5第五章 光纤无源及有源器件

5.1.4 光隔离器与光环行器
对图5.8的说明： 法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器， 这个偏振器的透振方向在45°
方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45°后的光能够顺利地通过第二个偏振 器，也就是说光信号从左到右通过这些器件 (即正方向传输 )是没有损耗的 (插
入损耗除外)。
另一方面，假定在右边存在某种反射 (比如接头的反射 )， 反射光的偏振态 也在45°方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45°，此时就变 成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达 到隔离效果。
(a)
(b)
(a) 三端口； (b) 四端口
5.1.4 光隔离器与光环行器
光环形器原理结构示意图
5.1.5 光衰减器
用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰
减量的器件。根据衰减量是否变化，可分为固定衰减器和可变衰减
器 基本原理：在玻璃基片上蒸镀透射系数（或反射系数）变化很小的
金属膜，使通过镀膜玻璃片的光功率被膜层材料吸收一部分，光强
VHL
旋转方向只与磁场方向有关， 与光的行进方向无关，即为 不可逆的光学过程
Verdet常数（费尔德常数）
5.1.4 光隔离器与光环行器
然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时 间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是 隔离器的结构就变复杂了。 一种小型的与入射光的偏振态无关的隔 离器结构如图5.9所示。
保偏光纤耦合器
5.1.3 光耦合器（按用途分）
… …
T形 (a) 1 4 定向 2 3
星形 (b)
Байду номын сангаас
l1 l2 lN
l1＋ l2＋ lN
波分
…
(c)
(d)
图 5.2 常用耦合器的类型
5.1.3 光耦合器（按用途分）
输入 光 1 光强 度 光纤 a 2 输出 光 4 光纤 b (a) 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
(b)
(c)
图 5.3 光纤型耦合器
(a)定向耦合器； (b) 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
5.1.3 光耦合器（按用途分）
P
P1
P2
0
l1
l2
图5.4 熔锥光纤型波分复用器结构和特性
5.1.3 光耦合器（按结构分）
光纤型 把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。 图5.3(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。 如图5.4，光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为 Pb，根据耦合理论得到
多层 膜滤光 片 单模 波导
图5.6 波导型耦合器
1 .5 5m
(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解复用器；
(c)
5.1.3 光耦合器（主要特性）
说明耦合器参数的模型如图5.7所示， 主要参数定义如下。
耦合比CR 是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和 Pot的比值，用%表示
一致性U 同性。 是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等
5.1.3 光耦合器（主要特性）
表5.2 耦合器的一般特性
耦合器 工作波长/ μm 插入损耗/dB 分路比 0.5/0.5 0.3/0.7 0.1/0.9 方向性/dB 稳定性/dB 工作温度/º C
2×2型 1.31或1.55 3.4 5.6/1.8 10.8/0.7 40~55 0.8~2.0 -40~+70
2
图5.5 微器件型耦合器 (a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复用器
5.1.3 光耦合器（按结构分）
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
5.1.3 光耦合器（按结构分）
光
l1
l2 l3
纤
棒 透 镜
5.1.2 连接器和接头
表5.1 光纤连接器一般性能
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
型号或材料
性能 0.2~0.3
0 .1 0 .1
FC型 PC型 35~40 40~50
寿命（插拔次数）
工作温度/º C
不锈钢
陶瓷 不锈钢 陶瓷
103 104
-20~+70 -40~+80
度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化合物材料，光的衰减量由膜的 厚度进行控制。
光纤类型不匹配
多模光纤到单模光纤，损耗17dB
连接损耗
光纤几何特性与波导特性差异
横向偏移 两光纤连接相对错位 轴向分离 轴向倾斜错位 端面不平整
5.1.2 连接器和接头
ST型
直插型
BC型 双锥型 对接耦合式 结构类型 PC型 物理接触型 FC型 面接触型 SC型 直联型 准直聚焦透镜 透镜耦合式 自聚焦棒透镜
Pa=cos2(CλL)
Pb=sin2(CλL) 式中，L为耦合器有效作用长度，Cλ为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。 设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得 当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0； 当Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大。 对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55μm的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度大于20 dB。
5.1.4 光隔离器与光环行器
磁光效应
有些物质本身不具有旋光效应，但在磁场作用下却可具有旋光性， 这是人为的旋光现象是一种磁光效应。 法拉第磁光效应：光沿平行于外加磁场方向传播 磁致双折射效应：光沿垂直于外加磁场方向传播
5.1.4 光隔离器与光环行器
法拉第磁光效应：
顺磁 铁磁 亚铁磁性物质
加入磁场后，由 于磁场与物质的 相互作用，改变 了物质的光特性
N
in
on

图5.7 光耦合器主要特性的说明
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
