第4章無源光器件4.1光纖連接器4.2光纖耦合器4.3光開關4.4光纖光柵4.5光濾波器4.6WDM合波/分波器4.7光隔離器與光環形器習題四4.1光纖連接器對于任何一個光纖線路，必須考慮的一個重要問題是光纖之間的低損耗連接方法。這些連接存在于光源與光纖，光纖與光纖以及光纖與光檢測器之間。光纖連接需要采用何種技術，取決于光纖是永久連接還是可拆卸的連接。一個永久性的連接通常指的是一個接頭，而一個易拆卸的連接則稱為連接器。接頭一般常見于線路中間兩根光纜中的光纖之間的連接，連接器常位于光纜終端處，用于將光源或光檢測器與光纜中的光纖連接起來。每種連接方法都受限于一些特定的條件，它們在接頭處都將導致不同程度的光功率損耗。這些損耗取決于一定參數，如兩根光纖的幾何特性、波導特性、光纖端面的質量以及它們之間的相對位置等。4.1.1光纖連接損耗連接損耗可分為外部損耗和內部損耗。外部損耗又稱為機械對準誤差或連接錯位損耗，它顧名思義是由于光纖之間的連接錯位引起的損耗。內部損耗又稱為與光纖相關的損耗，這主要是由于光纖的波導特性和幾何特性差異導致的損耗。連接錯位一般有以下幾種情況：軸向位移、連接間隔、傾斜位移、截面不平整。這些損耗如圖4.1所示。圖4.1光纖錯位連接損耗(a)軸向位移；(b)連接間隔；(c)傾斜錯位;(d)截面不平整

軸向位移即兩根光纖連接處有軸向錯位。其耦合損耗在零點幾分貝到幾個分貝之間，若錯位距離小于光纖直徑的5%，則損耗一般可以忽略不計。連接間隔有時又稱端分離。如果兩根光纖直接對接，則必須接觸在一起，光纖分得越開，光的損耗越大。如果兩根光纖通過連接器相連，則不必接觸，因為在連接器接觸產生的相互摩擦會損壞光纖。

傾斜錯位有時稱為角錯位。若角錯位小于2°，則耦合損耗不會超過0.5dB。截面不平整。光纖連接的兩個截面必須經過高精度拋光和正面粘合。如果截面與垂直面的夾角小于3°，則耦合損耗不會超過0.5dB。除了錯位連接之外，任何相連的光纖的幾何特性和波導特性的差異對光纖間的耦合損耗都有大的影響。這些特性包括纖芯的直徑、纖芯區域的橢圓度、光纖的數值孔徑、折射率剖面等。由于這些參數與生產廠家相關，因而使用者不能控制特性的變化。理論結果表明，與折射率剖面、纖芯區域的橢圓度相比，纖芯的直徑和數值孔徑的差異對連接損耗的影響更大。圖4.2（a）、（b）、（c）給出了由纖芯直徑、數值孔徑和模場直徑失配所引起的損耗的示意圖。圖4.2內部連接損耗(a)D2>Ｄ1;(b)NA1>NA2;(c)MFD1>MFD24.1.2光纖連接方法光纖連接是指兩根光纖之間的永久或半永久連接，它的典型應用在于建立一個很長的光鏈路，或者用在不需要經常連接和斷開光纖的情況中。為了實施和計算這樣的連接，必須考慮的因素有兩根光纖的幾何差異、光纖在接點時的對準誤差和接頭的機械強度。這里介紹光纖通信中常用的連接方法。

