光纤通信无源器件技术
光无源器件的技术分析
光无源器件的技术分析光无源器件是指在光通信和光网络中，不需要外部能量输入就能起作用的光学器件，例如光纤、分光器和波长分复用器等。
这些器件在光通信和光网络中起着至关重要的作用，它们的性能直接影响到整个系统的性能和稳定性。
本文将对光无源器件的技术进行分析，探讨其应用领域、性能特点和发展趋势。
一、光无源器件的应用领域光无源器件广泛应用于光通信和光网络领域，包括光纤通信系统、光纤传感系统、光纤传输系统、光纤传感测量系统等。
在光纤通信系统中，光纤作为光信号的传输介质，承担着传输和接收光信号的任务；而分光器和波长分复用器等器件则用于对光信号进行分配、合并和波长分复用。
在光纤传感系统中，光纤传感器借助于光无源器件对光信号进行传输和检测，实现对环境参数的实时监测。
二、光无源器件的性能特点1. 低损耗：光无源器件在光信号的传输和处理过程中，尽可能地减少能量损耗，保证光信号的传输稳定和可靠。
2. 增益均匀：光无源器件对光信号进行分配、合并和波长分复用时，能够保持光信号的增益均匀，保证传输系统的性能稳定。
3. 高灵敏度：光无源器件在提取和传输光信号时，对光信号的灵敏度高，能够快速、准确地传输光信号。
4. 高波长选择性：光无源器件对不同波长的光信号具有高度的选择性，能够对不同波长的光信号进行准确的分配和合并。
5. 高可靠性：光无源器件的制作工艺和材料选择经过严格的筛选和测试，保证其在光通信和光网络系统中具有高可靠性和长寿命。
三、光无源器件的发展趋势1. 高性能化：随着光通信和光网络技术的不断发展，光无源器件的要求也越来越高，未来光无源器件将不断追求更高的性能，包括更低的损耗、更高的增益均匀性、更高的波长选择性和更高的可靠性。
2. 多功能化：未来光无源器件将趋向于多功能化，能够实现多种功能的器件，例如光纤传输系统中的光纤分光合并器将具有分光、合并和波长分复用的功能。
3. 集成化：随着微纳光电子器件和光学集成技术的不断发展，未来光无源器件将趋向于集成化，实现多种功能的集成器件。
光无源器件的技术分析
光无源器件的技术分析光无源器件是光通信系统中至关重要的一部分，其在光通信系统中起到传输、分配和处理光信号的作用。
光无源器件主要指的是不需要外部能量作为驱动力的器件，比如光纤、光耦合器、光接收器等。
本文将对光无源器件的技术特点、应用领域和发展趋势进行分析。
一、光无源器件的技术特点1.1 宽带传输特性光无源器件具有宽带传输特性，能够支持高速数据传输。
与传统的电子通信相比，光无源器件能够实现更高的数据传输速率和更远的传输距离，适用于大容量、远距离、高速的通信需求。
1.2 低损耗光无源器件的传输损耗较小，在信息传输过程中能够减少光信号的衰减。
这使得光无源器件在长距离传输中具有优势，保证了信号的稳定传输。
1.3 高稳定性光无源器件在工作过程中具有高稳定性，能够长时间保持良好的性能。
这对于光通信系统的稳定性和可靠性至关重要，能够有效减少系统的故障率。
1.4 低能耗光无源器件不需要外部能量作为驱动力，能够通过光信号本身完成工作，因此具有较低的能耗。
这符合当今节能环保的发展趋势，也是光通信技术被广泛应用的重要原因之一。
二、光无源器件的应用领域2.1 光通信系统光无源器件是光通信系统中不可或缺的一部分，能够支持大容量、高速、长距离的数据传输需求。
在光通信系统中，光无源器件被广泛应用于光纤通信、无线光通信、卫星通信等领域。
2.2 数据中心随着云计算、大数据、人工智能等技术的快速发展，数据中心对于高速数据传输的需求越来越大。
光无源器件能够满足数据中心对于高速、大容量数据传输的需求，提高数据中心的传输效率和稳定性。
2.3 军事领域军事通信对于信息传输的安全性、稳定性、快速性有着极高的要求，光无源器件能够满足军事通信对于大容量、高速、长距离传输的需求，确保军事信息的安全传输。
2.4 其他领域除了上述领域，光无源器件还在医疗、航空航天、工业自动化等领域有着广泛的应用。
随着光通信技术的发展和普及，光无源器件的应用领域将会继续扩大。
《光纤传输技术》第三章 无源器件技术
将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面 接触等
球面接触 斜球面接触
连接器的表示
/ ：表示外部连接方式，有FC、SC、ST、 FDDI、D4、MU、MC、E2000等 ：表示插针端面形状，有FC、PC、UPC、 APC等
缺省条件下，入射光可沿着波导无交换 传输。当需要交换时，一个热敏硅片会 在液体中波导交叉点处产生一个气泡， 气泡将入射波导中的光信号全反射至输 出波导，实现光路的选择、转换。
微机械式光开关（MEMS）
Micro-Electro-Mechanical Systems
一般称作微机电系统技术，其含义是指 可批量制作的，集微型机构、微型传感 器、微型执行器以及信号处理和控制电 路、直至接口、通信和电源等于一体的 微型器件或系统。是随着半导体集成电 路微细加工技术和超精密机械加工技术 的发展而发展起来的。
