第四章 常用光无源器件
4.1 光 纤 连 接 器
4.2 光纤耦合器
4.3 波分复用 /解复用器
4.4 光 开 关
4.1 光 纤 连 接 器
4.1.1 光纤连接器的结构与种类光纤 (缆 )活动连接器是实现光纤 (缆 )之间活动连接的光无源器件,它还具有将光纤 (缆 )与其他无源器件,光纤 (缆 )与系统和仪表进行活动连接的功能 。
1.
光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构,使两根光纤的纤芯对准,保证
90%以上的光能够通过,目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构 。
(1)
套管结构的连接器由插针和套筒组成。
(2)
双锥结构连接器是利用锥面定位 。
(3) V
V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入 V形槽基座中,再用盖板将插针压紧,利用对准原理使纤芯对准,(如图 4.3所示 )。
图 4.3 V形槽结构
(4)
球面定心结构由两部分组成,一部分是装有精密钢球的基座,另一部分是装有圆锥面 (相当于车灯的反光镜 )的插针 。
(5)
透镜耦合又称远场耦合,它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种,其结构分别如图 4.5,图 4.6所示 。
图 4.5 球透镜耦合结构图 4.6 自聚焦透镜耦合
2.
光纤活动连接器的品种,型号很多,
其中有代表性的有,FC,ST,SC,D4、
双锥,VF O(球面定心 ),F-SMA,MT-
RJ连接器等等 。
下面针对 FC,SC和 ST这三种连接器作简单的介绍 。
(1) FC
FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采用的主要品种，我国已制定了
FC型连接器的国家标准。
(3) ST
ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构,确保连接时准确对中 。
(4) 不同型号插头互相连接的转换器对于上述 FC,SC,ST三种连接器，
在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。
(5)
由于实际使用情况非常复杂,因而跳线的规格也多种多样 。 在选择跳线时,至少有下述几个参数是需要明确的 。
(6)
随着用户通信网规模的扩大,WDM
的普及,电信网／数据网的光纤化乃至多媒体大容量信息处理设备的发展均推动着光缆向多芯,高密度方向深入发展,带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接,
多芯带状光纤 MT连接器就应运而生 。
4.1.2
评价一个连接器的主要指标有 4个,
即插入损耗,回波损耗,重复性和互换性 。
1.
插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后,其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数,表达式为：
Ac＝ -10lgP1/P0 (dB)
式中,A c为连接器插入损耗； P0为输入端的光功率； P1为输出端的光功率 。
2.
回波损耗又称为后向反射损耗 。 它是指光纤连接处,后向反射光对输入光的比率的分贝数,表达式为：
Ar＝ -10lgPR/P0 (dB)
式中,Ar表示回波损耗； P0表示输入光功率； PR表示后向反射光功率 。
3.
重复性是指光纤 (缆 )活动连接器多次插拔后插入损耗的变化,用 dB表示 。 互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化,也用 dB表示 。
4.2 光纤耦合器光耦合器是将光信号进行分路或合路、
插入、分配的一种器件。
4.2.1 光纤耦合器的结构与原理制作光耦合器可以有多种方法,大致可分为分立光学元件组合型,全光纤型,
平面波导型等 。
下面主要介绍熔融拉锥法的原理 。
熔融拉锥法就是将两根 (或两根以上 )
除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢,在高温加热下熔融,同时向两侧拉伸,最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构,
实现传输光功率耦合的一种方法 。
(1)
在单模光纤中,传导模是两个正交的基模 (HE11)信号 。 图 4.9所示是单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图,其中归一化频率
(2)
在多模光纤中,传导模是若干个分立的模式,不仅应在数值孔径角内,还要同时满足 4 an1sinθ=mλ(m=1,2,3,… )。 其中,a为纤芯半径,n1是纤芯折射率,θ为传导模与光轴的夹角,λ为传输光的波长 。
总的模式数为：
M=V2/2
式中,V为归一化频率 。
4.2.2
1.
插入损耗 (Insertin Loss,IL)定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值 。 该值通常以分贝 (dB)表示,数学表达式为其中,ILi是第 i个输出端口的插入损耗； Pouti是第 i个输出端口测到的光功率值；
Pin是输入端的光功率值 。
2.
附加损耗 (Excess Loss,EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值 。 该值以分贝 (dB)表示的数学表达式为式中,Pouti为第 i个输出口的输出功率； Pin
为输入光功率 。
3.
分光比 (Coupling Ratio,CR)是光耦合器所特有的技术术语,它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比,在具体应用中常用数学表达式表示为例如对于标准 X形耦合器,1∶ 1或 50∶ 50
代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。
4.
