1、燕山大學信息工程學院光電子系燕山大學信息工程學院光電子系 第第3 3章章 常見光無源器件常見光無源器件 常見光無源器常見光無源器 第第3 3章章 常見光無源器件常見光無源器件 v 光無源器件是光路的重要組成部分。光無源器件是光路的重要組成部分。 v 光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如 插頭、開關、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部插頭、開關、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部 分。分。常見的光無源器件有常見的光無源器件有光纖連接器、光耦合器、光波分光纖連接器、光耦合器、光波分 復用器、光隔離器、光衰減器、光開關復用器、光

2、隔離器、光衰減器、光開關等。等。 v 光無源器件遵守光學的基本理論，即光線理論和電磁場理光無源器件遵守光學的基本理論，即光線理論和電磁場理 論。論。 常見光無源器常見光無源器 3.1 3.1 光纖連接器光纖連接器 1 3.2 3.2 光光 耦耦 合合 器器 2 3.3 3.3 光光 隔隔 離離 器器 3 第第3 3章章 常見光無源器件常見光無源器件 常見光無源器常見光無源器 3.1 3.1 光纖連接器光纖連接器 v 光纖連接器可分為兩大類：光纖連接器可分為兩大類：活動連接器活動連接器和和固定連接器固定連接器。 1 3.1.1 3.1.1 光纖活動光纖活動 連接器連接器 2 3.1.2 3.1.

3、2 光纖固定光纖固定 連接器連接器 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v1 1基本結構及工作原理基本結構及工作原理 v 光纖活動連接器基本上是采用某種機械和光學結構，使兩光纖活動連接器基本上是采用某種機械和光學結構，使兩 根光纖的纖心對接，保證根光纖的纖心對接，保證9595以上的光能通過連接器。以上的光能通過連接器。 v 目前，活動連接器有代表性且正在使用的結構有以下幾種，目前，活動連接器有代表性且正在使用的結構有以下幾種， 如圖如圖3.1圖圖3.5所示。所示。 圖圖3.1 3.1 套管結構套管結構 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1

4、 光纖活動連接器光纖活動連接器 v 圖圖3.2 3.2 雙錐結構雙錐結構 圖圖3.4 3.4 球面定心結構球面定心結構 v 圖圖3.3 V3.3 V形槽結構形槽結構 圖圖3.5 3.5 透鏡耦合結構透鏡耦合結構 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v 套管結構的核心是插針與套筒。套管結構的核心是插針與套筒。 v 插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結構和主要尺寸插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結構和主要尺寸 如圖如圖3.6所示。所示。 圖圖3.6 3.6 插針的結構與主要尺寸插針的結構與主要尺寸 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖

5、活動連接器光纖活動連接器 v 插針的精度要求是：外徑不圓度小于插針的精度要求是：外徑不圓度小于0.0005 mm；外圓柱；外圓柱 面光潔度為面光潔度為 ；微孔偏心量小于；微孔偏心量小于 ；插針端面為；插針端面為 球面，其曲率半徑為球面，其曲率半徑為20 60 mm。 v 套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結構，如圖套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結構，如圖3.7所所 示。示。 141 m 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 圖圖3.7 3.7 套筒的結構與尺寸套筒的結構與尺寸 v 套筒的精度要求是：內孔光潔度為套筒的精度要求是：內孔光潔度為 ；拔插

6、力為；拔插力為 3.92 5.88 N。開口套筒使用彈性好的材料，如磷青銅、。開口套筒使用彈性好的材料，如磷青銅、 鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。 14 14 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v光纖活動連接器光纖活動連接器結構上差別很大，品種也很多，結構上差別很大，品種也很多， 但按功能可分成如下幾部分：但按功能可分成如下幾部分： v (1)(1) 連接器插頭連接器插頭(Plug Connector)(Plug Connector)：由插針體和若干外部：由插針體和若干外部 零件組成。零件組成。 v (2)(2) 轉換器或適配器轉換器

7、或適配器(Adapter)(Adapter)：即插座，可以連接同型：即插座，可以連接同型 號插頭，也可以連接不同型號插頭，可以連一對插頭，也號插頭，也可以連接不同型號插頭，可以連一對插頭，也 可以連接幾對插頭或多心插頭。可以連接幾對插頭或多心插頭。 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v (3)(3) 轉換器轉換器(Converter)(Converter)：將某一種型號的插頭變換成另：將某一種型號的插頭變換成另 一種型號的插頭，由一種型號的轉換器加上另外其他型號一種型號的插頭，由一種型號的轉換器加上另外其他型號 的插頭組成。的插頭組成。 v (4)

8、(4) 光纜跳線光纜跳線(Cable Jumper)(Cable Jumper)：一根光纜兩端面裝上插頭，：一根光纜兩端面裝上插頭， 稱為跳線。兩個插頭型號可以不同，可以是單心的，也可稱為跳線。兩個插頭型號可以不同，可以是單心的，也可 以是多心的。以是多心的。 v (5)(5) 裸光纖轉換器裸光纖轉換器(Bare Fiber Adapter)(Bare Fiber Adapter): : 將裸光纖穿將裸光纖穿 入裸光纖轉換器，處理好光纖端面，形成一個插頭。入裸光纖轉換器，處理好光纖端面，形成一個插頭。 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v2 2主要