常用术语
连接器插头(plug connetor) 光缆跳线(jumper cable) 转换器:(adaptor)插座、法兰盘 变换器(converter) 裸光纤转接器
ST 连接器 FC 连接器
SC 连接器
SMA 连 接器
FDDI 连接器
Opt-Jack 连接器
MT-RJ
MPO 连接器
重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般 应小于0.1dB。
互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损 耗的变化范围，一般应小于0.1dB。
插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插 拔的次数，一般应在千次以上。
工作温度：在工作温度范围内（-25～＋70℃ 范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范 围内变化。
光无源器件的原理及应用
光无源器件的原理及应用概述光无源器件是指在光通信系统中不需要能量供给而能够实现光信号的传输和处理的器件。
这些器件主要包括光纤、光耦合器、光分路器和光合器等。
本文将介绍光无源器件的原理和应用。
光纤光纤是光通信系统的核心组成部分。
它通过将光信号以光的全内反射方式在高纯度的玻璃/塑料纤维中传输。
光纤有着很低的损耗和高的带宽能力，也是目前最主要的传输媒介之一。
光纤的原理光纤的工作原理基于光的光束泄漏现象，即当光束从一种介质射入另一种折射率较低的介质中时，光束会不断发生反射并沿着光纤内部进行传输。
光纤的核心由折射率较高的材料组成，以便在传输过程中最小化信号的损耗。
光纤的应用光纤广泛应用于长距离通信和局域网等领域。
其高带宽和低损耗的特点使得它成为传输大量数据的理想选择。
此外，光纤还应用于医疗设备、光纤传感器和光纤显示等领域。
光耦合器光耦合器是一种用于将光信号从一个光纤耦合到另一个光纤的器件。
它广泛应用于光通信系统中，可以实现信号的分配、处理和路由等功能。
光耦合器的原理光耦合器的原理基于波导模式之间的耦合。
当光信号从一个波导模式传输到另一个波导模式时，通过适当设计导波结构，可以实现高效的能量转移。
光耦合器的设计可以根据具体的应用需求进行调整，以实现不同的功能。
光耦合器的应用光耦合器广泛应用于光网络中的信号分配和路由。
在光通信系统中，光耦合器可以用于将信号从主干光纤耦合到分支光纤或从分支光纤耦合到接收器等。
此外，光耦合器还可以应用于光传感器和光存储等领域。
光分路器光分路器是一种可以将入射光信号分为两个或多个输出通道的器件。
它常用于光网络中的信号分配和选择。
光分路器的原理光分路器的原理基于多模干涉。
当光信号通过光分路器时，不同波长的光信号会按照特定的光学路径进行干涉，从而实现光的分路。
根据光分路器的设计，可以实现不同的分路比例和带宽。
光分路器的应用光分路器广泛应用于光通信系统中的信号分配和选择。
光分路器可以将光信号分为不同的通道，实现多路复用和分布式传输。
光通信：第04章常用光无源器
光隔离器的应用场景
光隔离器是一种用于防止光信 号反方向传输的无源器件，主 要用于光纤放大器和激光雷达 等光通信系统。
在光纤放大器中，光隔离器可 以防止反向传输的光信号对放 大器的工作产生干扰，提高系 统的稳定性。
在激光雷达中，光隔离器可以 防止反向传输的光信号对激光 源的工作产生干扰，提高系统 的测量精度。
光通信第04章常用光无源器
contents
目录
• 光无源器件概述 • 常用光无源器件 • 光无源器件的工作原理 • 光无源器件的应用场景 • 光无源器件的挑战与解决方案
01 光无源器件概述
定义与分类
定义
光无源器件是指那些在光通信网络中 ，不需要外部电源直接驱动，只起到 传输、控制或变换光信号作用的器件 。
光衰减器的工作原理
光衰减器是一种用于降低光信号 强度的器件，它可以通过吸收或 散射等方式将光信号能量损耗掉
一部分。
光衰减器通常由光学玻璃、陶瓷 等材料制成，其结构可分为均匀
损耗和渐变损耗两种类型。
光衰减器在光通信系统中主要用 于调整光信号的功率、测试光路 的损耗以及保护光接收器件等。
光分路器的工作原理
光环形器的应用场景
光环形器是一种用于实现光信 号环形传输的无源器件，主要 用于光纤传感和激光雷达等光
通信系统。
在光纤传感中，光环形器可 以将多个传感光纤环形连接 在一起，实现多点同时测量
和数据采集。
在激光雷达中，光环形器可以 将多路激光信号环形连接在一 起，实现多目标同时测量的功
能。
05 光无源器件的挑战与解决 方案
应用
WDM系统等领域。
03 光无源器件的工作原理
光纤连接器的工作原理
光纤连接器是用于连接两根光纤的器件，通过精确对准光纤的纤芯和包层，实现光 信号的传输。
