第四章 光系统的无源器件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 光波系统的无源器件,一个完整的光波传输系统，除了光源、光纤（光缆）和光电检测器外，还需许多不用电源的光路器件来完成各种不同的功能。,按结构分类：分立元件型、全光纤型和集成波导型。,分力元件型：输入光纤的光波经准直透镜扩束，无源光变换器件对光束进行光学处理，然后经聚焦透镜聚焦后，耦合到输出光纤。,全光纤型光无源器件：器件主体是光纤，通过光纤自身特性来影响光信号的传输性能，从而实现器件的功能。,光波导型光无源器件：核心是光波导，通过控制波导折射率的变化来处理光信号。,4.1 概述,相对于光电器件，如半导体激光器、发光二极管、光电二极管以及光纤放大器等光“,有源器件,”而言，这一类本身不发光、不放大、不产生光电转换的光学器件，常被称之为光“,无源器件,”。,主要的无源器件,光纤连接器,、光缆连接器、,光纤耦合器,、,光开关,、光复用器,(,合波器和分波器,),、光分路器、,光隔离器,、,光衰耗器,、,光滤波器,，等等,。它的作用,概括起来主要是：连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；以及合波和分波等作用。,4.2,光纤连接器,光纤连接器,又叫光纤活动连接器、或叫活接头。这是用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路的可以可拆卸重复使用的光“无源器件”，被广泛应用在光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，也是目前使用数量最多的光无源器件。尽管光纤连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但,按其功能,可以分成如下几个部分：,4.2.1,光纤连接器分类,连接器插头,：插头由插针体和外部配件组成，用于完成在光纤器件连接中插拔功能。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤之间的对接。通常将一端装有插头的光纤称为尾纤。,4.2.1,光纤连接器分类,光纤跳线：将一根光纤两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是其特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。跳线的两头可以是同一型号，也可以是不同的型号；可以是单芯的，也可以是多芯的。,4.2.1,光纤连接器分类,转换器：把两个光纤插头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器。转换器又称法兰盘。,4.2.1,光纤连接器分类,变换器,：将某一种型号的插头变换成另一种型号插头的器件叫做变换器。在实际使用中，往往会遇到这种情况，即手头上有某种型号的插头，而设备或仪器上是另一种信号的插头或变换器，彼此配接不上，不能工作。此时，使用相对应型号的变换器，问题就迎刃而解了。,4.2.1,光纤连接器分类,裸光纤转接器：将裸光纤与光源、探测器以及各类光仪器进行连接的器件，称为裸光纤转接器。裸光纤与裸光纤转接器使用时可相互连接；用完后，可以将裸光纤抽出它用。因此彼此是可以结合和分离的。,4.2.1,光纤连接器分类,光纤连接器,按传输媒介,的不同可分为单模光纤连接器和多模光纤连接器；,按结构类型,的不同可分为,FC,、,SC,、,ST,、,MU,、,LC,、,MT,等各种型式；,按连接器的插针端面接触方式,可分为,FC,、,PC,（,UPC,）,和,APC,；,还有,按光纤芯数,的多少分，有单芯光纤连接器和多芯光纤连接器。不管何种连接器，都必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点。,FC、SC、ST,连接器是目前世界上使用量最大的品种，也是我国采用比较常见的光纤品种,。,（1）,FC,型（平面对接型）连接器,是一种采用,卡口螺纹方式,连接。这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求，是目前国内广泛使用的类型。