《光电子技术基础》(第二版)朱京平

第8章光通信无源器件技术第8章光通信无源器件技术8.1光纤连接器8.2光衰减器8.3光耦合器8.4光波分复用器8.5光隔离器8.6光开关•光纤通信、光纤传感及其他光纤应用领域不可缺少的光器件，•工作原理：遵守光线理论和电磁波理论，•各项技术指标、计算公式、测试方法等与纤维光学、集成光学息息相关。8.1光纤连接器以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来的器件方法采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准性能实现光路接续，保证光纤网络90%以上光通过。分类：永久性：采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现活动性，光纤活动连接器。指标插入损耗(简称插损)、回波损耗(简称回损)、以及谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等等；对于活动光纤连接器还有重复性和互换性8.1.1光纤连接器主要指标—(1)插损光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的分贝数：其中IL为插损，Pi为输入端光功率，Po为输出端光功率。•插损越小越好，ITU建议应不大于0.5dB。•多模光纤连接器注入的光功率应当经过稳模器以滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，以准确衡量连接器插损)(lg10dBPPILio8.1.1光纤连接器主要指标—(2)回损(后向反射损耗)用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输入光功率的份额。会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射飘移等，使通信系统性能恶化。光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数：其中RL为插损，Pi为输入端光功率，Pr为后向反射光功率。•回损越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响。•典型值初期要求应不小于25dB，现要求不小于38dB。)(lg100dBPPRLr8.1.1光纤连接器主要指标—(3)重复性与互换性•重复性光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用dB表示。•互换性连接器插头与转换器两部分的任意互换或有条件互换的性能指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志，用户和厂家一般要求互换连接器的附加损耗应限制在小于0.2dB的范围内。8.1.2影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗由于纤芯横向错位(如图8-1a)引起的损耗。连接损耗的重要原因8.1.2影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗芯径2a渐变多模光纤模式稳态分布时错位d引起的损耗：单模光纤传输半径w的高斯分布时错位d引起的损耗：其中令错位损耗为0.1dB多模渐变光纤芯径50m、，算得横向错位2.46m;统计值3m单模光纤芯径10m，，算得横向错位0.72m;统计值0.8m。——理论与实践符合良好])/(35.21log[102sin24111lg102122adadadadILd2)/()/(34.4lg102wdeILwddaVVw62/3879.2619.165.0%1%3.08.1.2影响插入损耗的各种因素(2)光纤倾斜损耗由于两光纤轴线的角度倾斜(如图8-2a)而引起在连接处的光功率损耗。8.1.2影响插入损耗的各种因素(2)光纤倾斜损耗多模渐变光纤模式稳态分布时倾角引起的倾斜损耗为：其中单模光纤传输半径w的高斯分布时倾角引起的损耗表示为：图8-2(b)实际光纤倾斜损耗统计平均值，倾角以弧度表示，包层折射率n2=1.455，芯折射率n1=1.46，=1.31m。