光纤通信用新型光无源器件
光纤通信用新型光无源器件光纤通信是一种高速、远距离传输数据的先进技术，其中最为关键的因素是光无源器件。
光无源器件是指在光通信中不需要任何主动或外部能量驱动的光学器件。
光无源器件具有光学透明度高、传输损失小、光学干扰小等优点，广泛应用于光网络、光纤传感器、光存储等领域。
随着科技的发展，新型光无源器件也得到了广泛研究和应用。
一、新型光无源器件概述新型光无源器件是指近年来光通信技术和材料技术的发展所推动的新型光无源器件。
这些器件具有光学性能更优、光纤通信能力更强、成本更低等特点。
目前，在新型光无源器件方面，最具有前景的研究方向有：1. 高效能光器件研究：如利用微纳技术制备高品质硅基光器件，制备更具有可靠性和成本优势的纳米光器件。
2. 光纤泵浦技术研究：光纤泵浦技术是光无源器件中的一项重要技术，它可以实现高功率、高效率的光放大器和激光器等器件。
3. 新型光纤材料研究：新型光纤材料具有更广泛的光谱响应、更高的抗干扰能力、更大的带宽等特点，可以扩展光纤通信的传输容量和传输距离。
二、新型光无源器件的应用领域新型光无源器件是光通信技术的重要组成部分，它在科学研究、医疗、工业制造、国防等领域都有着广泛的应用。
1. 光网络：新型光无源器件可以有效地提高光网络的传输质量和稳定性，使其更加可靠。
2. 光纤传感器：新型的光无源器件可以应用于各种光纤传感器、特别是温度和应力传感器。
3. 光存储：新型光无源器件也可以应用于光存储器件，以实现更高密度的存储和更快的读写速度。
4. 医疗：新型光无源器件应用于医疗器械中，可以提高医疗诊断和治疗的可靠性和精度。
5. 国防：新型光无源器件在国防领域中的应用，包括光纤通信、光纤传感器、高性能光放大器等方面，可以有效提高军事通信的保密性。
三、新型光无源器件的研究现状当前，新型光无源器件研究正处于高速发展期，主要涉及器件结构设计、材料制备、光学特性测试等方面。
在器件设计方面，国内多家单位正在进行研究，采用多种方法优化器件的结构和性能；在材料制备方面，利用新型材料和制备技术进行研究和应用；在光学特性测试方面，采用更加高效的测量方法和测试设备等。
光无源器件技术综述
光无源器件技术综述万助军中科院上海微系统与信息技术研究所博士生上海上诠光纤通信设备有限公司技术顾问光无源器件是光纤通信中不可或缺的部分，本文综合介绍各种光无源器件技术原理、特摘要：光纤准直器设计等°减反射角、点以及部分工艺考虑，内容包括高斯光束能量耦合、光纤头的8单元技术和光纤连接器、晶体光学器件、波分复用器、光开关等器件技术，希望对从事光无源器件设计和制造的工程师有参考作用。
FBT关键词：光无源器件，准直器，隔离器、环形器、光开关、言绪一.适应信息社会对通信容量的要求，光纤通信已经取代电子通信。
低损耗光纤、半导体激使光纤通DWDM+EDFA光器和掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能的三个关键因素，而信容量得到空前扩展。
在光纤通信系统中，各种光无源器件扮演着不可或缺的角色，本文将[1]综合介绍各种光无源器件技术原理及特点。
下文的组织结构是，第二部分介绍光无源器件中用到的基础知识和单元技术；第三部分对光纤连接器的一些特性进行分析；第四部分介绍各种晶体光学器件的结构、原理和发展情况；第五部分介绍波分复用器的原理和结构；第六部分介绍各种光开关的原理、结构和特点；第七部分介绍各种光衰减器的原理、结构和特点；第八部分介绍光纤熔融拉锥器件的基本原理和各种具体器件的实现方式；第九部分为全文总结。
需要说明的是，限于本文作者的知识水平和研究经历，对某些技术有较深入的分析，如型波分复用器和光纤熔融拉光纤头、光纤准直器、光纤连接器、光隔离器、光环形器、Filter、光开关和可调光衰减器等，这锥器件等，对某些技术则大致介绍结构和原理，如Interleaver些都是为了聊补本文的完整性，以顶住光无源器件技术综述这顶帽子。
考虑本文的读者对象是从事光无源器件设计和制造的工程师，作者尽量少用复杂的公式，但在某些场合，公式有50个公式。
助于理解问题和说明一些重要结论，因此本文中仍出现多达基础知识和单元技术二.高斯光束的能量耦合1.在尾纤为单模光纤的光无源器件中，光束可用高斯近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。
《光纤通信》第3讲无源光器件
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《光纤通信》第3讲无源光器件
•回忆一下：光偏振(极化) • 单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：State of Polarization) 是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。
