《光电子技术基础》(第二版).ppt

第第8章章 光通信无源器件技术光通信无源器件技术大家好1第第8章章 光通信无源器件技术光通信无源器件技术v8.1光纤连接器光纤连接器v8.2光衰减器光衰减器v8.3光耦合器光耦合器v8.4光波分复用器光波分复用器v8.5光隔离器光隔离器v8.6 光开关光开关 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，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，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。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。大家好28.1光纤连接器光纤连接器v以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来的器件以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来的器件v方法方法采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准v性能性能实现光路接续，保证光纤网络实现光路接续，保证光纤网络90%以上光通过。以上光通过。v分类：分类：永久性：采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现永久性：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。活动性，光纤活动连接器。v指标指标插入损耗插入损耗(简称插损简称插损)、回波损耗、回波损耗(简称回损简称回损)、以及谱损耗、以及谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等等；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对于活动光纤连接器还有重复性和互换性大家好38.1.1 光纤连接器主要指标光纤连接器主要指标(1)插损插损v光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输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入光功率比值的分贝数：其中其中IL为插损，为插损，Pi 为输入端光功率，为输入端光功率，Po为输出端光功率为输出端光功率。插损越小越好，插损越小越好，ITU建议应不大于建议应不大于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量连接器插损大家好48.1.1 光纤连接器主要指标光纤连接器主要指标(2)回损回损(后向反射损耗后向反射损耗)v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。的光功率占输入光功率的份额。v会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射飘移等，使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。通信系统性能恶化。v光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数：光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数：其中其中RL为插损，为插损，Pi 为输入端光功率，为输入端光功率，Pr为后向反射光功率为后向反射光功率。回损越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响。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典型值初期要求应不小于25dB，现要求不小于，现要求不小于38dB。大家好58.1.1 光纤连接器主要指标光纤连接器主要指标(3)重复性与互换性重复性与互换性重复性重复性 光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用用dB表示。表示。互换性互换性 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接器的附加损耗应限制在小于0.2dB的范围内。的范围内。大家好68.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗纤芯错位损耗v由于纤芯横向错位由于纤芯横向错位(如图如图8-1a)引起的损耗。引起的损耗。v连接损耗的重要原因连接损耗的重要原因大家好78.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗纤芯错位损耗v芯径芯径2a渐变多模光纤模式稳态分布时错位渐变多模光纤模式稳态分布时错位d 引起的损耗：引起的损耗：v单模光纤传输半径单模光纤传输半径w的高斯分布时错位的高斯分布时错位d引起的损耗引起的损耗：其中其中令错位损耗为令错位损耗为0.1dB 多模渐变光纤芯径多模渐变光纤芯径50 m、，算得横向错位，算得横向错位2.46 m;统计值统计值3 m 单模光纤芯径单模光纤芯径10 m，算得横向错位，算得横向错位0.72 m;统计值统计值0.8 m。理论与实践符合良好理论与实践符合良好大家好88.