光纖連接方法包括光纖熔接法、V型槽機械連接和彈性管連接。第一種方法可產生永久性的連接，而后兩種連接方法在需要時可以將已連接的光纖拆開。

光纖熔接是通過加熱的方法使已制備好的光纖端面連接在一起，如圖4.3所示。這種方法首先將光纖端面對齊，并且對接在一起，該過程是在一個槽狀光纖固定器里、在帶有微型控制器的顯微鏡之下完成的。然后在兩根光纖的連接處，使用電弧或激光脈沖加熱，使光纖頭尾端被熔化，進而連接在一起。這種技術產生非常小的連接損耗(典型的平均值小于0.06dB)。圖4.3光纖的熔接在V型槽機械連接方法中，首先要將預備好的光纖端面緊靠在一起，如圖4.4所示。然后將兩根光纖使用粘合劑連接在一起或先用蓋片將兩根光纖固定。V型通道既可以是槽狀石英、塑料、陶瓷，也可以是金屬基片作成槽狀。這種方法的連接損耗在很大程度上取決于光纖的尺寸(外尺寸和纖芯直徑)變化和偏心度(纖芯相對于光纖中心的位置)。圖4.4V型槽機械連接圖4.5所示為彈性管連接裝置的剖面圖。這是一種可以自動進行橫向、縱向、角度對準的獨特器件。使用它連接多模光纖可以得到和商用熔接機同一大小范圍的連接損耗，但它所需要的設備和技巧卻要少得多。這種連接器件基本上就是一根用彈性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小于待連接的光纖。在孔的兩端做成圓錐形以便于光纖插入。當插入光纖時，光纖使孔膨脹，于是塑料材料對光纖施加均勻的力。這種對稱特征讓兩根待連接光纖的軸自動準確地對齊。尺寸范圍較寬的光纖都能夠插入彈性管中。由于每一根光纖在插入到彈性管中時，其各自位置與彈性管管軸相關，因此兩根待連接的光纖在尺寸上并不一定要相等。圖4.5彈性管連接4.1.3常用的幾種連接器光纖連接器常采用螺絲卡口、卡銷固定、推拉式三種結構。這些連接器利用的基本耦合機理既可以是對接類型，也可以是擴展光束類型。對接類型的連接器采用金屬、陶瓷或模制塑料的套圈，這些套圈可以很好地適配每根光纖和精密套管。將光纖涂上環氧樹脂后插入套圈內的精密孔中。套圈連接器對機械結構的要求包括小孔直徑尺寸以及小孔相對于套圈外表面的位置。圖4.6給出了用于單模光纖和多模光纖系統中的兩種常用對接類型的對準設計，它們分別采用直套筒和錐形(雙錐形)套筒結構。在直套筒連接器中，套圈中的套管和引導環的長度決定了光纖的端面間距。而雙錐形的連接器使用了錐形套筒以便接納和引導錐形套管。類似地，筒中的套管和引導環的長度同樣也使光纖的端面保持給定的間距。圖4.6常用光纖連接器的對準方案示意圖(a)直套筒；(b)錐形套筒；(c)擴展光束

擴展光束類型的連接器在光纖的端面之間加進透鏡，如圖4.6(c)所示。這些透鏡既可以準直從傳輸光纖出射的光，也可以將擴展光束聚焦到接收光纖的纖芯處，光纖到透鏡的距離等于透鏡的焦距。這種結構的優點是由于準直了光束，因此在連接器的光纖端面間就可以保持一定的距離，這樣連接器的精度將較少地受橫向對準誤差的影響。而且，一些光處理元件，諸如分束器和光開關等，也能很容易地插入到光纖端面間的擴展光束中。1.插入損耗連接器的一個最重要的性能參數是插入損耗。正如前面所討論的，存在各種可能的原因引起光的損耗,設計中要盡量減少插入損耗。插入損耗是由制造商以如下的兩個數值提供的：平均值和最大值。一般的連接器平均損耗大約為0.25dB，這個數值可以在0.1～1dB之間浮動。最大損耗大約為0.5dB，變化范圍在0.3～1.5dB之間。

2.回波損耗對連接器來說，回波損耗的問題起源于一個簡單的矛盾現象：為了最小化插入損耗，需要盡可能地將光纖端面拋光，而拋光的端面對光的反射增強，這樣回波損耗就產生了。