• 在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两 个正交分量分别称为水平模和垂直模。
•隔离器工作原理如下图所示。 • 这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方 向也在垂直方向， 因此输入光能够通过第一个偏振器。
MF型连接器用于隧 （通）道里敷设光缆 的缆间接续中，可以 对带状5芯光纤进行一 次性连接，由于体积 小，可以装在标准接 头盒内，实现光纤的 高密度接续，其结构 如图所示。
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《光纤通信》第3讲无源光器件
二、光纤分路器及耦合器
l 图表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型 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 将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在1°～ 2°左右，因此分支器的长度不可能太短。
《光纤通信》第3讲无源光器件
光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下， 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。
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、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，也会 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，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（ Fresnel）反射。
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《光纤通信》第3讲无源光器件
l
FC型(平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成，其
十常见光无源器件制作工艺
十常见光无源器件制作工艺光无源器件，也被称为光波导器件或光学器件，是光通信领域中至关重要的组成部分。
光无源器件主要包括光纤、光耦合器、分束器、滤波器、波长分复用器等。
这些器件在光通信系统中起到了传输、分配、滤波等关键作用。
下面将介绍光无源器件制作的一般工艺流程。
1.光纤制作工艺光纤是光通信系统中最基础的无源器件。
光纤的制作工艺主要包括：预制棒拉制法、外气流法、内气流法和PCVD法。
其中，最常用的方法是PCVD法（Plasma Chemical Vapor Deposition），即等离子体化学气相沉积法。
PCVD法利用预制的石英玻璃作为基材，将基材放入反应室中，在高温下加入反应气体，通过化学反应和热反应生成二氧化硅，从而在玻璃表面形成纳米级别的光纤芯。
然后通过拉伸和涂覆等工艺，制作出具有高纯度、低损耗的光纤。
2.光耦合器制作工艺光耦合器用于将光信号从一个光波导传输到另一个光波导，是光通信系统中常见的无源器件。
光耦合器的制作工艺主要包括：硅基法、焕射损耗法和金属/微透镜法等。
其中，硅基法是最常见的制作工艺。
硅基法利用硅基材料作为基底，通过刻蚀技术制作出光波导结构，再利用电子束光刻技术和离子束刻蚀技术进行微结构的制作。
通过这些工艺步骤，可以实现光耦合器的制作。
3.分束器制作工艺分束器是将入射的光信号等比例地分离到不同的输出通道中的器件。
分束器的制作工艺主要包括：多模段法、多波长法、光纤法等。
其中，多模段法是最常用的制作工艺。
多模段法利用光波导的多模特性，通过调整光波导的宽度和长度等参数，实现光信号的分束效果。
此外，多波长法则是利用不同波长的光信号在光波导中的传输特性差异，实现光信号的分束。
4.滤波器制作工艺滤波器用于选择性地传输特定波长的光信号，常用于光通信系统中的波分复用和波长切换。
滤波器的制作工艺主要包括：干涉滤波器法、光波导滤波器法等。
干涉滤波器法利用光的干涉效应，通过将不同波长的光信号引入波导滤波器中，通过干涉效应来实现波长选择性的滤波。
光纤通信原理第五章1 无源光器件和WDM技术
每一波长在输入和输出耦合器中受到相移。结果是一个波 长的每一空间分量受到不同的相移，并在输出耦合器中相 互干涉，形成一系列最大光强，它们的方向取决于波长值。
1 .... 5
Input fibre
Constant path difference = between waveguides
P0
P1
P2
P1 = P0 cos2(Kz)