损耗0.1dB对应多模渐变型光纤倾角0.7°，单模光纤0.3°。——实际生产中倾角可控制在0.1°内——常可忽略不计..21lg10ANIL22)/(1lg10wnIL22210..nnakAN8.1.2影响插入损耗的各种因素(3)端面间隙损耗由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗多模渐变光纤在模式稳态分布时，端面间隙损耗：n0：空气折射率，Z:端面间隙。单模光纤端面间隙Z引起的损耗：n2=1.455，n1=1.46，=1.31m，Z=1m时，芯径50m多模渐变光纤端面间隙损耗为0.006dB芯径10m单模光纤端面间隙损耗为0.089dB——只要端面间隙控制在1m之内，端面间隙损耗即可忽略不计。这一点目前工艺可保证0141lg10anZnILZ122221lg10wnZILZ8.1.2影响插入损耗的各种因素(4)菲涅耳反射损耗由于光纤两个端面间隙中存在不同的介质，当光进入其中时就会产生多次反射，从而产生的损耗，表示为n0：空气折射率，n1:纤芯折射率。n1=1.46，=1.31m时算得菲涅耳反射损耗为0.32dB220101)1()(4lg10nnnnILf8.1.2影响插入损耗的各种因素(5)芯径失配损耗多模渐变光纤芯径失配损耗：单模光纤芯径失配损耗：图8-3为实际单模光纤芯径失配损耗曲线22122212lg10)lg(10aaILa光从纤芯半径为a1的光纤射向纤芯半径为a2(a2a1)的光纤时导致的损耗图8-3单模光纤芯径失配损耗曲线212)lg(10aaILa8.1.2影响插入损耗的各种因素(6)数值孔径失配损耗光纤数值孔径失配损耗：212)../..lg(10ANANILNA当光从数值孔径为N.A.1的光纤射向数值孔径为N.A.2(N.A.2N.A.1)的光纤时导致的损耗图8-4单模光纤数值孔径失配损耗曲线8.1.2影响插入损耗的各种因素(7)其他损耗•除了上述6种因素外，还有•光纤端面的不光滑•光纤端面不平整•光纤端面与轴线不垂直等都会产生耦合损耗。•这种种因素不仅影响光纤插入损耗，而且影响连接器的重复性和互换性，因而在连接器设计和制作时必须针对以上各种因素进行优化设计并提高加工精度，以期连接损耗最小，并且同时提高器件的重复性和互换性指标8.1.3改进回波损耗的方法球面接触(PC)将装有光纤的插针体端面加工成曲率半径25~60mm的球面，两插针接触时纤芯间隙接近于0，达到“物理接触”，则端面间隙损耗和菲涅耳损耗将为0，从而后向反射光大大减小。——可使回波损耗达到50dB以上斜球面接触(APC)将插针体端面先加工成8左右倾角，再抛磨成斜球面，连接时插针体按照预定方位对准——除了具有PC优点，还可将微弱后向反射光旁路，提高改进回损——可使回波损耗60dB。——要求保证连接时插针体严格按照预定方位对准。出发点：光通信系统中需回波损耗40dB,甚至60dB手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜(减小菲涅耳损耗)8.1.4光纤活动连接器(俗称活接头)(1)基础用于连接两根光纤或光缆形成连续光路的可重复使用的无源器件应用：光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器仪表中功能：连接光纤与光纤、光纤与有源器件、光纤与其他无源器件、光纤与系统和仪表等，目前使用数量最多的光无源器件基本结构含：对中：可以采用套管、双锥、V型槽、透镜耦合等结构插针：可以是微孔、三棒、多层等结构，端面：有平面、球面、斜面等结构。8.1.4光纤活动连接器(2)类型——根据功能分连接器插头(PlugConnector)：实现光纤在转换器或变换器间插拔跳线(Jumper)：将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线转换器(Adaptor)：将光纤插头连在一起变换器(Converter)：转变光纤插头类型裸光纤转接器(BareFiberAdaptor)。