,FC,连接器外形结构图参见图4.1.2和图4.1.3所示。它具有结构简单、操作方便、制造容易的优点。缺点是对沾污较敏感，应保持插针端面的绝对于净，否则影响连接衰耗。,FC,型连接器结构采用插头转接器插头的螺旋耦合方式。根据其插针端面形状的不同，它分为固定光纤端面的平面接触,FC,、,球面接触的,FC/PC,和斜球面接触的,FC/APC,结构，后两种有利于减少插针端面的反射损耗。,（2）,SC（,矩形）光纤连接器,是一种直接插拔耦合式连接器，不用旋转，可自锁和开启，为非螺旋卡口型。它的外壳是矩形结构，采用模塑工艺制作，用增强的,PBT,的内注模玻璃制造。插针套管是氧化锆整体型，将其端面研磨成凸球面。插针体尾入口是锥形的，以便光纤插入到套管内。,SC,矩形光纤连接器可以是单纤连接器也可以是多纤连接器，单纤外形结构图参见,图和图,所示。该器件特点是不需要螺纹连接，直接插拔，操作空间小，非常适合于密集安装状态下使用，如光纤配线架，光端机，以及局域网、用户网等。按其插针端面形状也分为平面接触,SC,、,球面接触的,SC/PC,和斜球面接触的,SC/APC,几种结构。,（3）,ST,连接器,是一种采用带键的卡口式锁紧机构来确保连接时准确对中的连接器，插针的端面形状通常为,PC,面。它的特点主要是使用非常方便，,ST,连接器外形结构图参见,图和图,所示。,4.2.2,光纤连接器的损耗,光纤活动连接器产生的损耗主要原因有两个方面，一是连接技术上的原因；二是光纤参数不一致所引起。前者主要有轴心错位、有折角、间隙以及端面不完整等造成光损耗。后者是由于光纤芯径、相对折射率差、椭圆度、外径、偏心度以及折射率分布参数等的差别所引起。连接技术所造成的损耗往往是主要的，其中轴心错位和间隙造成损耗占有较大的比例。,图,较直观的反映了几种光纤连接损耗的原因。,4.2.3 主要性能指标,插入损耗（,Insertion Loss,）,：,即连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。插入损耗越小越好，一般要求应不大于,0.5,dB,。,回波损耗（,Return Loss,Reflection Loss,）,：,是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不小于,25,dB,。,实际应用的连接器，插针表面经过了专门的抛光处理，可以使回波损耗更大，一般不低于,45,dB,。,重复性,：,同一对插头，可以重复多次使用，该指标反映器件在插拔一次或数次之后，其插入损耗的变化情况。性能稳定的连接器重复性一般应在,0.1,dB,之内；,互换性：,对于同一类型的光纤连接器，一般都可以任意组合使用，不同连接器之间任意置换后，由此而导入的附加损耗应在一定要求范围内，它反映了连接器的一致性性能。较好的连接器，一般都在附加损耗0.2,dB,以内；,使用寿命（插拔次数）：,反映连接器满足技术参数范围内插拔次数的多少。目前使用的光纤连接器一般都可以插拔,l000,次以上。,温度性能,：,是指连接器能够正常使用的温度范围。具体是在一定温度范围内（通常在：-40+70）连接器的损耗变化量应在0.2,dB,以内；,此外还有抗拉强度、振动等各种环境试验数据等。,端面对接连接器的插针端面的接触型式对光纤连接性能影响很大。由于存在公差，平面型接触的两端面会有空隙，因玻璃纤维和空气折射率的不同而引起多次反射，这种反射称为菲涅尔（,Fresnel,）反射。菲涅尔反射既增加损耗，而且反射回波将使光源输出不稳定，造成光脉冲波形畸变，增加误码率。,因此，端面设计的出发点是缩小端面间隙（实际上，当光纤端面间隙小于,/4,时，由于干涉效应，菲涅尔反射基本消除），并使部分反射光旁路，以增大回波损耗，从而遏制反射波对光源的影响。将光纤端面加工成球面或斜球面，使端面形成球面接触或斜面接触如图,5-2,所示，能有效地满足这一要求。球面接触使纤芯之间的间隙趋近于零，因而称为物理接触（,PC,Physical Connect,），其回波损耗可达到,50,dB,。,若将光纤端面加工成,60,80,的傾角，再抛光成球面，便形成斜球面接触，斜球面接触除具有物理接触效果外，还能将后向反射光旁路，难以返回光源，其回波损耗可达,60,dB,甚至达,70,dB,。