fù)p的方法表面鍍制抗反射膜采用斜面透鏡

將光學(xué)衰減元件傾斜于光軸放置進(jìn)行折射率匹配——運(yùn)用范圍有限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(shí)常處于移動(dòng)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(shí)，回?fù)p14dB左右；光纖準(zhǔn)直器GRIN透鏡端面鍍0.1%增透膜，衰減元件傾角8時(shí)，回?fù)p可>60dB8.2.2光衰減器的性能4.回波損耗指入射到光衰減器中448.3光耦合器

使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)耦合區(qū)發(fā)生耦合并進(jìn)行再分配。應(yīng)用：早期用于從傳輸干路取出一定的功率進(jìn)行監(jiān)控等。隨著光纖通信、光纖用戶(hù)網(wǎng)、光纖CATV、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)、光纖傳感技術(shù)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣，已形成多功能、多用途的產(chǎn)品系列除具有一般光無(wú)源器件特性參數(shù)外，還另有特定含義參數(shù)。8.3光耦合器使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)耦合區(qū)發(fā)生耦合458.3光耦合器——分類(lèi)從功能分光功率分配器(Splitter)光波長(zhǎng)分配（合/分波）耦合器（WDMcoupler）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>2）耦合器、樹(shù)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（StandardCoupler）單工作窗口的寬帶耦合器（WaveLengthFlattenedCoupler，簡(jiǎn)稱(chēng)WFC）雙窗口的寬帶耦合器（WavelengthIndependentCoupler，簡(jiǎn)稱(chēng)WIC）；從傳導(dǎo)光模式差異分多模耦合器單模耦合器之分；從結(jié)構(gòu)上分分立光學(xué)元件組合型全光纖型平面波導(dǎo)型8.3光耦合器——分類(lèi)從功能分468.3.1光耦合器特性參數(shù)反映器件制作過(guò)程帶來(lái)的固有損耗定義：所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率以分貝表示的減小值：3.分光比（CouplingRatio）

定義：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1.插入損耗(InsertionLoss)

反映各輸出端口的輸出功率狀況——與分光比有關(guān)，不能反映器件制作質(zhì)量定義：以分貝表示的第i個(gè)輸出端口的光功率POUTi相對(duì)全部輸入光功率PIN的減少值2.附加損耗（ExcessLoss）

8.3.1光耦合器特性參數(shù)反映器件制作過(guò)程帶來(lái)的固有損耗3.478.3.1光耦合器特性參數(shù)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(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例定義：耦合器正常工作時(shí)輸入側(cè)非注光端輸出光功率與全部注入光功率比值的分貝數(shù)其中，PIN1為注入光功率，PIN2代表輸入側(cè)非注光端的輸出光功率。5.均勻性（Uniformity）用來(lái)衡量均分型光耦合器“不均勻程度”的參數(shù)。定義：在器件的工作帶寬范圍內(nèi)各輸出端口輸出光功率的最大變化量：6.偏振相關(guān)損耗（PolarizationDependentLoss）衡量器件性能對(duì)傳輸光信號(hào)偏振態(tài)敏感程度的參數(shù)，俗稱(chēng)偏振靈敏度。定義：當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360o變化時(shí)，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(shù)4.方向性（Directivity488.3.1光耦合器特性參數(shù)7.隔離度（Isolation）

反映WDM器件對(duì)不同波長(zhǎng)信號(hào)分離能力的參數(shù)定義：指光纖耦合器某一光路對(duì)其他光路中光信號(hào)的隔離能力式中Pt是某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值。隔離度高則串?dāng)_（crosstalk）小。隔離度對(duì)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(duì)隔離度要求不苛刻，20dB左右不帶來(lái)實(shí)際應(yīng)用明顯不利影響。8.3.1光耦合器特性參數(shù)7.隔離度（Isolation）498.3.2熔融拉錐(FBT,Fiberbiconicaltaper)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(shí)向兩側(cè)拉伸，最終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。可用計(jì)算機(jī)較精確控制各過(guò)程參量，并隨時(shí)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(guò)60dB)、環(huán)境穩(wěn)定性好(工作范圍－40℃～85℃)、控制方法簡(jiǎn)單且靈活(一機(jī)多用)、制作成本低廉、適于批量生產(chǎn)圖8-21電弧式光纖熔接機(jī)

