光纤通信常用光无源器件-文档资料
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光纤通信第4章无源光器件
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。)
❖ 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。)
光通信 之光无源器件
3.3 光无源器件
• 光无源器件是光路的重要组成部分。 • 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、光波 分复用器、光衰减器、光隔离器、光耦 合器、光开关等。
本章主要内容
1 2 3 4 光纤活动连接器 光衰减器 光波分复用器 其他无源器件
■对光无源器件的普通要求：
插入损耗小 工作温度范围宽 性能稳定、寿命长 体积小 价格便宜 便于集成
1 光纤活动连接器
■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作原理
■固定衰减器的结构：
在光纤的端面上或两个端面之间涂覆一层 衰减膜。
■固定衰减器的工作原理
吸收一部分光，使其产生衰减作用，即在 光线轴线上设置一种半透明的掺杂物质，即衰减 膜，以便吸收带内的光，产生衰减。
■可变光衰减器的工作原理： ●步进式： 准直器和两个衰减盘 可以产生十档的衰减量 ●连续式： 透镜、步进衰减圆盘、连续可 调衰减片 可连续均匀的改变张角，即改变其对光 的吸收量，产生连续可调的衰减量
光开关
■光开关功能：转换光路，实现光交换 ●机械光开关： ≯优点：插损小，串扰小，适合各种 光纤，技术成熟。 ≯缺点：开关速度慢。 ●固定光开关： ≯优点：开关速度快。 ≯缺点：插损大，串扰大，只适合 单模光纤。
光波长转换器
■功能：光信号转换成电信号，放大电信号， 调制成所需的波长 ●光电型波长转换器 光信号转换成电信号，放大电信号， 调制成所需的波长 ●全光型波长转换器 由半导体光放大器SOA组成
• 光无源器件是光路的重要组成部分。 • 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、光波 分复用器、光衰减器、光隔离器、光耦 合器、光开关等。
本章主要内容
1 2 3 4 光纤活动连接器 光衰减器 光波分复用器 其他无源器件
■对光无源器件的普通要求：
插入损耗小 工作温度范围宽 性能稳定、寿命长 体积小 价格便宜 便于集成
1 光纤活动连接器
■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作原理
■固定衰减器的结构：
在光纤的端面上或两个端面之间涂覆一层 衰减膜。
■固定衰减器的工作原理
吸收一部分光，使其产生衰减作用，即在 光线轴线上设置一种半透明的掺杂物质，即衰减 膜，以便吸收带内的光，产生衰减。
■可变光衰减器的工作原理： ●步进式： 准直器和两个衰减盘 可以产生十档的衰减量 ●连续式： 透镜、步进衰减圆盘、连续可 调衰减片 可连续均匀的改变张角，即改变其对光 的吸收量，产生连续可调的衰减量
光开关
■光开关功能：转换光路，实现光交换 ●机械光开关： ≯优点：插损小，串扰小，适合各种 光纤，技术成熟。 ≯缺点：开关速度慢。 ●固定光开关： ≯优点：开关速度快。 ≯缺点：插损大，串扰大，只适合 单模光纤。
光波长转换器
■功能：光信号转换成电信号，放大电信号， 调制成所需的波长 ●光电型波长转换器 光信号转换成电信号，放大电信号， 调制成所需的波长 ●全光型波长转换器 由半导体光放大器SOA组成
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。
第4章 光纤通信基本知识-无源器件X-精选文档
2. 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前 途的有光纤型、微器件型和波导型，图3~图6示出这三种类
型的有代表性器件的基本结构。
输入光 1
光强度
光纤a
2 输出光 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
4
光纤b (a)
3) 8×8 星形耦合器； (c) 由12个 2×2 耦合器组成的 8×8星形耦合器
第4章 光纤通信－无 源器件
光无源器
一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外， 还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤 通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少
的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插
入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命 长、 体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主 要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。
1＋ 2＋ N
波分 (d)
…
图 2 常用耦合器的类型
这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组
n×m耦合器，见下图3（a）， 其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给 m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分 配器。 定向耦合器这是一种2×2的3端或4端耦合器，其功能是分 别取出光纤中向不同方向传输的光信号。见图3(c)，光信号从 端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端 2
