通信系统第9章

1、第9章 光路无源器件 通信系统第9章 第9章 光路无源器件 9.1 光纤活动连接器光纤活动连接器 9.2 光衰减器光衰减器 9.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 9.4 光纤耦合器光纤耦合器 9.5 光波分复用器光波分复用器 9.6 光开关光开关 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 9.1 光纤活动连接器光纤活动连接器 光纤活动连接器的主要用途是用于光纤与光端机的连接。 单根光纤连接器有两种类型，即双锥形连接器和套管式连接器。 前者是贝尔公司专用，是美国采用的。后者流行于日本和欧洲， 我国目前也采用此类型。 双锥形连接器由两部分构成，即两个可移动的铸模插塞和一 个双锥形套筒(用塑料制

2、成)。光纤铸在塑料插塞的中央。其简图 如图9.1所示。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.1 双锥形连接器 光纤 接头 接头 光纤 套筒 光纤 折射率匹配垫 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图9.2所示为套管式连接器。其中图9.2(a)是连接插座部分， 中间有一个套筒, 图9.2(b)与光纤相连，其中心为插针。插针用 白铜或陶瓷(FC型)或不锈钢(PC)型制成。插针的中心有一个微 孔，微孔内有一根石英玻璃毛细管，光纤则胶固在此玻璃毛细 管中。这种连接器的特点是在插针中心的光纤与插针的外表面 处于同心圆状态。因此，两端的插针插入在插座的套筒并旋紧 后， 两根光纤即可完全对接。

3、第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.2 套管式连接器 (a) 连接插座； (b) 连接插针 (b)(a)(b) 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 FC型和PC型的区别在于前者的插针是平整的， 而后者是 球面形的。PC型插针端面成球面形的优点是可使两根光纤紧接 触，从而连接器的菲涅耳反射小，利于在高速大容量系统中使 用，可减少模分配噪声的影响。为了保持球面接触的机械强度 和可靠性，其插针用不锈钢制成，从而也增加了其加工的难度。 光纤活动连接器的主要技术指标是插入损耗。被连接的两 根光纤，其芯径、数值孔径和折射率指数等的失配，都要引起 一定的损耗，称为内耗， 其值约为0.5 dB。

4、另外，被对接的二 光纤，要产生横向位移和纵向分离，它们也要引起额外的损耗。 外损耗的大小与位移量有关， 如图9.3 所示。通常，其允许值 为0.5 dB。这样，光纤活动连接器的总插入损耗应为1 dB。另 外， 活动连接器要经常拆卸。为此，要求它具有良好的重复性 和互换性以及长的寿命。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.3 外损耗与位移的关系 横向偏移 纵向分离 255075100 0 1 2 3 4 位移 / m 损耗 / dB 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 9.2 光衰减器光衰减器 图 9.4 固定式光衰减器 光纤 透镜衰减片透镜 光纤 金属外壳 活动 连接器 活动 连接

5、器 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 在工作波长=0.800.90 m的范围内，固定式光衰减器的 规格有(30.5) dB，(50.5) dB, (100.5) dB, (200.5) dB, (300.5) dB， 方向性小于0.5 dB。上述的衰减量， 已包含衰 减器两端光纤活动连接器的损耗在内。 步进式光衰减器的工作原理与固定式一样。在结构上，其 衰减部分由装有光衰减片的多窗口转盘构成，以便随时改变其 衰减量。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 9.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 隔离器是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一 个方向上传输，阻止光波往其它方向特别是

6、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值越小越好， 对反向反射光 的隔离度的值越大越好， 目前插入损耗的典型值约为1 dB， 隔 离度的典型值的大致范围为4050 dB。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.5 隔离器的工作原理 SOP 入射光 反射光 阻塞 偏振器 法拉第 旋转器 偏振器 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.6 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 SOP 光纤输入 SWP法拉第旋转器半波片SWP 光纤输出 光纤输入 SWP法拉第旋转器半