8.3.2熔融拉錐(FBT,Fiberbiconica508.3.2熔融拉錐(FBT,Fiberbiconicaltaper)型全光纖耦合器

在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個(gè)正交基模(HE11)歸一化頻率V中除了纖芯直徑2a以外的其它參數(shù)都為常數(shù)。當(dāng)傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時(shí)，隨著纖芯不斷變細(xì)，V值不斷減小，模場(chǎng)直徑越來(lái)越比纖芯直徑大，于是越來(lái)越多的光模傳輸?shù)焦饫w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(kāi)拉錐區(qū)時(shí)，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(shí)現(xiàn)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(FBT,Fiberbiconica518.3.2熔融拉錐(FBT,Fiberbiconicaltaper)型全光纖耦合器多模光纖中，當(dāng)傳導(dǎo)模（模式數(shù)越高，離光軸越遠(yuǎn)）進(jìn)入多模光纖耦合器熔錐區(qū)時(shí)，纖芯逐漸變細(xì)，導(dǎo)致V值減小，纖芯中束縛的模式數(shù)減小，較高階的模進(jìn)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(dāng)輸出端纖芯又逐漸變粗時(shí)，“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?shù)妮^低階的模式只能繼續(xù)由“直通臂”輸出，不參與耦合過(guò)程。兩輸出端的傳導(dǎo)模一般不同，器件性能對(duì)傳輸光信號(hào)的模式比較敏感。對(duì)傳統(tǒng)熔融拉錐工藝改進(jìn)，使多模信號(hào)在熔錐區(qū)實(shí)現(xiàn)模式混合，各階模式均參與耦合過(guò)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

8.3.2熔融拉錐(FBT,Fiberbiconica528.3.3波導(dǎo)型光耦合器指利用平面介質(zhì)光波導(dǎo)工藝制作的一類(lèi)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(kuò)散等工藝形成所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制成芯片芯片與單模光纖耦合有端面直接耦合和通過(guò)迅衰場(chǎng)表面耦合等方法。優(yōu)點(diǎn)體積小、重量輕、易于集成、機(jī)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(yīng)光纖通信等領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為主流發(fā)展方向問(wèn)題技術(shù)欠完善，工藝設(shè)備昂貴，母板成本高，不適于批量生產(chǎn)。目前利用平面波導(dǎo)技術(shù)已成功地研制出包括（樹(shù)形）分路器、星型耦合器、波分復(fù)用器、寬帶耦合器等在內(nèi)的多種無(wú)源光耦合器件。這類(lèi)器件常以波導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)作為分類(lèi)的依據(jù)。以分路器為例介紹8.3.3波導(dǎo)型光耦合器指利用平面介質(zhì)光波導(dǎo)工藝制作的一類(lèi)538.3.3波導(dǎo)型光耦合器1.單模波導(dǎo)型

對(duì)單模光信號(hào)進(jìn)行功率分配的器件，由于基本結(jié)構(gòu)的不同可分為分支波導(dǎo)、方向耦合器和間隙漸變的方向耦合器等種類(lèi)。(a)分支波導(dǎo)型光耦合器結(jié)構(gòu)與光的分布耦合無(wú)關(guān)，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(dá)100nm。目前市場(chǎng)上的波導(dǎo)型分路器多采用這種結(jié)構(gòu)。制作技術(shù)關(guān)鍵在于抑制分支點(diǎn)產(chǎn)生二階橫模及確定最佳的分支角。前者要求在分支點(diǎn)前加合適的過(guò)渡波導(dǎo)，后者則要兼顧最小分支角和分支點(diǎn)處散射損耗隨分支角增大而增加。(a)分支波導(dǎo)形狀