P2 = P0 sin2(Kz)
K是耦合系数，和耦合区的长度、光纤的半 径及光波长有关； z是耦合区长度。
插入损耗：L=10log[P1/(P3+P2)] (dB) 分光比： R=P2/（P3＋P2) 耦合系数：K=P3/P1 隔离度： I=10log[(P2+P3)/P4] (dB)
1 2
3
3端口环行器中端口1到端口2的光路
自聚焦透镜
主要作用是准直光束 。 自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件， 其折射率分布同自聚焦光纤，直径远大于自 聚焦光纤芯径 。
1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲实现光学成像
F-P腔滤波器
由两块平行的高反射率的镜面构成 谐振腔，对特定波长的光波发生谐振而 得到频率选择性。
B = 2neff
neff是纤芯的等效折射率； 是光栅周期 。
λ1—λ16
布拉格光栅
λ1—λ15
λ16
光纤光栅：体积小、插入损耗低、可以与 光纤有良好的匹配。
环形器
λ1—λ15、λ16
FBG
λ1—λ15、λ16
λ16
λ16
光纤光栅的应用
•光纤激光器 •波分复用器 •传感器
光无源器件的技术分析
光无源器件的技术分析光无源器件是光通信系统中的重要组成部分，主要用于光信号的传输和调制。
它是指光电转换过程中没有能量输入的器件，也就是没有外部电源的驱动。
1. 光传输技术：光无源器件中最基本的技术就是光传输技术。
光传输技术是指通过光纤等传输介质将光信号从一个地方传输到另一个地方。
目前广泛应用的光纤传输技术主要包括多模光纤传输和单模光纤传输两种。
多模光纤传输适用于短距离传输，而单模光纤传输适用于长距离传输。
2. 光调制技术：光调制技术是指通过改变光信号的某些参数来传输信息的技术。
主要有强度调制、相位调制和频率调制等几种方式。
强度调制是最常用的一种方式，利用光源的亮度进行调制。
相位调制则是通过改变光信号的相位来进行调制，频率调制则是通过改变光信号的频率来进行调制。
3. 光转换技术：光无源器件还需要将光信号转换为电信号或者其他形式的信号。
光转换技术包括光电转换和光声转换等，主要是通过光电二极管、光电倍增管等光电器件来实现。
4. 光谱分析技术：光谱分析技术是光无源器件中的重要技术之一。
光谱分析用于研究光的频率、波长和强度等参数，以及光之间的相互作用和传输等。
光谱分析技术可以通过光谱仪等仪器来实现。
5. 光学隔离技术：光无源器件中常常需要采用光学隔离技术来实现对光信号的分离和隔离。
光学隔离技术可以在不同波长光之间实现光学耦合和隔离，同时能显著降低光学噪声和交叉干扰。
光无源器件的技术分析主要包括光传输技术、光调制技术、光转换技术、光谱分析技术和光学隔离技术等方面。
这些技术在光通信系统中起到关键的作用，能够实现光信号的传输和调制，并将光信号转换为电信号或其他形式的信号。
光通信无源器件技术
随着人工智能和机器学习技术的发展，智能化技术在光通信无源器件中 的应用逐渐增多。例如，通过机器学习算法优化器件性能、预测器件寿 命等。
未来发展前景与展望
高带宽、低损耗
随着通信速率的不断提升，光通信无源器件将朝着高带宽、低损耗的方向发展。这将有助 于提高光通信系统的传输效率和可靠性。
小型化、集成化
具有较强实力和市场份额。
这些厂商主要提供光分路器、光 耦合器、光隔离器等光通信无源
器件产品。
此外，还有一些专业从事光通信 无源器件研发和生产的小型厂商。
市场竞争格局
华为、中兴通讯、爱立信等大 型通信设备厂商在光通信无源 器件市场上占据主导地位。
这些厂商通过技术创新、规模 效应和品牌优势，不断提高市 场份额和竞争力。
隔离度
插入损耗是指光通信无源器件引入的光信 号损失。较低的插入损耗可以提高信号传 输质量和降低系统能耗。
隔离度用于衡量光通信无源器件对不同光 信号的隔离能力。较高的隔离度可以降低 信号串扰和噪声干扰。
带宽
稳定性
带宽是指光通信无源器件的工作频率范围 。较宽的带宽可以提高光通信系统的传输 速率和容量。
稳定性是指光通信无源器件在工作过程中 性能参数的变化情况。良好的稳定性可以 提高光通信系统的可靠性和稳定性。
03
光通信无源器件的应用场景
长距离通信网络
总结词
长距离通信网络是光通信无源器件技术的重要应用领域，主要用于骨干网、核心网等高速、大容量的 信息传输。
详细描述
在长距离通信网络中，光通信无源器件如光分路器、光耦合器等用于实现光信号的分路和合路，延长 传输距离并提高传输容量。此外，光衰减器、光隔离器等器件也用于调节光信号的强度和防止光信号 的反射。
光通信无源器件技术
NTT：MMF，损耗 1dB/km—0.5dB/km， 1.3μm & 1.55μm Lincoln实验室：室温长波长InGaAsP/InP激光器
1981，1.3μm MMF 通信系统-第二代光通信系统.