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(2)光光纤倾斜损耗纤倾斜损耗v由于两光纤轴线的角度倾斜由于两光纤轴线的角度倾斜 (如图如图8-2a)而引起在连接处而引起在连接处的光功率损耗的光功率损耗。大家好98.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(2)光光纤倾斜损耗纤倾斜损耗v多模渐变光纤模式稳态分布时倾角多模渐变光纤模式稳态分布时倾角 引起的引起的倾斜损耗为：倾斜损耗为：其中其中v单模光纤传输半径单模光纤传输半径w的高斯分布时倾角的高斯分布时倾角 引起引起的损耗表示为：的损耗表示为：图图8-2(b)实际光纤倾斜损耗统计平均值，倾角以弧度表示，实际光纤倾斜损耗统计平均值，倾角以弧度表示，包层折射率包层折射率n2=1.455，芯折射率，芯折射率n1=1.46，=1.31 m。损耗损耗0.1dB对应多模渐变型光纤倾角对应多模渐变型光纤倾角0.7，单模光纤，单模光纤0.3。实际生产中倾角可控制在实际生产中倾角可控制在0.1内内常可忽略不计常可忽略不计大家好108.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(3)端面间隙损耗端面间隙损耗 v由于光纤连接端面处存在间隙由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗而引起的损耗v多模渐变光纤在模式稳态分布时，端面间隙损耗：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，：空气折射率，Z:端面间隙。端面间隙。v单模光纤端面间隙单模光纤端面间隙Z引起的损耗：引起的损耗：v n2=1.455，n1=1.46，=1.31 m，Z=1 m时，时，v芯径芯径50 m多模渐变光纤端面间隙损耗为多模渐变光纤端面间隙损耗为0.006dBv芯径芯径10 m单模光纤端面间隙损耗为单模光纤端面间隙损耗为0.089dB 只要端面间隙控制在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。之内，端面间隙损耗即可忽略不计。这一点目前工艺可保证这一点目前工艺可保证大家好118.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(4)菲涅耳反射损耗菲涅耳反射损耗 v由于光纤两个端面间隙中存在不同的介质，当光进入其中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，：空气折射率，n1:纤芯折射率。纤芯折射率。v n1=1.46，=1.31 m时算得菲涅耳反射损耗为时算得菲涅耳反射损耗为0.32dB大家好128.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(5)芯径失配损耗芯径失配损耗v多模渐变光纤芯径失配损耗多模渐变光纤芯径失配损耗：v单模光纤芯径失配损耗：单模光纤芯径失配损耗：v图图8-3为实际单模光纤芯径失配为实际单模光纤芯径失配损耗曲线损耗曲线光从纤芯半径为光从纤芯半径为a1的光纤射向纤芯半径为的光纤射向纤芯半径为a2(a2a1)的光纤时的光纤时导致的损耗导致的损耗图图8-3单模光纤芯径失配损耗曲线单模光纤芯径失配损耗曲线 大家好138.1.2 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(6)数值孔径失配损耗数值孔径失配损耗v光纤数值孔径失配损耗：光纤数值孔径失配损耗：当光从数值孔径为当光从数值孔径为N.A.1的光纤射向数值孔径为的光纤射向数值孔径为N.A.2(N.A.260dB。要求保证连接时插针体严格按要求保证连接时插针体严格按照预定方位对准。照预定方位对准。出发点：光通信系统中需回波损耗出发点：光通信系统中需回波损耗40dB,甚至甚至60dB手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜(减小菲涅耳损耗减小菲涅耳损耗)大家好168.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(俗称活接头俗称活接头)(1)基础基础v用于连接两根光纤或光缆形成连续光路的可重复使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用的无源器件v应用：光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器应用：光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器仪表中仪表中v功能：连接光纤与光纤、光纤与有源器件、光纤与功能：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，其他无源器件、光纤与系统和仪表等，v目前使用数量最多的光无源器件目前使用数量最多的光无源器件v基本结构含：基本结构含：对中：可以采用套管、双锥、对中：可以采用套管、双锥、V型槽、透镜耦合等结构型槽、透镜耦合等结构插针：可以是微孔、三棒、多层等结构，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。端面：有平面、球面、斜面等结构。大家好178.