光波系统的无源器ppt课件

1、第四章 光波系统的无源器件n一个完好的光波传输系统，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。n按构造分类：分立元件型、全光纤型和集成波导型。n 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展光学处置，然后经聚焦透镜聚焦后，耦合到输出光纤。n全光纤型光无源器件：器件主体是光纤，经过光纤本身特性来影响光信号的传输性能，从而实现器件的功能。n光波导型光无源器件：中心是光波导，经过控制波导折射率的变化来处置光信号。4.1 概述n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、

2、不产生光电转换的光学器件，常被称之为光“无源器件。n主要的无源器件光纤衔接器、光缆衔接器、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：衔接光波导或光路；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 光纤衔接器 n光纤衔接器又叫光纤活动衔接器、或叫光纤衔接器又叫光纤活动衔接器、或叫活接头。这是用于衔接两根光纤或光缆活接头。这是用于衔接两根光纤或光缆构成延续光通路的可以可装配反复运用构成延续光通路的可以可装配反复运用的光的光“无源器件，被广泛运用在光纤

3、传无源器件，被广泛运用在光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，也是目前运用数量最多的光无仪表中，也是目前运用数量最多的光无源器件。虽然光纤衔接器在构造上千差源器件。虽然光纤衔接器在构造上千差万别，种类上多种多样，但按其功能可万别，种类上多种多样，但按其功能可以分成如下几个部分：以分成如下几个部分： 4.2.1 光纤衔接器分类n衔接器插头：插头由插针体和外部配件衔接器插头：插头由插针体和外部配件组成，用于完成在光纤器件衔接中插拔组成，用于完成在光纤器件衔接中插拔功能。两个插头在插入转换器或变换器功能。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

4、。通常将一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。端装有插头的光纤称为尾纤。 4.2.1 光纤衔接器分类n光纤跳线：将一根光纤两头都装上插头，称为跳线。衔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 光纤衔接器分类n转换器：把两个光纤插头衔接在一同，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 光纤衔接器分类n变换器：将某一种型号的插头变换成另变换器：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。在实一种型号插头的器件叫做变换器。在实践运用中，往往会遇到这

5、种情况，即手践运用中，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，彼此上是另一种信号的插头或变换器，彼此配接不上，不能任务。此时，运用相对配接不上，不能任务。此时，运用相对应型号的变换器，问题就迎刃而解了。应型号的变换器，问题就迎刃而解了。 4.2.1 光纤衔接器分类n裸光纤转接器：将裸光纤与光源、探测器以及各类光仪器进展衔接的器件，称为裸光纤转接器。裸光纤与裸光纤转接器运用时可相互衔接；用完后，可以将裸光纤抽出它用。因此彼此是可以结合和分别的。 4.2.1 光纤衔接器分类n光纤衔接器按传输媒介的不同可分为单模光纤衔

6、接器和多模光纤衔接器；按构造类型的不同可分为FC、SC、ST、MU、LC、MT等各种型式；按衔接器的插针端面接触方式可分为FC、PCUPC和APC；还有按光纤芯数的多少分，有单芯光纤衔接器和多芯光纤衔接器。不论何种衔接器，都必需具备损耗低、体积小、分量轻、可靠性高、便于操作、反复性和互换性好以及价钱低廉等优点。 FC、SC、ST衔接器是目前世界上运用量最衔接器是目前世界上运用量最大的种类，也是我国采用比较常见的光纤种大的种类，也是我国采用比较常见的光纤种类。类。1FC型平面对接型衔接器是一种采用卡口螺纹方式衔接。这种衔接器插入损耗小，反复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通讯系统的要求，是目前

7、国内广泛运用的类型。 FC衔接器外形构造图参见图4.1.2和图4.1.3所示。它具有构造简单、操作方便、制造容易的优点。缺陷是对沾污较敏感，应坚持插针端面的绝对于净，否那么影响衔接衰耗。FC型衔接器构造采用插头型衔接器构造采用插头转接器转接器插头插头的螺旋耦合方式。根据其插针端面外形的不同，的螺旋耦合方式。根据其插针端面外形的不同，它分为固定光纤端面的平面接触它分为固定光纤端面的平面接触FC、球面接、球面接触的触的FC/PC和斜球面接触的和斜球面接触的FC/APC构造，后构造，后两种有利于减少插针端面的反射损耗。两种有利于减少插针端面的反射损耗。2SC矩形光纤衔接器 n是一种直接插拔耦合式衔接