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第三代光纤通信系统
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主要应用
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网 DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H
光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块 信号处理
强弱 测试仪器的光功率衰减 光放大器的功率平坦 模拟光纤长距离传输 检测传输系统的动态范围。
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类型
固定光衰减器
可调光衰减器
位移型 光衰减片型
波导型
MEMS
光衰减器
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ng n2(x)
xx0
2a,x0
a x 2
n0
x0d2axx0d2a xx0d2a,x0d2ax
n(x) ng x02 axx02 a,x0d2 axx0d2 a
n0
n0
x
其它位置 波导2
输入 x
波导1 输出
z=0
z=L
z=2L
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光电子技术基础 第八章光通信无源器件技术
第8章 光通信无源器件技术光无源器件是信息光电子技术，特别是光纤通信设备的重要组成部分，也是光 纤传感和其他光纤应用领域不可缺少的光器件，其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。
在 光纤通信向宽带、大容量、高速率发展的今天，光无源器件技术的重要性将更加突 出，一种新型器件有关技术的解决往往会有力地促进光纤通信的进步，有时甚至使 其跃上一个新台阶。
8．1光纤连接器在安装任何光纤系统时，都必须考虑以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接 起来，以实现光路的接续，保证光纤网络90％以上的光通过。
接续分为永久性和 活动性两种方式，基本上是采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准。
永 久性接续大多采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现，活动性接续一般采用活动 连接器。
8．1．1连接器主要指标连接器指标有插入损耗(简称插损)、回波损耗(简称回损)、谱损耗、背景光耦 合、串扰、带宽等，其中最重要的为插损和回损，对于活动光纤连接器还有重复性和 互换性。
1．插损插损为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)(lg 1001dB P P IL -= 式中，见为插损，0p 为输入端光功率，1P 为输出端光功率。
插损越小越好，ITU 建议应不大于0．5dB 。
对于多模光纤连接器来讲，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，以准确衡量连接器插损。
2．回损回损又称为后向反射损耗，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。
它会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射漂移等，使通信系统性能恶化，具体表示为光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数 )(lg 100dB P p RL r -= （8-2） 式中，RL 为回损，0P 为输入端光功率，r p 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，其典型值初期要求应不小于25dB ，现要求不小于38dB 。
光纤通信第4章无源光器件
❖ 其中光纤耦合器由于制作时只需要光 纤， 不需要其他光学元件， 具有与传输 光纤容易连接且损耗较低、 耦合过程无 需离开光纤， 不存在任何反射端面引起 的回波损耗等优点， 因而更适合光纤通 信， 有时也称为全光纤元件。 下面主 要介绍光纤耦合器的原理和性能参数。 2×2的耦合器是最基本的耦合单元， 其 他的光纤耦合器都可通过它级连而成， 所以我们重点讨论2×2光纤耦合器。
光纤通信第4章无源光器件
❖ 倾斜错位有时称为角错位。 若角错 位小于2°， 则耦合损耗不会超过0.5 dB。
❖ 截面不平整。 光纤连接的两个截面 必须经过高精度抛光和正面粘合。 如果 截面与垂直面的夹角小于3°， 则耦合损 耗不会超过0.5 dB。
光纤通信第4章无源光器件
❖ 除了错位连接之外， 任何相连的光纤的 几何特性和波导特性的差异对光纤间的耦合 损耗都有大的影响。 这些特性包括纤芯的直 径、 纤芯区域的椭圆度、 光纤的数值孔径、 折射率剖面等。 由于这些参数与生产厂家相 关， 因而使用者不能控制特性的变化。 理论 结果表明， 与折射率剖面、 纤芯区域的椭圆 度相比， 纤芯的直径和数值孔径的差异对连 接损耗的影响更大。 图4.2（a）、 （b）、 （c）给出了由纤芯直径、 数值孔径和模场 直径失配所引起的损耗的示意图。
Pex(dB)10lgP1P 1P2
（4.4）
光纤通信第4章无源光器件
❖ 在理想状态下， 输出功率之和应该 等于输入功率。 附加损耗定量给出了实 际情况和理想状态的差别， 因此附加损 耗应尽可能小。 对于正在讨论的耦合器， 依赖于其类型， 典型附加损耗在0.06～ 0.15 dB之间变化。 (注： 公式(4.4)中分 母的P１是输入端， 分子的 P1是输出 端。)
光纤光学无源器件
光纤无源器件
光纤无源器件
光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能量 进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通信 系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。
光无源器件的功能：
连接 功率耦合 功率调节 单向传输 波长选择 交换、开关
复用、解复用 调制、解调 编码、解码 色散处理 缓存、存储 逻辑处理
“LC”（Lucent Connector）接头与SC 接头形状相似，较SC接头小一些。
“FC”接头，（ Ferrule Connector ）是 金属接头，一般在ODF侧采用，金属 接头的可插拔次数比塑料要多
“ST”（Straight Tip） 卡接式圆型接 头，金属接头，