传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。定向耦合器可用
作分路器，不能用作合路器。
波分复用器 / 解复用器 ( 也称合波器 / 分波器 ) 这是一种与 波长有关的耦合器，见图2(d)。波分复用器的功能是把多个 不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光 纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号， 分配给不同的接收机。
型的有代表性器件的基本结构。
输入光 1
光强度
光纤a
2 输出光 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
4
光纤b (a)
3) 8×8 星形耦合器； (c) 由12个 2×2 耦合器组成的 8×8星形耦合器
第4章 光纤通信－无 源器件
光无源器
一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外， 还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤 通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少
的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插
入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命 长、 体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主 要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。
1＋ 2＋ N
波分 (d)
…
图 2 常用耦合器的类型
这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组
n×m耦合器，见下图3（a）， 其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给 m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分 配器。 定向耦合器这是一种2×2的3端或4端耦合器，其功能是分 别取出光纤中向不同方向传输的光信号。见图3(c)，光信号从 端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端 2
传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。定向耦合器可用
作分路器，不能用作合路器。
波分复用器 / 解复用器 ( 也称合波器 / 分波器 ) 这是一种与 波长有关的耦合器，见图2(d)。波分复用器的功能是把多个 不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光 纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号， 分配给不同的接收机。
常见光无源器件
ILf
10lg
16K2
(1(3.K3))4
式中， K n。1 /当n0=1, =1.46时，
ILf。0.32dB
❖ (3) 由于两根光纤纤心直径不同，数值孔径不同也会引起 光纤连接器损耗。
3.1.2 光纤固定连接器
❖ 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。
IL10(ldgBP u 输t 出光功率。插入损耗 越
小越好。
3.1.1 光纤活动连接器
❖(2) 回波损耗
❖ 回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反 射光功率相对入射光功率的分贝数，其表达式为
RL10 (dlBg)Pr(3/.P 2in )
(3.4)
式中， I L为i 第i个输出端口的插入损耗； 的光功率； 为输P i n入的光功率。
❖ 2．附加损耗(Excess Loss)
P为o u第t i i个输出端口
EL10lg
i
Pouti Pin
(dB)
(3.5)
❖ 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。
❖ 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：
❖ (1) 连接器插头(Plug Connector)：由插针体和若干外 部零件组成。
❖ (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。
3.1.2 光纤固定连接器
❖ 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。
第三章-光无源器件
变换器（Converter）：将某一型号的插头变换成另一 型号插头的器件。
裸光纤转接器（Bare Fiber Adaptor ）：将裸光纤与光 源、探测器以及各类光仪表进行连接的器件。
光纤（缆）活动连接器：习惯上是指两个连接器插头加 一个转换器。
活动连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连 接的器件，活动连接器件是光纤通信领域 最基本、应用最广泛的无源器件，用于：
研磨抛光法
熔融拉锥法：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，最终在加热区形成双锥体形式 的特殊波导结构。
输入臂 背向散射臂
熔融拉锥法
4直通臂 3耦合臂
下图可用来定性地表示熔融拉锥型光纤耦合器的 工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发 生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续 传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。
