第五章光纤无源与有源器件
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l1
滤光片 (c)
图5.5 微器件型耦合器
光纤 l1 ll23
l1＋l2＋l3
(b) 自聚焦透镜 硅光栅
(d)
(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）
l1 l2 l3
l1+ l2+ l3
光纤
透镜
衍射光栅型波分复用器结构示意图
CR
POC POt
Poc
N
Pon
n 1
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
N
Le
10 lg
Pit pot
10 lg
Pin
n1
N
Pon
n1
图5.7 光耦合器主要特性的说明
按用途分
光耦合器
非定向耦合器 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 保偏光纤耦合器
5.1.3 光耦合器（按用途分）
…
…
T形
星形
(a)
(b)
1
2
l1 l2
l1＋l2＋lN
…
4
3
lN
定向
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
光纤a
1
光强度
2
输出光
1
5
9
4
光纤b
3
2
6
10
(a)
3
7
11
4
8
12
(c) (b)
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）
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。
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
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
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
5.1.3 光耦合器（按结构分）
l1 l2 l3
l1 l2 l3
光纤
棒透镜
采用棒透镜的光栅型WDM
光栅
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)
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）
1.3 m
1.3 m 1.5 5m
(b) 多 模 波导
多 层 膜滤 光 片 单 模 波导
1.5 5m
(c)
图5.6 波导型耦合器
(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解复用器；
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
连接损耗 光纤几何特性与波导特性差异
两光纤连接相对错位
横向偏移 轴向分离
轴向倾斜错位
端面不平整
5.1.2 连接器和接头
对接耦合式 结构类型
ST型 直插型 BC型 双锥型 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
5.1.2 连接器和接头
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
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
光纤 1
自 聚 焦透 镜分 光 片 4
3
2
光纤 l1、l2
l2
(a) 自 聚 焦透 镜
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。
光纤类型不匹配
从芯径为62.5um耦合到50um，损耗2dB 多模光纤到单模光纤，损耗17dB
5.1.3 光耦合器（主要特性）
表5.2 耦合器的一般特性
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
表5.1 光纤连接器一般性能
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
性能 0.2~0.3
0.1
0.1
35~40 40~50
103 104
-20~+70 -40~+80
5.1.2 连接器和接头
连接器的分类： 单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(芯)连接器和多纤(芯)连接器。
光纤
套管
插针 粘结剂
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
Lt
10 lg
pic 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
DIR 10 lg pic pr
一致性U 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 同性。
滤光片 (c)
图5.5 微器件型耦合器
光纤 l1 ll23
l1＋l2＋l3
(b) 自聚焦透镜 硅光栅
(d)
(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）
l1 l2 l3
l1+ l2+ l3
光纤
透镜
衍射光栅型波分复用器结构示意图
CR
POC POt
Poc
N
Pon
n 1
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
N
Le
10 lg
Pit pot
10 lg
Pin
n1
N
Pon
n1
图5.7 光耦合器主要特性的说明
按用途分
光耦合器
非定向耦合器 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 保偏光纤耦合器
5.1.3 光耦合器（按用途分）
…
…
T形
星形
(a)
(b)
1
2
l1 l2
l1＋l2＋lN
…
4
3
lN
定向
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
光纤a
1
光强度
2
输出光
1
5
9
4
光纤b
3
2
6
10
(a)
3
7
11
4
8
12
(c) (b)
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）
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。
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
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
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
5.1.3 光耦合器（按结构分）
l1 l2 l3
l1 l2 l3
光纤
棒透镜
采用棒透镜的光栅型WDM
光栅
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)
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）
1.3 m
1.3 m 1.5 5m
(b) 多 模 波导
多 层 膜滤 光 片 单 模 波导
1.5 5m
(c)
图5.6 波导型耦合器
(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解复用器；
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
连接损耗 光纤几何特性与波导特性差异
两光纤连接相对错位
横向偏移 轴向分离
轴向倾斜错位
端面不平整
5.1.2 连接器和接头
对接耦合式 结构类型
ST型 直插型 BC型 双锥型 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
5.1.2 连接器和接头
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
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
光纤 1
自 聚 焦透 镜分 光 片 4
3
2
光纤 l1、l2
l2
(a) 自 聚 焦透 镜
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。
光纤类型不匹配
从芯径为62.5um耦合到50um，损耗2dB 多模光纤到单模光纤，损耗17dB
5.1.3 光耦合器（主要特性）
表5.2 耦合器的一般特性
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
表5.1 光纤连接器一般性能
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
性能 0.2~0.3
0.1
0.1
35~40 40~50
103 104
-20~+70 -40~+80
5.1.2 连接器和接头
连接器的分类： 单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(芯)连接器和多纤(芯)连接器。
光纤
套管
插针 粘结剂
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
Lt
10 lg
pic 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
DIR 10 lg pic pr
一致性U 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 同性。