光器件 用途: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。 光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。 类型：无源、有源 无源主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光等 有源主要包括：激光器、光检测器、光放大器等 分类： 常用器件：光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、环行器、激光器、光调制器、光检测器 波分复用器件：光滤波器、光复用器、光解复用器、光放大器 光网络用器件：光开光 发展趋势： 集成化、全光纤化

第十章 常用光无源器件 10.1 光 纤 连 接 器 10.2 光纤耦合器 10.3 光 开 关

10.1 光 纤 连 接 器 10.1.1 光纤连接器的结构与种类 光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。

光纤连接器由三个部分组成的：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10.1所示。 图10.1 光纤活动连接器基本结构

1. 光纤连接器的结构 光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过，目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。

(1) 套管结构 (2) 双锥结构 (3) V形槽结构 套管结构的连接器由插针和套筒组成。 双锥结构连接器是利用锥面定位。 V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准，(如图10.3所示)。

图10.3 V形槽结构

(4) 球面定心结构 球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。 (5) 透镜耦合结构 透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，其结构分别如图10.5、图10.6所示。

图10.5 球透镜耦合结构 图10.6 自聚焦透镜耦合

连接器的类型——按接头外形分类 FC SC ST LC 用金属套，紧固方式为螺丝扣 日本NTT公司开发的光纤连接器。 其外壳呈矩形，紧固方式是采用插 拔销闩式，不需旋转，具有安装密 度高的特点。 SC 由AT＆T开发出来，是双锥型连接器。 ST 光纤连接器有一个直通和卡口式锁定机构。 ST 由Bell lab开发出来。采用操作方便的模块化插孔闩锁 机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、 FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中 连接器的密度。目前，在单模光纤方面，LC类型的连 接器实际已经占据了主导地位。 LC

10.1.2 光纤连接器特性 1. 插入损耗 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。 10.1.2 光纤连接器特性 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。 1. 插入损耗 插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为： Ac＝-10lgP1/P0(dB) 式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1为输出端的光功率。

2. 回波损耗 回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为： Ar＝-10lgPR/P0 (dB) 式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR表示后向反射光功率。

3. 重复性和互换性 重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。

10.2 光纤耦合器 光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。 耦合器的每个输入端的光功率被分配到所有输出端口 P1/N 10.2 光纤耦合器 光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。 耦合器的每个输入端的光功率被分配到所有输出端口 P1/N P1/N P1/N N×N 1×N

10.2.1 光纤耦合器的分类和应用 制作光耦合器可以有多种方法，大致可分为光纤型、微器件型、波导型等。 光纤耦合器 波导耦合器 衬底 SiO2 衬底

耦合器的应用 主要用途：功率分配 PASSIVE SPLITTER 光纤耦合器：熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构 波导耦合器：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 3

密集波分复用（DWDM） 光纤通信：损耗低、 距离远、容量大 增加容量：时分复用、空分复用 DWDM：光传输的划时代的革命 TX TX TX 1310 RPTR TX 1310 RPTR TX 1310 RPTR TX 1310 RPTR TX 1310 RPTR TX 1310 RPTR TX DWDM：光传输的划时代的革命 TX EDFA D W M 120 km

1、光纤型 图 10.8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

2×2 的光纤耦合器 1，2 2 1 直通臂 耦合臂 公共臂 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 P P1 P2 熔锥光纤型波分复用器结构和特性

熔融拉锥法的原理： 熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。

耦合光功率 耦合光功率P2跟以下参数有关： 拉伸区长度2L+W 拉伸区内逐渐变小的光纤半径r 耦合区中两根光纤的半径差Dr 直通功率 光输入 总拉伸长度 光约束在 纤芯中传播 光纤半径减小 V明显减小 部分光在 纤芯外传播 发生耦合 P3 P1 P2 P0 光输入 后向反(散)射光 直通功率 耦合功率 火焰宽度决定 拉伸时决定 耦合光功率P2跟以下参数有关： 拉伸区长度2L+W 拉伸区内逐渐变小的光纤半径r 耦合区中两根光纤的半径差Dr 4

2×2光纤耦合器内的光功率分布 假设耦合器无损耗 k 是耦合系数 被驱动光纤与驱动光纤相位相差90 度 两根光纤交替成为 驱动光纤 两个支路上的光总是保持Pi/2的相位差 50 : 50

例 2×2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 = 200 mW，另 外三个端口的输出功率分别为P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，P3 = 6.3 nW，可以求得为：

光纤耦合器的散射矩阵表示法 假设器件无损耗 e 为光功率从端口1到端口2的耦合比例 其中S为散射矩阵， sij = |sij|exp(jfij)为耦合系数 假设器件无损耗 e 为光功率从端口1到端口2的耦合比例 6

例 设e = 0.5，那么输出场Eout,1和Eout,2可以从输入场Ein,1和Ein,2 得到，此时的散射矩阵可以写成 令Ein,2 = 0，则有 那么可以得到两个端口的输出功率为 和

