第8章 耦合器与连接器

1、第八章 耦合器和连接器常见光无源器件l光无源器件是光路的重要组成部分。l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。l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1 光光 耦耦 合合 器器2常见光无源器件光纤连接器原理 在光纤通信(传输)链路中，为了实现不同模块。设备和系统之间灵活连接的需要，必须有一种能在光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，使光路能按所需的通道进行传输，以实现和完成预定或期望的目的和要求，能实现

2、这种功能的器件就叫连接器。光纤连接器就是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。 光纤连接器l光纤连接器可分为两大类：活动连接器和固定连接器。1 光纤活动光纤活动 连接器连接器2 光纤固定光纤固定 连接器连接器光纤连接的主要方式1.固定连接。主要用于光缆线路中光纤间的永久性连接，多采用熔接，也有采用粘接和机械连接。特点是接头损耗小，机械强度较高。设备需要熔接机。2.活动连接。主要用于光纤与传输系统设备以及与仪表间的

3、连接，主要是通过光连接插头进行连接。特点是接头灵活较好，调换连接点方便，损耗和反射较大是这种连接方式的不足。现在插损方面也已经很好了,性价比较高。3.临时连接。测量尾纤与被测光纤间的耦合连接，一般采用此方法连接。特点是方便灵活，成本低，对损耗要求不高，临时测量时多采用此方式连接。连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。（活动连接）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。接头是实现光纤与光纤之间的永久性连接。（固定连接）主要用于光纤线路的构成。8图8.1 光纤与光纤之间连接损耗产生的原因(a)横向错位 (b)角向错位 (c )端面

4、之间有间隔 (d) 端面不平滑连接器原理横向错位图8.2 发射光纤与接收光纤的重叠部分，两纤x芯中心偏离距离d图8.3 多模阶跃光纤的横向错位损耗图8.4 传输模式的光斑尺寸为w的单模光纤的横向对准差错损耗曲线图8.6 发射光锥和接收光锥相互重叠的部分图8.7 多模光纤的角度错位产生的损耗图8.8 单模阶跃光纤的角度错位产生的损耗图8.9 端面之间的间隙使一些发射光线可以逃逸出去光纤端面分离图8.10 多模阶跃光纤的端面间隙产生的损耗图8.11 填充折射率匹配液可以减少光束发散，从而降低光纤的分离损耗图8.13 倾斜端面产生的损耗19图8.14 纤芯不匹配可能产生的损耗不同光纤之间的连接20图

5、8.16 数值孔径不匹配可能产生的损耗接收光锥发射光锥21图8.17 减少连接反射的两种方法 (a)物理接触 (b)倾斜端面连接点的反射纤芯 包层纤芯 包层光纤头预处理l刻痕-断裂l研磨-抛光2223图8.18 将光纤固定在套筒内环氧树脂 套筒光缆 裸光纤接头l接头通常指永久性的光纤连接l熔接 粘结24光纤固定连接器l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。l制作固定接头的方法有熔接法、V形槽法、套管法等。l1熔接法l用熔接法制作固定连接器，是光纤固定连接的主要方法。光纤固定连接器l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

6、为零，可以得到非常理想的光纤固定接头。光纤固定连接器l光纤加热和熔化的方法有三种，如图所示。l(1) 电弧熔接 (2) 氢氧焰熔接 (3) 激光熔接光纤熔接方法光纤固定连接器l(1)电弧熔接 l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。l(2)氢氧焰熔接 l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。l(3)激光熔接 l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l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

7、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。l以下是详细介绍。光纤固定连接器l(1) 光纤的准直与夹紧结构l光纤的准直与夹紧结构由精密V形槽和压板构成，l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l(2) 光纤的对准机构l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： 功率监测 纤心直视 包层对准l(3) 电弧放电机构光纤固定连接器l熔接机的电弧放电由两根电极完成，电极由钼丝制成。l(4) 电弧放电和电机驱动的控制机构l在电极放电过程中，电机的驱动都由微处理机控

8、制，按预定程序工作。光纤固定连接器l2其他固定连接方式l(1) V 形槽固定接头l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，图为 FMS-1 型光纤固定连接器的结构图。 光纤固定连接器l(2) 毛细管固定接头l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。 l(3) 套管式固定接头l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0.1 dB以下。35图8.20 电弧熔接熔接 电极 定位单元 裸光纤36图8.21 各类机械式接头粘接 光纤 光纤 光

9、纤 光纤 型槽 精密套筒 松套管 三根棒图8.22 熔融玻璃棒接头的弯曲部位图8.24 带状接头剖面图，光纤对接的位置用箭头指示连接器 可拆卸，用于收发端机与光纤的连接及实验室中，操作简单，损耗较大。 3940l低损耗l可重复性l可预测性l寿命长l高强度l环境适应性l易于组装l易于使用l成本低光纤活动连接器l1基本结构及工作原理l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。l目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种。 1 套管结构3.1.1 光纤活动连接器l 2 双锥结构 4 球面定心结构l 3 V形槽结构 5 透镜耦合结构光纤活

10、动连接器l套管结构的核心是插针与套筒。l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所示。 插针的结构与主要尺寸光纤活动连接器l插针的精度要求是：外径不圆度小于0.0005 mm；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 60 mm。l套筒是与插针相配合的零件，它有两种结构，如图所示。141 m光纤活动连接器套筒的结构与尺寸l套筒的精度要求是：内孔光洁度为 ；拔插力为3.92 5.88 N。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。1414光纤活动连接器l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：l(1) 连接器插

