光纤耦合器
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第十二讲 光无源器件
主要内容
• 一、连接器和接头 • 二、光衰减器 • 三、光耦合器 • 四、光隔离器和光环行器 • 五、光调制器 • 六、光开关
一、连接器和接头
• 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸 的连接器件，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间永久性连接， 只要用于工程现场施工。方法：热熔接 或V形槽连接
（a）T型 1 4 （c）定向型 2 3 λ1 λ2 λ
N
（b）星型
λ1 + λ2 +…λN
（d）波分复用型
常用光耦合器类型示意图
光耦合器基本结构
光纤型 微器件型 波导型
光耦合器主要特性
• 1） 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。
CR = P oc = P ot P oc
五、光环行器
• 光环行器——是多端口的隔离器。主要 用于光分插复用器。典型的环行器一般 有三或四个端口，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 光信号在端口1输出。
常用光环行器示意图
2 2
1
1
3
3 (a) 三端口
4 (b) 四端口
六、光调制器
• 光调制器——外调制方式中采用，把激 光的产生和调制分开， 可避免对光源直 接调制产生线性调频的限制。调制器一 般用电光效应或声光效应使折射率改变， 或用磁光效应使光的透过率变化实现光 调制。
七、光开关
光开关——用于转换光路，实现光交换。 机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光 纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。 其优点是插入损耗小、 串扰小，适用于各种 光纤，技术成熟。缺点是开关速度慢。 固体光开关：用电光效应、磁光效应或声 光效应实现光路切换。优点是开关速度快。缺 点是插入损耗大、 串扰大，只适用于单模光 纤。
• 光耦合器的功能是把一个输入光信号分 配给多个输出，或把多个输入的光信号 组合成一个输出。
P2 P1
T型光纤耦合器
P3
光耦合器类型
T型光耦合器——是一种2×2的3端耦合器，可把一根光纤输入 的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤的输入光信 号组合在一起，输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配 器或组合器。 星型光耦合器——是一种n×m的耦合器，可把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。 定向光耦合器——是一种2×2的3端或4端耦合器，用于分别驱 除光纤中向不同方向传输的光信号。只用于作分路器，不能作合 路器。 波分复用/解复用器——波分复用器是与波长有关的耦合器， 用于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；解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信 号分配给不同的光接收机。
光纤连接器的种类
•单芯连接器 •多芯连接器
套管 光纤 粘接剂 插针体
套管结构光纤连接器简图
1） 性能
光纤连接器的一般性能
项 目
型号或材料
性
能
插入损耗/ dB 重复性/ dB 互换性/ dB 反射损耗/ dB FC 型 PC 型 寿命（插拔次数） 不锈钢 陶瓷 工作温度 不锈钢 陶瓷
0.2---0.3 ＜±0.1 ＜±0.1 35---40 45---50 103 104 －20---- +70 －40---- +80
光隔离器工作原理示意图
经SWP的 入射光 起 偏 振 器 法拉第 旋转器 检 偏 振 器 反射光 阻塞 SWP——Spatial Walk-off Polarizer 空间分离偏振器 ，其作用是将入 射光分解为垂直与水平两个正交偏振分量，让垂直分量通过，而水平分量偏 折通过。
光隔离器工作原理
假设入射光是垂直偏振光，起偏振器的透 振方向是在垂直方向，故入射光顺利通过它射 向法拉第旋转器，法拉第旋转器由旋光材料制 成，能使光的偏振态旋转一定角度，如45°， 并且其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋 转器后的检偏振器透振方向若在45°方向上， 则经过法拉第旋转器旋转45°后的光能通过检 偏振器，即光沿正方向（从左到右）通过这些 器件是没有损耗的。但沿反方向（从右到左） 传送的反射光，其偏振态也在45°，当反射光 经过法拉第旋转器再旋转45°后，偏振态达到 90°，变为水平偏振光，则无法通过起偏振器。
∑
N
n =1
P on
• 2） 附加损耗Le——是全部输入端光功率总和Pit和全 部输出端光功率总和Pot的比值。
L e = 10 lg Pit P ot N ∑ Pin = 10 lg nN= 1 P ∑1 on n=
• 3） 插入损耗Lt——是一个指定输入端光功率Pic和另 一个指定输出端的光功率Poc的比值。
二、光衰减器
• 光衰减器主要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， 可以分为固定衰减器和可变衰减器。
光衰减器的基本原理
• 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 强度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化 合物材料，光的衰减量有膜的厚度进行 控制。
L t = 10 lg Pic P oc
• 4） 方向性DIR（隔离度）——是一个指定输入端光功 率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值。
DIR = 10 lg Pic Pr
• 5） 一致性U——是不同输入端得到的耦合比的均匀性 或不同输出端耦合比的等同性。
四、 光隔离器
• 光隔离器——是一种非互易性器件，只 允许光波往一个方向传输，阻止光波往 其他方向尤其是反方向传输。一般用在 激光器或光放大器后。插入损耗值为1dB, 隔离度的典型值为40--50 dB。
固定衰减器
输入光纤 光纤连接器 透镜 衰减部分 透镜
输出光纤 光纤连接器
固定衰减器对光功率衰减量固定不变， 主要用于调整光纤传输线路的光损耗。
可变衰减器
厚 薄
ຫໍສະໝຸດ Baidu(a)光路和结构
(b)步进衰减片
(c) 连续衰减片