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器(2)类型类型 根据功能分根据功能分v连接器插头连接器插头(Plug Connector)：实现光纤在转换器：实现光纤在转换器或变换器间插拔或变换器间插拔v跳线跳线(Jumper)：将一根光纤的两头都装上插头就形：将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线成跳线v转换器转换器(Adaptor)：将光纤插头连在一起：将光纤插头连在一起v变换器变换器(Converter)：转变光纤插头类型：转变光纤插头类型v裸光纤转接器裸光纤转接器(Bare Fiber Adaptor)。可以单独使用，也可结合为组件使用。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个转换器。大家好188.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（2）类型）类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v套管结构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。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。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，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，为量产容易，为FC、SC、ST、D4等型号连接器的基本结构等型号连接器的基本结构大家好198.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（2）类型）类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v双锥结构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。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。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，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。面间距恰好符合要求。AT&T的专利技术，由其创立和使用。的专利技术，由其创立和使用。大家好208.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（2）类型）类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分vV型槽结构型槽结构将两个插针放入精密设计的将两个插针放入精密设计的V型槽中，再用盖板将插针型槽中，再用盖板将插针压紧，使纤芯达到对准。压紧，使纤芯达到对准。荷兰飞利浦的专利技术，荷兰飞利浦的专利技术，单纤连接时一般不被采用，常用于单纤单纤连接时一般不被采用，常用于单纤/多纤与平板波导多纤与平板波导连接或多纤之间互相连接。连接或多纤之间互相连接。大家好218.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（2）类型）类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v球面定心结构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，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。结构设计巧妙，但结构复杂，未被广泛采用。大家好228.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（2）类型）类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分v透镜耦合结构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。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、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大家好238.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（2）类型）类型根据插针根据插针+对中类型分对中类型分以上五种基本结构的插针体（插针以上五种基本结构的插针体（插针+对中）再加上若干外部对中）再加上若干外部零件就组成连接器插头，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，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。其机械机构必须保证使光纤不受外界损害。大家好248.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（3）跳线）跳线结构与功能结构与功能l 将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线。将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线。l 可以是单芯的也可以是多芯的可以是单芯的也可以是多芯的l 两个插头的型号可以相同也可以不同。两个插头的型号可以相同也可以不同。