ST型插头：由AT&T公司开发，采用带键的卡 口式锁紧结构，确保连接时准确对准。
•“Jumper cables” to connect devices and instruments
•“Adapter cables” to connect interfaces using different connector styles
光路 旋转轴
光路 旋转轴
为了减小反射光，衰减片与光轴可以倾 斜放置。
光纤
自 聚 焦 透镜
衰减 器
光衰减器的主要技术要求是： 高的衰减精度
好的衰减重复性
低的原始插损
一．光纤定向耦合器 ——简称光纤耦合器
光纤光耦合器的功能：
把一个输入的光信号功率分配给多个输 出，或把多个输入的光信号功率组合成 一个输出。这种光耦合器与波长无关。
裸光纤转接器（Bare Fiber Adaptor ）：将裸光纤与光 源、探测器以及各类光仪表进行连接的器件。
光纤（缆）活动连接器：习惯上是指两个连接器插头加 一个转换器。
活动连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连 接的器件，活动连接器件是光纤通信领域 最基本、应用最广泛的无源器件，用于：
研磨抛光法
熔融拉锥法：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，最终在加热区形成双锥体形式 的特殊波导结构。
输入臂 背向散射臂
熔融拉锥法
4直通臂 3耦合臂
下图可用来定性地表示熔融拉锥型光纤耦合器的 工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发 生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续 传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。
ST型插头：由AT&T公司开发，采用带键的卡 口式锁紧结构，确保连接时准确对准。
•“Jumper cables” to connect devices and instruments
•“Adapter cables” to connect interfaces using different connector styles
光路 旋转轴
光路 旋转轴
为了减小反射光，衰减片与光轴可以倾 斜放置。
光纤
自 聚 焦 透镜
衰减 器
光衰减器的主要技术要求是： 高的衰减精度
好的衰减重复性
低的原始插损
一．光纤定向耦合器 ——简称光纤耦合器
光纤光耦合器的功能：
把一个输入的光信号功率分配给多个输 出，或把多个输入的光信号功率组合成 一个输出。这种光耦合器与波长无关。
光纤通信第4章无源光器件
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。
光纤通信第4章无源光器件
电弧或激光 熔化焊接 待连接光纤
能进行显微操作的光纤夹具
图4.3 光纤的熔接
光纤通信第4章无源光器件
❖ 在V型槽机械连接方法中， 首先要将 预备好的光纤端面紧靠在一起， 如图4.4 所示。 然后将两根光纤使用粘合剂连接 在一起或先用盖片将两根光纤固定。 V 型通道既可以是槽状石英、 塑料、 陶瓷， 也可以是金属基片作成槽状。 这种方法 的连接损耗在很大程度上取决于光纤的 尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度 (纤芯相对于光纤中心的位置)。
光纤通信第4章无Hale Waihona Puke 光器件输入 输入损耗
轴向位移 (a)
间隔 (b)
损耗
输出 输入
输出
输入
倾斜错位
损耗
(c) 截面不平 整
损耗 (d)
输出 输出
图4.1 (a) 轴向位移； (b) 连接间隔； (c) 倾斜错位; (d) 截面不平整
❖ 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。
光纤通信第4章无源光器件
电弧或激光 熔化焊接 待连接光纤
能进行显微操作的光纤夹具
图4.3 光纤的熔接
光纤通信第4章无源光器件
❖ 在V型槽机械连接方法中， 首先要将 预备好的光纤端面紧靠在一起， 如图4.4 所示。 然后将两根光纤使用粘合剂连接 在一起或先用盖片将两根光纤固定。 V 型通道既可以是槽状石英、 塑料、 陶瓷， 也可以是金属基片作成槽状。 这种方法 的连接损耗在很大程度上取决于光纤的 尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度 (纤芯相对于光纤中心的位置)。
光纤通信第4章无Hale Waihona Puke 光器件输入 输入损耗
轴向位移 (a)
间隔 (b)
损耗
输出 输入
输出
输入
倾斜错位
损耗
(c) 截面不平 整
损耗 (d)
输出 输出
图4.1 (a) 轴向位移； (b) 连接间隔； (c) 倾斜错位; (d) 截面不平整
第04章常用光无源器件
21
Fiber Communications @ SDU-WH 2010
4.1.2 光纤连接器特性
评价连接器的主要指标: 插入损耗、回波 损耗、重复性和互换性。
1. 插入损耗 插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器 之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的 分贝数，表达式为： Ac＝-10lgP1/P0(dB) 式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功 率；P1为输出端的光功率。
MIN ( Poutj ) P.D.Lj 10 lg (dB ) MAX ( Poutj )
在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的， 因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足 够小的偏振相关损耗。
