第4讲_无源光器件

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光纤连接器又分为多模连接器和单模连接器。 光纤连接器又分为多模连接器和单模连接器。 多模连接器 多模连接器用于多模光纤系统，它有U型 多模连接器用于多模光纤系统，它有 型 环路连接器、插座式连接器、 环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器 型连接器等， （FA）以及 型连接器等，它们的损耗在 ）以及C型连接器等 它们的损耗在0.40.5dB以下。 以下。 以下 单模光纤连接器有PC型 直接接触型）、 单模光纤连接器有 型（直接接触型）、 FC型（平面对接型）、 型（矩形）、 型 ）、SC型 矩形）、 ）、ST型 型 平面对接型）、 等几种。 等几种。
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使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因， 使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信 号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射， 号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射 角余角调整到大于临界角余角， 角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏 出去。为此把连接器的管芯端面按 管芯端面按8°进行倾斜研磨， 出去。为此把连接器的管芯端面按 °进行倾斜研磨，就可以 实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。 实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端 面间处于紧贴而不留一丝隙缝。 面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC (Physical Contact) 型连接器。 型连接器。 实际使用的PC型连接器如图所 实际使用的 型连接器如图所 把套管端面研磨成球面。 示，把套管端面研磨成球面。 PC接续的反射很小，它的反射 接续的反射很小， 接续的反射很小 损耗可达25dB以上。如果经 以上。 损耗可达 以上 过精密加工研磨， 过精密加工研磨，就可将反射 损耗指标提高到40dB以上。 以上。 损耗指标提高到 以上
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光纤耦合器 fiber optic coupler
将不同方向的光信号耦合送入一根光纤中传输， 将不同方向的光信号耦合送入一根光纤中传输，或 耦合送入一根光纤中传输 者相反。结构： 者相反。结构：
Port 4
Port 3
Port 1
Port 2
棱镜耦合式
光纤耦合式
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SF型连接器（矩形）是室外用连接器，具有防 型连接器（矩形）是室外用连接器， 型连接器 水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管， 水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管， 其价格便宜，可以和FC型连接器进行互换 型连接器进行互换。 其价格便宜，可以和 型连接器进行互换。
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图c为8路传输型星型耦合器 图d为8路反射型星型耦合器
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光纤耦合器的指标有插入损耗、 光纤耦合器的指标有插入损耗、分光比与隔离度 指标有插入损耗 或方向性） 例如2 定向耦合器插入损耗为 定向耦合器插入损耗 （或方向性）等。例如 ×2定向耦合器插入损耗为：
第四讲
无源光器件
主要内容
一、光纤的连接与光纤连接器 ☆ 二、光纤分路器及耦合器 三、光合波器、光分波器 光合波器、 四、光隔离器 ☆ 五、光开关 六、光可变衰减器 七、光纤光栅 八、光锁相环与非线性光环镜NLOM 光锁相环与非线性光环镜
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概述
构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、 构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、 光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件， 光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件， 连接器、衰减器、隔离器、滤波器、分路器、 如连接器、衰减器、隔离器、滤波器、分路器、 复用器、光开关和调制器等 复用器、光开关和调制器等。 它们在系统中各起着光学连接、 它们在系统中各起着光学连接、光功率分 光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、 配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、 隔离和调制等。由此看来， 隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通 信系统中起着重要的作用。 信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用 的无源光器件的原理及性能。 的无源光器件的原理及性能。
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2x2定向耦合器及 ×N、N×N星形 耦合器大多数采用熔 定向耦合器及1 定向耦合器及 、 星形 耦合器大多数采用熔 融渐变双锥的制造方法 即将多根裸 的制造方法， 融渐变双锥的制造方法，即将多根裸光纤绞合在一 起，火 焰加热到软化温度后适当拉 伸，在熔融区形成渐变双锥结 定向耦合器。 构。 图b是 X型2×2定向耦合器。 是 型 × 定向耦合器
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光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在 以下， 光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下， 以下 因此熔接必须使用机器才行。 因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在接 续点上没有光传输的不连续现象。 续点上没有光传输的不连续现象。 下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态， 下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有 轴错位、纤芯倾斜、空隙、 轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及 折射率的微小差异等等 由于这些不连续性， 等等。 折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会 造成光功率的一部分变成散射损耗， 造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形 式返回发送端。有空隙时， 式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射 率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳 菲涅耳（ 率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（ Fresnel）反射。 ）反射。