9、性能指標及測試方法主要性能指標及測試方法 v(1)(1) 插入損耗插入損耗 v 插入損耗是指光信號通過活動連接器后，輸出光功率相對插入損耗是指光信號通過活動連接器后，輸出光功率相對 輸入光功率的分貝數，其表達式為輸入光功率的分貝數，其表達式為 (dB) (3.1) (3.1) 式中，式中， 為輸入光功率；為輸入光功率； 為輸出光功率。插入損耗為輸出光功率。插入損耗 越小越好。越小越好。 Loutin 10lg/IPP in P out P 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v(2)(2) 回波損耗回波損耗 v 回波損耗又稱為后向反射損耗，是指光纖連

10、接處，后向回波損耗又稱為后向反射損耗，是指光纖連接處，后向 反射光功率相對入射光功率的分貝數，其表達式為反射光功率相對入射光功率的分貝數，其表達式為 (dB) (3.2) (3.2) 式中，式中， 為輸入光功率；為輸入光功率； 為后向反射光功率。回波損為后向反射光功率。回波損 耗越大越好。耗越大越好。 Lrin 10lg/RPP in P r P 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v(3)(3) 重復性和互換性重復性和互換性 v 重復性重復性是指光纖活動連接器多次插拔后，插入損耗的變化，是指光纖活動連接器多次插拔后，插入損耗的變化， 用用dBdB表

11、示。表示。 v 互換性互換性是指連接器各部件互換時，插入損耗的變化，也用是指連接器各部件互換時，插入損耗的變化，也用 dBdB表示。表示。 常見光無源器常見光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v 影響光纖活動連接器插入損耗的因素影響光纖活動連接器插入損耗的因素很多，現簡述如下：很多，現簡述如下： v (1) (1) 兩個光纖纖心位置的錯位，如圖兩個光纖纖心位置的錯位，如圖3.83.8所示。所示。 實際有三種情況，即橫向錯位、角度傾斜和端面間隙。實際有三種情況，即橫向錯位、角度傾斜和端面間隙。 圖圖3.8 3.8 光纖纖心位置的錯位光纖纖心位置的錯位 常見光無源器常見

12、光無源器 3.1.1 3.1.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 v (2) (2) 在兩個光纖端面之間，由于存在不同的介質（如空在兩個光纖端面之間，由于存在不同的介質（如空 氣），光在介質之間多次反射，產生損耗，稱為菲涅耳反氣），光在介質之間多次反射，產生損耗，稱為菲涅耳反 射引起的損耗，其表達式為射引起的損耗，其表達式為 (3.3) (3.3) 式中，式中， 。當。當=1, =1.46=1, =1.46時，時， 。 v (3) (3) 由于兩根光纖纖心直徑不同，數值孔徑不同也會引起由于兩根光纖纖心直徑不同，數值孔徑不同也會引起 光纖連接器損耗。光纖連接器損耗。 10 /Knn Lf 0.32

13、 dBI 2 Lf 4 16 10lg (1) K I K 常見光無源器常見光無源器 3.1.2 3.1.2 光纖固定連接器光纖固定連接器 v 光纖固定連接器的作用是使一對或幾對光纖之間永久性的光纖固定連接器的作用是使一對或幾對光纖之間永久性的 連接。連接。 v 制作固定接頭的方法有制作固定接頭的方法有熔接法、熔接法、V V形槽法、毛細管法、套形槽法、毛細管法、套 管法等。管法等。 v 1 1熔接法熔接法 v 用熔接法制作固定連接器，用熔接法制作固定連接器，是光纖固定連接的主要方法。是光纖固定連接的主要方法。 v 它采用加熱的方法它采用加熱的方法將光纖熔接在一起，只要操作得當，熔將光纖熔接在一

14、起，只要操作得當，熔 接機設計合理，連接插入損耗很小，后向反射光近似為零，接機設計合理，連接插入損耗很小，后向反射光近似為零， 可以得到非常理想的光纖固定接頭。可以得到非常理想的光纖固定接頭。 常見光無源器常見光無源器 3.1.2 3.1.2 光纖固定連接器光纖固定連接器 v 光纖加熱和熔化的方法有三種，如圖光纖加熱和熔化的方法有三種，如圖3.93.9所示。所示。其特點如下其特點如下： v (1) (1) 電弧熔接電弧熔接 (2) (2) 氫氧焰熔接氫氧焰熔接 (3) (3) 激光熔接激光熔接 圖圖3.9 3.9 光纖熔接方法光纖熔接方法 常見光無源器常見光無源器 3.1.2 3.1.2 光纖

15、固定連接器光纖固定連接器 v (1)(1)電弧熔接電弧熔接 v 用高壓電極放電來加熱光纖，使之熔融連接，電弧放電和用高壓電極放電來加熱光纖，使之熔融連接，電弧放電和 光纖的對準可以由微機控制，實現自動化操作。電弧熔接光纖的對準可以由微機控制，實現自動化操作。電弧熔接 是熔接法中應用廣泛的方法。是熔接法中應用廣泛的方法。 v (2)(2)氫氧焰熔接氫氧焰熔接 v 用于一些特殊的場合，如海底光纜的光纖熔接，其特點是用于一些特殊的場合，如海底光纜的光纖熔接，其特點是 接頭強度高，但火焰的控制較為困難。接頭強度高，但火焰的控制較為困難。 v (3)(3)激光熔接激光熔接 v 如用激光器加熱并熔接光纖，