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
pic DIR 10lg pr
环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。 如图5.10所
示，典型的环行器一般有三个或四个端口。
在三端口环行器中，端口 1 输入的光信号在端口 2 输出，端口 2 输入 的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。
光环行器主要用于光分插复用器中。
2 2
1
3
1
4
3
图 5.10 光环行器
5.1.4 光隔离器与光环行器
SWP SOP 法拉弟旋转器 半波片 SWP
光纤输入
光纤输出
(a) SWP 光纤输入 法拉弟旋转器 半波片 SWP
光纤输入 (b)
图 5.9 一种与输入光的偏振态无关的隔离器
5.1.4 光隔离器与光环行器
对图5.9的说明：
具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器 (SWP: Spatial Walk off Polarizer)。 这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过， 水平 分量偏折通过。 两个分量都要通过法拉弟旋转器， 其偏振态都要旋转45°。法拉弟旋转器后面跟随 l 的是一块半波片 ( plate或halfwave plate)。 2 这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°，将从右向左传 播的光的偏振态逆时针旋转45°。 因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。 最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出， 如图5.9(a)所示。
5.1.4 光隔离器与光环行器
对图5.9的说明： 另一方面， 如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转 器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时， 其旋转 效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起， 如图5.9(b)所示，于是就起到隔离作用。
5.1.4 光隔离器与光环行器
插入损耗和隔离度是隔离器。
5.1.4 光隔离器与光环行器
SOP 入射光 偏振器 法拉弟 旋转器 偏振器
反射光
阻塞
图 5.8 隔离器的工作原理
5.1.4 光隔离器与光环行器
对图5.8的说明：
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。 隔离器工作原理如图5.8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。 紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的 偏振态旋转一定角度，例如45°，并且其旋转方向与光传播方向无关。
光隔离器 光连接器
光耦合器 （波分复用/解复用器）
光衰减器
光开关 自聚焦光纤 光滤波器
5.1.2 连接器和接头
连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件， 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。
从芯径为62.5um耦合到50um，损耗2dB
n×n星型 1.31或1.55 0 4×4 7~8 8×8 11~12 32 ×32 17~19 1~1.25 -40~+70
5.1.3 光耦合器（主要特性）
表5.3 波分复用器的一般性能
波分复用器
工作波长/ μm 波长间隔/nm 附加损耗/dB 隔离度/dB
2端
1.31和1.55 200 0.5~1 55（滤波）
5.1.3 光耦合器（按结构分）
微器件型 用自聚焦透镜和分光片(光部分透射， 部分反射)、滤光片(一个波长的光透射， 另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图 5.5所示。
光纤 自聚 焦透镜 1 3 (a) 光纤 l1 、l2 l1 l2 滤光 片 (c) 自聚 焦透镜 自聚 焦透镜 l1 l2 l3 l1 ＋l2 ＋l3 (d ) 光纤 硅光 栅 (b) 光纤 自聚 焦透镜 分光 片 4
5.1.2 连接器和接头
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
图 5.1 精密套管结构连接器简图
5.1.2 连接器和接头
5.1.2 连接器和接头
固定接头用的光纤熔接机
5.1.2 连接器和接头
固定接头用的光纤熔接机
5.1.3 光耦合器（分类）
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。 定向耦合器 （分路器和合路器） 按用途分 非定向耦合器 光耦合器 波长选择耦合器（波分复用/解复用器） 分立元件型（体光学器件型） 按器件、材料、制造、结构分 微光学器件型 平面波导型 多模光纤耦合器 全光纤型 单模光纤耦合器
CR
POC POt
Poc Pon n
1
N
5.1.3 光耦合器（主要特性）
附加损耗Le 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率 总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示
P Le 10 lg it 10 lg pot
P P
n 1 n 1 N
6端
1.31和1.55 20~30 2~3 25
5.1.4 光隔离器与光环行器
耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为
互易器件。
隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，
阻止光波往其他方向特别是反方向传输。
隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致 使器件性能变坏。
第五章 光纤无源及有源器件
5.1 光纤无源器件 5.2 光纤有源器件 5.3 习题
5.1 光纤无源器件
光无源器件：能量消耗型器件，对信号或能 量进行连接、合成、转换及有目的衰减。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、 便于集成等。
5.1.1 各种无源器件在光纤通信系统链路上的位置和作用
光 栅
l1 l2 l3
采用棒透镜的光栅型WDM
5.1.3 光耦合器（按结构分）
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。
光波 导
开角
(a)
(b)
1.3 m
1 .3 m 1 .5 5m
多模 波导