7、波片SWP 光纤输出 (a) (b) 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.7 光环行器示意图 端口1端口2 端口3 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 9.4 光光 纤纤 耦耦 合合 器器 光纤耦合器的分类光纤耦合器的分类 耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光 输出。 光纤耦合器有各种不同的分类方法，从制造技术上分， 可以划分为轴向对准技术(又称纤芯交互型)和横向对准技术(又 称表面交互型)。由于横向对准技术性能好、 重复性好、 适应面 宽以及相对成本低，因而获得广泛应用。由横向对准技术制造 的光纤耦合器又可以划分为全光纤型(研磨和熔融法)和集成光学 型(LiNbO

8、-3 , Si或平面玻璃方法)。 从使用功能角度上分， 则可 以有更广泛的分类方法，即可以划分为三端口和四端口光纤耦 合器、 星形耦合器和波分复用器，如图9.8所示。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.8 几种典型光纤耦合器的结构示意图 三端口分路器和合路器； (b) 四端口耦合器； (c) 多端口星形耦合器； (d) 波分复用器 分路器(3端口) 合路器(3端口) (a)(b) M或 NN 1 2 12 12 2 1 合波器 分波器 (c)(d) 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 光纤耦合器的作用之一是将光信号进行分路与合路。在波 分复用、光纤局域网、光纤有线电视网、干涉型光

9、传感器、某 些测量仪表(如光时域反射计)中是不可缺少的光学元件。22的 光耦合器又是构成其它光学元件的基础。 耦合器可以是光纤型的，也可以是平面波导型的，两者基 本工作原理相同。在分析它们的工作原理时，将光纤和平面波 导统称为光波导。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 光纤耦合器的基本结构光纤耦合器的基本结构 多模与单模光纤均可做成耦合器，通常有两种结构形式， 一种是拼接式，另一种是熔融拉锥式，如图9.9所示。拼接式结 构是将光纤埋入玻璃块中的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛 光，然后将经研磨的两根光纤拼接在一起， 靠透过纤芯包层 界面的消逝场产生耦合。如果研磨抛光至纤芯部分，则产生了 强耦

10、合，否则产生弱耦合。熔融拉锥式结构是将两根或多根光 纤扭绞在一起，用微火炬对耦合部分加热，在熔融过程中拉伸 光纤，形成双锥形耦合区。在双锥形区，各光纤的包层合并成 同一包层， 纤芯变细靠近，根据靠近程度的不同，亦可形成弱 耦合和强耦合。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.9 光纤耦合器的耦合区及其形成 (a) 拼接式； (b) 熔融拉锥式 P in P in 直通臂 耦合臂 R 耦合臂 直通臂 (a)(b) 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 微光元件型耦合器微光元件型耦合器 采用微光元件的耦合器可以看作是一种波束分路耦合器， 属于轴向对准技术范畴。图9.10(a)显示了一种典型

11、的平行表面 型结构， 由两个四分之一焦距的梯度折射率(GRIN)圆柱形透镜 构成，中间夹有一层半透明涂层镜面。假设从输入光纤F1来的 光束照射到第一个GRIN圆柱形透镜，其中部分光被半透明镜面 反射回来耦合进光纤F2，而凸射光则聚焦在第二个GRIN圆柱形 透镜并耦合进光纤F3。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.10 微光元件型耦合器 (a) 采用半透明镜面的耦合器； (b) 采用45半透明棱镜的耦合器 F1 F2F3 (a) Pin P透射 P反射 介质膜 (b) GRIN圆柱透镜GRIN圆柱透镜镜面 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 集成光波导型耦合器集成光波导型耦合器 采

12、用平面光波导技术也能做成各种不同结构与功能的耦合 器，主要采用沉积、光刻与扩散三道工艺过程。沉积是在基体 上镀膜，光刻是在膜层上刻出所需的图案，扩散是使光刻形成 的膜层图案在基体内形成光波导。图9.11(a)所示为最简单的Y 形(12)分支耦合器的基本结构，将多个12分支耦合器级联 可以构成如图9.11(b)所示的18树形耦合器，这实际上是一种 不对称星形耦合器。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.11 集成光波导耦合器 (a) Y形耦合器基本结构； (b) 树形集成光波导耦合器基本构成 嵌入的波导 玻璃衬底 12 12 12 12 12 12 12 (b)(a) 第9章 光路无源