16、其特點是加熱環境非常干凈，如用激光器加熱并熔接光纖，其特點是加熱環境非常干凈， 接頭強度高，但設備昂貴。接頭強度高，但設備昂貴。 常見光無源器常見光無源器 3.1.2 3.1.2 光纖固定連接器光纖固定連接器 v 實現光纖熔接的設備是光纖熔接機，它由下述部分組成實現光纖熔接的設備是光纖熔接機，它由下述部分組成： (1)(1)光纖的準直與夾緊結構；光纖的準直與夾緊結構；(2)(2)光纖的對準機構；光纖的對準機構；(3)(3)電電 弧放電機構；弧放電機構；(4)(4)電弧放電和電機驅動的控制機構。電弧放電和電機驅動的控制機構。 v 以下是詳細介紹。以下是詳細介紹。 v (1) (1) 光纖的準直與

17、夾緊結構光纖的準直與夾緊結構 v 光纖的準直與夾緊結構由精密光纖的準直與夾緊結構由精密V形槽和壓板構成，形槽和壓板構成， v 精密精密V形槽的作用是使一對光纖不產生軸偏移，壓板使光形槽的作用是使一對光纖不產生軸偏移，壓板使光 纖固定在纖固定在V形槽內。形槽內。 常見光無源器常見光無源器 3.1.2 3.1.2 光纖固定連接器光纖固定連接器 v (2) (2) 光纖的對準機構光纖的對準機構 v 在熔接光纖之前，一般要通過手動或自動裝置使纖心完全在熔接光纖之前，一般要通過手動或自動裝置使纖心完全 對準。常用如下三種方法來實現光纖的對準：對準。常用如下三種方法來實現光纖的對準： 功率監測功率監測 纖

18、心直視纖心直視 包層對準包層對準 v (3) (3) 電弧放電機構電弧放電機構 v 熔接機的電弧放電由兩根電極完成，電極由鉬絲制成。熔接機的電弧放電由兩根電極完成，電極由鉬絲制成。 v (4) (4) 電弧放電和電機驅動的控制機構電弧放電和電機驅動的控制機構 v 在電極放電過程中，電機的驅動都由微處理機控制，按預在電極放電過程中，電機的驅動都由微處理機控制，按預 定程序工作。定程序工作。 常見光無源器常見光無源器 3.1.2 3.1.2 光纖固定連接器光纖固定連接器 v 2其他固定連接方式其他固定連接方式 v (1) V 形槽固定接頭形槽固定接頭 v 這種接頭攜帶方便，操作簡單，不需要貴重的儀

19、表和設這種接頭攜帶方便，操作簡單，不需要貴重的儀表和設 備。備。V 形槽的結構是多樣的，圖形槽的結構是多樣的，圖3.10為為 FMS-1 型光纖固型光纖固 定連接器的結構圖。定連接器的結構圖。 圖圖3.10 FMS-1型光纖固定連接器的結構圖型光纖固定連接器的結構圖 常見光無源器常見光無源器 3.1.2 3.1.2 光纖固定連接器光纖固定連接器 v (2) (2) 毛細管固定接頭毛細管固定接頭 v 毛細管固定接頭一般采用玻璃材料制作，將兩根處理好的毛細管固定接頭一般采用玻璃材料制作，將兩根處理好的 光纖從兩頭穿入玻璃毛細管內，利用其精密內孔使兩根光光纖從兩頭穿入玻璃毛細管內，利用其精密內孔使兩

20、根光 纖纖心對準。在兩根光纖端面加入匹配液，消除菲涅爾反纖纖心對準。在兩根光纖端面加入匹配液，消除菲涅爾反 射。射。 v (3) (3) 套管式固定接頭套管式固定接頭 v 與活動連接器一樣，其主要零件也是插針和套筒。插入損與活動連接器一樣，其主要零件也是插針和套筒。插入損 耗在耗在0.1 dB0.1 dB以下，回波損耗達以下，回波損耗達45 dB45 dB以上。以上。 常見光無源器常見光無源器 3.2 3.2 光光 耦耦 合合 器器 v 光耦合器光耦合器( (Coupler) )是是能使光信號在特殊結構的耦合區發能使光信號在特殊結構的耦合區發 生耦合，并進行光功率再分配的器件。生耦合，并進行光

21、功率再分配的器件。 v 從功能上，從功能上，可分為光功率分配器和光波長分配（合可分為光功率分配器和光波長分配（合/ /分波）分波） 耦合器。耦合器。 v 從端口形式上，從端口形式上，可分為可分為X 形形( )、Y 形形( )( )、 星形星形 ( N N, N2 ) 以及樹形以及樹形 ( 1 N, N2）耦合耦合 器。器。 22 12 常見光無源器常見光無源器 3.2 3.2 光光 耦耦 合合 器器 v 從工作帶寬上，從工作帶寬上，可分為單工作窗口的窄帶耦合器、單工作可分為單工作窗口的窄帶耦合器、單工作 窗口的寬帶耦合器和雙工作窗口的寬帶耦合器。窗口的寬帶耦合器和雙工作窗口的寬帶耦合器。 v