(b)兩種波導(dǎo)型耦合器

圖8-25波導(dǎo)型分支波導(dǎo)耦合器8.3.3波導(dǎo)型光耦合器1.單模波導(dǎo)型對(duì)單模光信號(hào)進(jìn)行功54功率分路器的另一種重要的結(jié)構(gòu)，也是制作星型耦合器的基礎(chǔ)器件由兩條單模波導(dǎo)構(gòu)成的方向耦合器把交連部分做成能夠傳輸兩個(gè)模的波導(dǎo)耦合器以三條波導(dǎo)為基礎(chǔ)形成的方向耦合器。分光比通過(guò)耦合長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整。

8.3.3波導(dǎo)型光耦合器圖8-26方向耦合器

(b)方向耦合器功率分路器的另一種重要的結(jié)構(gòu)，也是制作星型耦合器的基礎(chǔ)器件8558.3.3波導(dǎo)型光耦合器2.多模波導(dǎo)型

在局域網(wǎng)中，目前較多采用的是多模耦合器。多模波導(dǎo)往往激勵(lì)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(hào)，必須在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)模式混合。實(shí)際中，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的耦合區(qū)長(zhǎng)度，使各種模式因衍射而展寬，在側(cè)壁上往返反射，直至橫向的光強(qiáng)分布達(dá)到相同，從而實(shí)現(xiàn)光功率在各輸出端口的均勻分配。

8.3.3波導(dǎo)型光耦合器2.多模波導(dǎo)型在局域網(wǎng)中，目前較568.4光波分復(fù)用器對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行分離與合成的光無(wú)源器件，其一個(gè)端口作為器件的輸出/輸入端，N個(gè)端口作為器件的輸入/輸出端系統(tǒng)容量升級(jí)制作單纖雙向傳輸系統(tǒng)接入網(wǎng)的圖像傳送對(duì)光纖/光纜進(jìn)行全網(wǎng)監(jiān)控并確定線路中光纖接點(diǎn)監(jiān)控隨著時(shí)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(diǎn)的位置、在全光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)復(fù)用及全光化光波系統(tǒng)。

發(fā)展：稀疏波分復(fù)用（CWDM，主要是指1310nm與1550nm的復(fù)用)4信道以上的密集波分復(fù)用（DWDM）成百信道的超密集波分復(fù)用（UDWDM）圖8-28WDM復(fù)用器與解復(fù)用器示意圖

8.4光波分復(fù)用器對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行分離與合成的光無(wú)源器件，其一578.4.1光波分復(fù)用器特性解復(fù)用器注入到入射端(單端口)的各種光波信號(hào)分別按波長(zhǎng)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)出射端不同工作波長(zhǎng)其輸出端口不同，以光信號(hào)波長(zhǎng)為函數(shù)的解復(fù)用器的光學(xué)特性，可以用輸入端到N個(gè)輸出端的各信道的波長(zhǎng)——插入損耗關(guān)系曲線來(lái)表達(dá)。給定工作波長(zhǎng)的光信號(hào)從輸入單端口傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的輸出端口時(shí)器件具有最低的插入損耗，而其它輸出端口對(duì)該輸入光信號(hào)具有理想的隔離。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)特性可以用對(duì)于給定的輸入端口到輸出端的插入損耗——波長(zhǎng)關(guān)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(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)附近，而其它輸入端口對(duì)該輸入光則有理想的隔離。圖8-29WDM解復(fù)用器波長(zhǎng)—插損關(guān)系曲線

圖8-30WDM復(fù)用器波長(zhǎng)—插損關(guān)系曲線

8.4.1光波分復(fù)用器特性解復(fù)用器圖8-29WDM解復(fù)588.4.1光波分復(fù)用器特性1.中心波長(zhǎng)（或通帶）1、2、……、n

由設(shè)計(jì)、制造者根據(jù)相應(yīng)國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶋H應(yīng)用要求來(lái)選定。ITU-T規(guī)定DWDM在1550nm區(qū)域以1552.52nm為標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)，其它復(fù)用波長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)間隔100G（0.8nm）或其整數(shù)倍。

2.中心波長(zhǎng)工作范圍Δλ1、Δλ2、……、n

指每一工作通道允許的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)位置。3.中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最小插入損耗IL1、IL2、……、ILn