8、器，不用旋转，可自锁和开启，为非螺旋卡口型。它的外壳是矩形构造，采用模塑工艺制造，用加强的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矩形光纤衔接器可以是单纤衔接器也可以是多纤衔接器，单纤外形构造图参见图4.1.4和图4.1.5所示。该器件特点是不需求螺纹衔接，直接插拔，操作空间小，非常适宜于密集安装形状下运用，如光纤配线架，光端机，以及局域网、用户网等。按其插针端面外形也分为平面接触SC、球面接触的SC/PC和斜球面接触的SC/APC几种构造。3ST衔接器衔接器 n是一种采用带键的卡口式锁紧机构来确保衔接时准确对中的衔

9、接器，插针的端面外形通常为PC面。它的特点主要是运用非常方便，ST衔接器外形构造图参见图4.1.6和图4.1.7所示。4.2.2 光纤衔接器的损耗n光纤活动衔接器产生的损耗主要缘由有两个方面，一是衔接技术上的缘由；二是光纤参数不一致所引起。前者主要有轴心错位、有折角、间隙以及端面不完好等呵斥光损耗。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。衔接技术所呵斥的损耗往往是主要的，其中轴心错位和间隙呵斥损耗占有较大的比例。图 4.1.8较直观的反映了几种光纤衔接损耗的缘由。 4.2.3 主要性能目的 n插入损耗插入损耗Insertion Loss：即衔接损

10、耗，是：即衔接损耗，是指因衔接器的导入而引起的链路有效光功率的指因衔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，普通要求应不大于损耗。插入损耗越小越好，普通要求应不大于0.5dB。n回波损耗回波损耗Return Loss, Reflection Loss：是：是指衔接器对链路光功率反射的抑制才干，其典指衔接器对链路光功率反射的抑制才干，其典型值应不小于型值应不小于25dB。实践运用的衔接器，插针。实践运用的衔接器，插针外表经过了专门的抛光处置，可以使回波损耗外表经过了专门的抛光处置，可以使回波损耗更大，普通不低于更大，普通不低于45dB。 n反复性：同一对插头，可以反复多次运用，

11、该目反复性：同一对插头，可以反复多次运用，该目的反映器件在插拔一次或数次之后，其插入损耗的反映器件在插拔一次或数次之后，其插入损耗的变化情况。性能稳定的衔接器反复性普通应在的变化情况。性能稳定的衔接器反复性普通应在0.1dB之内；之内；n互换性：对于同一类型的光纤衔接器，普通都可互换性：对于同一类型的光纤衔接器，普通都可以恣意组合运用，不同衔接器之间恣意置换后，以恣意组合运用，不同衔接器之间恣意置换后，由此而导入的附加损耗应在一定要求范围内，它由此而导入的附加损耗应在一定要求范围内，它反映了衔接器的一致性性能。较好的衔接器，普反映了衔接器的一致性性能。较好的衔接器，普通都在附加损耗通都在附加损

12、耗0.2dB以内；以内；n运用寿命插拔次数：反映衔接器满足技术参运用寿命插拔次数：反映衔接器满足技术参数范围内插拔次数的多少。目前运用的光纤衔接数范围内插拔次数的多少。目前运用的光纤衔接器普通都可以插拔器普通都可以插拔l000次以上。次以上。n温度性能：是指衔接器可以正常运用的温度范围。温度性能：是指衔接器可以正常运用的温度范围。详细是在一定温度范围内通常在：详细是在一定温度范围内通常在：-40+70衔接器的损耗变化量应在衔接器的损耗变化量应在0.2dB以内；以内；此外还有抗拉强度、振动等各种环境实验数据等。 端面对接衔接器的插针端面的接触型式对光纤衔接性能影响很大。由于存在公差，平面型接触的

13、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。菲涅尔反射既添加损耗，而且反射回波将使光源输出不稳定，呵斥光脉冲波形畸变，添加误码率。因此，端面设计的出发点是减少端面间隙实践上，当光纤端面间隙小于/4时，由于干涉效应，菲涅尔反射根本消除，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，使端面构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，因此称为物理接触PCPhysical Connect，其回波损耗可到达50dB。假设将光纤端面加工成6080的傾角，再

14、抛光成球面，便构成斜球面接触，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，难以前往光源，其回波损耗可达60dB甚至达70dB。4.3 耦合器件n光耦合器是一种能使传输中的光信号在特殊构造的耦合区内进展功率积聚与再分配，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，普通可用MN表示，即M个输入端，N个输出端。目前最常用的22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、区域网路中都会运用到 n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 1N表示其合分