方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语,它是衡量器件定向传输性的参数 。
以标准 X形耦合器为例,方向性定义为在耦合器正常工作时,输入端非注入光端口的输出光功率 (图 4.8中的 I2)与总注入光功率的比值,以分贝 (dB)为单位的数学表达式为：
式中,Pin1代表总注入光功率； Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率 。
5.
均匀性就是衡量均分器件的,不均匀程度,的参数 。 它定义为在器件的工作带宽范围内,各输出端口输出功率的最大变化量 。 其数学表达式为式 中,MIN(Pout) 为 最 小输 出光 功率 ；
MAX(Pout)为最大输出光功率 。
6.
偏 振 相 关 损 耗 ( Polarization
Dependent Loss,PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量 。
它是指当传输光信号的偏振态发生 360° 变化时,器件各输出端口输出光功率的最大变化量：
在实际应用中,光信号偏振态的变化是经常发生的,因此,为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗 。
7.
隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力 。 隔离度高,也就意味着线路之间的,串话,小 。 其数学表达式为式中,Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值； Pin是被检测光信号的输入功率值 。
4.3 波分复用 /解复用器
4.3.1 波分复用 /解复用器的原理与分类
1,
衍射光栅型波分复用器件是近年发展起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向异性腐蚀制作的光栅与棱镜分光相比具有更大优势，常用来制作波分复用器的主要
2.
图 4.15所示是一种波导阵列光栅型波分复用器件 。 它是由输入,输出波导,空间耦合器和波导阵列光栅构成 。
图 4.15 波导阵列光栅型 DWDM
3.
光纤光栅是利用光纤制造中的缺陷,
用紫外光照射,使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化图 4.17光纤光栅滤波作用,
在满足布拉格光栅条件的波长上全反射,
而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波器,如图 4.17所示 。
图 4.17 光纤光栅滤波作用
(1)
干涉法是利用双光束干涉原理,将一束紫外光分成两束平行光,并在光纤外形成干涉场,调节两干涉臂长,使得形成的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求 。
(2)
相位掩膜板法,是利用预先制作的膜板,当紫外光通过相位板时产生干涉,从而在光纤圆柱面形成干涉场,将光栅写入光纤 。
4.3.2波分复用 /解复用器的特性
1.
以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性有以下几点 。
(1) 中心波长 (或通带 )λ1,λ2… λn+1
(2) 中心波长工作范围 Δλ1,Δλ2
(3) 中心波长对应的最小插入损耗 L1
式中,P′1代表波长为 λ1的光束在输出端的光功率； P01分别代表波长为 λ1的光束在输入端合路信号中的光功率 。
4.相邻信道之间串音耦合最大值 L12
式中,P‘1代表波长为 λ1的光束在输出端串扰到 λ2的输出端口处的光功率,P2分别代表波长为 λ2的光束在输出端口处的输出光功率。
(5)
偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时 (如线偏振,圆偏振,椭圆偏振等 ),对应输出端口插入损耗最大变化量 。
2.
以光信号波长为函数的复用器的光学特性,可用于给定的输入端口 (1 #至 N #
端口为输入端口,0#端口为输出端口 )。
4.4 光 开 关
4.4.1
1.
机械式光开关是最传统的光开关,一种实用化的机械式多模光纤光开关的插入损耗小于 1dB,开关时间小于 1ms。
(1)
微光机电系统光开关是微光机电系统技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关 。
(2)
毛细管效应光开关是采用了电毛细管效应或热毛细管效应的光开关结构 。
(3)
金属薄膜光开关使用了金属膜与无源波导相结合的构形,其结构如图 4.23所示 。
图 4.23 使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构
2.
液晶光开关是在硅衬底材料上制作出偏振光束分支波导,再把每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽,槽内装上折射匹配的液晶,液晶槽下面是电热器 。
3.
热光效应光开关是利用加热光波导,
改变光波导的折射率,引起主波导与需要的分支波导间的光耦合,从而实现光开 /关的器件 。
4.4.2
1.
插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少,以分贝来表示：
式中,P0为进入输入端的光功率； P1为输出端接收的光功率 。 插入损耗与开关的状态有关 。
2.
回波损耗 (也称反射损耗或反射率 )是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值,以分贝表示：
式中,P0为进入输入端的光功率； P1为输入端口接收到的返回光功率 。 回波损耗与开关的状态有关 。
3.
隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值,以分贝来表示 。
式中,n,m
(n≠m) ； Pin是光从 i端口输入时 n端口的输出光功率,Pim是光从 n端口输入时在 m端口测得的光功率 。
4.
远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值 。
5.
近端串扰是指当其他端口接终端匹配,
连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比 。
6.
消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差 。
式中,ILnm为 n,m端口导通时的插入损耗； ILnm0为 n,m端口非导通时的插入损耗 。
7.