• 可变衰减器的衰减量可在一定范围内变 化，用于测量光接收机灵敏度和动态范 围。
三、光耦合器
主要内容
• 一、连接器和接头 • 二、光衰减器 • 三、光耦合器 • 四、光隔离器和光环行器 • 五、光调制器 • 六、光开关
一、连接器和接头
• 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸 的连接器件，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间永久性连接， 只要用于工程现场施工。方法：热熔接 或V形槽连接
（a）T型 1 4 （c）定向型 2 3 λ1 λ2 λ
N
（b）星型
λ1 + λ2 +…λN
（d）波分复用型
常用光耦合器类型示意图
光耦合器基本结构
光纤型 微器件型 波导型
光耦合器主要特性
• 1） 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。
CR = P oc = P ot P oc
五、光环行器
• 光环行器——是多端口的隔离器。主要 用于光分插复用器。典型的环行器一般 有三或四个端口，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 光信号在端口1输出。
常用光环行器示意图
2 2
1
1
3
3 (a) 三端口
4 (b) 四端口
六、光调制器
• 光调制器——外调制方式中采用，把激 光的产生和调制分开， 可避免对光源直 接调制产生线性调频的限制。调制器一 般用电光效应或声光效应使折射率改变， 或用磁光效应使光的透过率变化实现光 调制。
七、光开关
光开关——用于转换光路，实现光交换。 机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光 纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。 其优点是插入损耗小、 串扰小，适用于各种 光纤，技术成熟。缺点是开关速度慢。 固体光开关：用电光效应、磁光效应或声 光效应实现光路切换。优点是开关速度快。缺 点是插入损耗大、 串扰大，只适用于单模光 纤。
• 光耦合器的功能是把一个输入光信号分 配给多个输出，或把多个输入的光信号 组合成一个输出。
P2 P1
T型光纤耦合器
P3
光耦合器类型
T型光耦合器——是一种2×2的3端耦合器，可把一根光纤输入 的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤的输入光信 号组合在一起，输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配 器或组合器。 星型光耦合器——是一种n×m的耦合器，可把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。 定向光耦合器——是一种2×2的3端或4端耦合器，用于分别驱 除光纤中向不同方向传输的光信号。只用于作分路器，不能作合 路器。 波分复用/解复用器——波分复用器是与波长有关的耦合器， 用于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；解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信 号分配给不同的光接收机。
光纤连接器的种类
•单芯连接器 •多芯连接器
套管 光纤 粘接剂 插针体
套管结构光纤连接器简图
1） 性能
光纤连接器的一般性能
项 目
型号或材料
性
能
插入损耗/ dB 重复性/ dB 互换性/ dB 反射损耗/ dB FC 型 PC 型 寿命（插拔次数） 不锈钢 陶瓷 工作温度 不锈钢 陶瓷
0.2---0.3 ＜±0.1 ＜±0.1 35---40 45---50 103 104 －20---- +70 －40---- +80
光隔离器工作原理示意图
经SWP的 入射光 起 偏 振 器 法拉第 旋转器 检 偏 振 器 反射光 阻塞 SWP——Spatial Walk-off Polarizer 空间分离偏振器 ，其作用是将入 射光分解为垂直与水平两个正交偏振分量，让垂直分量通过，而水平分量偏 折通过。
光隔离器工作原理
假设入射光是垂直偏振光，起偏振器的透 振方向是在垂直方向，故入射光顺利通过它射 向法拉第旋转器，法拉第旋转器由旋光材料制 成，能使光的偏振态旋转一定角度，如45°， 并且其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋 转器后的检偏振器透振方向若在45°方向上， 则经过法拉第旋转器旋转45°后的光能通过检 偏振器，即光沿正方向（从左到右）通过这些 器件是没有损耗的。但沿反方向（从右到左） 传送的反射光，其偏振态也在45°，当反射光 经过法拉第旋转器再旋转45°后，偏振态达到 90°，变为水平偏振光，则无法通过起偏振器。
∑
N
n =1
P on
• 2） 附加损耗Le——是全部输入端光功率总和Pit和全 部输出端光功率总和Pot的比值。
L e = 10 lg Pit P ot N ∑ Pin = 10 lg nN= 1 P ∑1 on n=
• 3） 插入损耗Lt——是一个指定输入端光功率Pic和另 一个指定输出端的光功率Poc的比值。
二、光衰减器
• 光衰减器主要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， 可以分为固定衰减器和可变衰减器。
光衰减器的基本原理
• 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 强度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化 合物材料，光的衰减量有膜的厚度进行 控制。
L t = 10 lg Pic P oc
• 4） 方向性DIR（隔离度）——是一个指定输入端光功 率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值。
DIR = 10 lg Pic Pr
• 5） 一致性U——是不同输入端得到的耦合比的均匀性 或不同输出端耦合比的等同性。
四、 光隔离器
• 光隔离器——是一种非互易性器件，只 允许光波往一个方向传输，阻止光波往 其他方向尤其是反方向传输。一般用在 激光器或光放大器后。插入损耗值为1dB, 隔离度的典型值为40--50 dB。
固定衰减器
输入光纤 光纤连接器 透镜 衰减部分 透镜
输出光纤 光纤连接器
固定衰减器对光功率衰减量固定不变， 主要用于调整光纤传输线路的光损耗。
可变衰减器
厚 薄
ຫໍສະໝຸດ Baidu(a)光路和结构
(b)步进衰减片
(c) 连续衰减片
• 可变衰减器的衰减量可在一定范围内变 化，用于测量光接收机灵敏度和动态范 围。
三、光耦合器