32
Fiber Communications @ SDU-WH 2010
7. 隔离度 隔离度是指某一光路对其他光路中的信 号的隔离能力。隔离度高，也就意味着 线路之间的“串话”小。其数学表达式为
22
Fiber Communications @ SDU-WH 2010
2. 回波损耗
回波损耗又称为后向反射损耗。它是指 光纤连接处，后向反射光对输入光的比 率的分贝数，表达式为：
Ar＝-10lgPR/P0 (dB)
式中： Ar 表示回波损耗； P0 表示输入光功 率；PR表示后向反射光功率。
模块化插孔闩锁机理制成插针尺寸小125mm可提高光机架中的接口密度连接器剖面fibercommunicationssduwh201018连接器的类型按插针端面分类fibercommunicationssduwh201019?多芯光纤连接器随着用户通信网规模的扩大wdm的普及电信网数据网的光纤化乃至多媒体大容量信息处理设备的发展均推动着光缆向多芯高密度方向深入发展带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接多芯带状光纤mt连接器就应运而生
《光纤通信》课件第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。
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
4.1.2 光纤连接方法 光纤连接是指两根光纤之间的永久或半永久连接，
它的典型应用在于建立一个很长的光链路，或者用在 不需要经常连接和断开光纤的情况中。为了实施和计 算这样的连接，必须考虑的因素有两根光纤的几何差 异、 光纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。 这 里介绍光纤通信中常用的连接方法。
1. 插入损耗
连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。 正如 前面所讨论的，存在各种可能的原因引起光的损耗。 为 了减小插入损耗，可使用三种方法。第一种方法是使用 保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。第 二种方法是将加固件(例如芳香族聚酰胺线)与连接器连接 在一起，浙样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就 是用插针体来保护裸光纤。
其中， Pj是在端口j的输出功率， Pi是端口i的输入 功率。 如果光功率从端口1输入， 则附加损耗等于：
Pex
(dB)
10
lg
P3
P4 P1
（4.4）
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。
6光无源器件 (2)-文档资料
2端
1.31和1.55 200 0.5~1 55（滤波）
6端
1.31和1.55 20~30 2~3 25
型号或材料
性能 0.2~0.3
0 .1 0 .1
FC型 PC型 不锈钢 35~40 40~50
陶瓷
不锈钢 陶瓷
103 104
-20~+70 -40~+80
连接器的分类： 单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。
光纤
套管
插针
粘结剂
精密套管结构连接器简图
3.3.2
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输出。
P P
n 1 n 1 N
N
in
on
(3.31)
插入损耗Lt
是一个指定输入端的光功率Pit和一个指定
输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示
pic Lt 10 lg poc
(3.32)
方向性DIR(隔离度)
是一个输入端的光功率Pic和由耦合
器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示
光 纤
l1 l2 l3
透 镜
光 栅
l1+ l2+ l3
衍射光栅型波分复用器结构示意图
光
l1
l2 l3
纤
棒 透 镜
光 栅
l1+ l2+ l3
采用棒透镜的光栅型WDM
波导型 在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体， 又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2， 横截面为矩形或半圆形。
3.4 5.6/1.8 10.8/0.7 40~55 0.8~2.0 -40~+70
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第4章 常用光无源器件
光无源器件
1
光器件的分类
光有源器件： 光源 光放大器 光检测器
光无源器件： 光连接器 光耦合器 光开关 光隔离器 光衰减器 光调制器
光环行器
光波分复用器
作用 —— 参数—— 原理—— 类型
2
4.1 光纤连接器
一、功能：
用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间, 光纤 与其它部件之间，设备和设备之间的连接。 又叫活接头。
全光交换：
1×2空间光交换
1×2时隙光交换
光纤延时线 . T
47
光开关
复合光交换
T4 T3 T2 T1
光开关或耦合器
T1 T2 T3 T4
6t 4t 2t
T1 T2 T3 T4
48
49
50
光开关
二、光开关的类型
（1）机械式光开关
原理
★移动光纤式 ★移动棱镜式
51
光开关
移动光纤式：
套管
方空玻璃套筒
NTT：256波，间隔0.2nm， 3dB带宽0.12nm，插入损耗 4.4-6.4dB，串扰-33dB，偏 振相关波长差<0.03nm，需 要温控。
扇型波导
b 2b 3b 4b
llll 1c 2c 3c 4c
llll 1d 2d 3d 4d
行..
