光无源器件的优化与应用

教学内容

(1)光无源器件的结构；

(2)光无源器件的原理及作用。

技能要求

(1)会正确记录光无源器件的主要参数；

(2)会识别光无源器件；

(3)会应用光无源器件。

任务描述

团队(4～6人)成员完成光无源器件的识别和测试。

任务分析

让学生完成光无源器件的品牌和参数记录，并完成光无源器件的识别(作用及应用)。

知识准备

光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。有源器件的内部存在着光电能量转换的过程，而没有该功能的则称为无源器件。无源器件可分为连接用的部件和功能性部件两类:连接用的部件有各种光连接器，用作光纤-光纤、光纤-部件(设备)，光纤或部件(设备)-部件(设备)之间的连接；功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，其主要用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。

光纤通信系统对无源器件的总体要求是规格标准、插入损耗小、可靠性高、重复性好、不易受外界影响等。

1.光纤连接器

光纤连接器俗称活动接头，国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU－T)建议将其定义为“用来稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。

光纤连接器主要用于实现系统中光纤(缆)与光纤(缆)、光纤(缆)与有源器件、光纤(缆)与无源器件、光纤(缆)与系统和仪表的非永久性固定连接等。光纤活动连接器有套管结构、双锥结构、Ⅴ形槽结构、球面定心结构和透镜耦合结构等。对光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面、套管的内孔进行精密加工，使两根光纤在套管中对接，从而确保两个光纤很好地在套管内对准，以实现两根光纤在套管内的活动连接。光纤连接头的结构示意如图3-20所示。

图3-20　光纤连接头的结构示意

光纤连接器的类型如图3-21所示。

图3-21　光纤连接器的类型

(a)FC型光纤连接器；(b)SC型光纤连接器；(c)LC型光纤连接器；(d)ST型光纤连接器

(1)FC型光纤连接器。这种连接器最早由日本NTT研制。FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早的FC型光纤连接器采用的陶瓷插针的对接端面采用平面接触方式。此类连接器结构简单、操作方便、制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，人们对该类型连接器作了改进，采用对接端面呈球面的插针，而外部结构没有改变，使插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。

(2)SC型光纤连接器。其是由日本NTT公司开发的光纤连接器。其外壳为矩形，所采用的插针和耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉、插拔操作方便、介入损耗波动小、抗压强度较高、安装密度高。

(3)LC型光纤连接器。LC型光纤连接器是著名的Bell研究所开发出来的，其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型、FC型等所用尺寸的一半，为1.25 mm。这样可以提高光纤配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模SFF方面，LC型光纤连接器已经占据了主导地位，在多模方面的应用也迅速增长。

(4)ST型光纤连接器。其常用于光纤配线架，外壳呈圆形，紧固方式为螺丝扣。

①光纤连接器的插针端面

光纤连接器的关键元件是插针与套筒。其曾经采用多种材料制作，如塑料、铜、不锈钢等，但均因其易变形、不耐磨损与光纤材料膨胀系数相差太大而导致光纤断裂等一系列问题不能解决而被放弃。目前，实用的插针与套筒材料采用氧化锆陶瓷，陶瓷所具有的性能足以克服上述材料的不足。装有光纤的陶瓷插针，其端面的形状与连接器件性能的优劣密切相关。

图3-22　目前应用的几种陶瓷插针端面示意

(a)FC型；(b)PC型；(c)APC型

目前应用的几种陶瓷插针端面示意如图3-22所示。光纤连接器的插针体端面在PC型球面研磨的基础上，根据球面研磨的不同，又产生了超级PC(SPC)型球面研磨和角度PC(APC)型球面研磨，PC、SPC和APC型端面连接器的插入损耗值都小于0.4 dB，回波损耗值分别小于－40 dB、－50 dH和－60 dB。SC型、ST型、FC型和D型单模光纤连接器产品的插针端面不同于球面研磨方式。

②光纤连接器的性能

光纤连接器的性能包括光学性能，互换性，重复性，抗拉强度，温度和插拔次数等。

(1)光学性能。光纤连接器的光学性能方面的要求，主要是插入损耗和回波损耗这两个最基本的参数。插入损耗(Insertion Loss)即连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。插入损耗越小越好，一般要求应不大于0.5 dB。回波损耗(Return Loss，Reflection Loss)是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不小于25 dB。实际应用的连接器，插针表面经过了专门的抛光处理，可以使回波损耗更大，一般不低于45 dB。