22、另外，由于傳導光模式的不同另外，由于傳導光模式的不同，又有多模光纖耦合器和單，又有多模光纖耦合器和單 模光纖耦合器之分。模光纖耦合器之分。 常見光無源器常見光無源器 1 3.2.1 3.2.1 描 述 光 耦描 述 光 耦 合 器 特 性合 器 特 性 的 一 些 技的 一 些 技 術參數術參數 2 3.2.2 3.2.2 光 耦 合 器光 耦 合 器 的 制 作 方的 制 作 方 法法 3 3.2.3 3.2.3 耦合機理耦合機理 4 3.2.4 3.2.4 波 導 型 光波 導 型 光 耦合器耦合器 5 3.2.5 3.2.5 光 波 分 復光 波 分 復 用器用器(WDM)(WDM) 和

23、 解 復 用和 解 復 用 器器 3.2 3.2 光光 耦耦 合合 器器 常見光無源器常見光無源器 3.2.1 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技術參數描述光耦合器特性的一些技術參數 v 1 1插入損耗插入損耗(Insertion Loss)(Insertion Loss) (3.4)(3.4) 式中，式中， 為第為第i i個輸出端口的插入損耗；個輸出端口的插入損耗； 為第為第i i個輸出個輸出 端口的光功率；端口的光功率； 為輸入的光功率。為輸入的光功率。 v 2 2附加損耗附加損耗(Excess Loss)(Excess Loss) (3.5)(3.5) v 插入損耗是各輸出端口的輸出功

24、率狀況，不僅與固有損插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損 耗有關，而且與分光比有很大的關系。耗有關，而且與分光比有很大的關系。 outin 10lg/(dB) ii ILPP i IL outi P in P out in 10lg (dB) i i P EL P 常見光無源器常見光無源器 3.2.1 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技術參數描述光耦合器特性的一些技術參數 v 3 3分光比分光比(Coupling Ration)(Coupling Ration) (3.6) (3.6) v 它是光耦合器特有的技術指標。它是光耦合器特有的技術指標。 v 4 4方向性方向性(Dire

25、ctivity)(Directivity) v 方向性是光耦合器特有的技術指標方向性是光耦合器特有的技術指標, , 是衡量器件定向傳輸是衡量器件定向傳輸 特性的參數。以特性的參數。以X X形耦合器為例，方向性定義為耦合器正形耦合器為例，方向性定義為耦合器正 常工作時，輸入一側非注入光的一端輸出的光功率與全部常工作時，輸入一側非注入光的一端輸出的光功率與全部 注入的光功率的比值。注入的光功率的比值。 out out 100 i i i P CR P 常見光無源器常見光無源器 3.2.1 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技術參數描述光耦合器特性的一些技術參數 v 由由 2 端輸出的光功率端輸出的

26、光功率 與全部注入的光功率與全部注入的光功率( (即圖即圖 3.11中中 1 端注入的光功率端注入的光功率 ) )之比為之比為 (3.7)(3.7) 圖圖3.11 X3.11 X形耦合器的方向性形耦合器的方向性 IN2(out) P IN1 P IN2(out) IN1 10lg (dB) P DL P 常見光無源器常見光無源器 3.2.1 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技術參數描述光耦合器特性的一些技術參數 v 5 5均勻性均勻性(Uniformity)(Uniformity) v 對于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），對于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形）， 由于工藝

27、局限，往往不可能做到絕對的均勻，用均勻性由于工藝局限，往往不可能做到絕對的均勻，用均勻性 來衡量其不均勻程度：來衡量其不均勻程度： (3.8)(3.8) v 6 6偏振相關損耗偏振相關損耗(Polarization Dependent Loss)(Polarization Dependent Loss) v 衡量器件對于傳輸光信號的偏振態的敏感程度的參量，衡量器件對于傳輸光信號的偏振態的敏感程度的參量， 也稱為偏振靈敏度。也稱為偏振靈敏度。 out out Min() 10lg (dB) Max() i i P FL P 常見光無源器常見光無源器 3.2.1 3.2.1 描述光耦合器特性的一些

28、技術參數描述光耦合器特性的一些技術參數 v 當傳輸光信號的偏振態變化當傳輸光信號的偏振態變化 時，器件各輸出端輸出時，器件各輸出端輸出 功率的最大變化量：功率的最大變化量： (3.9)(3.9) v 7 7隔離度隔離度(Isolation)(Isolation) (3.10)(3.10) v 式中，式中， 為在第為在第i i個光路輸出端測到的其他輸出端光信個光路輸出端測到的其他輸出端光信 號的功率；號的功率； 為輸入的光功率。為輸入的光功率。 out out Min() 10lg(dB) Max() i i P PDL P out in 10lg (dB) i i P I iP outi P

29、ini P 360 常見光無源器常見光無源器 3.2.2 3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法 v光耦合器大致可分為光耦合器大致可分為分立元件組合型分立元件組合型、全光纖型全光纖型 和和平面波導型。平面波導型。 v 1 1、早期采用分立光學元件、早期采用分立光學元件（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等） 組合拼接。組合拼接。 v 其耦合機理簡單直觀，可用一般的幾何光學進行描述。其耦合機理簡單直觀，可用一般的幾何光學進行描述。 v 但損耗大，與光纖耦合困難，環境穩定性較差。但損耗大，與光纖耦合困難，環境穩定性較差。 常見光無源器常見光無源器 3.2.2 3.2.2

