第五章 无源光器件

图3-47 解复用器波长—插入损耗关系曲线
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2．光波分复用器
Ⅰ 中心波长λ和中心波长的工作范围Δλ Ⅱ 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 Ⅲ 相邻信道之间串音耦合最大值L12和L23
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2．光波分复用器
（3 熔融光纤型是指将两根光纤紧靠在一起并
光波导
开角
(a)
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3.32 波导型藕合器
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3. 主要特性
说明耦合器参数的模型如图3.33所示， 主要参数定义 如下。
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CR POC POt
poc
N
pon
nnan1cy
频带宽度，又称为3dB带宽。
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3.4.4 光开关
能够控制传输通路中光信号通或断或进行 光路切换作用的器件，称为光开关。
光开关一般包括两种：机械式光开关和电 子式光开关。
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3.4.4 光开关
图3-39 机械式光开关
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3.4.4 光开关
图3-40 电子式光开关
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3.4.5 波长转换器
能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件 称为波长转换器。波长转换器根据波长转换机理 可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器，
光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏 振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制， 因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要
第五章 无源光器件
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主要内容
连接器和接头 光耦合器 光隔离器与光环行器 光调制器 光开关
教学重点
连接器的作用及分类 光耦合器的作用 光隔离器的作用
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无源光器件的要求
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。
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3.3.1 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。
接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要 用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是光 纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。
a
损耗为0.5 dB，波长隔离度 b
大于20 dB。
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1 2 1 2 耦 合长 度
微器件型 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) 光栅(不同波长的光有不同反射方向) 微光学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和波分解复用
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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。图3.32示 出波导型T型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选 择元件的波分解复用器。
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这种复用器非常便于与光纤通信系统耦合 连接，而且插入损耗极小，且体积小，结 构紧凑。
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2．光波分复用器
图3-48 熔融光纤型波分复用器结构示意图
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3.4.7 光纤光栅
光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源 器件。
它是利用光纤中的光敏性而制成的。 光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺
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设 特 定 波 长 为 λ1 和 λ2 ， 1、2
选择光纤参数，调整有效作
a
用长度，使得当光纤a的输
b
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1.55 μm的光纤
a
光功 b 率
型解复用器，可以做到附加
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3.3.2光耦合器
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。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 耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复 用器/解复用器。
全光型波长转换器技术主要由半导体光放大器 （SOA）构成。
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1．光电型波长转换器
图3-41 光电光型波长转换器
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2．全光型波长转Biblioteka Baidu器
图3-42 全光型波长转换器
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3.4.6 波分复用器
在一根光纤中能同时传输多波长光信号的 技术，称为光波分复用技术（WDM）。
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3.4.3 光滤波器
图3-38 F-P腔光滤波器
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3.4.3 光滤波器
F-P腔型光滤波器的主体是F-P谐振腔。 描述F-P腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱
域（FSR）及带宽（BW）。 （1）自由谱域（FSR）：为相邻波长之间的距离
（2）带宽（BFWSR）：为fq 谐 振fq峰1 降2至cn一l 半时所对应的
（3）分光比T。
P1
T P3 P2
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3.4.2 光隔离器与光环行器
1．光隔离器的基本原理和结构 2．光环行器 3．光隔离器与光环行器的主要性能参数
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1．光隔离器的基本原理和结构
图3-36 光隔离器的工作原理图
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2．光环行器
器，如图3.31所示。
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光纤
自 聚 焦透 镜
光纤 1
自 聚 焦透 镜分 光 片 4
3
2
光纤 1、2
(a) 自 聚 焦透 镜
2 滤光片
(c)
图 3.31
(b)
1
1
23
自聚焦透镜 硅光栅 光纤
1＋2＋3 (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
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图 3.27 套管结构连接器简图
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对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移 在1 μm以内， 轴线倾角小于0.5°。
普通的FC型连接器，光纤端面为平面。
对于高反射损耗的连接器， 要求光纤端面为球面或斜面， 实现物理接触(PC)型。
套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢， 但插针材料 用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、 耐磨， 热膨胀 系数和光纤相近，使连接器的寿命(插拔次数)和工作温度范围 (插入损耗变化±0.1 dB)大大改善。
2．光波分复用器
（2
①
复用器的光学特性可以用给定的输入端口 的插入损耗—波长关系曲线表示。
②
解复用的光学特性，可以用输入端到N个输
出端的各信道的波长—插入损耗关系曲线 来表达
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2．光波分复用器
图3-46 复用器插入损耗—波长关系曲线
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2．光波分复用器
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图 3.29 光纤型
(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
2082×1/4/28星形耦合器
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图3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。 如图 3.30，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，
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连接器和接头
光连接器的功能是将两根光纤连接起来 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。
影响光连接器的插入损耗的因素 : 被连接的两根光纤是否匹配 安装的精度
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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
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3.4.1 光定向耦合器
1 2．光纤式定向耦合器的参数
光通信中经常需要把多个光信号耦合到一 起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合 器可以实现这些功能
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1．光波分复用系统的结构与工作原理
光波分复用器是对光波波长进行合成与分 离的光器件。
由光波分复用器构成的光波分复用系统， 从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统 和单纤双向WDM系统。
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1．光波分复用系统的结构与工作原理
图3-43 单纤单向结构WDM传输系统
1．光定向耦合器的结构
光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式 和光纤式两类。
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1．光定向耦合器的结构
图3-35 棱镜式和光纤式定向耦合器
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2．光纤式定向耦合器的参数
（1）隔离度A。
A1、4
10 lg
P4 P1
（2）插入损耗L。
L 10lg P2 P3
图3-37 三端口光环行器
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3．光隔离器与光环行器的主要性能参 数
对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是 希望从输入端口输入的光信号到输出端口 时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗 要小；对于不应有输出的端口，要求隔离
器件典型的插入损耗为1dB左右，隔离度为 40～50dB
1. 耦合器类型
图3.28示出常用耦合器的类型， 它们各具不同的功能和 用途。
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1 4
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T形 (a)
定向 (c)
星形
(b )
2
1 2
3
N
…
1＋2＋N
波分
(d )
图 3.28 常用耦合器的类型
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…
…
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3.29~图 3.32示出这 三种类型的有代表性器件的基本结构。
如果在系统发送端采用此技术，将不同波 长的光信号组合起来送入光纤传输的设备 称为光波分复用器。
在系统接收端可通过解复用器（分波器）， 将组合在一起的光信号分离并送入不同的 终端。
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3.4.6 波分复用器
1．光波分复用系统的结构与工作原理 2．光波分复用器
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Lt=10lg 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
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1．光波分复用系统的结构与工作原理
图3-44 单纤双向结构WDM传输系统
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2．光波分复用器
（1 器件的各端口可以作为输入端口，也可以
作为输出端口。
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2．光波分复用器
图3-45 WDM光传输原理图
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由此可定义功率分路损耗Ls： Ls=10lg ( 1 ) CR
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，
N
PiN
Le=10 lg
Pit pot
10
lg
n1 N
PoN
n1
插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定 输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示
Pa=cos2(CλL) (3.28a)
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。
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Pa=cos2(CλL) Pb=sin2(CλL)
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1、2 a b
a
光功 b 率
a
b
1 2 1 2 耦 合长 度
图 3.30 光纤型波分解复用器原理
锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久 性改变。 人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分
光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，
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3.4.7 光纤光栅
图3-49 光纤布拉格光栅滤波器
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3.3 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。