回射發生在纖芯之間空氣的交界面上，為此安裝人員提出了有效的解決方法：將兩個連接端面通過物理接觸(PC)來減小它們之間的空氣縫隙。現在多數連接器都是利用這種方法安裝的。由于制造完美的平面來實現理想的物理接觸是不可能的，因此制造商將插針體的端面做成不同的形狀，如圓弧形等。為了提高物理接觸的效果就必須減少接觸面積，因為小面積的質量可以更加有效地控制。拋光方法的提高使得制造商可以將PC連接器的回波損耗從幾年前的40dB減小到如今的55dB，同時，也將平均插入損耗限制在可接受的0.2dB以內。3.可重復性（耐用性）連接器是作為臨時連接使用的，應在多次插拔之后仍保持它們的特性。所以可重復性是連接器的一個重要特性。資料表明，連接器在多次插拔之后其插入損耗將增加，通常5000次插拔之后增加量應小于0.2dB。4.2光纖耦合器在光纖通信和光纖測量中，有時需要把光信號在光路上由一路向兩路或多路傳送，有時需把N路光信號合路再向M路或N路分配，能完成上述功能的器件就是光耦合器。光耦合器按制作方法分為微鏡片耦合器、波導耦合器和光纖耦合器等。其中光纖耦合器由于制作時只需要光纖，不需要其他光學元件，具有與傳輸光纖容易連接且損耗較低、耦合過程無需離開光纖，不存在任何反射端面引起的回波損耗等優點，因而更適合光纖通信，有時也稱為全光纖元件。下面主要介紹光纖耦合器的原理和性能參數。2×2的耦合器是最基本的耦合單元，其他的光纖耦合器都可通過它級連而成，所以我們重點討論2×2光纖耦合器。1.2×2的耦合器一個2×2的耦合器是一個4端口的光器件，其原理如圖4.7所示，它有兩個輸入端口P1和P2，兩個輸出端口P1和P2，光功率通過與輸入端口相連接的光纖進入耦合器，在耦合器中進行分路和合路，然后通過與兩個輸出端口相連的光纖輸出。它通過將兩根光纖并行放置，然后熔化和拉伸，產生一個耦合區，直至得到所期望的耦合性能。圖4.7熔錐技術制造光纖耦合器的原理圖1）附加損耗附加損耗的定義為（4.3)其中，Pj是在端口j的輸出功率，Pi是端口i的輸入功率。如果光功率從端口1輸入，則附加損耗等于：（4.4）在理想狀態下，輸出功率之和應該等于輸入功率。附加損耗定量給出了實際情況和理想狀態的差別，因此附加損耗應盡可能小。對于正在討論的耦合器，依賴于其類型，典型附加損耗在0.06～0.15dB之間變化。(注：公式(4.4)中分母的P１是輸入端，分子的P1是輸出端。)2)插入損耗(IL)插入損耗是指輸入端口i和輸出端口j之間產生的損耗，為輸出與輸入端口光功率之比，即（4.5）如從端口1輸入，端口2輸出，則它們之間的插入損耗為（4.6）一個耦合器的插入損耗是相當高的。2×2耦合器的插入損耗的典型值為3.4dB。3)耦合比耦合比形式上定義為某一端口輸出的光功率與所有端口的輸出光功率之比，即（4.7）

這個特性通常用來描述一個耦合器的性能。它可以用絕對值或百分比給出，在后一種情況下:（4.8）圖4.84個2×2的耦合器構成的4×4的星型耦合器2.N×N的耦合器

N×N的耦合器是由2×2的耦合器級連起來的。圖4.8給出了一個4×4的耦合器的例子，它可以用2×2的耦合器通過熔融拉錐光纖來制成。從圖中可以看出,每個輸入端口注入的光功率的1/N出現在輸出端口，N必須為2的整數倍（即N=2n,n≥1），當需要增加一個輸入或輸出端口時，靈活性差限制了這項技術的應用。一個N×N的耦合器所需2×2的耦合器的數目為：4.3光開關

4.3.1光開關的性能參數

光開關是光交換的關鍵器件，它在光網絡中有許多應用場合。光開關的開關速度或稱開關時間是一個重要的性能指標。不同的應用場合對開關時間的要求是不一樣的，如保護倒換的開關時間為1～10μs，分組交換的開關時間為1ns，外調制器的開關時間為10ps量級。除了開關時間外，還有下面一些參數用來衡量光開關的性能。（1）通斷消光比。通斷消光比是指光開關處于通（開）狀態時輸出的光功率和處于斷（關）狀態時的輸出光功率之比。通斷消光比越大,光開關性能越好，這對外調制器尤為重要。機械開關的通斷消光比大約為40～50dB。（2）插入損耗（簡稱插損）。插損是指由于光開關的使用而導致的光路上的能量損耗，常以dB表示。插損越小越好。（3）串擾。串擾是指某輸出端口的功率除了有來自希望的輸入端口外，還有來自不希望的輸入端口的功率，二者的光功率之比稱為串擾。4.3.2主要的幾種光開關

1.微電機械光開關MEMS

機械開關是指開關的功能通過機械的方法實現，如通過將鏡片移出或置入光路就可實現光信號的通斷。這種開關由于采用了機械傳動機構和反射鏡，因而體積大,開關速度慢。但近來由于微電機械系統即MEMS的出現，使得機械開關備受人們的重視。這樣的微機械可以與電的傳動機械相連安排在光路上，來控制反射鏡使其運動，從而改變光的方向。MEMS技術已發展到能在同一個芯片上集成按陣列排放的許多反射鏡，有望獲得低損耗連接、小型化設計及大的互連矩陣。圖4.9（a）給出了一個MEMS開關的原理，圖（b）給出了相應的實例。圖4.9微機械反射鏡開關MMS(a)MEMS開關的原理；(b)實例2.電光開關2×2的電光開關也可以利用耦合器實現，但它不是通過改變光纖的長度而是通過改變耦合區材料的折射率來實現的。常用的一種材料是鈮酸鋰（LiNbO3）。電光開關的開關速度快，易于集成。其結構如圖4.10所示。圖4.10電光開關3.熱光開關2×2的熱光開關是一個MZI干涉儀。它是通過改變其中一個臂的折射率（受溫度的影響）使兩臂上光信號之間的相差有所改變，從而使光信號在輸入/輸出端之間實現通斷的。MZI可以在硅或聚合物基片上集成，但其開關速度和串擾性能不太好。其結構如圖4.11所示。圖4.11熱光開關