指器件輸入端和對(duì)應(yīng)的輸出端光功率以分貝表示的減小值。以?xún)刹ㄩL(zhǎng)復(fù)用器為例，其最小插損IL1、IL2分別為：

越小越好。對(duì)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(fù)用器特性1.中心波長(zhǎng)（或通帶）1、2、598.4.1光波分復(fù)用器特性4.相鄰信道隔離度（最大串?dāng)_）I12、I23、……、I(n-1)n

指器件輸出端口的光進(jìn)入非指定輸出端口光能量大小。如兩波長(zhǎng)復(fù)用器隔離度為在數(shù)字通信系統(tǒng)中一般應(yīng)大于30dB，在模擬通信中則應(yīng)大于50dB。DWDM標(biāo)準(zhǔn)是假定相鄰信道間串?dāng)_最大，必須給出器件串?dāng)_最小值，以“>XdB”表示5.光回波損耗RL指光信號(hào)從指定端口輸入時(shí)，由于器件引起反向回傳的光能量。現(xiàn)在廠家制作的各類(lèi)器件回?fù)p均可大于50dB，完全滿(mǎn)足各類(lèi)系統(tǒng)的要求。6.偏振相關(guān)損耗PDL

指光信號(hào)以不同的偏振狀態(tài)輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出端口插入損耗最大變化量。均值一般應(yīng)小于0.1dB，根據(jù)應(yīng)用要求確定。7最大光功率Pmax.指器件允許通過(guò)的最大光功率值，以mW表示。

除此外，還有環(huán)境參數(shù)：溫度穩(wěn)定性、溫度波長(zhǎng)漂移、工作溫度(0C)、儲(chǔ)存溫度(0C)等。8.4.1光波分復(fù)用器特性4.相鄰信道隔離度（最大串?dāng)_）I1608.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)工作原理(基于色散、偏振、干涉等物理現(xiàn)象)分類(lèi)：8.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理根據(jù)工作原理(基于色散618.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理以?xún)刹ㄩL(zhǎng)器件為例說(shuō)明其工作原理。構(gòu)成：雙光纖、1/4GRIN透鏡和多層介質(zhì)膜。光學(xué)膜：中心波長(zhǎng)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(jīng)入纖進(jìn)入第一個(gè)GRIN透鏡后會(huì)聚成近平行光，射到多層介質(zhì)膜上分成兩路

2絕大部分透過(guò)，再經(jīng)第二個(gè)自聚焦透鏡會(huì)聚成一點(diǎn)出射，

1反射并經(jīng)第一個(gè)GRIN透鏡會(huì)聚并出射。波長(zhǎng)復(fù)用間隔可小于1nm。1.CWDM器件(1)干涉膜型光波分復(fù)用器(又稱(chēng)介質(zhì)膜片法、介質(zhì)薄膜法、介質(zhì)薄膜濾波器法)圖8-31兩波長(zhǎng)干涉膜濾波器型波分復(fù)用器

8.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理以?xún)刹ㄩL(zhǎng)器件為例說(shuō)明其工628.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理(2)嵌入式光纖波分復(fù)用器

由厚度為幾十m量級(jí)超薄型光學(xué)濾波片和光纖嵌入玻璃或金屬基體之中而構(gòu)成。全光纖型，省去準(zhǔn)直元件，降低了插損，又能有效抑制回?fù)p。易于批量生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性好。圖8-32嵌入式光纖波分復(fù)用器

(3)耦合器型光波分復(fù)用器件

可以是波導(dǎo)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(guò)串拉法或加濾波片法可以進(jìn)一步提高其隔離度。圖8-33耦合器型光纖波分復(fù)用器

8.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理(2)嵌入式光纖波分復(fù)用638.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)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(zhǎng)一般在1550nm區(qū)域。市場(chǎng)上最多的是介質(zhì)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(dǎo)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(gè)通光基體構(gòu)成。經(jīng)第一級(jí)濾波的光分離出波長(zhǎng)1，反射光再進(jìn)入下一路濾波器，分離出波長(zhǎng)2，如此反復(fù)，則可將所有波長(zhǎng)都分離出來(lái)。實(shí)際器件并非簡(jiǎn)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；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8-34TFF型DWDM器件幾十Gb/s通信系統(tǒng)首選方案，技術(shù)成熟，低通道數(shù)100GHz系統(tǒng)市場(chǎng)占有率>40%，不適用于50GHz、32路以上DWDM8.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理2.DWDM器件一般有648.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理(2)衍射光柵型