l 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光无源器件间互连大家好258.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器（3）跳线）跳线选择参数选择参数插头型号插头型号跳线两头的型号可以相同也可以不同跳线两头的型号可以相同也可以不同光纤型号光纤型号如：单模、多模、色散位移、保偏等如：单模、多模、色散位移、保偏等光纤芯径光纤芯径如：如：62.5 m、50 m、9 m、8 m、4 m光纤芯数光纤芯数如：单芯、双芯、四芯等如：单芯、双芯、四芯等光缆类型光缆类型如：塑料光纤、涂覆光纤、带状光缆等如：塑料光纤、涂覆光纤、带状光缆等光缆外径光缆外径如：如：3.5mm、3mm、2.5mm、2mm、0.9mm等等光缆长度光缆长度如：如：0.5m、1m等等插头数插头数 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插入损耗如：如：0.5dB、40dB、50dB、60dB等等插针材料插针材料如：陶瓷、玻璃、不锈钢、塑料等如：陶瓷、玻璃、不锈钢、塑料等套筒材料套筒材料如：磷青铜、铍青铜、陶瓷等。如：磷青铜、铍青铜、陶瓷等。插针端面形状插针端面形状如：平面、球面、斜球面如：平面、球面、斜球面大家好268.1.5光纤固定连接器（光纤固定连接器（固定接头或接线子）固定接头或接线子）l作用：作用：使一对或几对光纤之间形成永久性连接，使一对或几对光纤之间形成永久性连接，l要求要求 要求损耗低、后向反射光小、操作简便、性能稳定。要求损耗低、后向反射光小、操作简便、性能稳定。对互换性、重复性没有要求对互换性、重复性没有要求l制作方法：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。大家好278.1.5光纤固定连接器光纤固定连接器发展方向发展方向除光纤熔接机外，其他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：多芯化多芯化提高加工精度和研制更好的匹配液提高加工精度和研制更好的匹配液利用利用V形槽和毛细管结构实现带状光纤、光波形槽和毛细管结构实现带状光纤、光波 导阵列、光有源器件阵列导阵列、光有源器件阵列大家好28 8.2 光衰减器光衰减器 l 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l 用途：用途：光通信线路系统的评估、研究及调整、校正。光通信线路系统的评估、研究及调整、校正。l 分类分类(根据工作原理分根据工作原理分)：大家好29 8.2.1光衰减器结构和工作原理光衰减器结构和工作原理(1)位移型光衰减器位移型光衰减器 l工作原理：工作原理：l 两段光纤进行连接时，纤芯错位、端面间隙都会引起连接器损耗。两段光纤进行连接时，纤芯错位、端面间隙都会引起连接器损耗。l 反之，将光纤对中精度做适当调整，可以控制连接时的衰减量。反之，将光纤对中精度做适当调整，可以控制连接时的衰减量。有意让光纤在对接时发生一定错位，引起光能量损失，有意让光纤在对接时发生一定错位，引起光能量损失，达到控制衰减量目的。达到控制衰减量目的。l分类：分类：l横向位移型横向位移型l 轴向位移型轴向位移型大家好308.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(1)位移型光衰减器位移型光衰减器(a)横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器采用波动光学的理论推导光纤耦合过程。采用波动光学的理论推导光纤耦合过程。理想状态下，无论光纤端面形状如何，单模光纤基模总可近似为高斯函数理想状态下，无论光纤端面形状如何，单模光纤基模总可近似为高斯函数该光束经过横向错位该光束经过横向错位d传输到第二根光纤的端面时，模场分布变为：传输到第二根光纤的端面时，模场分布变为：其中，即在第二根光纤端面处，相对于第二根光纤纤芯，入射光束的模场分布发生即在第二根光纤端面处，相对于第二根光纤纤芯，入射光束的模场分布发生了变化，带来了由于模场失配产生的能量损失。了变化，带来了由于模场失配产生的能量损失。(8-13)(8-14)大家好318.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(1)位移型光衰减器位移型光衰减器 将前述各式代入，得横向位移光能量损耗：将前述各式代入，得横向位移光能量损耗：式中，式中，同样，模式稳态分布情况下多模渐变光纤的耦合损耗同样，模式稳态分布情况下多模渐变光纤的耦合损耗：式中，式中，k=n1/n0，n0为两端面间物质折射率，为两端面间物质折射率，n1为纤芯折射率，为纤芯折射率，n2为包层折射为包层折射率，率，d为两光纤间横向位移，为两光纤间横向位移，a 为纤芯半径，为纤芯半径，为波长，为波长，A0、A0 为修正因子。为修正因子。设光纤间轴向间隙设光纤间轴向间隙z0可忽略，则横向耦合效率可表示为两模场的交叠积分：可忽略，则横向耦合效率可表示为两模场的交叠积分：(a)横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器大家好328.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(1)位移型光衰减器位移型光衰减器图图8-15(b)为为k=1时的时的Ldd曲线图。曲线图。实际制作中常根据该类曲线图确定所需衰减量对应的横向位移量，并通过一实际制作中常根据该类曲线图确定所需衰减量对应的横向位移量，并通过一定的机械定位方式、用熔接或粘接法制作成需要的固定衰减器。