第4章：无源光器件

开关时间 通断消光比 插入损耗 串扰
Leabharlann Baidu

偏振依赖性
电光型光开关
直通状态
交叉状态
热光型光开关
多种光开关性能的比较
类型 规模 插损(dB) 串扰 偏振依赖性(dB) 开关时间 机械开关 8*8 3 35 0.2 10ms 热光开关 Si开关 8*8 10 15 低 2ms 聚合物开关 8*8 10 30 低 2ms 电光开关 LiNbO3 4*4 8 35 1 10ps SOA开关 4*4 0 40 低 1ns
干 涉 耦 合 较 容 易 10～ 100 角色散 容易 1～ 5
≤ -(15-45) 0.2～ 1.5 通 路 数 少 ≤ 25 6～ 11
4.5 光纤光栅
光纤布喇格光栅（FBG）

光纤存在光敏性，当受到蓝光或紫外激光的强烈照射时会永久地
改变光学特性，产生折射率沿光纤的长度作周期的改变，从而形 成纤芯内的布喇格光栅（Fiber Bragg Grating) 根据折射率纵向变化规律，光纤光栅可分为
第四章 无源光器件
本章内容

常见的无源光器件
活动光纤连接器 光纤定向耦合器 光波分去复用器件 光纤光栅 光开关和外调制器
4.1 常见的无源光器件
光纤通信系统中使用的器件

有源光器件

主动工作，必须外加能源 信号的产生、检测与放大

无源光器件

被动工作，无需能源
完成光纤的接续、隔离、信号合/分路、衰耗、复用 /解复用等功能
插入损耗 回波损耗 互换性

机械指标

振动
重复插拨

环境性能
4.3 光纤定向耦合器
光纤定向耦合器的功能和类型

功能

完成光的分路和合路 熔锥型 微元件型 集成光波导型

类型

熔锥型光纤耦合器

原理

两根波导靠得足够近时，一根波导内的能量将耦合进另一根波导中 耦合强度取决于波导内模式的分布情况、波导靠近区的长度及光波 的波数 k 等条件 熔融拉锥式结构是将两根或多根光纤扭绞在一起，用微火炬对耦合 部分加热，在熔融过程中拉伸光纤，形成双锥形耦合区 在双锥形区，各光纤的包层合并成同一包层，纤芯变细靠近，根据 靠近程度的不同，亦可形成弱耦合和强耦合
1 .0
功 率 耦 合 系 数
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0 1 .1 5 1 .2 5 1 .3 5 1 .4 5 1 .5 5
波 长 ( m )
马赫-曾德尔型波分去复用器
L1
1 2 3
… n
L2
1
2 3
… n
根据光纤耦合器的转移特性，精心选择 L1 和 L2 ，可使得 在第二个耦合器处上支路对 1 是相加干涉，而对其它波 长为相消干涉，从而实现分波

半永久连接


活动连接

活动光纤连接器

功能

完成光纤与光纤之间可拆卸（活动）的连接

基本要求

精密对接，以使连接时光能量损失最小

活动连接器损耗的两类原因

相互连接的两光纤的参数，如芯径、折射率指数等不匹配 光纤的耦合不完善、有缺陷

几种常见缺陷：

纵向间隙、横向位移、倾斜、端面不平整
对光纤连接器的基本要求
波分去复用器件的种类

波分去复用器件实质就是光滤波器
根据光滤波原理的不同，波分去复用器可分为

角色散型

反射光栅型 平面光波导型（AWG） 介质薄膜干涉型（DTF）

干涉反射型

光纤光栅型（FBG）
熔锥型 马赫-曾德尔型

干涉耦合型

反射光栅型波分去复用器
输出光纤 自聚焦棒透镜 光栅
大（疏） 光栅周期 小（密）
1> 2 > 3 > 4
1
2
3
4
线性Chirp 光纤光栅
去复用器 去复用器
复用器 复用器
EDFA
光纤 环行器
EDFA
4.6 光开关和外调制器
光开关器件

利用机械切换、电光/声光/磁光效应、电控光波导等实 现光通断、切换的器件，可实现光交换和光的外调制
有多种类型的光开关器件，它们的主要性能参数包括
去复用器之间的比较
器件类型 衍射光栅 型 DTF型 熔锥型 集成光波 导型 机理 角色散 干 涉 /吸 收 批量生 产 一般 一般 通路间 （ nm） 通路数 串音 （ dB） ≤ -30 ≤ -25 插入损耗 （ dB） 3～ 6 2～ 6 主要缺点 温度敏感 通路数较 少 插入损耗 大
0.5～ 10 4～ 131 1～ 100 2～ 32 2～ 6 4～ 32
输入光纤
光线
平面光波导型波分去复用器
输入/输出波导 输入 波导 输出 波导
x
Lf
平面 耦合 波导 阵列 波导
平面 耦合 波导
d 波片 阵列波导
DTF型波分去复用器
1~ 4 2
光纤
4
入射光
反射光
1 2 ... n
2 3... n
空气
G R IN 圆柱透镜
多层 介质 薄膜 衬底 透射光 1