利用光柵對(duì)輸入光束進(jìn)行散射的原理工作，每個(gè)波長(zhǎng)通道對(duì)應(yīng)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）型光波分復(fù)用器、高空間頻率光柵型光波分復(fù)用器體全息光柵型光波分復(fù)用器?？梢灾谱?00GHzDWDM。器件通道數(shù)僅決定于光纖陣列制作，可>128路。(3)EDG型衍射光柵集成化產(chǎn)物，將光波導(dǎo)陣列、光柵采用微加工工藝制作在平板波導(dǎo)上形成工作原理:同普通光柵型波分復(fù)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8-36EDG型DWDM器件

8.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理(2)衍射光柵型利用光658.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理4.AWG型通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的集成光學(xué)工藝在硅、磷化銦、有機(jī)聚合物上制成由輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、平板耦合器和波導(dǎo)陣列光柵集成在單一襯底上構(gòu)成。輸出、輸入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光學(xué)參數(shù)要盡量與單模光纖匹配，以減小耦合損耗；輸出、輸入波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)的位置滿(mǎn)足羅蘭圓規(guī)則；1st平板耦合器將各種波長(zhǎng)的輸入信號(hào)耦合進(jìn)陣列波導(dǎo)輸入端，實(shí)現(xiàn)1:1的光學(xué)成像。幾百條光程差為0/2整數(shù)倍的波導(dǎo)構(gòu)成陣列波導(dǎo)，以充分接收平板波導(dǎo)區(qū)衍射光功率;產(chǎn)生的波長(zhǎng)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(zhǎng)順序輸出光波陣列波導(dǎo)輸出光波通過(guò)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)特性之外，還具有組合分配功能。圖8-37AWG型DWDM8.4.2光波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與工作原理4.AWG型通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)668.4.2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(zhǎng)光在滿(mǎn)足布拉格光柵條件的波長(zhǎng)上全反射，而其余的波長(zhǎng)則透過(guò)圖8-38FBG型DWDM濾波作用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678.5光隔離器

為避免回返光對(duì)光源等器件的工作產(chǎn)生影響并對(duì)回返光進(jìn)行抑制光通信系統(tǒng)中光傳輸會(huì)經(jīng)過(guò)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(duì)正向傳輸光具有較低插入損耗，而對(duì)反向傳輸光有很大衰減，可抑制反射對(duì)光源的不利影響，確保光通信系統(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光隔離器為避免回返光對(duì)光源等器件的工作產(chǎn)生影響并對(duì)回688.5.1光隔離器元件

1.光纖準(zhǔn)直器(OpticalFiberCollimator)

由1/4節(jié)距GRIN透鏡和單模光纖組成，一般成對(duì)使用，中間可插光學(xué)元件。對(duì)光纖中傳輸?shù)母咚构馐M(jìn)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(FaradayRotator)

法拉第效應(yīng)：線偏振光通過(guò)厚L的磁光晶體時(shí)旋轉(zhuǎn)角為：材料越長(zhǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，則旋轉(zhuǎn)角越大。旋角與磁場(chǎng)方向有關(guān)，與光傳播方向無(wú)關(guān)

8.5.1光隔離器元件1.光纖準(zhǔn)直器(OpticalFi698.5.1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(zhì)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(zhì)周期交替層迭構(gòu)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(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?xún)?yōu)良。

4.特種光纖磁敏光纖：在光纖的制作過(guò)程中摻稀土元素(如鋱)在外磁場(chǎng)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(kuò)束光纖(TEC光纖)：將SiO2光纖中摻GeO2經(jīng)熱處理后形成?？墒垢綦x器不再需要自聚焦透鏡。8.5.1光隔離器元件3.偏振器(Polarizator)708.5.2光隔離器(Isolator)的結(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(wú)關(guān)型：對(duì)輸入光偏振態(tài)依賴(lài)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(guò)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(lái)光纖型：將光纖斷面作適當(dāng)拋光、鍍膜等實(shí)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(wú)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)與工作原理根718.5.2光隔離器(Isolator)的結(jié)構(gòu)與工作原理