4.SOA光開關

利用半導體光放大器，通過改變SOA的偏置電壓就可實現開關功能。當偏置減少時，沒有粒子數反轉，因而吸收光信號;當偏置增加時，放大輸入信號，因而當SOA處于吸收和放大態時，通斷消光比很大，同時易于集成。圖4.12為SOA光開關原理圖，圖4.13給出了一個SOA開關陣列。圖4.12SOA光開關圖4.13SOA光開關陣列4.4光

纖

光

柵光纖光柵由一段折射率沿其長度周期性變化的光纖構成。利用摻鍺石英光纖受到240nm附近紫外光照射時纖芯折射率會增大這一現象，將光纖沿中心軸線切開，從光纖切面照射呈空間周期性變化的紫外光，纖芯部位就會出現周期性折射率變化，這就形成了光柵(FG)，其結構如圖4.14所示。圖4.14光纖光柵的結構光纖光柵(PG)以其特有的高波長選擇性能，易與光纖耦合，插入損耗低，結構簡單，體積小等優點，日益受到人們的關注。如果光注入光柵FG后，與折射率變化周期相對應的特定波長的光能夠被逆向反射回去，則稱具有這種功能的光柵為短周期(1μm以下)Bragg反射式光柵(FBG)。如果布拉格光纖光柵的柵距是線性改變的，稱為啁啾FBG。在這種光柵中,由于柵距線性改變，入射光的各個波長在光柵的不同深度被反射回來，因而補償了各個波長在傳輸時間上的變化。啁啾FBG補償了脈沖的色散展寬。

4.5光

濾

波

器

光濾波器全稱為光學濾波器，與大家熟悉的電濾波的作用是一樣的，只是這里濾出除的是特定波長的光信號。光濾波器可分為固定的和可調諧的兩種。固定濾波器允許一個固定的、預先確定的波長通過，而可調諧的濾波器可動態地選擇波長。由于可調諧濾波器需要一些外部電源，嚴格地說它不是無源器件。

4.5.1F-P腔型濾波器

法布里—珀羅（F-P）腔型濾波器的主體是F-P諧振腔，它是由一對高度平行的高反射率鏡面構成的腔體，當腔長是入射光波的波長的整數倍時，光波可形成穩定振蕩，輸出光波之間會產生多光束干涉，最后輸出等間隔的梳狀波形（對應的濾波曲線為梳狀），見圖4.15。圖4.15F-P腔型可調諧濾光器我們注意到，對于F-P固定濾波器，如改變腔長L或腔內的折射率n，就能調諧濾波波長。光纖F-P腔型可調諧濾波器的腔長由一段光纖和空氣隙組成，在腔體光纖的一端鍍上高反射膜，另一端鍍上抗反射膜，彼此之間留有適當空隙。在電信號的驅動下，PZT（壓電陶瓷）可進行伸縮，造成空氣間隙變化，引起腔長的改變，從而實現波長的調諧。改變光纖的長度同樣可以實現調節腔長的目的。圖4.16光纖F-P可調諧濾波器的結構4.5.2M-Z干涉濾波器圖4.18給出了馬赫—曾德爾濾波器(MZI)的基本結構。為產生可調諧MZI，它使用了一個馬赫—曾德爾干涉儀的對稱結構。調諧通過改變一個臂的折射率得到。圖4.18MZI的結構圖MZI是一種干涉器件，它利用兩個不同長度的干涉路徑來區分不同的波長以實現濾波，其結構是利用兩個3dB光纖耦合器將兩個路徑互連起來，是一個4端口光器件。假設只有輸入端口1有光信號輸入，光信號經第一個3dB耦合器后分成兩路功率相同的光信號，但其相位相差π/2，圖中下臂滯后上臂π/2;然后光信號沿MZI的兩個不等長的臂向前傳播，由于路徑相差ΔL，因此下臂又滯后βΔL相位；下臂的信號經第二個3dB耦合器從上輸出端口1輸出，又滯后π/2相位，因而兩路信號的總相位差為π/2+βΔL+π/2，而與從下輸出端口2輸出的光信號之間的相位差為π/2+βΔL-π/2=βΔL。如果βΔL=kπ(k為奇數)，則兩路信號在輸出端口1干涉增強，在輸出端口2干涉抵消，因此從輸入端口1輸入，在輸出端口1輸出的光信號是那些波長滿足βΔL=kπ（k為奇數）的光信號，從輸入端口1輸入，在輸出端口2輸出的光信號是那些波長滿足βΔL=kπ（k為偶數）的光信號，利用