——可以单独使用，也可结合为组件使用。——我国一套光纤活动连接器一般包括两个连接器插头和一个转换器。8.1.4光纤活动连接器（2）类型——根据插针+对中类型分1.套管结构两个插针和一个套筒组成。插针为一带有微孔的精密圆柱体，将光纤插入微孔后用胶固定并加工形成插针体。套筒是一种加工精密的套管，有开口和不开口两种，开口套筒使用最普遍。对准时，以插针的外圆柱面为基准面，插针插入套筒并与其实现紧配合，以保证两根光纤精密对准。连接器发展主流。设计合理、能通过加工达到要求精度，量产容易，为FC、SC、ST、D4等型号连接器的基本结构8.1.4光纤活动连接器（2）类型——根据插针+对中类型分2.双锥结构插针外端面加工成圆锥面，基座内孔也加工成双圆锥面。两个插针插入时利用锥面定位进行对接。加工精度要求极高，插针和基座常采用聚合物模压成型，内外锥面的结合不仅保证纤芯对中，而且保证两光纤端面间距恰好符合要求。AT&T的专利技术，由其创立和使用。8.1.4光纤活动连接器（2）类型——根据插针+对中类型分3.V型槽结构将两个插针放入精密设计的V型槽中，再用盖板将插针压紧，使纤芯达到对准。荷兰飞利浦的专利技术，单纤连接时一般不被采用，常用于单纤/多纤与平板波导连接或多纤之间互相连接。8.1.4光纤活动连接器（2）类型——根据插针+对中类型分4.球面定心结构由装有精密钢球的基座和装有圆锥面的插针组成。钢球开有一内径比插针外径大的通孔，当两插针插入基座时，球面与锥面切合使纤芯对准并使纤芯间距符合要求结构设计巧妙，但结构复杂，未被广泛采用。8.1.4光纤活动连接器（2）类型——根据插针+对中类型分5.透镜耦合结构通过球透镜或自聚焦透镜来实现光纤的对准。透镜将一根光纤的出射光变成平行光后进入另一透镜聚焦并耦合入第二根光纤。可以降低对机械加工的精度要求，但结构复杂、体积大、调整元件多、损耗大，在短距离便捷通信中采用。球透镜耦合自聚焦透镜耦合8.1.4光纤活动连接器（2）类型——根据插针+对中类型分以上五种基本结构的插针体（插针+对中）再加上若干外部零件就组成连接器插头，用来实现光纤在转换器或变换器之间完成插拔功能，其机械机构必须保证使光纤不受外界损害。8.1.4光纤活动连接器（3）跳线——结构与功能将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线。可以是单芯的也可以是多芯的两个插头的型号可以相同也可以不同。最常用的光连接器功能元件，用于终端设备和光缆线路及各光无源器件间互连8.1.4光纤活动连接器（3）跳线——选择参数插头型号——跳线两头的型号可以相同也可以不同光纤型号——如：单模、多模、色散位移、保偏等光纤芯径——如：62.5m、50m、9m、8m、4m光纤芯数——如：单芯、双芯、四芯等光缆类型——如：塑料光纤、涂覆光纤、带状光缆等光缆外径——如：3.5mm、3mm、2.5mm、2mm、0.9mm等光缆长度——如：0.5m、1m等插头数——如：一头装单插头、两头各装单插头、两头各装双插头等插入损耗——如：0.5dB、0.3dB等回波损耗——如：40dB、50dB、60dB等插针材料——如：陶瓷、玻璃、不锈钢、塑料等套筒材料——如：磷青铜、铍青铜、陶瓷等。插针端面形状——如：平面、球面、斜球面8.1.5光纤固定连接器（固定接头或接线子）作用：使一对或几对光纤之间形成永久性连接，要求要求损耗低、后向反射光小、操作简便、性能稳定。对互换性、重复性没有要求制作方法：熔接法：应用最广。插损很小，无后向反射光，理想接头V形槽法：多芯连接。插损小，后向反射小，小巧、操作简毛细管法：插损小，一定后向反射光，小巧、操作简，适合野外作业套管法：插损小，一定后向反射光，小巧、操作简便，适合野外作业这些方法各有优缺点，都能制作出满足工程需要的固定接头。8.1.5光纤固定连接器——发展方向除光纤熔接机外，其他固定连接器发展方向：多芯化提高加工精度和研制更好的匹配液利用V形槽和毛细管结构实现带状光纤、光波导阵列、光有源器件阵列8.2光衰减器可按照用户的要求将光信号能量尽量进行预期衰减的器件用途：光通信线路系统的评估、研究及调整、校正。分类(根据工作原理分)：液晶型光衰减器衰减片型光衰减器反射膜光衰减器吸收膜光衰减器直接镀膜型光衰减器纵向