,4.3,耦合器件,光耦合器是一种能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区内进行功率积聚与再分配，不同波长光的合波与分波，以及光的转换和转移的器件。耦合器具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接，一般可用,M,N,表示，即,M,个输入端，,N,个输出端。目前最常用的,2,2,器件，又称作“,X,耦合器”或“方向耦合器”,在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到,我们,通常又将,与,波长无关的耦合器称为合分路器；而将与波长有关者又称为波分复用器。与波长无关类合分路器常用,1,N,表示其合分路数，也就是在星形耦合的某一侧只保留一个端口而已。实际上，对于路数较多的合分路器完全可以采取和垦形粥合器一样的工艺，如熔融技术。,光纤耦合器可分,标准耦合器,（双分支，单位12，亦即将光讯号分成两个功率）、,星状树状耦合器,、以及,波长多工器,（,WDM，,若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於,DWDM），,制作方式,则有烧结（,Fuse）、,微光学式（,Micro Optics）、,光波导式（,Wave Guide）,三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90）。层中泄漏的,几种微光元件型耦合器。,（,a,）由微型透镜,L,和半反半透镜,M,组合而成。,光束由光纤,1,输入后，经凸透镜,L,变成平行光，一部分平行光透过,M,后，经,L,聚焦并耦合到光纤,2,，另一部分平行光被,M,反射后，经,L,会聚并耦合到光纤,3,。由于光传播的可逆性，这种分光耦合器同时也是合光耦合器。分立光学元件组合而成的光耦合器，耦合机理简单、直观，但存在损耗大、与光纤线路耦合困难、环境稳定性较差等缺点，这使它在应用上受到限制。,(,b,),所示采用半透明镜面的耦合器,由两个长度为,1/4,节距的自聚焦棒透镜,GRIN,(,渐变折射率棒状透镜的缩写,其折射指数分布为抛物线型,),和半透明镜面的介质膜构成,介质膜直接镀制在两,GRIN,的结合面上。,当光波由端口,1,入射到介质膜上时，一部分光透射进入端口,4,，另一部分光反射进入端口,3,，两端口输出分配比取决于介质膜的反射率的大小；同样，由端口,2,输入的光功率也将按比例分配至端口,3,和,4,输出；而端口,1,与,2,之间以及端口,3,和,4,之间的光信号是相互隔离的。光传播的可逆性使耦合器可反向使用，即由,3,，,4,端口输入,由,1,，,2,端口输出,其分路特性保持不变。这种光耦合器结构紧凑、简单，插入损耗较低（,1,dB,）,对模式功率分配不敏感，得到了很多应用。,(,c),将介质膜镀制在直角棱镜斜面上，,构成,T,型耦合器,.,全光纤型耦合器,直接在两根或多根光纤之间形成某种形式的耦合，通常有两种结构：一种是拼接式，另种是熔融拉锥式。,将每根光纤埋入玻璃块中的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，研磨好后，在磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接在一起，制成光纤耦合器。这种耦合器靠透过光纤的芯、包界面的渐消场产生耦合，当研磨抛光深入纤芯部分，将产生强耦合，否则耦合较弱，可作成可调分光比耦合器。,将两根或多根除去涂覆层的光纤扭绞在一起，在高温加热（例如用氢氧焰等）下使之熔融，同时向两侧拉伸，形成双锥形的特殊波导结构，作为传输光功率的耦合区。在双锥形区，各光纤的包层合并成同一包层，耦合的强弱取决于各光纤的靠近程度和光纤芯经的减小程度。,光波导型耦合器,用光刻、溅射沉积膜、扩散或生长的办法，在玻璃、晶体或半导体为衬底的材料上，形成光导波,.,图,5-13,所示为在铌酸锂,(,L,i,N,b,O,3),衬底的基片上，扩散钛,(,T,i),的办法，形成淹埋条形波导。钛原子经扩散进入铌酸锂晶格中，将其折射率提高约,1%,左右。由于条形波导的折射率高于周