(neff為波導有效折射率)，有：與ki為奇數對應的波長λi從輸出端口1輸出，與ki為偶數對應的波長λi從輸出端口2輸出。如只有兩個波長λ1和λ2，λ1與k為奇數對應，λ2與k為偶數對應，因此λ1從端口1輸出，λ2從端口2輸出。MZI可用作1×2解復用器，要構造一個1×n的解復用器，可將單個MZI相級聯，n為2的冪時，需n-1個。

MZI是一個互易光器件，不僅可用作解復用器，也可用作復用器，還可用作調諧濾波器，調諧可通過改變一個臂的溫度來實現。當溫度改變時，臂的折射率發生改變，反過來影響了臂的相移，導致了不同的波長耦合輸出，調諧時間在毫秒（ms）量級。MZI雖不適合用作大規模的復用/解復用器，但它是理解AWG（陣列波導光柵）的基礎，AWG是實現波分復用/解復用的一種好的技術。4.6WDM合波/分波器

WDM合波/分波器是波分復用系統的核心部件，其特性好壞在很大程度上決定了整個系統的性能。前面介紹的光濾波器原則上都可以用來實現合波/分波器。目前，WDM合波/分波器可以有多種方法來制造，制造的器件各有特點。下面就幾種常用器件作一簡要介紹。4.6.1多層介質薄膜MDTFF這種器件依賴于從薄層束反射的許多光波之間的干涉效應，如圖4.24所示。如果每層的厚度是λ／4，那么，當入射角等于零即垂直入射時，波長為λ的光在通過每層后得到相位位移π/2。因此，反射波與入射波相位相反，它們將成相消性干涉，也就是相互抵消。換句話說，波長為λ的光將不被反射，這意味著這個光通過，所有其他的光將被反射，這就是濾波。利用這種特性，在基底上鍍多層介質膜。多層結構增強了效果，使濾波特性接近理想狀態。這個技術在光學中已應用多年，一個最流行的應用是在相機、眼鏡和類似的光學儀器中的防反射涂層AR。在光纖通信技術中，這樣的濾波器用微鏡片技術生產。典型的多層介質膜濾波器如圖4.25所示。利用楔狀玻璃鍍λ1、λ2、λ3、λ4和λ5濾光膜，當λ1～λ5的光從同一根光纖輸入時，首先λ1通過濾波器輸出，其余被反射，繼而λ2通過濾波器輸出，依此類推，達到解復用的目的。這種結構中，棒透鏡主要起構成平行光路的作用。圖4.25MDTFF復用器多層介質膜型波分復用器一般用于多模光纖通信系統，其插入損耗為1～2dB，波長隔離度可達50～60dB。這種波分復用器是分立元件組合型，裝配調試較為困難，但波長間隔可按需要制造。4.6.2熔錐型

利用熔錐型耦合器的波長依賴性可以制作WDM器件，其耦合長度Lc隨波長而異。對于一特定的耦合器，不同波長的理想功率耦合比(即抽頭比或相對輸出功率)呈正弦形，從而形成對不同波長具有不同通透性的濾波特性，據此可以構成WDM器件。圖4.26給出了一個雙波長的熔錐耦合器的耦合特性。由圖可知，隨著拉伸長度的改變，不同的波長耦合比不同，如當耦合長度為4.5cm時，兩個波長就可實現分離。圖4.26雙波長熔錐型波長耦合器的特性熔錐型WDM器件的優點是插入損耗低(單級最大小于0.5dB，典型值為0.2dB)，無需波長選擇器件，十分簡單，適于批量生產，并且有較好的光通路帶寬／通路間隔比和溫度穩定性。不足之處是尺寸很大，復用波長數少(典型應用是雙波長WDM)，光濾波特性對溫度十分敏感，隔離度較差(20dB左右)。采用多個熔錐型耦合器級聯應用的方法可以改進隔離度(提高到30～40dB)，并增加復用波長數（小于6個）。4.6.3光纖光柵型光纖光柵濾波器的原理在介紹光濾波器時已作了介紹，這里給出用光柵制作WDM合波/分波器的原理示意圖。圖4.27給出了一個采用反射光柵的三個波長的WDM合波/分波器的原理示意圖