扇型波导
67
光环行器
基本功能：
光环形器
1
2
3
用途：用于光放大器和光时域反射 仪。
68
要点总结
1、光器件与电器件的比较
电源
电探头 电阻 电混频器 电插头 二极管
光方向耦合器 激光器 光调制器 隔离器 光检测器 光衰减器
分支器（三通）
波分复用器
MODEL
光纤连接器
69
要点总结
2、 FC 型光纤连接器的结构、缺点 插针体
光纤1
玻璃套筒
光纤2 光纤1 光纤3
光 纤2 光纤3
52
光开关
移动棱镜式：
棱镜
自聚焦透镜
53
光开关
新型的微光机电系统光开关
微光机电系统（MOEMS）光开关微机电系统（MEMS） 技术与传统的光技术的结合
54
光开关
55
56
光开关
（2）电光式光开关
场效应晶体
高折射率玻璃棱镜
V<Vt
v
V>Vt
57
5、工作寿命 意义：可插拔的最大次数
18
四、 光纤通信对光连接器的要求
①连接损耗低
0.5dB连接损耗~~~5km光纤损耗
≤0.4dB ②重复性好 ③寿命长
一般>1000次 ④强度高 ⑤环境稳定性好 ⑥反射低 ⑦体积小，成本低，操作方便
19
五、陶瓷PC型光纤连接器的主要技术指标
插入损耗 重复性 互换性 反射损耗 寿命 温度范围
作用：将带状光纤的光纤一根根分开，与单芯光纤连接。
13
6、MT型光纤连接器 结构图：
作用：多模带状光缆的光纤的一次连接。
14
三、 光纤连接器的参数
1、插 入衰减
意义：表征光连接器插入后引起的光路中的光信号 衰减的程度。
a 定义： c=10 Lg(Pin / Pout) (dB)
影响光纤连接器衰减的因素： ①参数不匹配：折射率、纤径 ②耦合缺陷：
61
光隔离器
4.6 光隔离器
一、 定义 光隔离器是一种防止光沿传输光程返回的无源器件。
62
光隔离器
光隔离器
63
光隔离器
二、工作原理 基于法拉第效应
在偏振光的传播方向外加电磁场时，其偏振方向 会旋转一定的角度。
Ω=V·B·L (V费尔德常数、L材料厚度、B磁场 强度) 无论光的传播方向如何，顺着外加磁场的传播方 向观察，偏振光按顺时针的方向旋转.
螺旋式连接 粘合剂 插针体 套筒
插针体
固定盘
光纤
光纤
6
材料：合金
问题所在：FC 型光纤连接器的接头时平面型，产生菲涅尔反射， 形成损耗和引入噪声 。
菲涅耳反射：光在不同折射 率的介质平面的交界面上会 发生入射光的部分反射 。
7
2、直接接触型光纤连接器（PC型—physical connect） 特点： 插针体（包括光纤）的端面研磨成凸面球，使得被连接 的光纤的端面可以直接接触，实现 物理结构的直接连接。
28
工作原理：
光功率的比例分配与锥形的长度和包层的厚度有关
29
2、 微光器件型 主要采用自聚焦渐变透镜
半透镜 A
B
GRIN圆柱透镜
GRIN圆柱透镜
30
3、波导型
在一个平面板的衬底上制作 需要形状的光波导， 衬底既可以做支撑体也可以做波导的包层。
嵌 入波导
玻璃 衬底
31
32
4、对接型偶合器
包层研磨
单独分离出来
71
要点总结 3、 光耦合器与光波分复用器的区别：
光耦合器 光波分复用器
光功率的合与分 光波长的分与合
72
要点总结 4、 2×2型光纤耦合器的级联
利用（N ·㏒2N）/ 2个2×2的星型耦合器可以 组成㏒2 N级阵列， 形成N×N型星型耦合器，其
分路损耗为3㏒2 N dB.
