常见光无源器件解读

燕山大学信息工程学院光电子系章常见光无源器件光无源器件是光路的重要组成部分。光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件如插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部分。常见的光无源器件有光纤连接器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。光无源器件遵守光学的基本理论，即光线理论和电磁场理论。光纤连接器光纤连接器可分为两大类：活动连接器和固定连接器。13.1.1光纤活动连接器23.1.2光纤固定连接器光纤活动连接器1．基本结构及工作原理光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95％以上的光能通过连接器。目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种，如图3.1~图3.5所示。图3.1套管结构光纤活动连接器图3.2双锥结构图3.4球面定心结构图3.3V形槽结构图3.5透镜耦合结构光纤活动连接器套管结构的核心是插针与套筒。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其结构和主要尺寸如图3.6所示。图3.6插针的结构与主要尺寸光纤活动连接器插针的精度要求是：外径不圆度小于0.0005mm；外圆柱面光洁度为；微孔偏心量小于；插针端面为球面，其曲率半径为20~60mm。套筒是与插针相配合的零件，它有两种结构，如图3.7所示。141m套筒的结构与尺寸套筒的精度要求是：内孔光洁度为；拔插力为3.92~5.88N。开口套筒使用弹性好的材料，如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷等。1414光纤活动连接器光纤活动连接器结构上差别很大，品种也很多，但按功能可分成如下几部分：(1)连接器插头(PlugConnector)：由插针体和若干外部零件组成。(2)转换器或适配器(Adapter)：即插座，可以连接同型号插头，也可以连接不同型号插头，可以连一对插头，也可以连接几对插头或多心插头。光纤活动连接器(3)转换器(Converter)：将某一种型号的插头变换成另一种型号的插头，由一种型号的转换器加上另外其他型号的插头组成。(4)光缆跳线(CableJumper)：一根光缆两端面装上插头，称为跳线。两个插头型号可以不同，可以是单心的，也可以是多心的。(5)裸光纤转换器(BareFiberAdapter):将裸光纤穿入裸光纤转换器，处理好光纤端面，形成一个插头。光纤活动连接器2．主要性能指标及测试方法(1)插入损耗插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数，其表达式为(dB)(3.1)式中，为输入光功率；为输出光功率。插入损耗越小越好。Loutin10lg/IPPinPoutP光纤活动连接器(2)回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数，其表达式为(dB)(3.2)式中，为输入光功率；为后向反射光功率。回波损耗越大越好。Lrin10lg/RPPinPrP光纤活动连接器(3)重复性和互换性重复性是指光纤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。光纤活动连接器影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多，现简述如下：(1)两个光纤纤心位置的错位，如图3.8所示。实际有三种情况，即横向错位、角度倾斜和端面间隙。图3.8光纤纤心位置的错位光纤活动连接器(2)在两个光纤端面之间，由于存在不同的介质（如空气），光在介质之间多次反射，产生损耗，称为菲涅耳反射引起的损耗，其表达式为(3.3)式中，。当=1,=1.46时，。(3)由于两根光纤纤心直径不同，数值孔径不同也会引起光纤连接器损耗。10/KnnLf0.32dBI2Lf41610lg(1)KIK光纤固定连接器光纤固定连接器的作用是使一对或几对光纤之间永久性的连接。制作固定接头的方法有熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等。1．熔接法用熔接法制作固定连接器，是光纤固定连接的主要方法。它采用加热的方法将光纤熔接在一起，只要操作得当，熔接机设计合理，连接插入损耗很小，后向反射光近似为零，可以得到非常理想的光纤固定接头。光纤固定连接器光纤加热和熔化的方法有三种，如图3.9所示。其特点如下：(1)电弧熔接(2)氢氧焰熔接(3)激光熔接图3.9光纤熔接方法光纤固定连接器(1)电弧熔接用高压电极放电来加热光纤，使之熔融连接，电弧放电和光纤的对准可以由微机控制，实现自动化操作。电弧熔接是熔接法中应用广泛的方法。(2)氢氧焰熔接用于一些特殊的场合，如海底光缆的光纤熔接，其特点是接头强度高，但火焰的控制较为困难。(3)激光熔接如用激光器加热并熔接光纤，其特点是加热环境非常干净，接头强度高，但设备昂贵。光纤固定连接器实现光纤熔接的设备是光纤熔接机，它由下述部分组成：(1)光纤的准直与夹紧结构；(2)光纤的对准机构；(3)电弧放电机构；(4)电弧放电和电机驱动的控制机构。以下是详细介绍。(1)光纤的准直与夹紧结构光纤的准直与夹紧结构由精密V形槽和压板构成，精密V形槽的作用是使一对光纤不产生轴偏移，压板使光纤固定在V形槽内。