11、头(Plug Connector)：由插针体和若干外部零件组成。l(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l(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。l(4) 光缆跳线(Cable Jumper)：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。l(5) 裸光纤转换器(Bare Fiber Adapter): 将裸光纤穿入裸光纤转换器，处理好光纤端面，形成一个

12、插头。光纤活动连接器l2主要性能指标及测试方法l(1) 插入损耗l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) 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l重复性和互换性l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。l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l影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多，现简述如下：l(1) 两个光纤纤心位置的错位，如图所示。 实际有三种情况，即横向错位、角度倾斜和端面间隙。l光纤纤心位置的错位光源

13、耦合51l反射损耗l面积失配损耗l封装比损耗l数值孔径损耗l高强度l环境适应性l易于组装l易于使用l成本低图8.36 光源的耦合损耗53图8.40 减少光源的光束发散角光源纤心源54图8.41 光源耦合柱透镜 光纤球形透镜 光纤柱透镜 光纤1 描 述 光 耦描 述 光 耦合 器 特 性合 器 特 性的 一 些 技的 一 些 技术参数术参数2光 耦 合 器光 耦 合 器 的 制 作 方的 制 作 方法法3 耦合机理耦合机理4 波 导 型 光波 导 型 光耦合器耦合器5光 波 分 复光 波 分 复用器用器(WDM)(WDM)和 解 复 用和 解 复 用器器 光光 耦耦 合合 器器描述光耦合器特性的

14、一些技术参数l1插入损耗(Insertion Loss) (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。l2附加损耗(Excess Loss) (3.5)l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)iiILPPiILoutiPinPoutin10lg (dB)iiPELP 描述光耦合器特性的一些技术参数l3分光比(Coupling Ration) (3.6) l它是光耦合器特有的技术指标。l4方向性(Directivity)l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

15、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。outout100iiiPCRP描述光耦合器特性的一些技术参数l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 X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l5均匀性(Uniformity)l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)l6偏振相关损耗(Pol

16、arization Dependent Loss)l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l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)l 7隔离度(Isolation) (3.10)l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l光耦合器大致可分为分立元件组合型、

17、全光纤型和平面波导型。l1、早期采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜、棱镜等）组合拼接。l 其耦合机理简单直观，可用一般的几何光学进行描述。l 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l 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。l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

18、。l3、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l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。l熔融拉锥制作系统的示意图如图所示。 熔融拉锥制作系统示意光耦合器的制作方法l熔融拉锥型全光纤耦合器有如下优点：l(1) 极低的附加损耗，对于X 形或Y 形耦合器（参见表），附加损耗小于0.05 dB。 表 标准X, Y型全光纤耦合器的典型性能指标 指 标单模2(1)2工作波长1310, 1

19、550nm附加损耗0.1 dB分光比容差分光比方向性60 dB工作温度-40C85C光耦合器的制作方法l(2) 方向性好，一般达到60 dB，保证了传输光信号的定向性，减小了线路之间的串扰。l(3) 良好的环境稳定性，光路结构简单紧凑，在 -4085温度范围内耦合器可以保证稳定工作。光耦合器的制作方法l(4) 控制方法简单、灵活，不仅可以方便地改变器件的性能参数，还能制作具有不同功能的其他器件。l(5) 制作成本低，适于批量生产。上表给出了标准X，Y型全光纤耦合器的典型性能指标。耦合机理l1单模光纤耦合器l在单模光纤中，传导模是两个正交的基模( 模)，耦合器中光场强分布如图所示。耦合器中光场强

20、分布11HE耦合机理l传导模进入熔融锥区，纤心不断变细，V 值逐渐减小，有越来越多的光功率进入光纤包层中，实际光功率是在以包层为心、光纤外介质为包层的复合波导中传输的。 耦合机理l在输出端，随着纤心的逐渐变粗，V 值增大，光功率被两根纤心以特定比例捕获。在熔锥区，两根光纤包层合并在一起，两根光纤纤心足够接近，形成弱耦合，如下图所示。l 图 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理耦合机理l在弱导近似下，假设光纤无损耗，则有耦合方程： (3.11)l式中， 分别为两根光纤的模式场幅度； 是独立 状态的两根光纤的传输常数； 是耦合系数。l实际上，自耦合系数 ，且 。 当z = 0 时，已知 ，则耦合方程的解

21、为式(3.12)所示。1111112222222211d( )j()jdd( )j()jdA zCACAzAzCACAz12,A A12, i jC11220CC1221CCC12(0),(0)AA耦合机理l因此可求得每根光纤中的功率为l (3.13)l由此得到： 耦合比率与熔融 拉伸长度的关系 曲线，如图3.15 所示。最大耦合率 可以达到100。 耦合比率与熔融拉伸长度的关系2221122222( )( )1sin( )( )sinCP zA zFzFCP zAzFzF耦合机理l2多模光纤耦合器l阶跃多模光纤的模式总数 ，当传导模（靠近光轴为低阶模，离光轴较远的是高阶模）进入多模光纤耦合器的熔锥区时，纤心变细，V值变小，纤心中束缚的模式数减小，较高阶模进入包层，形成包层模。l在熔锥