73
要点总结 6、光开关在光纤通信中的用途
（3）热光开关
58
（4）SOA光开关
控制电压
半导体光放大器
59
光开关
二、 参数
（1）插入损耗
ai=10Lg(Pin/Pout)
(dB)
(2) 通断消光比 开关处于接通状态的输出光功率和 处于断开状态的输出光功率之比。
a=10Lg(P通/P断)
60
光开关
(3)寿命 允许转换光路的次数
（4）转换速度 光通道的设置开关：1~10ms 保护倒换：1~10us 分组交换：1ns 外调制：10ps
l1
• 插入损耗和隔离度:
– 对传输通道的波长，具有低插入损耗 (< 1 dB)
l2
– 传输通道波长对另一波长有高损耗 (20 to 50 dB) :
I10=-10log10[P1(λ1)/P0 (λ1)], I20=-10log10[P2(λ1)/P0 (λ1)]
36
A、分类 •熔锥型(粗WDM) •多层干涉滤光膜型(细WDM →DWDM) •棱镜分光型(粗WDM) •光栅型---体光栅、光纤光栅(粗WDM，细WDM ) •阵列波导光栅(细WDM →DWDM) B、原理
41
光栅型波分复用器---体光栅
主最大强度的方向由下式给出：d sinθ=mλ
Δ θ /Δ λ= m/ d cosθ
其中d为光栅周期， θ为衍射角， m = 0，±1， ±2，等
等， Δ θ 为角分离， Δ λ 为波长间隔。
1. 体光栅型
输入光
l4l3l2l1
42
l1—l16 l16
布拉格光栅
用途： 光功率分配器或光功率组合器
25
2、星型耦合器 功能：将n根光纤的输入光功率合 在一起，均匀 的分给m 根光纤。
用途：多端口功率分配器
26
3、 定向耦合器
功能： 取出光纤中向不同方向传送的光信号
1
3
2
4
1
3
2
4
用途：只能用于功率分路器。 27
四、基本结构 1、 光纤型
将几根光纤去涂覆后排列在一起， 用熔断拉锥技术制作成光耦合器。
倒换备用 光交换
空分光交换 时分光交换 复合光交换
74
要点总结
7、 光隔离器的作用及工作 原理
光隔离器是一种防止光沿传输光程 返回的无源器件。
工作原理： 基于法拉第效应
在偏振光的传播方向外加电磁场时 ，其 偏振方向会旋转一定的角度。
Ω=V·B·L 无论光的传播方向如何，顺着外加磁场 的传播方向观察，偏振光按顺时针的方 向旋转
≦0.3dB ≦0.1dB ≦0.1dB ≧38dB ≧10000次 －40~80℃
20
4.2 光纤耦合器
一 、光纤耦合器 功能： 对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件。 实现光功率的分配，对光的波长没有影响。
分路
合路
插入
分配 21
二、 参数
（1）插入损耗 意义： 表征插入光方向耦合器后对链路的光信号的衰减。
光纤 套筒
平面对接型光纤连接器产生菲涅尔反射
70
要点总结
3、PC 型光纤连接器、SC 型 光纤连接器、 FO型光纤连接器各自的特点。
PC 型光纤连接器： 物理接触型，实现物理上的直接接触，克服了菲涅尔反射。 SC 型 光纤连接器：
矩形，方便安装，降低精度要求 FO型光纤连接器：用于将带状光纤的每 一根光纤
l1—l15、l16
环形器
FBG
l16
l1—l15
l1—l15、l16 l16
43
光纤光栅型波分复用器
其反射波长成为布拉格波长（ λB ）由下面的布拉格条件 确定：
2Λneff=λB
其中Λ为光栅周期， neff为有效纤芯折射 率。
44
Array Waveguide Grating (AWG)
波导光栅
光源 尾纤
光中继
光耦合器
光跳线
光测试仪器
光检测器3
二、光纤连接器的典型类型及工作原理
1、平面对接型光纤连接器 （FC型—face connect）
结构：
粘合剂
插针体
套筒
插针体
固定盘
光纤
光纤
4
光连接器 FC 型光纤连接器
5
光无源器件
1
光器件的分类
光有源器件： 光源 光放大器 光检测器
光无源器件： 光连接器 光耦合器 光开关 光隔离器 光衰减器 光调制器
光环行器
光波分复用器
作用 —— 参数—— 原理—— 类型
2
4.1 光纤连接器
一、功能：
用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间, 光纤 与其它部件之间，设备和设备之间的连接。 又叫活接头。
全光交换：
1×2空间光交换
1×2时隙光交换
光纤延时线 . T
47
光开关
复合光交换
T4 T3 T2 T1
光开关或耦合器
T1 T2 T3 T4
6t 4t 2t
T1 T2 T3 T4
48
49
50
光开关
二、光开关的类型
（1）机械式光开关
原理
★移动光纤式 ★移动棱镜式
51
光开关
移动光纤式：
套管
方空玻璃套筒
NTT：256波，间隔0.2nm， 3dB带宽0.12nm，插入损耗 4.4-6.4dB，串扰-33dB，偏 振相关波长差<0.03nm，需 要温控。
扇型波导
b 2b 3b 4b
llll 1c 2c 3c 4c
llll 1d 2d 3d 4d
行..