30、光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法 v 2、全光纖耦合器，即直接在兩根（或兩根以上）光纖之、全光纖耦合器，即直接在兩根（或兩根以上）光纖之 間形成某種形式的耦合。間形成某種形式的耦合。 v 全光纖耦合器的發展：全光纖耦合器的發展： （1）最早是）最早是Sheem和和Giallorenzi發明的蝕刻法發明的蝕刻法 （2） BerghBergh等人發明了光纖研磨法，等人發明了光纖研磨法， （3）研磨結束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再將光纖研磨結束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再將光纖 拼接，做成光纖耦合器。拼接，做成光纖耦合器。 常見光無源器常見光無源器 3.2.2 3.2.2 光耦合器的制作

31、方法光耦合器的制作方法 （4）2020世紀世紀8080年代初，人們開始用光纖熔融拉錐法制作單年代初，人們開始用光纖熔融拉錐法制作單 模光纖耦合器，已成為當前制作光耦合器的主要方法。模光纖耦合器，已成為當前制作光耦合器的主要方法。 v 3 3、集成化是未來光纖通信發展的必然趨勢。、集成化是未來光纖通信發展的必然趨勢。 利用利用平面光波導平面光波導制作的光耦合器具有體積小，分光比控制制作的光耦合器具有體積小，分光比控制 精確，易于大批生產等特點。精確，易于大批生產等特點。 常見光無源器常見光無源器 3.2.2 3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法 v 熔融拉錐法是：熔融拉錐法是：將兩根

32、（或兩根以上）除去涂覆層的光將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光 纖以一定方式靠攏，在高溫下熔融，同時向兩側拉伸，纖以一定方式靠攏，在高溫下熔融，同時向兩側拉伸， 最終在加熱區形成雙錐形式的特殊波導結構，實現傳輸最終在加熱區形成雙錐形式的特殊波導結構，實現傳輸 光功率耦合的一種方法。光功率耦合的一種方法。 v 熔融拉錐制作系統的示意圖如圖熔融拉錐制作系統的示意圖如圖3.123.12所示。所示。 圖圖3.12 3.12 熔融拉錐制作系統示意熔融拉錐制作系統示意 常見光無源器常見光無源器 3.2.2 3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法 v 熔融拉錐型全光纖耦合器熔融拉錐型全光纖耦合器有

33、如下有如下優點優點： v (1) (1) 極低的附加損耗，對于極低的附加損耗，對于X 形或形或Y 形耦合器（參見表形耦合器（參見表 3.1），附加損耗小于），附加損耗小于0.05 dB。 表表3.1 標準標準X, Y型全光纖耦合器的典型性能指標型全光纖耦合器的典型性能指標 指指 標標單模單模2(1)2 工作波長工作波長1310, 1550nm 附加損耗附加損耗0.1 dB 分光比容差分光比容差 分光比分光比 方向性方向性60 dB 工作溫度工作溫度-40C85C 常見光無源器常見光無源器 3.2.2 3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法 v (2) (2) 方向性好，一般達到方向性

34、好，一般達到60 dB，保證了傳輸光信號的定，保證了傳輸光信號的定 向性，減小了線路之間的串擾。向性，減小了線路之間的串擾。 v (3) (3) 良好的環境穩定性，光路結構簡單緊湊，在良好的環境穩定性，光路結構簡單緊湊，在 - -4085溫度范圍內耦合器可以保證穩定工作。溫度范圍內耦合器可以保證穩定工作。 v (4) (4) 控制方法簡單、靈活，不僅可以方便地改變器件的控制方法簡單、靈活，不僅可以方便地改變器件的 性能參數，還能制作具有不同功能的其他器件。性能參數，還能制作具有不同功能的其他器件。 v (5) (5) 制作成本低，適于批量生產。表制作成本低，適于批量生產。表3.1給出了標準給出

35、了標準X，Y 型全光纖耦合器的典型性能指標。型全光纖耦合器的典型性能指標。 常見光無源器常見光無源器 3.2.3 3.2.3 耦合機理耦合機理 v 1 1單模光纖耦合器單模光纖耦合器 v 在單模光纖中，傳導模是兩個正交的基模在單模光纖中，傳導模是兩個正交的基模( ( 模模) )， 耦合器中光場強分布如圖耦合器中光場強分布如圖3.13所示。所示。 圖圖3.13 3.13 耦合器中光場強分布耦合器中光場強分布 11 HE 常見光無源器常見光無源器 3.2.3 3.2.3 耦合機理耦合機理 v 傳導模進入熔融錐區，纖心不斷變細，傳導模進入熔融錐區，纖心不斷變細，V 值逐漸減小，值逐漸減小， 有越來越