(2)互换性、重复性。光纤连接器是通用的无源器件，对于同一类型的光纤连接器，一般都可以任意组合使用，并可以重复多次使用，由此而导入的附加损耗一般都小于0.2 dB。

(3)抗拉强度。对于做好的光纤连接器，一般要求其抗拉强度应不低于90 N。

(4)温度。一般要求光纤连接器必须在－40℃～70℃的温度范围内才能够正常使用。

(5)插拔次数。目前使用的光纤连接器一般都可以插拔1 000次以上。

③光纤连接的要求

光纤连接必须满足以下几点要求:

(1)连接损耗小；

(2)连接损耗的稳定性好，在－20℃～60℃温度范围内变化时不应该有附加的损耗产生；

(3)具有足够的机械强度和使用寿命；

(4)接头体积小，密封性好；

(5)便于操作，易于放置和保护。

在光纤通信网络中，光端机所要求的光纤连接器的型号不尽相同，各种光纤测试仪器仪表(如OTDR、光功率计、光衰耗器)所要求的光纤连接器的型号也不尽相同。因此工程建设中需要考虑兼容性和统一型号的标准化问题。根据光路系统损耗的要求、光端机光接头的要求和光路维护、测试仪表的光接头要求，应综合考虑，合理选择光纤连接器的型号。

2.光衰减器

光衰减器是一种用来降低光功率的无源器件。其作用是当光通过该器件时，使光强达到一定程度的衰减，它主要用于调整光中继段的线路损耗、评价光系统的灵敏度和校正光功率计等。光衰减器通常是通过金属蒸发膜使光衰减，考虑到实际使用时要尽量减少从衰减器来的反射光，因此衰减膜和衰减器的透镜一般与光轴成倾斜状。

1)光衰减器的分类

按照光信号的衰减方式，光衰减器可分为固定光衰减器和可变光衰减器两种；按照光信号的传输方式，光衰减器可分为单模光衰减器和多模光衰减器。

(1)固定光衰减器吸收一部分光信号，产生衰减作用。在光线轴线上设置半透明的掺杂化合物即衰减膜。在一定的光带内，光在吸收带内被吸收，从而产生衰减。

(2)可变光衰减器带有光纤连接器，通常是分挡进行衰减的，通过改变金属蒸发膜的厚度来改变衰减量。它的衰减可达60 dB以上，精度达0.1 dB。

(3)可变光衰减器的结构及原理。当接收机输入的光功率超过某一范围或在测量光纤接收机灵敏度时都要用到光衰减器，其结构如图3-23所示。它主要由透镜和连续可调光衰减片等组成。其中光衰减片可调整旋转角度，通过改变反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小。

图3-23　光衰减器的结构

光纤输入的光经自聚焦透镜变成平行光束，平行光束经过光衰减片再送到自聚焦透镜耦合到输出光纤中去，光衰减片通常是表面蒸镀了金属吸收膜的玻璃基片，为减小反射光，光衰减片可以倾斜于光轴放置。

2)光衰减器的要求

光纤通信网络对光衰减器的主要要求有以下三点:

(1)插入损耗小、反射耦合低；

(2)符合使用的工作波长区域；

(3)体积小、质量轻。

3)光衰减器的应用及参数光衰减器的参数有衰减量、衰减精度和可使用的波长区域等。

数字可调光衰减器系列产品主要用于连续光信号功率的衰减。其采用国外先进高性能核心器件进行控制，功能齐全，这使它具有快速调节衰减值，其线性度好、精度高、插入损耗低、分辨率高，具有衰减定位等功能。其广泛适用于光缆施工与维护、光纤通信、光纤传感器、光纤CATV等领域。还有一种可同时提供1 310 nm和1 550 nm波长衰减的便携式可变光衰减器。它的设计便于操作，在60 dB的范围内可提供粗调和细调两种方式，同时能保持较小的插入及反射损耗。光衰减器适用于所有单模光纤，可用于电信网、局域网、视频系统和有线电视。下面介绍数字可调光衰减器。光衰减器的技术指标见表3-1。

表3-1　光衰减器的技术指标

3.光波分复用器

1)光波分复用器的定义及分类

WDM是Wavelength Division Multiplex的缩写，中文含义为“波分复用”。波分复用是指在一根光纤上使用不同的波长同时传送多路光波信号的一种技术。WDM应用于光纤信道。WDM和FDM(频分复用)基本上都基于相同的原理，所不同的是，WDM应用于光纤信道上的光波传输过程，而FDM应用于电模拟传输。