截面处理工艺
PC： （Physical Contact）其接头截面是平的 回损：>40dB
光纤耦合器的技术参数
（4）方向性（串扰）
方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量 器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在 耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入 光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：
D.L10lgPIN2(dB) PIN1
光纤 套管
插针 粘结剂
常用光纤接头类型
“/”前面部分表示尾纤的连接器型号 “/”后面部分表示截面处理工艺
连接器型号
“SC” 接头， （Square Connector/ Standard Connector / Subscriber Connector ）是标准方型接头，采用 工程塑料，具有耐高温，不容易氧化 优点。传输设备侧光接口一般用SC接 头
光纤耦合器（Coupler）
光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构 的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端口形式上划分，它 包括X型(2×2)耦合器、Y形（1×2）耦合器、星形（N×N，N>2） 耦合器以及树形耦合器等。
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第8章 光通信无源器件技术光无源器件是信息光电子技术，特别是光纤通信设备的重要组成部分，也是光纤传感和其他光纤应用领域不可缺少的光器件，其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。
在光纤通信向宽带、大容量、高速率发展的今天，光无源器件技术的重要性将更加突出，一种新型器件有关技术的解决往往会有力地促进光纤通信的进步，有时甚至使其跃上一个新台阶。
8.1 光纤连接器在安装任何光纤系统时，都必须考虑以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来，以实现光路的接续，保证光纤网络90%以上的光通过。
接续分为永久性和活动性两种方式，基本上是采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准。
永久性接续大多采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现，活动性接续一般采用活动连接器。
8.1.1 连接器主要指标连接器指标有插入损耗(简称插损)、回波损耗(简称回损)、谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等等很多，其中但最重要的为插损和回损，对于活动光纤连接器还有重复性和互换性。
1． 插损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：)(lg 1001dB P P IL −= (8-1) 其中IL 为插损，为输入端光功率，为输出端光功率。
插损越小越好，ITU 建议应不大于0.5dB 。
对于多模光纤连接器来讲，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，以准确衡量连接器插损。
0P 1P 2． 回损回损又称为后向反射损耗，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。
它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。
具体表示为光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数：)(lg 100dB P P RL r −= (8-2)245其中，RL 为回损，为输入端光功率，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。
其典型值初期要求应不小于25dB ，现要求不小于38dB 。
0P r P 3． 重复性和互换性重复性是指光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用dB 表示。
互换性是表征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0.2dB 的范围内。
8.1.2 影响插入损耗的各种因素1． 纤芯错位损耗由于纤芯横向错位(如图8-1a)引起的损耗。
它是连接损耗的重要原因。
芯径2a 的渐变型折射率多模光纤在模式稳态分布时，其错位d 引起的损耗表示为：])/(35.21log[102sin 24111lg 102122a d a d a d a d IL d −−≈⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−−−−=−ππ (8-3) 单模光纤的传输模为束半径w 的高斯分布，其错位d 引起的损耗由下式表示：2)/()/(34.4lg 102w d e IL w d d ≈−=− (8-4)其中： a V V w ⎟⎠⎞⎜⎝⎛++=62/3879.2619.165.0 若取多模渐变型光纤μm 、502=a %1=Δ，单模光纤102=a μm 、，令错位损耗为0.1dB ，则可算得多模渐变型光纤的横向错位为2.46μm 、单模光纤为0.72μm 。
图8-1(b)是同样结构参数下实际光纤横向错位统计平均值，从中查得0.1dB 错位损耗对应多模渐变型光纤横向错位3μm 、单模光纤0.8μm 。
可见理论与实践符合良好。
%3.0=Δ(a) 纤芯错位 (b) 损耗曲线图8-1 纤芯错位损耗246由于两光纤轴线的角度倾斜θ (如图8-2a)而引起在连接处的光功率损耗。
多模渐变光纤在模式稳态分布时，倾斜损耗为：⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−=..21lg 10A N IL πθθ (8-5) 单模光纤为：()22)/(1lg 10λθπθw n IL −−= (8-6)图8-2(b)为倾斜损耗曲线，其中倾斜角度θ 用弧度表示，包层折射率，波长455.12=n μm 31.1=λ。
可见，若要求倾斜损耗小于0.1dB ，在模式稳态分布时，多模渐变型光纤在模式稳态分布时倾斜角应小于，单模光纤小于。
事实上在生产中倾斜角度一般可控制在以内，因而倾斜损耗常可以忽略不计。
D 70.D 30.D 10.(a) 光纤倾斜 (b) 倾斜损耗曲线图8-2 光纤倾斜损耗 3． 端面间隙损耗由于光纤连接端面处存在间隙Z 而引起的损耗。