定的机械定位方式、用熔接或粘接法制作成需要的固定衰减器。这类衰减器回波损耗很高这类衰减器回波损耗很高(通常大于通常大于60dB)，目前仍具有较大市场。，目前仍具有较大市场。k=1时的时的Ldd曲线图曲线图(a)横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器大家好338.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(1)位移型光衰减器位移型光衰减器p 利用光纤端面间隙带来光通量损失的原理制作的光衰减器。利用光纤端面间隙带来光通量损失的原理制作的光衰减器。p 即使即使3dB衰减器对应间隙衰减器对应间隙在在0.1mm，工艺易控制，被很多厂家采用，工艺易控制，被很多厂家采用p 实现方式：用机械的方式将两根光纤拉开一定距离进行对中实现方式：用机械的方式将两根光纤拉开一定距离进行对中p 可制作衰减器类型：可制作衰减器类型：固定光衰减器和一些小型可变光衰减器。固定光衰减器和一些小型可变光衰减器。可看成一个损耗大的光纤连接器，与连接器结构结合可形成转换器式可看成一个损耗大的光纤连接器，与连接器结构结合可形成转换器式光衰减器和变换器式光衰减器。可与系统中的连接器配套使用。光衰减器和变换器式光衰减器。可与系统中的连接器配套使用。(b)轴向位移型光衰减器轴向位移型光衰减器 大家好348.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(1)位移型光衰减器位移型光衰减器 ，B0:修正因子，修正因子，Z:两光纤端面间的距离。两光纤端面间的距离。可通过高斯光束失配法求得光纤端面间的轴向间隙可通过高斯光束失配法求得光纤端面间的轴向间隙Z引起的光能量损失引起的光能量损失。单模光纤：单模光纤：(b)轴向位移型光衰减器轴向位移型光衰减器 模斑直径模斑直径10微米，微米，k=1大家好358.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(2)直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器直接在光纤端面或玻璃基片上镀制金属吸收膜或反射膜来衰减光能量的衰减器。直接在光纤端面或玻璃基片上镀制金属吸收膜或反射膜来衰减光能量的衰减器。常用的蒸镀金属膜包括：常用的蒸镀金属膜包括：Al、Ti、Cr、W膜等。膜等。如果采用如果采用Al膜，常在上面加镀一层膜，常在上面加镀一层SiO2或或MgF2薄膜作为保护膜。薄膜作为保护膜。图图8-17 直接镀膜型光衰减器结构示意图直接镀膜型光衰减器结构示意图 大家好368.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(3)衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器将具有吸收特性的衰减片通过机械装置直接固定在光纤端面或准直光路中的将具有吸收特性的衰减片通过机械装置直接固定在光纤端面或准直光路中的衰减器。衰减器。可制作固定光衰减器、变光衰减器。可制作固定光衰减器、变光衰减器。光信号经光信号经1/4节距节距GRIN透镜准直、衰减片衰减后，再被第二个透镜准直、衰减片衰减后，再被第二个GRIN聚焦耦合聚焦耦合进光纤进光纤使用不同衰减量的衰减片，就可得到相应衰减值的光衰减器。使用不同衰减量的衰减片，就可得到相应衰减值的光衰减器。一般常选用有色玻璃和滤光片作衰减片。一般常选用有色玻璃和滤光片作衰减片。分类分类双轮式可变光衰减器双轮式可变光衰减器平移式光衰减器平移式光衰减器智能型机械式光衰减器智能型机械式光衰减器大家好378.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(3)衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器(a)双轮式可变光衰减器双轮式可变光衰减器：u将光衰减单元插入由一对将光衰减单元插入由一对1/4节距节距GRIN透镜和单模光纤构成的光纤准直器间距中透镜和单模光纤构成的光纤准直器间距中u分类分类根据衰减圆盘上衰减片的不同根据衰减圆盘上衰减片的不同步进式双轮可变光衰减器：步进式双轮可变光衰减器：每个轮上有多个固定衰减量衰减片，轮旋转，二轮衰减片组合，得多档衰减每个轮上有多个固定衰减量衰减片，轮旋转，二轮衰减片组合，得多档衰减连续可变光衰减器：连续可变光衰减器：将其中一个轮上的衰减片换成一片连续变化的衰减片即可。将其中一个轮上的衰减片换成一片连续变化的衰减片即可。连续衰减片：采用真空镀膜法在圆形光学玻璃片上镀制金属吸收膜而制成的连续衰减片：采用真空镀膜法在圆形光学玻璃片上镀制金属吸收膜而制成的扇形渐变滤光片。扇形渐变滤光片。图图8-18 双轮式可变光衰减器双轮式可变光衰减器大家好388.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(3)衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器(b)平移式光衰减器平移式光衰减器：n 将双轮改用全量程连续变化的中性滤光片，垂直光路平移滤光片即可调节衰减量。将双轮改用全量程连续变化的中性滤光片，垂直光路平移滤光片即可调节衰减量。n 全量程连续变化的中性滤光片：光学密度随滤光片平移方向呈线性变化。全量程连续变化的中性滤光片：光学密度随滤光片平移方向呈线性变化。