光纤固定连接器(2)光纤的对准机构在熔接光纤之前，一般要通过手动或自动装置使纤心完全对准。常用如下三种方法来实现光纤的对准：①功率监测②纤心直视③包层对准(3)电弧放电机构熔接机的电弧放电由两根电极完成，电极由钼丝制成。(4)电弧放电和电机驱动的控制机构在电极放电过程中，电机的驱动都由微处理机控制，按预定程序工作。光纤固定连接器2．其他固定连接方式(1)V形槽固定接头这种接头携带方便，操作简单，不需要贵重的仪表和设备。V形槽的结构是多样的，图3.10为FMS-1型光纤固定连接器的结构图。图3.10FMS-1型光纤固定连接器的结构图光纤固定连接器(2)毛细管固定接头毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作，将两根处理好的光纤从两头穿入玻璃毛细管内，利用其精密内孔使两根光纤纤心对准。在两根光纤端面加入匹配液，消除菲涅尔反射。(3)套管式固定接头与活动连接器一样，其主要零件也是插针和套筒。插入损耗在0.1dB以下，回波损耗达45dB以上。光耦合器光耦合器(Coupler)是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波）耦合器。从端口形式上，可分为X形()、Y形()、星形(N×N,N＞2)以及树形(1×N,N＞2）耦合器。2212光耦合器从工作带宽上，可分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。另外，由于传导光模式的不同，又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分。光波分复用器(WDM)和解复用器3.2光耦合器描述光耦合器特性的一些技术参数1．插入损耗(InsertionLoss)(3.4)式中，为第i个输出端口的插入损耗；为第i个输出端口的光功率；为输入的光功率。2．附加损耗(ExcessLoss)(3.5)插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与分光比有很大的关系。outin10lg/(dB)iiILPPiILoutiPinPoutin10lg(dB)iiPELP描述光耦合器特性的一些技术参数3．分光比(CouplingRation)(3.6)它是光耦合器特有的技术指标。4．方向性(Directivity)方向性是光耦合器特有的技术指标,是衡量器件定向传输特性的参数。以X形耦合器为例，方向性定义为耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。outout100％iiiPCRP描述光耦合器特性的一些技术参数由2端输出的光功率与全部注入的光功率(即图3.11中1端注入的光功率)之比为(3.7)图3.11X形耦合器的方向性IN2(out)PIN1PIN2(out)IN110lg(dB)PDLP描述光耦合器特性的一些技术参数5．均匀性(Uniformity)对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树形），由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性来衡量其不均匀程度：(3.8)6．偏振相关损耗(PolarizationDependentLoss)衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，也称为偏振灵敏度。outoutMin()10lg(dB)Max()iiPFLP描述光耦合器特性的一些技术参数当传输光信号的偏振态变化时，器件各输出端输出功率的最大变化量：(3.9)7．隔离度(Isolation)(3.10)式中，为在第i个光路输出端测到的其他输出端光信号的功率；为输入的光功率。outoutMin()10lg(dB)Max()iiPPDLPoutin10lg(dB)iiPIiPoutiPiniP360光耦合器的制作方法光耦合器大致可分为分立元件组合型、全光纤型和平面波导型。1、早期采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜、棱镜等）组合拼接。其耦合机理简单直观，可用一般的几何光学进行描述。但损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定性较差。光耦合器的制作方法2、全光纤耦合器，即直接在两根（或两根以上）光纤之间形成某种形式的耦合。全光纤耦合器的发展：（1）最早是Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法（2）Bergh等人发明了光纤研磨法，（3）研磨结束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。光耦合器的制作方法（4）20世纪80年代初，人们开始用光纤熔融拉锥法制作单模光纤耦合器，已成为当前制作光耦合器的主要方法。3、集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。利用平面光波导制作的光耦合器具有体积小，分光比控制精确，易于大批生产等特点。光耦合器的制作方法熔融拉锥法是：将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。熔融拉锥制作系统的示意图如图3.12所示。图3.12熔融拉锥制作系统示意w