开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间,开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起 。
4.1 光 纤 连 接 器
4.2 光纤耦合器
4.3 波分复用 /解复用器
4.4 光 开 关
4.1 光 纤 连 接 器
4.1.1 光纤连接器的结构与种类光纤 (缆 )活动连接器是实现光纤 (缆 )之间活动连接的光无源器件,它还具有将光纤 (缆 )与其他无源器件,光纤 (缆 )与系统和仪表进行活动连接的功能 。
1.
光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构,使两根光纤的纤芯对准,保证
90%以上的光能够通过,目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构 。
(1)
套管结构的连接器由插针和套筒组成。
(2)
双锥结构连接器是利用锥面定位 。
(3) V
V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入 V形槽基座中,再用盖板将插针压紧,利用对准原理使纤芯对准,(如图 4.3所示 )。
图 4.3 V形槽结构
(4)
球面定心结构由两部分组成,一部分是装有精密钢球的基座,另一部分是装有圆锥面 (相当于车灯的反光镜 )的插针 。
(5)
透镜耦合又称远场耦合,它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种,其结构分别如图 4.5,图 4.6所示 。
图 4.5 球透镜耦合结构图 4.6 自聚焦透镜耦合
2.
光纤活动连接器的品种,型号很多,
其中有代表性的有,FC,ST,SC,D4、
双锥,VF O(球面定心 ),F-SMA,MT-
RJ连接器等等 。
下面针对 FC,SC和 ST这三种连接器作简单的介绍 。
(1) FC
FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采用的主要品种，我国已制定了
FC型连接器的国家标准。
(3) ST
ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构,确保连接时准确对中 。
(4) 不同型号插头互相连接的转换器对于上述 FC,SC,ST三种连接器，
在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。
(5)
由于实际使用情况非常复杂,因而跳线的规格也多种多样 。 在选择跳线时,至少有下述几个参数是需要明确的 。
(6)
随着用户通信网规模的扩大,WDM
的普及,电信网／数据网的光纤化乃至多媒体大容量信息处理设备的发展均推动着光缆向多芯,高密度方向深入发展,带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接,
多芯带状光纤 MT连接器就应运而生 。
4.1.2
评价一个连接器的主要指标有 4个,
即插入损耗,回波损耗,重复性和互换性 。
1.
插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后,其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数,表达式为：
Ac＝ -10lgP1/P0 (dB)
式中,A c为连接器插入损耗； P0为输入端的光功率； P1为输出端的光功率 。
2.
回波损耗又称为后向反射损耗 。 它是指光纤连接处,后向反射光对输入光的比率的分贝数,表达式为：
Ar＝ -10lgPR/P0 (dB)
式中,Ar表示回波损耗； P0表示输入光功率； PR表示后向反射光功率 。
3.
重复性是指光纤 (缆 )活动连接器多次插拔后插入损耗的变化,用 dB表示 。 互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化,也用 dB表示 。
4.2 光纤耦合器光耦合器是将光信号进行分路或合路、
插入、分配的一种器件。
4.2.1 光纤耦合器的结构与原理制作光耦合器可以有多种方法,大致可分为分立光学元件组合型,全光纤型,
平面波导型等 。
下面主要介绍熔融拉锥法的原理 。
熔融拉锥法就是将两根 (或两根以上 )
除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢,在高温加热下熔融,同时向两侧拉伸,最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构,
实现传输光功率耦合的一种方法 。
(1)
在单模光纤中,传导模是两个正交的基模 (HE11)信号 。 图 4.9所示是单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图,其中归一化频率
(2)
在多模光纤中,传导模是若干个分立的模式,不仅应在数值孔径角内,还要同时满足 4 an1sinθ=mλ(m=1,2,3,… )。 其中,a为纤芯半径,n1是纤芯折射率,θ为传导模与光轴的夹角,λ为传输光的波长 。
总的模式数为：
M=V2/2
式中,V为归一化频率 。
4.2.2
1.
插入损耗 (Insertin Loss,IL)定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值 。 该值通常以分贝 (dB)表示,数学表达式为其中,ILi是第 i个输出端口的插入损耗； Pouti是第 i个输出端口测到的光功率值；
Pin是输入端的光功率值 。
2.
附加损耗 (Excess Loss,EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值 。 该值以分贝 (dB)表示的数学表达式为式中,Pouti为第 i个输出口的输出功率； Pin
为输入光功率 。
3.
分光比 (Coupling Ratio,CR)是光耦合器所特有的技术术语,它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比,在具体应用中常用数学表达式表示为例如对于标准 X形耦合器,1∶ 1或 50∶ 50
代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。
4.
