第4章 光纤通信基本知识-无源器件X

第4章光纤通信－无源器件光无源器一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。无源器件连接器和接头p92光纤耦合器、波分复用器p94光纤隔离器、光纤环行器p99光调制器p102光开关p98光纤光栅常用连接器类型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-Jack常用连接器类型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType常用连接器类型BICONICTypeD4TypeSMA905TypeSMA906TypeMINIBNCType连接头端面类型Ferrule+FlangeInsertionLoss(插入损耗)0.3dBReturnLoss(回波损耗)PC40dBSPC45dBUPC50dBAPC60dB4.1连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。表3.5给出光纤连接器的一般性能。接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器，其特性主要取决于结构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜大规模生产，因而得到很广泛的应用。表3.5光纤连接器一般性能图示给出精密套管结构的连接器简图，包括用于对中的套管、带有微孔的插针和端面的形状(图中画出平面的端面)。光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接。要求光纤与微孔、插针与套管精密配合。对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在1μm以内，轴线倾角小于0.5°。普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触(PC)型。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命(插拔次数)和工作温度范围(插入损耗变化±0.1dB)大大改善。光纤套管插针粘结剂一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成2纤或4纤连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精密V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。这种多纤连接器配合高密度带状光缆，适用于接入网或局域网的连接。对于实现固定连接的接头，国内外大多借助专用自动熔接机在现场进行热熔接，也可以用V形槽连接。热熔接的接头平均损耗达0.05dB/个。耦合器实物图无源器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用无源器件耦合器（coupler）p94基本结构耦合器是双向无源器件基本形式有树型、星型——与耦合器对应的有分路器（splitter）无源器件耦合器以图1形表示图114234.2耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。1.耦合器类型p94图2给出常用耦合器的类型，它们各具不同的功能和用途。T形耦合器这是一种2×2的3端耦合器，其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。图2常用耦合器的类型T形(a)……星形(b)定向(c)2314…12N1＋2＋N(d)波分这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组n×m耦合器，见下图3（a），其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分配器。定向耦合器这是一种2×2的3端或4端耦合器，其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。见图3(c)，光信号从端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。波分复用器/解复用器(也称合波器/分波器)这是一种与波长有关的耦合器，见图2(d)。波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。2.耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，图3~图6示出这三种类型的有代表性器件的基本结构。图3(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12个2×2耦合器组成的8×8星形耦合器输入光光强度光纤a光纤b输出光2341(a)(b)123456789101112(c)光纤型把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。这种方法可以构成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解复用器。图3(a)和(b)分别示出单模2×2定向耦合器和多模n×n星形耦合器的结构。单模星形耦合器的端数受到一定限制，通常可以用2×2耦合器组成，图3(c)示出由12个单模2×2耦合器组成的8×8星形耦合器。图3(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。如图4，光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，Pa=cos2(CλL)(4-1)Pb=sin2(CλL)图4光纤型波分解复用器原理1、21212耦合长度光功率ababba式中，L为耦合器有效作用长度，Cλ为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0；当Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大。对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55μm的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5dB，波长隔离度大于20dB。微器件型用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和波分解复用器，如图5所示。图5(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复光纤自聚焦透镜自聚焦透镜光纤滤光片1、2121231＋2＋3光纤自聚焦透镜硅光栅光纤自聚焦透镜分光片1342(b)(a)(c)(d)波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。图6示出波导型T型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。3.说明耦合器参数的模型如图6所示，主要参数定义如NnonocOtOCppPPCR1图6波导型耦合器光波导开角(a)(b)(c)多模波导多层膜滤光片单模波导1.55m1.55m1.3m1.3m由此可定义功率分路损耗Ls：Ls=10lg)1(CR附加损耗Le由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，Le=10lgNnNnotitPinPinpP11lg10插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示Lt=10lgocicpp方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示DIR=10lgocicpp一致性U是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。下表列出波长为1.31μm或(和)1.55μm单模光纤型耦合器和波分复用器/解复用器的一般性能。耦合器的一般性能无源器件波分复用器p100WDM—WavelengthDivisionMultiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。无源器件波分复用器（图例）λ1传送器λ2传送器λ1+λ2λ1+λ2λ1接收器λ2接收器波分复用器的一般性能光纤耦合器的制作-制作方法：1.蚀刻法：最先是由Sheem和Giallorenzi发明，将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包层，从而使光纤纤芯相接近，实现两光纤间的耦合。这种方法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而且对环境温度的变化很敏感，缺乏使用价值。2.研磨法：Bergh等人发明了光纤研磨法，是将每根光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光通量，研磨结束后，在磨面上加以小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。这种办法克服了分立元件法的一些缺点，并可做成分光比可调的耦合器（目前仍是制作这类器件的一种选择），器件的实用性也有所提高，但制作困难，成品率低，环境特性也不理想。光纤耦合器的制作-制作方法：3.熔融拉锥法：具体是将两根（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，实现传输光的耦合。常用的加热源是氢氧焰或氢焰等，加热源有的采用固定式，有的采用可移动式。这种方法可以用计算机较精确地控制各种过程参量，并随时监控光线输出端口的光功率变化，从而实现制作各种器件的目的。熔融拉锥法-设备光源夹具光探测器光纤计算机熔融拉锥法-设备4.3光隔离器与光环行器p99耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。然而在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1dB，隔离度的典型值的大致范围为40~50dB。首先介绍一下光偏振(极化)的概念。单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。隔离器工作原理如图7所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45°，并且其旋转方向与光传播方向无关。图7隔离器的工作原理法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45°方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45°后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45°方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45°，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图8所示。图8一种与输入光的偏振态无关的隔离