扇型波导
67
光环行器
基本功能：
光环形器
1
2
3
用途：用于光放大器和光时域反射 仪。
68
要点总结
1、光器件与电器件的比较
电源
电探头 电阻 电混频器 电插头 二极管
光方向耦合器 激光器 光调制器 隔离器 光检测器 光衰减器
分支器（三通）
波分复用器
MODEL
光纤连接器
69
要点总结
2、 FC 型光纤连接器的结构、缺点 插针体
光纤1
玻璃套筒
光纤2 光纤1 光纤3
光 纤2 光纤3
52
光开关
移动棱镜式：
棱镜
自聚焦透镜
53
光开关
新型的微光机电系统光开关
微光机电系统（MOEMS）光开关微机电系统（MEMS） 技术与传统的光技术的结合
54
光开关
55
56
光开关
（2）电光式光开关
场效应晶体
高折射率玻璃棱镜
V<Vt
v
V>Vt
57
5、工作寿命 意义：可插拔的最大次数
18
四、 光纤通信对光连接器的要求
①连接损耗低
0.5dB连接损耗~~~5km光纤损耗
≤0.4dB ②重复性好 ③寿命长
一般>1000次 ④强度高 ⑤环境稳定性好 ⑥反射低 ⑦体积小，成本低，操作方便
19
五、陶瓷PC型光纤连接器的主要技术指标
插入损耗 重复性 互换性 反射损耗 寿命 温度范围
作用：将带状光纤的光纤一根根分开，与单芯光纤连接。
13
6、MT型光纤连接器 结构图：
作用：多模带状光缆的光纤的一次连接。
14
三、 光纤连接器的参数
1、插 入衰减
意义：表征光连接器插入后引起的光路中的光信号 衰减的程度。
a 定义： c=10 Lg(Pin / Pout) (dB)
影响光纤连接器衰减的因素： ①参数不匹配：折射率、纤径 ②耦合缺陷：
61
光隔离器
4.6 光隔离器
一、 定义 光隔离器是一种防止光沿传输光程返回的无源器件。
62
光隔离器
光隔离器
63
光隔离器
二、工作原理 基于法拉第效应
在偏振光的传播方向外加电磁场时，其偏振方向 会旋转一定的角度。
Ω=V·B·L (V费尔德常数、L材料厚度、B磁场 强度) 无论光的传播方向如何，顺着外加磁场的传播方 向观察，偏振光按顺时针的方向旋转.
螺旋式连接 粘合剂 插针体 套筒
插针体
固定盘
光纤
光纤
6
材料：合金
问题所在：FC 型光纤连接器的接头时平面型，产生菲涅尔反射， 形成损耗和引入噪声 。
菲涅耳反射：光在不同折射 率的介质平面的交界面上会 发生入射光的部分反射 。
7
2、直接接触型光纤连接器（PC型—physical connect） 特点： 插针体（包括光纤）的端面研磨成凸面球，使得被连接 的光纤的端面可以直接接触，实现 物理结构的直接连接。
28
工作原理：
光功率的比例分配与锥形的长度和包层的厚度有关
29
2、 微光器件型 主要采用自聚焦渐变透镜
半透镜 A
B
GRIN圆柱透镜
GRIN圆柱透镜
30
3、波导型
在一个平面板的衬底上制作 需要形状的光波导， 衬底既可以做支撑体也可以做波导的包层。
嵌 入波导
玻璃 衬底
31
32
4、对接型偶合器
包层研磨
单独分离出来
71
要点总结 3、 光耦合器与光波分复用器的区别：
光耦合器 光波分复用器
光功率的合与分 光波长的分与合
72
要点总结 4、 2×2型光纤耦合器的级联
利用（N ·㏒2N）/ 2个2×2的星型耦合器可以 组成㏒2 N级阵列， 形成N×N型星型耦合器，其
分路损耗为3㏒2 N dB.