透明 介质板
介质薄膜 带通滤波器
1
3
光纤光栅型波分去复用器
1 2 3
… n
折射率光栅
2 3
… n
1 1
FBG1
2
FBG2
3
FBG3
1 2 3 4
光纤 环行器
4
熔锥型波分去复用器件
输入光Pi 输出光P1
P1=cos2（KL） P2=sin2（KL）
熔融拉伸区
输出光P2
Eout 3 1 1 Eout 4 2 j
1 jt j (t / 2 ) e e j e jt 2 j (t ) 1 1 e j (t / 2 ) j (t ) e e 2





从上式可以看出，当时，输出光在端口3产生相加干涉，输出最强， 而同时在端口4产生相消干涉，输出为0；而当时，情况正好相反，端 口3输出为0，而端口4输出最强
微元件型光纤耦合器

使用微型半反镜实现光的分路和耦合
集成光波导型光纤耦合器

制作Y型或X型波导
分叉处波导结构突变，可视作此处存在一个新的激励 源，向两个分叉均辐射能量，形成能量耦合
常见的无源光器件

光纤连接器

活动连接、半永久连接和永久连接

光纤耦合器 光隔离器 光纤衰减器

固定衰减器及可变衰减器



光波分复用/去复用器 光纤光栅 光外调制器及光开关
光无源器件结构形式

体块型光无源器件

用分立元件组成，也称分立元件组合型 缺点：不能直接与光纤连接，而通过耦合元件，损耗较大； 全部用光纤作成 优点：体积小、重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰。直接接入 光纤线路，附加损耗很低； 用平面或带状介质光波导构成 优点：除具有全光纤型光无源器件的优点外，还特别适合于 集成化 几种结构：直波导、s型弯曲、y型分支、M-Z干涉仪、定向耦 合器、x型分支等。
光纤耦合器的指标



工作波长 分路端数 插入损耗 偏振相关性 附加损耗 分光比 方向性（回损）
技 术 参 数
工作波长：1310±20 1550±20nm 偏振相关损耗（MAX）：0.03 dB 方向性：70dB 温度稳定性：≤0.002 dB/℃ 工作温度：－40～+70℃
4.4 光波分去复用器件
15~25mm ），光纤可物理接触，从而可实现较大的 反射损耗，一般可达40dB以上

UPC：物理接触，插针端面为球面，曲率半径更小
（为10~15mm ） ，因而反射损耗较PC型更大，可达 50dB以上 APC：端面倾斜，角度一般为8，反射损耗可达60dB 以上

活动连接器的指标

光学指标



均匀周期光栅。其折射率变化周期保持不变，可对特定波长的光产 生很强的反射 线性啁啾光栅。其折射率周期线性变化，可对一段波长内的光产生

反射，且波长不同，等效反射点位置也不同

均匀周期光栅主要可用作窄带光学滤波器，线性啁啾光栅可作宽 带光学波滤器，还可作为光纤链路的色散补偿元件使用
线性啁啾光栅作色散补偿

声光调制


小结
小结

常用的无源光器件包括活动连接器、光衰减器、光隔离器/光环形
器、光波分复用器、光纤光栅、光开关/外调制器等 常用的光纤活动连接器包括FC型、ST型、SC型 常用的光纤方向耦合器是采用熔融拉伸法制成的 波分复用器主要有反射光栅型、集成光波导型、介质薄膜型、光 纤光栅型、熔锥型和马赫-曾德尔型等，其中，反射光栅型、 AWG、DTF和FBG在DWDM系统中有大量应用 线性啁啾光纤光栅可实现色散补偿 利用电光/磁光/声光效应可实现光波的外调制
其中，LiNbO3和SOA光开关的速率均非常快，可用作光外调制器使用
其它种类的外调制器

电光/磁光调制器

利用某些晶体在外加电场/磁场作用下，其偏振特性 发生变化的特点来实现调制 声波是纵波，作用于晶体上时可形成光栅，对光有 衍射作用，使用光波传播方向改变 使用光阑选出这样方向的光，则其强度随晶体上所 加声波的变化而变化，实现调制

插入损耗小
插拔方便 重复性好（指反复插拔适插入损耗变化小） 互换性好（指同类连接器互换连接插入损耗 变化小） 价格低廉

活动连接器的基本构成

套筒
插针体 光纤
常用活动光纤连接器
FC MT ST
LC SC
活动连接器的PC、UPC与APC
活动连接器的PC、UPC与APC

PC：物理接触，指插针端面为球面（球面曲率半径为
输出光P1

实现


输入光Pi
P1=cos2（KL） P2=sin2（KL）
熔融拉伸区
输出光P2
光纤耦合器的转移矩阵
1 2 耦合区 3 4
如图所示的3dB耦合 器，不考虑附加损耗 时，其转移矩阵为
1 1 H 2 j
j 1
当输入端口1、2输入频率为 ，相差为（2滞后， 范围0~2）的 光波时，端口3和4的输出信号电场强度为

全光纤型光无源器件


光波导型光无源器件


4.2 活动光纤连接器
光纤的连接

永久连接

光缆线路建设中使用，通常使用熔融法实现光纤的 永久连接 通常用于光纤线路的抢修，常用套管+匹配液+粘接 用于可能可能需要经常调整连接关系的地方，如端 设备与外部光缆线路。光纤的活动连接由活动连接 器实现