36、多的光功率進入光纖包層中，實際光功率是在有越來越多的光功率進入光纖包層中，實際光功率是在 以包層為心、光纖外介質為包層的復合波導中傳輸的。以包層為心、光纖外介質為包層的復合波導中傳輸的。 v 在輸出端，隨著纖心的逐漸變粗，在輸出端，隨著纖心的逐漸變粗，V 值增大，光功率被值增大，光功率被 兩根纖心以特定比例捕獲。在熔錐區，兩根光纖包層合兩根纖心以特定比例捕獲。在熔錐區，兩根光纖包層合 并在一起，兩根光纖纖心足夠接近，形成弱耦合，如圖并在一起，兩根光纖纖心足夠接近，形成弱耦合，如圖 3.143.14所示。所示。 v 圖圖3.14 3.14 熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理熔融拉錐型光纖耦合器的工作

37、原理 常見光無源器常見光無源器 3.2.3 3.2.3 耦合機理耦合機理 v 在弱導近似下，假設光纖無損耗，則有耦合方程：在弱導近似下，假設光纖無損耗，則有耦合方程： (3.11)(3.11) v 式中，式中， 分別為兩根光纖的模式場幅度；分別為兩根光纖的模式場幅度； 是獨立是獨立 狀態的兩根光纖的傳輸常數；狀態的兩根光纖的傳輸常數； 是耦合系數。是耦合系數。 v 實際上，自耦合系數實際上，自耦合系數 ，且，且 。 當當z z = 0 = 0 時，已知時，已知 ，則耦合方程的解為式，則耦合方程的解為式 (3.12)(3.12)所示。所示。 1 1111122 2 2222211 d( ) j(

38、)j d d( ) j()j d A z CACA z Az CACA z 12 ,A A 12 , i j C 1122 0CC 1221 CCC 12 (0),(0)AA 常見光無源器常見光無源器 3.2.3 3.2.3 耦合機理耦合機理 v 因此可求得每根光纖中的功率為因此可求得每根光纖中的功率為 v (3.13) (3.13) v 由此得到：由此得到： 耦合比率與熔融耦合比率與熔融 拉伸長度的關系拉伸長度的關系 曲線，如圖曲線，如圖3.153.15 所示。最大耦合率所示。最大耦合率 可以達到可以達到100100。 圖圖3.15 3.15 耦合比率與熔融拉伸長度的關系耦合比率與熔融拉伸長

39、度的關系 2 22 11 2 22 22 ( )( )1sin ( )( )sin C P zA zFz F C P zAzFz F 常見光無源器常見光無源器 3.2.3 3.2.3 耦合機理耦合機理 v 2 2多模光纖耦合器多模光纖耦合器 v 階躍多模光纖的模式總數階躍多模光纖的模式總數 ，當傳導模（靠近光，當傳導模（靠近光 軸為低階模，離光軸較遠的是高階模）進入多模光纖耦合軸為低階模，離光軸較遠的是高階模）進入多模光纖耦合 器的熔錐區時，纖心變細，器的熔錐區時，纖心變細，V值變小，纖心中束縛的模式值變小，纖心中束縛的模式 數減小，較高階模進入包層，形成包層模。數減小，較高階模進入包層，形成

40、包層模。 v 在熔錐區，兩光纖包層合并，在輸出端纖心又逐漸變粗時，在熔錐區，兩光纖包層合并，在輸出端纖心又逐漸變粗時， 耦合臂的纖心將以一定比例捕獲這些高次模式，獲得耦合耦合臂的纖心將以一定比例捕獲這些高次模式，獲得耦合 光功率，但低次模不參與耦合。光功率，但低次模不參與耦合。 2/2 NV 常見光無源器常見光無源器 3.2.4 3.2.4 波導型光耦合器波導型光耦合器 v 在在 等襯底材料上，通過薄膜沉積、光刻、擴散等等襯底材料上，通過薄膜沉積、光刻、擴散等 工藝形成所需的波導結構，利用光波導實現光的耦合。工藝形成所需的波導結構，利用光波導實現光的耦合。 v 單模光纖與單模波導的耦合有單模光

41、纖與單模波導的耦合有端面直接耦合端面直接耦合和通和通過迅衰過迅衰 場的表面耦合場的表面耦合等方法。等方法。 v 波導型光纖耦合器有以下優點波導型光纖耦合器有以下優點： v (1) (1) 體積小，質量輕，易于集成。體積小，質量輕，易于集成。 v (2) (2) 機械及環境穩定性好。機械及環境穩定性好。 v (3) (3) 耦合分光比易于精確控制，母板定形后，可以進行耦合分光比易于精確控制，母板定形后，可以進行 大批量生產。大批量生產。 v (4) (4) 易于制成小型化的寬帶耦合器件。易于制成小型化的寬帶耦合器件。 3 LiNbO 常見光無源器常見光無源器 3.2.4 3.2.4 波導型光耦合

42、器波導型光耦合器 v 單模波導型分路器是對單模光信號進行功率分配的器件，單模波導型分路器是對單模光信號進行功率分配的器件， 可分為可分為分支波導分支波導、方向耦合器方向耦合器和和間隙漸變方向耦合器間隙漸變方向耦合器三種。三種。 v 1 1分支波導分支波導 v 分支波導的基本結構分為對稱和非對稱兩種，如圖分支波導的基本結構分為對稱和非對稱兩種，如圖3.163.16所所 示。其帶寬僅取決于模色散的限制，適于制作寬帶耦合器，示。其帶寬僅取決于模色散的限制，適于制作寬帶耦合器， 帶寬可達帶寬可達100 nm。 圖圖3.16 3.16 分支波導分支波導 常見光無源器常見光無源器 3.2.4 3.2.4