73
要点总结 6、光开关在光纤通信中的用途
（3）热光开关
58
（4）SOA光开关
控制电压
半导体光放大器
59
光开关
二、 参数
（1）插入损耗
ai=10Lg(Pin/Pout)
(dB)
(2) 通断消光比 开关处于接通状态的输出光功率和 处于断开状态的输出光功率之比。
a=10Lg(P通/P断)
60
光开关
(3)寿命 允许转换光路的次数
（4）转换速度 光通道的设置开关：1~10ms 保护倒换：1~10us 分组交换：1ns 外调制：10ps
l1
• 插入损耗和隔离度:
– 对传输通道的波长，具有低插入损耗 (< 1 dB)
l2
– 传输通道波长对另一波长有高损耗 (20 to 50 dB) :
I10=-10log10[P1(λ1)/P0 (λ1)], I20=-10log10[P2(λ1)/P0 (λ1)]
36
A、分类 •熔锥型(粗WDM) •多层干涉滤光膜型(细WDM →DWDM) •棱镜分光型(粗WDM) •光栅型---体光栅、光纤光栅(粗WDM，细WDM ) •阵列波导光栅(细WDM →DWDM) B、原理
41
光栅型波分复用器---体光栅
主最大强度的方向由下式给出：d sinθ=mλ
Δ θ /Δ λ= m/ d cosθ
其中d为光栅周期， θ为衍射角， m = 0，±1， ±2，等
等， Δ θ 为角分离， Δ λ 为波长间隔。
1. 体光栅型
输入光
l4l3l2l1
42
l1—l16 l16
布拉格光栅
用途： 光功率分配器或光功率组合器
25
2、星型耦合器 功能：将n根光纤的输入光功率合 在一起，均匀 的分给m 根光纤。
用途：多端口功率分配器
26
3、 定向耦合器
功能： 取出光纤中向不同方向传送的光信号
1
3
2
4
1
3
2
4
用途：只能用于功率分路器。 27
四、基本结构 1、 光纤型
将几根光纤去涂覆后排列在一起， 用熔断拉锥技术制作成光耦合器。
倒换备用 光交换
空分光交换 时分光交换 复合光交换
74
要点总结
7、 光隔离器的作用及工作 原理
光隔离器是一种防止光沿传输光程 返回的无源器件。
工作原理： 基于法拉第效应
在偏振光的传播方向外加电磁场时 ，其 偏振方向会旋转一定的角度。
Ω=V·B·L 无论光的传播方向如何，顺着外加磁场 的传播方向观察，偏振光按顺时针的方 向旋转
≦0.3dB ≦0.1dB ≦0.1dB ≧38dB ≧10000次 －40~80℃
20
4.2 光纤耦合器
一 、光纤耦合器 功能： 对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件。 实现光功率的分配，对光的波长没有影响。
分路
合路
插入
分配 21
二、 参数
（1）插入损耗 意义： 表征插入光方向耦合器后对链路的光信号的衰减。
光纤 套筒
平面对接型光纤连接器产生菲涅尔反射
70
要点总结
3、PC 型光纤连接器、SC 型 光纤连接器、 FO型光纤连接器各自的特点。
PC 型光纤连接器： 物理接触型，实现物理上的直接接触，克服了菲涅尔反射。 SC 型 光纤连接器：
矩形，方便安装，降低精度要求 FO型光纤连接器：用于将带状光纤的每 一根光纤
l1—l15、l16
环形器
FBG
l16
l1—l15
l1—l15、l16 l16
43
光纤光栅型波分复用器
其反射波长成为布拉格波长（ λB ）由下面的布拉格条件 确定：
2Λneff=λB
其中Λ为光栅周期， neff为有效纤芯折射 率。
44
Array Waveguide Grating (AWG)
波导光栅
光源 尾纤
光中继
光耦合器
光跳线
光测试仪器
光检测器3
二、光纤连接器的典型类型及工作原理
1、平面对接型光纤连接器 （FC型—face connect）
结构：
粘合剂
插针体
套筒
插针体
固定盘
光纤
光纤
4
光连接器 FC 型光纤连接器
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