13、器件 通信系统第9章 图 9.12 NN平面透镜星形耦合器 1 2 NN 1 2 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 9.5 光波分复用器光波分复用器 光分波器和光合波器，统称为光复用器。光合波器也称为 光复用器，而光分波器又称为去复用器或解复用器。光复用器 在解决光缆线路的扩容或复用中起着关键性作用。它能将多个 光载波(如1, 2, n)进行合波或分波，使光纤通信的容量成倍 地提高，因此有巨大的经济效益和社会效益。光复用器的性能 优劣对光复用系统的传输质量有决定性的影响。光复用器可以 分为以下几个种类： (1) 组合型光复用器。它是由许多光学元部件如透镜、棱镜、 光栅及各种反射膜等组合而成

14、的。这类光复用器比较成熟，应 用较多。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 (2) 波导型光复用器。它是在一种或几种衬底上制作成各种 光波导及其它光路功能器件组成的光复用器。例如，在Si , LiNbO3等材料上制作光波导， 而在分波或合波的光路节点上制 作出各种滤光器，从而达到分波或合波的目的。 (3) 光纤型光复用器。利用光纤制作各种光无源器件得到了 很大的发展，而光纤复用器也是光纤的一个新的应用领域。它 是将两种不同的单模光纤通过熔融拉锥而成的。其工作原理是 当两种光纤的芯结合在一起时，使基模通过消失场变为耦合模。 而耦合比的大小由锥形几何尺寸分布所决定，从而可使某一波 长有较大的耦合

15、比，而其它波长的耦合比最小，从而可以将混 合的各种波分开。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 (4) 有源型复用器。它是利用光电子技术将复用器制作成有 源器件进行工作的。合波器实际上是发射二波长或多波长的激 光器或发光管；而分波器是能探测二波长或多波长的探测器。 (5) 集成型复用器。它是一种技术上难度较大而又有发展 前途的一种复用器。它是将有源型复用器、光电子器件与光波 导、电子器件集成在一起的光复用器。这种复用器很适合于密 集型波长分割复用系统。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 组合型光复用器组合型光复用器 (1) 棱镜型光复用器，如图9.13所示。它的工作原理是包含 多个信号光

16、波经透镜准直后，通过三棱镜将光分离，分离后的 光波再经另一个透镜聚焦并耦合进相应的光纤中进行传播。棱 镜是角色散元部件，其折射率n随波长而变化。选用dn/d大的 材料制作棱镜，可以得到大的角色散本领(即散开角大)和高的色 分辨本领，从而减小复用信道之间的串扰。此外，应使棱镜面 的宽度适当增大并尽可能地减小准直透镜的直径，以获得最佳 性能的复用器。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.13 棱镜型光复用器 1 2 3 3 2 1 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 (2) 衍射栅型复用器，如图9.14所示。众所周知，光栅具 有选频性能。当多个波长的光射入光栅上时要发生衍射，衍 射光彼

17、此之间相互干涉，结果会产生衍射图样，即得到不同 方向的各级亮条纹。实际上只需调整光栅面的倾斜度，即可 将最大光强调整到所需的方向，从而把各种波长的光波分开。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.14 衍射栅型复用器 1 2 3 1 2 3 衍射光栅 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 (3) 干涉滤光膜型复用器，如图9.15所示。它是利用干涉滤 光片将不同波长的光分开的。滤光片由基片上沉积的多层不同 介质薄膜所构成，有长波通截止滤光片、短波通截止滤光片以 及带通滤光片之分。图9.15(a)是利用透镜进行准直后再由干涉 滤光片进行分光。第一个干涉滤光片对波长2是一个阻带，使2 的光几

18、乎全反射到一个支路中去。同理， 第二个干涉滤光片是 3的阻带，将3光波分离出去，如此等等。总之，利用干涉滤光 片(膜)使一些波长的光全透过，而使另一些光不能透过的性能， 将混合的光波逐一分离。图9.15(b)是利用自聚焦透镜作准直元 件，在其端面沉积介质薄膜作干涉滤光膜，这样也可作复用器。 不过其性能不仅与滤光片的滤光特性有关，而且还与自聚焦透 镜有关。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.15 干涉滤光膜型复用器 (a) 利用透镜作准直元件； (b) 利用自聚焦透镜作准直元件 1231 32 12 2 1 滤光膜 (a)(b) 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 熔锥光纤型光复用