43、波導型光耦合器波導型光耦合器 v 2 2方向耦合器方向耦合器 v 方向耦合器方向耦合器( (如圖如圖3.173.17所示所示) )對波長較為敏感，帶寬為對波長較為敏感，帶寬為 10nm 左右，分光比通過耦合區的長度來調整。左右，分光比通過耦合區的長度來調整。 圖圖3.17 3.17 波導方向耦合器波導方向耦合器 常見光無源器常見光無源器 3.2.5 3.2.5 光波分復用器光波分復用器( (WDM) )和解復用器和解復用器 v 光波分（解）復用器是按光波波長進行功率分離與合成光波分（解）復用器是按光波波長進行功率分離與合成 的光無源器件，結構如圖的光無源器件，結構如圖3.183.18所示。所示

44、。 圖圖3.18 3.18 WDM 光傳輸原理圖光傳輸原理圖 v 光波分復用器的一個端口作為器件的輸入光波分復用器的一個端口作為器件的輸入/ /輸出端，輸出端，N個個 端口作為器件的輸出端口作為器件的輸出/ /輸入端。解復用器端口輸入端。解復用器端口0#注入各種注入各種 波長的光信號，在輸出端，不同波長的光信號分別在波長的光信號，在輸出端，不同波長的光信號分別在N N個個 端口輸出，其功率在不同波長之間有極低的串擾。端口輸出，其功率在不同波長之間有極低的串擾。 常見光無源器常見光無源器 3.2.5 3.2.5 光波分復用器光波分復用器( (WDM) )和解復用器和解復用器 v 解復用器則與之相

45、反，解復用器則與之相反，N 個端口的插入損耗與波長的關系個端口的插入損耗與波長的關系 如圖如圖3.193.19所示。其主要的光學特性為所示。其主要的光學特性為 圖圖3.19 3.19 解復用器波長解復用器波長- -插入損耗的關系曲線插入損耗的關系曲線 常見光無源器常見光無源器 3.2.5 3.2.5 光波分復用器光波分復用器( (WDM) )和解復用器和解復用器 (1) 中心波長中心波長 。ITU-TL 規定在規定在1550 nm區域，以區域，以 1552.52 nm為標準波長，其他波長與之間隔為為標準波長，其他波長與之間隔為0.8nm(100G)， 或其整數倍或其整數倍( )為復用波長。為復

46、用波長。 (2) 中心波長中心波長 工作范圍工作范圍, ， 對于每一通道，確定了對于每一通道，確定了 出射光的譜寬范圍。出射光的譜寬范圍。 (3) 中心波長對應的最小插入損耗中心波長對應的最小插入損耗 , 是衡量解復用器是衡量解復用器 的一項重要指標，越小越好。的一項重要指標，越小越好。 (4) 相鄰信道之間的串音耦合最大值是另一項重要指標，數字相鄰信道之間的串音耦合最大值是另一項重要指標，數字 信號通信系統要求大于信號通信系統要求大于 30 dB，模擬信號通信系統要求大于，模擬信號通信系統要求大于 50 dB。 1 2 1 L 2 L 12 , n 0.8 nmn 常見光無源器常見光無源器

47、3.2.5 3.2.5 光波分復用器光波分復用器(WDM) )和解復用器和解復用器 v 利用色散、偏振、干涉等物理現象都可以制作利用色散、偏振、干涉等物理現象都可以制作WDM 器件。器件。 以下是幾種常見的以下是幾種常見的WDM 器件類型。器件類型。 v 1 1介質膜型介質膜型 v 利用窄帶干涉濾光膜（帶通型）進行波長的選擇，通道數目利用窄帶干涉濾光膜（帶通型）進行波長的選擇，通道數目 48個，其結構如圖個，其結構如圖 3.20 3.20 所示。所示。 v 圖圖3.20 3.20 窄帶介質膜帶通濾光片構成的窄帶介質膜帶通濾光片構成的4 4通道通道WDM器件器件 常見光無源器常見光無源器 3.2

48、.5 3.2.5 光波分復用器光波分復用器( (WDM) )和解復用器和解復用器 v 2 2光柵型光柵型 v 利用光柵的衍射效應，不同波長的光衍射角度不同，實現利用光柵的衍射效應，不同波長的光衍射角度不同，實現 空間的分離，通道數目空間的分離，通道數目6464個，其結構如圖個，其結構如圖3.213.21所示。所示。 圖圖3.21 3.21 由反射光柵構成的解復用器由反射光柵構成的解復用器 常見光無源器常見光無源器 3.2.5 3.2.5 光波分復用器光波分復用器( (WDM) )和解復用器和解復用器 v 3 3波導陣列光柵型波導陣列光柵型 v 波導陣列光柵型波分復用器由輸入和輸出波導、空間耦合