连续变化滤光片的透过率：连续变化滤光片的透过率：式中，式中，k为常数，由滤光片吸收系数为常数，由滤光片吸收系数 和滤光片的几何尺寸决定；和滤光片的几何尺寸决定；s为滤光片垂直为滤光片垂直 于光路的位移量；于光路的位移量；d0为滤光片起始处透过率。为滤光片起始处透过率。n只要滤光片上吸收膜足够均匀，滤光片位移面足够平整，就具有理想线性度。只要滤光片上吸收膜足够均匀，滤光片位移面足够平整，就具有理想线性度。图图8-19 平移式可变光衰减器平移式可变光衰减器大家好398.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(3)衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器(c)智能型机械式光衰减器智能型机械式光衰减器：l通过电路控制电动齿轮带动平移滤光片，再将数据编码盘检测通过电路控制电动齿轮带动平移滤光片，再将数据编码盘检测到的实际衰减量反馈信号反馈到电路中进行修正，从而实现自到的实际衰减量反馈信号反馈到电路中进行修正，从而实现自动驱动、自动检测和显示光衰减量。动驱动、自动检测和显示光衰减量。l提高了光衰减器衰减精度，同时体小、质轻、使用方便提高了光衰减器衰减精度，同时体小、质轻、使用方便。大家好40利用液晶的电光效应制作的光衰减器利用液晶的电光效应制作的光衰减器eg.扭转向列扭转向列P型液晶光衰减器型液晶光衰减器(液晶光轴与液晶光轴与P1夹角夹角45)：光强光强Ii、波长、波长 的的入射光经入射光经GRIN透镜准直后被分束器透镜准直后被分束器P1分为分为o光和光和e光，光，进入厚度为进入厚度为z的液晶。的液晶。v液晶元件不加压时，液晶元件不加压时，o光光e光同时旋转光同时旋转90后通过后通过 P1的的P2出射并由第出射并由第二个二个GRIN透镜耦合进光纤；透镜耦合进光纤；v液晶两电极加压后，扭转向列小盒使输出光强液晶两电极加压后，扭转向列小盒使输出光强 其中其中 随外加电场增强而增大，随外加电场增强而增大，随着电场不断增大，随着电场不断增大，Io逐渐变小，耦合进入出纤的信号越小逐渐变小，耦合进入出纤的信号越小8.2.1光衰减器结构与工作原理光衰减器结构与工作原理(4)液晶型光衰减器液晶型光衰减器图图8-20 液晶型光衰减器工作原理示意图液晶型光衰减器工作原理示意图 大家好418.2.2 光衰减器的性能光衰减器的性能光通信系统中光衰减器要求：光通信系统中光衰减器要求：插损低插损低回损高回损高衰减量可调范围大衰减量可调范围大衰减精度高衰减精度高分辨率线性度高分辨率线性度高分辨率重复性好、分辨率重复性好、环境性能好。环境性能好。分辨率线性度取决于衰减元件特性和所采用的读数显示方式及机械调整结构分辨率线性度取决于衰减元件特性和所采用的读数显示方式及机械调整结构 重复性取决于所采用的读数显示方式及机械调整结构。重复性取决于所采用的读数显示方式及机械调整结构。大家好428.2.2 光衰减器的性能光衰减器的性能1.衰减量和插入损耗衰减量和插入损耗固定光衰减器：插损指标要求固定光衰减器：插损指标要求高质量可变光衰减器插损高质量可变光衰减器插损1.0dB，普通可变光衰减器，普通可变光衰减器60dB大家好448.3 光耦合器光耦合器 l 使传输中的光信号在特殊结构耦合区发生耦合并进行再分配。使传输中的光信号在特殊结构耦合区发生耦合并进行再分配。l 应用：应用：l早期用于从传输干路取出一定的功率进行监控等。早期用于从传输干路取出一定的功率进行监控等。l 随着光纤通信、光纤用户网、光纤随着光纤通信、光纤用户网、光纤CATV、无源光网络、无源光网络(PON)、光纤传感技术等领域的迅猛发展，应用越来越广，、光纤传感技术等领域的迅猛发展，应用越来越广，已形成多功能、多用途的产品系列已形成多功能、多用途的产品系列l 除具有一般光无源器件特性参数外，还另有特定含义参数除具有一般光无源器件特性参数外，还另有特定含义参数。大家好458.3光耦合器光耦合器分类分类v从功能分从功能分光功率分配器光功率分配器(Splitter)光波长分配（合光波长分配（合/分波）耦合器（分波）耦合器（WDM coupler）v从端口形式上划分从端口形式上划分X形（形（22）耦合器）耦合器Y形（形（12）耦合器）耦合器星形（星形（NN，N2）耦合器、）耦合器、树形（树形（1N，N2）耦合器等；）耦合器等；v从工作带宽的角度划分从工作带宽的角度划分单工作窗口的窄带耦合器（单工作窗口的窄带耦合器（Standard Coupler）单工作窗口的宽带耦合器（单工作窗口的宽带耦合器（Wave Length Flattened Coupler，简称，简称WFC）双窗口的宽带耦合器（双窗口的宽带耦合器（Wavelength Independent Coupler，简称，简称WIC）；）；v从传导光模式差异分从传导光模式差异分多模耦合器多模耦合器单模耦合器之分；单模耦合器之分；v从结构上分从结构上分分立光学元件组合型分立光学元件组合型全光纤型全光纤型平面波导型平面波导型大家好468.3.1光耦合器特性参数光耦合器特性参数反映器件制作过程带来的固有损耗反映器件制作过程带来的固有损耗定义：所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率以分贝表示的减小值：定义：所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率以分贝表示的减小值：3.分光比（分光比（Coupling Ratio）定义：耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比定义：耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比 1.