19、器熔锥光纤型光复用器 熔锥型波分复用器是以光纤为基础的器件，将两根(或两 根以上)的光纤绞合一小段，采用如图9.16(a)所示的加热熔拉 技术，通过熔拉使光纤形成双锥形锥体。当两根光纤的一小 段纤芯相互靠近(仅几微米)并使纤芯直径大幅度减小时，则能 实现双光纤耦合， 其结构如图9.16(b)所示。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.16 熔锥光纤型光复用器 (a) 加热熔拉； (b) 熔锥型光复用器的结构 输入光 连接器 LS 夹具 加热器 监测 监测 (a) (b) 1, 2 1 2 1 3 2 4 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 集成光波导型波分复用器集成光波导型波分复用

20、器 集成光波导型波分复用器是以光集成技术为基础的平面波 导型器件，具有一切平面波导技术的潜在优点，诸如适于批量 生产、重复性好、尺寸小、可以在光掩膜过程中实现复杂的光 路、与光纤的对准容易等等，因而代表了一种先进的波分复用 技术。目前，平面波导型波分复用器已有各种实现方案，主要 有集成的M-Z干涉型、椭圆型布拉格反射器型、反向布拉格耦 合器型、啁啾式光栅型、布拉格光栅型、选择性级联模转换型 等等。图9.17所示为一个平面波导型波分复用器的结构原理图， 主要部分是两个平面“自由空间”星形耦合器及其间的SiO-2/Si 或InP非耦合平面波导，目前已开始在实用化的波分复用系统中 应用，典型产品指标

21、插入损耗偏高，约为7 dB，最大可达10 dB， 隔离度较好的可达25 dB。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.17 平面波导型波分复用器的结构 L常数 平面“自由空间” 星形耦合器 1 2 N 输入 N 2 1 输出 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 9.6 光光 开开 关关 光开关是一种光路控制器件，起着控制光流和转换光路的 作用。光开关应具备插入损耗低、转换重复性好、开关速度快、 使用寿命长以及结构紧凑等性能。由于光开关是一种把光波在 时间上或空间上进行切换的器件，因此只要在时间上或空间上 能对光波进行切换都可制作成光开关。光开关种类繁多，可以 概括为三大类： (1)

22、机械式光开关。它利用机械动作达到光开关目的。 这种 光开关的最大优点是插入损耗小、 串音低。 其缺点是速度慢， 易磨损， 容易受振动、 冲击的影响。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 (2) 非机械式光开关，又称固体式光开关。它是利用电光效 应、磁光效应以及声光效应进行光开关的。这种光开关有重复 性好、开关速度快、可靠性高、使用寿命长等优点， 而且尺 寸小，可以单片集成。 其缺点是插入损耗和串光性能不够理想， 应予以改进。 (3) 半导体光波导开关。它是基于电光效应(电场引起折射 率变化)、填充带效应(载流子注入感生折射率变化)以及量子限 制斯塔克(stark)效应场感生折射率变化所做成的

23、光开关。这种 光开关具有损耗低、开关速度快、便于批量生产、重复性好、 能够与其它元器件单片集成，以及便于阵列等优点。可以确信， 它将会在光通信的光交换中及光计算的光逻辑中得到极快的应 用和发展。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 1. 机械式光开关机械式光开关 机械式光开关可分为镜可动型和光纤可动型两种。比较 实用的镜可动型光开关是棱镜移动式，它是通过棱镜或透镜 的移动来达到转换目的的， 手动和电动控制均可。图9.18是 全反射棱镜和棒状透镜所组成的一种转换开关。这种开关性 能比较稳定。 短波长系统中使用时，插入损耗为0.51 dB， 长波长系统中该值稍大些。 第9章 光路无源器件 通信系统第9章 图 9.18 全反射棱镜和棒状透