49、器波導陣列光柵型波分復用器由輸入和輸出波導、空間耦合器 和波導陣列光柵構成。和波導陣列光柵構成。 v 輸入和輸出波導用于與單模光纖連接，空間耦合器將各種波輸入和輸出波導用于與單模光纖連接，空間耦合器將各種波 長光信號耦合進波導陣列光柵，波導陣列光柵由幾百條光程長光信號耦合進波導陣列光柵，波導陣列光柵由幾百條光程 差為差為 的波導組成。的波導組成。 1 2 Ln 常見光無源器常見光無源器 3.2.5 3.2.5 光波分復用器光波分復用器( (WDM) )和解復用器和解復用器 v 根據衍射理論，在輸出端光按波長大小順序排列輸出，通根據衍射理論，在輸出端光按波長大小順序排列輸出，通 過空間耦合器傳輸

50、到相應的輸出波導端口，其結構如圖過空間耦合器傳輸到相應的輸出波導端口，其結構如圖 3.223.22所示。所示。 v 圖圖3.22 3.22 波導陣列光柵型波導陣列光柵型D D波分復用器波分復用器 常見光無源器常見光無源器 3.5 3.5 光光 隔隔 離離 器器 v 光隔離器是只允許光線沿光路單向傳輸的無源器件，用于光隔離器是只允許光線沿光路單向傳輸的無源器件，用于 解決光纖通信中光路中光反射的問題。解決光纖通信中光路中光反射的問題。 1 3.5.1 3.5.1 光隔離器中使光隔離器中使 用的光學元件用的光學元件 2 3.5.2 3.5.2 光隔離器的作光隔離器的作 用和工作原理用和工作原理 常

51、見光無源器常見光無源器 3.5.1 3.5.1 光隔離器中使用的光學元件光隔離器中使用的光學元件 v 1 1光纖準直器光纖準直器(Optical fiber Collimator)(Optical fiber Collimator) v 光纖準直器由自聚焦透鏡和單模光纖組成，對光纖中傳光纖準直器由自聚焦透鏡和單模光纖組成，對光纖中傳 輸的高斯光束進行準直，以提高光纖之間的耦合效率。輸的高斯光束進行準直，以提高光纖之間的耦合效率。 v 2 2法拉第旋轉器法拉第旋轉器(Faraday Rotator)(Faraday Rotator) v 18451845年法拉第發現，原來不具有旋光性的物質在磁場

52、作年法拉第發現，原來不具有旋光性的物質在磁場作 用下，偏振光通過該物質時其偏振面將發生旋轉，旋轉用下，偏振光通過該物質時其偏振面將發生旋轉，旋轉 角度為角度為 (3.14)(3.14) 式中，式中，V V為為VerdetVerdet常數；常數；L L為光在介質中的傳輸距離；為光在介質中的傳輸距離；B B為為 磁感應強度。磁感應強度。 VLB 常見光無源器常見光無源器 3.5.1 3.5.1 光隔離器中使用的光學元件光隔離器中使用的光學元件 v 3 3偏振器偏振器(Polarizator)(Polarizator) v 雙折射晶體被加工成楔形，入射光沿非光軸方向入射，雙折射晶體被加工成楔形，入射

53、光沿非光軸方向入射， 出射光分為偏振方向正交的兩束線偏光出射光分為偏振方向正交的兩束線偏光o 光和光和e 光。光。 v 薄膜起偏分束器是由人造各向異性介質制作的，其結構薄膜起偏分束器是由人造各向異性介質制作的，其結構 如圖如圖3.233.23所示。兩種電介質材料周期性層疊，厚度周期所示。兩種電介質材料周期性層疊，厚度周期 小于波長。小于波長。 o 光和光和e光的分離角度由兩種材料的折射率、光的分離角度由兩種材料的折射率、 厚度、以及入射角度決定。厚度、以及入射角度決定。 圖圖3.23 3.23 薄膜起偏分束器薄膜起偏分束器 常見光無源器常見光無源器 3.5.1 3.5.1 光隔離器中使用的光學

54、元件光隔離器中使用的光學元件 v 線柵起偏器由金屬和電介質周期交替層疊構成，如圖線柵起偏器由金屬和電介質周期交替層疊構成，如圖 3.243.24所示。光穿過線柵時，偏振與線柵方向平行的線偏所示。光穿過線柵時，偏振與線柵方向平行的線偏 光被吸收，垂直線柵方向的線偏光損耗很小，輸出線偏光被吸收，垂直線柵方向的線偏光損耗很小，輸出線偏 光。光。 v 4 4特種光纖特種光纖 圖圖3.24 3.24 線柵起偏器線柵起偏器 v 磁敏光纖在制造中摻入稀土元素，具有良好的透光性和磁敏光纖在制造中摻入稀土元素，具有良好的透光性和 法拉第旋光性。法拉第旋光性。 常見光無源器常見光無源器 3.5.2 3.5.2 光隔離器的作用和工作原理光隔離器的作用和工作原理 v 在光通信系統中，從光源到接收機的傳輸過程中，會出現在光通信系統中，從光源到接收機的傳輸過程中，會出現 光學界面產生的反射引起的頻率漂移幅度變化，影響系統光學界面產生的反射引起的頻率漂移幅度變化，影響系統 的正常工作。采用光隔離器就可以消除反射光的影響。的正常工作。采用光隔離器就可以消除反射光的影響。 v 根據偏振特性，光隔離器可分為根據偏