以微型空間型偏振相關(guān)光隔離器為例了解隔離器工作原理。包括兩個(gè)透光方向夾角45°的偏振器和一個(gè)法拉地旋轉(zhuǎn)器。入射平行光往返一次時(shí)，偏振角變化90°，反向光不能通過(guò)P1，實(shí)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)

8.5.2光隔離器(Isolator)的結(jié)構(gòu)與工作原理以728.5.3光隔離器的性能指標(biāo)光通訊系統(tǒng)對(duì)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(lái)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(dá)式偏振無(wú)關(guān)光隔離器插入損耗(在線式典型值0.3～0.4dB)主要來(lái)源：法拉第旋轉(zhuǎn)器出射o光和e光的會(huì)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(guò)的光學(xué)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(dá)0.1dB以下8.5.3光隔離器的性能指標(biāo)光通訊系統(tǒng)對(duì)光隔離器性能要求：738.5.3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(lái)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(shí)，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(wú)關(guān)隔離器中存在能引起偏振的元件，當(dāng)輸入光信號(hào)偏振態(tài)不同時(shí)會(huì)引起PDL2.反向隔離度

當(dāng)光從隔離器輸出端入射時(shí)，輸入端反向出射光功率與入射光功率的比值表征隔離器對(duì)反向傳輸光的衰減能力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748.5.3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(zhǎng)范圍，一般在-20～20nm左右。6.偏振模色散PMD

指通過(guò)器件的信號(hào)光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。偏振無(wú)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(chēng)偏振無(wú)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(gè)器件中o光傳播的光程，Le表示整個(gè)器件中e光傳播的光程。8.5.3光隔離器的性能指標(biāo)5.30dB隔離度帶寬以3758.6光開(kāi)關(guān)一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口、可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)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(cè)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1×1（即通斷開(kāi)關(guān)）1×21×N2×24×4N×M8.6光開(kāi)關(guān)一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口、可對(duì)光傳輸768.6光開(kāi)關(guān)分類(lèi)根據(jù)工作原理分機(jī)械式：靠光纖或光學(xué)元件移動(dòng)使光路發(fā)生改變，優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)的影響；不足：開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)(一般為毫秒數(shù)量級(jí))，有的還存在回跳抖動(dòng)、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(kāi)關(guān)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)小巧、開(kāi)關(guān)時(shí)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、聲光及熱光效應(yīng)來(lái)改變波導(dǎo)折射率，使光路發(fā)生改變優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)時(shí)間短(達(dá)到毫微秒數(shù)量級(jí)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光開(kāi)關(guān)分類(lèi)根據(jù)工作原理分778.6.1光開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān)。2.回波損耗（也稱(chēng)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?；?fù)p也與開(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān)。3.隔離度i端口輸入時(shí)m端口測(cè)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(kāi)關(guān)的特性參數(shù)1.插入損耗輸入和輸出端口之間788.6.1光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)

4.遠(yuǎn)端串?dāng)_

光開(kāi)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(duì)于1×2光開(kāi)關(guān)，當(dāng)?shù)谝惠敵龆丝诮油〞r(shí)，遠(yuǎn)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(gè)名義隔離端口的光功率之比。對(duì)于1×2光開(kāi)關(guān)，當(dāng)端口1與匹配終端相連接時(shí)，近端串?dāng)_定義為：8.6.1光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)4.遠(yuǎn)端串?dāng)_光開(kāi)關(guān)接通端口的輸798.6.1光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)式中：為m、n端口導(dǎo)通時(shí)的插損，為非導(dǎo)通狀態(tài)的插損。

6.消光比兩個(gè)端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差7.開(kāi)關(guān)時(shí)間

開(kāi)關(guān)端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間，從在開(kāi)關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起測(cè)量。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)還有回跳時(shí)間壽命重復(fù)性等波導(dǎo)型開(kāi)關(guān)還有偏振相關(guān)性溫度穩(wěn)定性耐沖擊與振動(dòng)性環(huán)境性能