N×N 星型耦合器 多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器 11

级联的办法构造大规模光耦合器 由12个2×2耦合器组成的8×8星形耦合器 12

级联光耦合器的损耗 构成一个N×N耦合器所需3 dB耦合器的数量： 一个N×N星形耦合器附加损耗： 其中FT (0~1) 为通过每个3 dB耦合器的输出功率与输入功率比

2、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10.9所示。 图 10.9微器件型耦合器 (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

光 纤 透 镜 光 栅 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 衍射光栅型波分复用器结构示意图

棒 透 镜 光 纤 1 2 3 1 2 3 光 栅 1+ 2+ 3 1+ 2+ 3 采用棒透镜的光栅型WDM

光栅 光栅是材料中的一个周期性结构或周期性扰动。这种结构使光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性。这种特性可以使用光栅方程描述： 不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。

光纤光栅的产生 (1) 干涉法 干涉法是利用双光束干涉原理，将一束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。 (2) 相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。

外部写入法 紫外掩模写入法： 1. 用两束紫外光照射光纤并发生干涉 2. 掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加 3. 光栅永久写入光纤

光纤光栅应用——波长滤波器 l1 l2 … ln l2 … ln l1

光纤光栅的应用 光滤波器 光分插复用器 色散补偿器 传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变 窄带滤波器 Dt 光滤波器 光分插复用器 色散补偿器 传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变 温度6度的变化导致0.6 nm的中心波长的漂移

3、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10.10 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； 波导，是一种在微波或可见光波段中传输电磁波的装置，用于无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。根据工作频率的不同，它可以用导体或者电介质材料制造。

Mach-Zehnder Interferometer (MZI) 解/复用器 l1 l2 l1 l2

2×2 MZI解复用工作原理 如果在输入端的波长 满足bDL = kp (k为奇) 两个支路的光在上输 出端口相差2p的整数 倍，在下端口的光相 差p的整数倍，因此， 光最终从上端口输出 满足bDL = kp (k为耦) 那么光信号由下输出 端口输出 因此不同的波长可以 解复用到不同输出端 从端口1输出的光： 途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2 + bDL + p/2 b传播常数 从端口2输出的光： 途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2 + bDL - p/2 b：传播常数

2×2 MZI复用器 选择合适的波长，或者说当DL满足关系： 时，l1和l2可以被复用在一起。

多端口的MZI复用器

阵列波导光栅 图10.15 波导阵列光栅

基于相位阵列的WDM器件 相邻波导 长度差DL N×M M×N 阵列波导光栅 AWG是MZI的扩展 N×N

AWG应用 1. 复用解复用器 2. 波长路由选择开关 配合波长变换器可成为动态的波长路由选择器 n1和n2分别为星形耦合器和阵列波导的折射率 配合波长变换器可成为动态的波长路由选择器

10.2.2 光纤耦合器的特性 1. 插入损耗 插入损耗(Insertin Loss，IL)定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为 其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口测到的光功率值；Pin是输入端的光功率值。

2. 附加损耗 附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学表达式为 式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。

3. 分光比 分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为 例如对于标准X形耦合器，1∶1或50∶50代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。

4. 方向性（串扰） 方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：

式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。

5. 均匀性 均匀性就是衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为 式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。

6. 偏振相关损耗 偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360°变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：

在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。

7. 隔离度 隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着线路之间的“串话”小。其数学表达式为 式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输入功率值。

10.3 光 开 关 10.4.1 光开关的种类 1. 机械式光开关 机械式光开关是最传统的光开关，一种实用化的机械式多模光纤光开关的插入损耗小于1dB，开关时间小于1ms。 作用：代替手动光纤接线板，保护开关

(1) 微光机电系统光开关 微光机电系统光开关是微光机电系统技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关。 (2) 毛细管效应光开关 毛细管效应光开关是采用了电毛细管效应或热毛细管效应的光开关结构。 (3) 金属薄膜光开关 金属薄膜光开关使用了金属膜与无源波导相结合的构形，其结构如图10.23所示。

图10.23 使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构

2. 液晶光开关 液晶光开关是在硅衬底材料上制作出偏振光束分支波导，再把每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。 3. 热光效应光开关 热光效应光开关是利用加热光波导，改变光波导的折射率，引起主波导与需要的分支波导间的光耦合，从而实现光开/关的器件。

10.4.2 光开关的特性参数 1. 插入损耗 插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示： 10.4.2 光开关的特性参数 1. 插入损耗 插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示： 式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输出端接收的光功率。插入损耗与开关的状态有关。

2. 回波损耗 回波损耗(也称反射损耗或反射率)是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示： 式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输入端口接收到的返回光功率。回波损耗与开关的状态有关。

3. 隔离度 隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示。 式中：n、m为开关的两个隔离端口(n≠m) ；Pin是光从i端口输入时n端口的输出光功率，Pim是光从n端口输入时在m端口测得的光功率。

4. 远端串扰 5. 近端串扰 远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。 近端串扰是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。

6. 消光比 消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 式中：ILnm为n，m端口导通时的插入损耗；ILnm0为n，m端口非导通时的插入损耗。

7. 开关时间 开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。

作业 10.2，10.7