方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语,它是衡量器件定向传输性的参数 。
以标准 X形耦合器为例,方向性定义为在耦合器正常工作时,输入端非注入光端口的输出光功率 (图 4.8中的 I2)与总注入光功率的比值,以分贝 (dB)为单位的数学表达式为：
式中,Pin1代表总注入光功率； Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率 。
5.
均匀性就是衡量均分器件的,不均匀程度,的参数 。 它定义为在器件的工作带宽范围内,各输出端口输出功率的最大变化量 。 其数学表达式为式 中,MIN(Pout) 为 最 小输 出光 功率 ；
MAX(Pout)为最大输出光功率 。
6.
偏 振 相 关 损 耗 ( Polarization
Dependent Loss,PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量 。
它是指当传输光信号的偏振态发生 360° 变化时,器件各输出端口输出光功率的最大变化量：
在实际应用中,光信号偏振态的变化是经常发生的,因此,为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗 。
7.
隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力 。 隔离度高,也就意味着线路之间的,串话,小 。 其数学表达式为式中,Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值； Pin是被检测光信号的输入功率值 。
4.3 波分复用 /解复用器
4.3.1 波分复用 /解复用器的原理与分类
1,
衍射光栅型波分复用器件是近年发展起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向异性腐蚀制作的光栅与棱镜分光相比具有更大优势，常用来制作波分复用器的主要
2.
图 4.15所示是一种波导阵列光栅型波分复用器件 。 它是由输入,输出波导,空间耦合器和波导阵列光栅构成 。
图 4.15 波导阵列光栅型 DWDM
3.
光纤光栅是利用光纤制造中的缺陷,
用紫外光照射,使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化图 4.17光纤光栅滤波作用,
在满足布拉格光栅条件的波长上全反射,
而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波器,如图 4.17所示 。
图 4.17 光纤光栅滤波作用
(1)
干涉法是利用双光束干涉原理,将一束紫外光分成两束平行光,并在光纤外形成干涉场,调节两干涉臂长,使得形成的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求 。
(2)
相位掩膜板法,是利用预先制作的膜板,当紫外光通过相位板时产生干涉,从而在光纤圆柱面形成干涉场,将光栅写入光纤 。
4.3.2波分复用 /解复用器的特性
1.
以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性有以下几点 。
(1) 中心波长 (或通带 )λ1,λ2… λn+1
(2) 中心波长工作范围 Δλ1,Δλ2
(3) 中心波长对应的最小插入损耗 L1
式中,P′1代表波长为 λ1的光束在输出端的光功率； P01分别代表波长为 λ1的光束在输入端合路信号中的光功率 。
4.相邻信道之间串音耦合最大值 L12
式中,P‘1代表波长为 λ1的光束在输出端串扰到 λ2的输出端口处的光功率,P2分别代表波长为 λ2的光束在输出端口处的输出光功率。
(5)
偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时 (如线偏振,圆偏振,椭圆偏振等 ),对应输出端口插入损耗最大变化量 。
2.
以光信号波长为函数的复用器的光学特性,可用于给定的输入端口 (1 #至 N #
端口为输入端口,0#端口为输出端口 )。
4.4 光 开 关
4.4.1
1.
机械式光开关是最传统的光开关,一种实用化的机械式多模光纤光开关的插入损耗小于 1dB,开关时间小于 1ms。
(1)
微光机电系统光开关是微光机电系统技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关 。
(2)
毛细管效应光开关是采用了电毛细管效应或热毛细管效应的光开关结构 。
(3)
金属薄膜光开关使用了金属膜与无源波导相结合的构形,其结构如图 4.23所示 。
图 4.23 使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构
2.
液晶光开关是在硅衬底材料上制作出偏振光束分支波导,再把每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽,槽内装上折射匹配的液晶,液晶槽下面是电热器 。
3.
热光效应光开关是利用加热光波导,
改变光波导的折射率,引起主波导与需要的分支波导间的光耦合,从而实现光开 /关的器件 。
4.4.2
1.
插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少,以分贝来表示：
式中,P0为进入输入端的光功率； P1为输出端接收的光功率 。 插入损耗与开关的状态有关 。
2.
回波损耗 (也称反射损耗或反射率 )是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值,以分贝表示：
式中,P0为进入输入端的光功率； P1为输入端口接收到的返回光功率 。 回波损耗与开关的状态有关 。
3.
隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值,以分贝来表示 。
式中,n,m
(n≠m) ； Pin是光从 i端口输入时 n端口的输出光功率,Pim是光从 n端口输入时在 m端口测得的光功率 。
4.
远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值 。
5.
近端串扰是指当其他端口接终端匹配,
连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比 。
6.
消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差 。
式中,ILnm为 n,m端口导通时的插入损耗； ILnm0为 n,m端口非导通时的插入损耗 。
7.
开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间,开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起 。