15、路数，也就是在星形耦合的某一侧只保管一个端口而已。实践上，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。 光纤耦合器可分规范耦合器双分支，单位光纤耦合器可分规范耦合器双分支，单位1 12 2，亦即将光讯号分成，亦即将光讯号分成两个功率、星状树状耦合器、以及波长多工器两个功率、星状树状耦合器、以及波长多工器WDMWDM，假设波长，假设波长属高密度分出，即波长间距窄，那么属於属高密度分出，即波长间距窄，那么属於DWDMDWDM，制造方式那么有烧，制造方式那么有烧结结FuseFuse、微光学式、微光学式Micro OpticsMicro Optics、光波导式、光波导式Wav

16、e GuideWave Guide三种，而以烧结式方法消费占多数约有三种，而以烧结式方法消费占多数约有9090。层中走漏的。层中走漏的几种微光元件型耦合器。 na由微型透镜L和半反半透镜M组合而成。n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陷，这使它在运用上遭到限制。 n(b)所示采用半透明镜面的耦合器所示采用半透明镜面的耦合器n由两个长度为

17、由两个长度为1/4节距的自聚焦棒透镜节距的自聚焦棒透镜GRIN(渐变折射率渐变折射率棒状透镜的缩写棒状透镜的缩写,其折射指数分布为抛物线型其折射指数分布为抛物线型)和半透明镜和半透明镜面的介质膜构成面的介质膜构成,介质膜直接镀制在两介质膜直接镀制在两GRIN的结合面上。的结合面上。n当光波由端口当光波由端口1入射到介质膜上时，一部分光透射进入端入射到介质膜上时，一部分光透射进入端口口4，另一部分光反射进入端口，另一部分光反射进入端口3，两端口输出分配比取，两端口输出分配比取决于介质膜的反射率的大小；同样，由端口决于介质膜的反射率的大小；同样，由端口2输入的光功输入的光功率也将按比例分配至端口率

18、也将按比例分配至端口3和和4输出；而端口输出；而端口1与与2之间以之间以及端口及端口3和和4之间的光信号是相互隔离的。光传播的可逆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运用，即由性使耦合器可反向运用，即由3，4端口输入端口输入,由由1，2端口端口输出输出,其分路特性坚持不变。这种光耦合器构造紧凑、简其分路特性坚持不变。这种光耦合器构造紧凑、简单，插入损耗较低单，插入损耗较低1dB,对方式功率分配不敏感，对方式功率分配不敏感，得到了很多运用。得到了很多运用。 (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 n直接在两根或多根光纤之间构成某种方式的耦合，通常有

19、两种构造：一种是拼接式，另种是熔融拉锥式。 n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展研磨抛光，研磨好后，在磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接在一同，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，当研磨抛光深化纤芯部分，将产生强耦合，否那么耦合较弱，可作成可调分光比耦合器。 n将两根或多根除去涂覆层的光纤扭绞在一同，在高温加热例如用氢氧焰等下使之熔融，同时向两侧拉伸，构成双锥形的特殊波导构造，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接近程度和光纤芯经的减小程度。 光波导型耦合器 n用光刻、溅射堆积膜、分散或生长的

20、方法，在玻璃、晶体或半导体为衬底的资料上，构成光导波 .n图5-13所示为在铌酸锂(LiNbO3)衬底的基片上，分散钛(Ti)的方法，构成淹埋条形波导。钛原子经分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围的介质，当光射入波导时，只需入射角小于最大接纳角，就可使光射线在波导中全反射并被导行。 光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。图3-3表示了波导型分支器的构造它是一种Y型分支，由一根芯线一端输入的光可用它加以等分。图3-4为拼接式原理图拼接式构造是将光纤埋入玻璃块中的弧形槽中，在光纤侧面进展研磨抛光，然后将经抛磨的两根光纤拼接在一同，靠透过纤芯和包层界面的

21、消逝场产生耦合。4.4 光衰减器 n可以使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为光衰减器。光衰减器可大致分为固定和可变两类。固定衰减器和可变衰减器的主要目的是其衰减量的准确度、精度和稳定性或反复性，以及适用的波长区域。n使光纤中的光信号功率衰减的方法很多，因此衰减器的原理和构造方式也多种多样。一种小型法兰式光可调衰减器FC规范适配器方式，运用于光纤传输线路中，可对光强进展025dB延续可变的衰减，对衰减量进展在线式调整与锁定，运用极为方便。图4.1.9小型法兰式光可调衰减器表 4.1.2 法兰式光可调衰减器技术性能参数参数 单位 指标 工作波长 nm 1310或1550 附加损耗 dB 0.