插入损耗插入损耗(Insertion Loss)反映各输出端口的输出功率状况反映各输出端口的输出功率状况与分光比有关，不能反映器件制作质量与分光比有关，不能反映器件制作质量定义：以分贝表示的第定义：以分贝表示的第i个输出端口的光功率个输出端口的光功率POUTi相对全部输入光功率相对全部输入光功率PIN的减少值的减少值 2.附加损耗（附加损耗（Excess Loss）大家好478.3.1光耦合器特性参数光耦合器特性参数4.方向性（方向性（Directivity）光耦合器所特有的衡量器件定向传输特性的参数。以标准光耦合器所特有的衡量器件定向传输特性的参数。以标准X形耦合器为例形耦合器为例定义：耦合器正常工作时输入侧非注光端输出光功率与全部注入光功率比值的分贝数定义：耦合器正常工作时输入侧非注光端输出光功率与全部注入光功率比值的分贝数 其中，其中，PIN1为注入光功率，为注入光功率，PIN2代表输入侧非注光端的输出光功率代表输入侧非注光端的输出光功率。5.均匀性（均匀性（Uniformity）用来衡量均分型光耦合器用来衡量均分型光耦合器“不均匀程度不均匀程度”的参数。的参数。定义：在器件的工作带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量：定义：在器件的工作带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量：6.偏振相关损耗（偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss）衡量器件性能对传输光信号偏振态敏感程度的参数，俗称偏振灵敏度。衡量器件性能对传输光信号偏振态敏感程度的参数，俗称偏振灵敏度。定义：当传输光信号的偏振态发生定义：当传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出端光功率的最大变化量：变化时，器件各输出端光功率的最大变化量：大家好488.3.1光耦合器特性参数光耦合器特性参数7.隔离度（隔离度（Isolation）反映反映WDM器件对不同波长信号分离能力的参数器件对不同波长信号分离能力的参数定义：指光纤耦合器某一光路对其他光路中光信号的隔离能力定义：指光纤耦合器某一光路对其他光路中光信号的隔离能力式中式中Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值。是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值。隔离度高则串扰（隔离度高则串扰（crosstalk）小。）小。隔离度对于分波耦合器意义更为重大，要求也更高隔离度对于分波耦合器意义更为重大，要求也更高(40dB)；一般合波耦合器对隔离度要求不苛刻，一般合波耦合器对隔离度要求不苛刻，20dB左右不带来实际应用明显不利影响。左右不带来实际应用明显不利影响。大家好498.3.2 熔融拉锥熔融拉锥(FBT,Fiber biconical taper)型全光纤耦合器型全光纤耦合器v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，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。输光功率耦合的一种方法。v可用计算机较精确控制各过程参量，并随时监控光纤输出端光功率变化可用计算机较精确控制各过程参量，并随时监控光纤输出端光功率变化v附加损耗极低附加损耗极低(已可低于已可低于0.05dB)、方向性好、方向性好(一般超过一般超过60dB)、环境稳定、环境稳定性好性好(工作范围工作范围4085)、控制方法简单且灵活、控制方法简单且灵活(一机多用一机多用)、制作成、制作成本低廉、适于批量生产本低廉、适于批量生产图图8-21 电弧式光纤熔接机电弧式光纤熔接机 大家好508.3.2 熔融拉锥熔融拉锥(FBT,Fiber biconical taper)型全光纤耦合器型全光纤耦合器l 在单模光纤中，传导模是两个正交基模在单模光纤中，传导模是两个正交基模(HE11)l归一化频率归一化频率V中除了纤芯直径中除了纤芯直径2a以外的其它参数都为常数。当传导模进以外的其它参数都为常数。当传导模进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，入熔锥区时，随着纤芯不断变细，V值不断减小，模场直径越来越比纤值不断减小，模场直径越来越比纤芯直径大，于是越来越多的光模传输到光纤包层中芯直径大，于是越来越多的光模传输到光纤包层中:熔锥区，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，光从一根纤芯耦合到熔锥区，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，光从一根纤芯耦合到另一纤芯另一纤芯逐渐离开拉锥区时，随着纤芯的逐渐变粗，逐渐离开拉锥区时，随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大，光模以特定的比值重新增大，光模以特定的比例重新被限制在两光纤纤芯中，实现了功率的再分配例重新被限制在两光纤纤芯中，实现了功率的再分配8-22熔融拉锥型单模光纤耦合器工作原理熔融拉锥型单模光纤耦合器工作原理 大家好518.3.2 熔融拉锥熔融拉锥(FBT,Fiber biconical taper)型全光纤耦合器型全光纤耦合器l多模光纤中，当传导模（模式数越高，离光轴越远）进入多模光纤耦合多模光纤中，当传导模（模式数越高，离光轴越远）进入多模光纤耦合器熔锥区时，