第4讲无源光器件

下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有 轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及 折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会 造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形 式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射 率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（ Fresnel）反射。
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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。
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二、光纤分路器及耦合器
图表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型 分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分。 当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光 将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在1°～ 2°左右，因此分支器的长度不可能太短。
于设备与光纤之间的连接。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单
根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多 次使用。
光纤连接器在工艺上应满足的条件： 1）连接损耗要小于 0.5dB； 2）装、拆方便，重复性好； 3）体积小，成本低等。 光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。
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光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性 连接，另一种是活动连接。
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FC型(平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成，其 结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接 ，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很 高的精度。
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SF型连接器（矩形）是室外用连接器，具有防 水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管， 其价格便宜，可以和FC型连接器进行互换。
目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切 割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤 都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头 附加损耗可控制在0.1dB以下。
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使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信 号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射 角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏 出去。为此把连接器的管芯端面按8°进行倾斜研磨，就可以 实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端 面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC (Physical Contact) 型连接器。 实际使用的PC型连接器如图所 示，把套管端面研磨成球面。 PC接续的反射很小，它的反射 损耗可达25dB以上。如果经 过精密加工研磨，就可将反射 损耗指标提高到40dB以上。
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光纤连接器又分为多模连接器和单模连接器。
多模连接器用于多模光纤系统，它有U型 环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器 （FA）以及C型连接器等，它们的损耗在0.40.5dB以下。
单模光纤连接器有PC型（直接接触型）、 FC型（平面对接型）、SC型（矩形）、ST型 等几种。
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永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前 多采用熔接法。
光纤连接器的基本构成
由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合 管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套 管的作用。如图所示。
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光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下， 因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在接 续点上没有光传输的不连续现象。
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光纤耦合器 fiber optic coupler
将不同方向的光信号耦合送入一根光纤中传输，或 者相反。结构：
Port 4
Port 3
棱镜耦合式
Port 1
光纤耦合式
Port 2
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2x2定向耦合器及1×N、N×N星形 耦合器大多数采用熔 融渐变双锥的制造方法，即将多根裸光纤绞合在一 起，火 焰加热到软化温度后适当拉 伸，在熔融区形成渐变双锥结 构。 图b是 X型2×2定向耦合器。
第四讲
无源光器件
主要内容
一、光纤的连接与光纤连接器 ☆
二、光纤分路器及耦合器 三、光合波器、光分波器
四、光隔离器 ☆
五、光开关 六、光可变衰减器 七、光纤光栅 八、光锁相环与非线性光环镜NLOM
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概述
构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、 光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件， 如连接器、衰减器、隔离器、滤波器、分路器、 复用器、光开关和调制器等。
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接续点上的不连续现象
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由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式计算。 设玻璃的折射率为n1时，光功率的反射系数可用下式求 出：
r =[(n1 - n2 )/(n1 + n2)]2
例如:当 n1 ＝ 1.45， n2 ＝ 1，r＝ 3.4%时，即有14.7dB 的反射损耗。
在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要 的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径（MFD： Mode Field Diameter）一致。
MF型连接器用于隧 （通）道里敷设光缆 的缆间接续中，可以 对带状5芯光纤进行一 次性连接，由于体积 小，可以装在标准接 头盒内，实现光纤的 高密度接续，其结构 如图所示。
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二、光纤分路器及耦合器
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。
它们在系统中各起着光学连接、光功率分 配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、 隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通 信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用 的无源光器件的原理及性能。
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一、光纤的连接与光纤连接器
光纤连接器 fiber optic connector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用
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图c为8路传输型星型耦合器 图d为8路反射型星型耦合器
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光纤耦合器的指标有插入损耗、分光比与隔离度 （或方性）等。例如2×2定向耦合器插入损耗为：
L1,2 =10lg(P1,2 /(P 3+P 4)) (dB)
式中， P1,2 为从输入端1或2输入的光功率， P 3,P 4 为输出端3、4的输出功率。定向耦合器的分光比为输 出端的功率分配比，即