多模渐变光纤在模式稳态分布时，端面间隙损耗为：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ−−=0141lg 10an Zn IL Z (8-7) 式中，n 0为空气折射率，Z 为端面间隙。
单模光纤端面间隙Z 引起的损耗为： ()[122221lg 10−+−=w n Z IL Z πλ] (8-8)当，46.11=n 455.12=n ，31.1=λμm ，25=a μm 时，可以算出，1=Z μm 的端面间隙损耗，对于多模渐变折射率光纤为0.006dB ，单模光纤为0.089dB ，因而只要端面间隙控制在1μm 之内，端面间隙损耗即可忽略不计。
这一点目前工艺可以保证。
247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，从而产生损耗，表示为：220101)1()(4lg 10⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=n n n n IL f (8-9)在前述参数选取下，菲涅耳反射损耗为0.32dB 。
5． 芯径失配损耗当光从纤芯半径为a 1的光纤射向纤芯半径为a 2(12a a <)的光纤时导致的损耗。
多模光纤芯径失配损耗表示为212)lg(10a a IL a −= (8-10)单模光纤的芯径失配损耗为22122212lg 10⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=w w w w IL a (8-11)图8-3为单模光纤纤芯失配损耗曲线。
6． 数值孔径失配损耗当光从数值孔径为N .A .1的光纤射向数值孔径为N .A .2 (N .A .2< N .A .1)的光纤时导致的损耗称为数值孔径失配损耗，表示为212)../..lg(10A N A N IL NA −= (8-12)图8-4为单模光纤数值孔径失配损耗曲线。
图8-3单模光纤纤芯失配损耗曲线 图8-4单模光纤数值孔径失配损耗曲线 除了上述6种因素外，光纤端面的不光滑、不平整、与轴线不垂直等都会产生耦合损耗。
这种种因素不仅影响光纤插入损耗，而且影响连接器的重复性和互换性，因而在连接器设计和制作时必须针对以上各种因素进行优化设计并提高加工精度，以期连接损耗最小，并且同时提高器件的重复性和互换性指标。
2488.1.3改进回波损耗的方法光通信系统中常常需要回波损耗达到40dB以上甚至超过60dB，为了实现这一目标，常需将光纤端面加工成球面或斜球面，或将端面镀膜等。
如图8-5(a)，球面接触(PC)就是将装有光纤的插针体端面加工成曲率半径25~60mm 的球面，这样两插针接触时纤芯间隙接近于0，达到“物理接触”，则端面间隙损耗和菲涅耳损耗将为0，从而后向反射光大大减小。
这种方法可使回波损耗达到50dB以上。
斜球面接触(APC)是将插针体端面先加工成8°左右的倾角，然后再抛磨成斜球面，连接时插针体按照预定方位对准，如图8-5(b)所示。
这种接触法除了具有球面接触的优点外，还可以将微弱的后向反射光加以旁路，使其难以进入原来的纤芯，从而可以进一步改进回波损耗，使其达到60dB以上。
但这种方法要求保证连接时插针体严格按照预定方位对准。
图8-5球面接触与斜球面接触将端面镀膜是改进回波损耗的另一有效方式。
为端面镀上增透膜就可以大大减小菲涅耳损耗，从而改善回波损耗。
8.1.4光纤活动连接器光纤活动连接器俗称活接头，一般称为光纤连接器，是用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路的可以重复使用的无源器件，已广泛应用于光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器仪表中，用于连接光纤与光纤、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，是目前使用数量最多的光无源器件，按功能分为连接器插头(Plug Connector)、跳线(Jumper)、转换器(Adaptor)、变换器(Converter)和裸光纤转接器(Bare Fiber Adaptor)。
它们可以单独使用，也可以结合为组件使用。
我国一套光纤活动连接器一般包括两个连接器插头和一个转换器。
插头用来实现光纤在转换器或变换器之间完成插拔功能，转换器将光纤插头连在一起。
光纤连接器的基本结构包括对中、插针和端面三部分。
对中可以采用套管、双锥、V型槽、透镜耦合等结构，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。
有代表性且正在使用的连接器主要有以下几种类型：1.套管结构由两个插针和一个套筒组成。
如图8-6。
其中的插针为一带有微孔的精密圆柱体，249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，插针插入套筒并与其实现紧配合，以保证两根光纤精密对准。
由于套管结构设计合理、能通过加工达到要求精度，量产容易，成为连接器发展的主流，FC、SC、ST、D4等型号连接器基本采用该结构。
图8-6 套管结构2.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。
两个插针插入时利用锥面定位进行对接。
如图8-7。
这种方法加工精度要求极高，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，而且保证两光纤端面间距恰好符合要求。
这种结构是AT&T的专利技术，由其创立和使用。
图8-7 双锥结构图8-8 V型槽(V-groove)结构3.V型槽(V-groove)结构如图8-8所示，将两个插针放入精密设计的V型槽中，再用盖板将插针压紧，使纤芯达到对准。
该结构是荷兰飞利浦的专利技术，在单纤连接时一般不被采用，但常用于单纤/多纤与平板波导连接或多纤之间互相连接。
4.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，如图8-9所示。
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入第二根光纤。
这种结构可以降低对机械加250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。
(a) 球透镜耦合(b)自聚焦透镜耦合图8-9 透镜耦合结构5.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，如图8-10所示。
钢球开有一个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。
这种结构设计巧妙，但结构复杂，未被广泛采用。