22、3 衰减量 dB 025 输入/输出形式 FC 外形尺寸 mm 1918.5 温度范围 -4080 n位移型光衰减器是经过调理两光纤的横向位移量或纵向位移量来实现光能量衰减的目的；而吸收型光衰减器那么利用镀制金属膜或液晶来吸收光能，进展光衰减，衰减量的大小与吸收膜的厚度成正比。常用的蒸镀金属膜有Al膜采用Al膜时，常在上面加镀一层SiO2或MgF2薄膜作为维护、Ti膜、Cr膜和W膜等。 4.5 光开关 n光开关是使传输通路中的光路控制器件，起着控制光信号通、断或转换光路的作用。它目前广泛运用在主、备光纤线路的切换，光纤或光缆的丈量系统中，以及用户系统、公用线路、光交换机中等领域。一个性能良好的

23、光开关应具备插入损耗低、转换反复性好、开关速度快、运用寿命长以及构造紧凑等。 n机械式光开关：利用机械动作到达光开关的目机械式光开关：利用机械动作到达光开关的目的。其光开关优点具有插入损耗小、串扰低；的。其光开关优点具有插入损耗小、串扰低；缺陷是速度慢，易磨损，容易受振动和冲击的缺陷是速度慢，易磨损，容易受振动和冲击的影响。影响。 n非机械式光开关：利用电光效应、磁光效应及非机械式光开关：利用电光效应、磁光效应及声光效应实现光开关。其光开关优点具有反复声光效应实现光开关。其光开关优点具有反复性好、开关速度快、可靠性高、运用寿命长、性好、开关速度快、可靠性高、运用寿命长、尺寸小等。缺陷是插入损耗

24、、串光性能不够理尺寸小等。缺陷是插入损耗、串光性能不够理想。想。 由于只需能在时间上或空间上对光波进展切换的器件都可制形成光开关，所以光开关种类繁多。通常，可将光开关概括为三类，每一类又有多种详细方式。 n半导体光波导开关：基于电光效应半导体光波导开关：基于电光效应电场引起折射率变化、填充带效应或载电场引起折射率变化、填充带效应或载流子注入感生折射率变化以及量子限制流子注入感生折射率变化以及量子限制 StarkStark效应场感生折射率变化制形成光开效应场感生折射率变化制形成光开关。其光开关优点具有损耗低、开关速关。其光开关优点具有损耗低、开关速度快、反复性好，便于与其它元期间单度快、反复性好

25、，便于与其它元期间单片集成进展批量消费等。片集成进展批量消费等。 4.6 光隔离器 n光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。光隔离器在光纤通讯、光信息即光的单向器。光隔离器在光纤通讯、光信息处置系统、光纤传感以及精细光学丈量系统中处置系统、光纤传感以及精细光学丈量系统中具有重要作用。具有重要作用。n例如，光发射机中光源所发出的信号光，通常例如，光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动衔接器的方式耦合到光纤线路中去的。是以活动衔接器的方式耦合到光纤线路中去的。活接头处的光纤端面间隙会使约活接头处的光纤端面间隙会使约 4的反射光的反射光向着

26、光源传输菲涅耳反射光。对于光频稳向着光源传输菲涅耳反射光。对于光频稳定性要求高的光纤通讯系统定性要求高的光纤通讯系统(如相关光通讯系如相关光通讯系统，密集波分复用或光频分复用系统等统，密集波分复用或光频分复用系统等)，这，这部分前往光能够影响光源的任务稳定性，进而部分前往光能够影响光源的任务稳定性，进而影响到系统的正常任务。为此，需在光源和活影响到系统的正常任务。为此，需在光源和活动衔接器之间设置光隔离器，消除不良影响。动衔接器之间设置光隔离器，消除不良影响。1光隔离器的作用阻止反射光2构造图393任务原理法拉第旋转的非互易性半导体激光器及光放大器等对来自衔接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需求用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光经过的无源光器件法拉弟旋转的非互易性法拉弟旋转的非互易性对于正向入射的信号光，经过起偏器后成为线偏振光，法拉弟对于正向入射的信号光，经过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一同使信号光的偏振方向右旋旋磁介质与外磁场一同使信号光的偏振方