例如:当 例如 当 n1 ＝ 1.45， n2 ＝ 1，r＝ 3.4%时，即有 ， ， ＝ 时 即有14.7dB 的反射损耗。 的反射损耗。 在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外， 在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要 模场直径（ 的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径 ： 的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径（MFD： Mode Field Diameter）一致。 ）一致。 目前工程中多采用高精度自动熔接机， 目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切 割好后，光纤间的对准、调整、 割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤 都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好， 都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头 附加损耗可控制在0.1dB以下。 以下。 附加损耗可控制在 以下
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光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性 光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性 连接，另一种是活动连接 活动连接。 连接，另一种是活动连接。 粘接法和 之分， 永久性连接具有粘接法 熔接法之分 永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前 多采用熔接法 熔接法。 多采用熔接法。 光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合 由三个部分组成的： 两个插头装进两根光纤尾端； 管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套 管的作用。如图所示。 管的作用。如图所示。
耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给 多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个 多个输出， 输出。 输出。 这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入 损耗，还有一定的反射和串扰噪声。 损耗，还有一定的反射和串扰噪声。 耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合 耦合器大多与波长无关， 器专称为波分复用器/解复用器。 器专称为波分复用器/解复用器。
光纤定向耦合器的插入损耗为0.2～ 分光比1％ 光纤定向耦合器的插入损耗为 ～1dB,分光比 ％ 分光比 ％（根据需要 ～99％（根据需要 ，隔离度可大于 ％（根据需要)，隔离度可大于65dB。 。
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星形耦合器的插入损耗为从输入端口把光功率 星形耦合器的插入损耗为从输入端口把光功率 插入损耗 耦合到所有输出口的光功率损耗， 耦合到所有输出口的光功率损耗，即 Lin=10lg[∑Pj/Pi] j=1….N 式中P 为从各端口输出的功率， 为从某个输 式中 j为从各端口输出的功率，Pi为从某个输 入端上输入的功率。对传输型耦合器， 为输出端 入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端 数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数 对于反射型耦合器， 为输入端数与输出端数 之和。 之和。 进入星形耦合器的光功率分配是等分 等分到 个输 进入星形耦合器的光功率分配是等分到N个输 出端口， 出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出 端口输出的功率和的1／ ，它称为功率分配系数 功率分配系数。 端口输出的功率和的 ／N，它称为功率分配系数。 另外，可用多个2× 定向耦合器来构成 定向耦合器来构成N× 的 另外，可用多个 ×2定向耦合器来构成 ×N的 星形耦合器（见下图）。 星形耦合器（见下图）。
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FC型(平面对接型 连接器是由连接插头、插座组成，其 型 平面对接型 连接器是由连接插头、插座组成， 平面对接型)连接器是由连接插头 结构如图所示。 结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接 可以方便地进行光路的调整或线路的测试。 ，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很 高的精度。 高的精度。
MF型连接器用于隧 型连接器用于隧 （通）道里敷设光缆 的缆间接续中， 的缆间接续中，可以 对带状5芯光纤进行一 对带状 芯光纤进行一 次性连接， 次性连接，由于体积 小，可以装在标准接 头盒内， 头盒内，实现光纤的 高密度接续， 高密度接续，其结构 如图所示。 如图所示。
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二、光纤分路器及耦合器
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二、光纤分路器及耦合器
图表示了波导型分支器的结构。它是一种 型 图表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型 波导型分支器的结构 分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分 等分。 分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分。 当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光 当分支器分支路的开角增大时 向包层中泄露的光 将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在1° 将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在 °～ 2°左右，因此分支器的长度不可能太短。 分支器的长度不可能太短 °左右，因此分支器的长度不可能太短。