光分波器和光合波器是波分复用传输系统的关键器件。将多个光源不同波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的光器件称为光合波器；反之，将经同一根传输光纤送来的多个不同波长的信号分解为个别波长的信号并分别输出的光器件称为光分波器。有时同一器件既可以作为光分波器使用，又可以作为光合波器使用。通常光分波器或光合波器又称为波分复用器。

光波分复用器的主要类型有熔锥光纤型、介质膜干涉型、光栅型和波导型四种。

2)光波分复用器(光分波器和光合波器)的工作原理

在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用的方法来提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器(等效于光带通滤波器)将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波分复用。波分复用技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波频率(或波长)的不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用光波分复用器(合波器)将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一光波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作是互相独立的(不考虑光纤非线性时)，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现双向传输。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从两个至几十个不等，一般商用化是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。图3-24所示为光合波器和光分波器示意。波导型分支器见动画3-16。

动画3-16　波导型分支器

图3-24　光合波器和光分波器示意

3)光波分复用器的要求及参数

对光分波器和光合波器的主要要求为:复用信道多、插入损耗小、隔离度大、通带宽、带内平坦、带外插入损耗变化陡峭及体积小、工作稳定和价格便宜等。

光分波器和光合波器的主要特性参数有中心波长、中心波长工作范围、与中心波长对应的插入损耗、隔离度、回波损耗、反射系数、偏振相关损耗、偏振模色散。

插入损耗通常指光信号穿过光波分复用器的某一特定光通道所引入的功率损耗，是同一波长的信号功率通过光波分复用器后的功率损耗，通常插入损耗与中心波长对应，与中心波长对应的插入损耗越小越好。

隔离度也称为波长隔离度或通带间隔离度，或串扰，或串光，其是由某一规定波长输出端口所测得的另一不想要波长的光功率与该不想要波长输入光功率之比的对数，单位为dB。影响波长隔离度的主要因素有不理想的滤波特性、光源光谱的重叠、杂散光以及高功率应用时的光纤非线性效应。

回波损耗是从输入端口返回的光功率与同一个端口输入光功率之比的对数，单位为dB。

反射系数是对于给定条件的光谱组成、偏振和几何分布在给定端口的反射光功率与输入光功率之比的对数，单位为dB。

偏振相关损耗是指在所有的偏振态范围内由偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值，单位为dB。

4.光耦合器

在光纤通信系统或光纤测试中，经常会遇到从光纤的主传信道中取出一部分光用于检测、控制等，有时将两个方向的光信号合起来送入一根光纤中传输。(www.xing528.com)

光耦合器又称光定向耦合器(Directional Coupler)，它是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件。它们是依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作的。

光耦合器又称为光方向耦合器或光功率分支器，它是一种多根光纤之间或有源器件与光纤之间实现信号光功率传输的一种光无源器件。只要有光从主光纤进入分支光纤的器件，原则上都称为光耦合器。广义而言，光分波器和光合波器具有波长选择功能，也属于光耦合器。

光耦合器的分类见表3-2。

表3-2　光耦合器的分类

1)光耦合器的结构与原理

动画3-17　光耦合器

单模光纤耦合器的基本结构示意如图3-25所示。下面介绍2×2单模光纤耦合器的原理，按应用目的可分别制成分路器和光波分复用器，前者工作于一个波长，而后者则工作于两个不同的波长。当工作于一个波长时，光源接于端口1(或4)，光功率除了传输到端口2(或3)外，也耦合到端口3(或2)。几乎没有光功率从端口1(或4)耦合到端口4(或1)。另外系统是可互易的，端口1、4可以与端口2、3交换。光耦合器见动画3-17。

图3-25　单模光纤耦合器的基本结构示意

典型的光耦合器的结构示意如图3-26所示。

图3-26　典型的光耦合器的结构示意

(a)光分路器(3端口)；(b)光合路器(3端口)；(c)光耦合器(4端口)；(d)M×N星型光耦合器分路器(多端口)；(e)光分波器；(f)光合波器

2)光耦合器的特性

光耦合器的主要性能指标包括工作波长范围、插入损耗、分光比和反向隔离度等。

(1)工作波长(λ0)。工作波长通常取1.31μm或1.55μm。

(2)插入损耗(α)。工作波长插入损耗表示光耦合衰耗的大小，其是指全部输入端口光功率与全部输出端口光功率的减小值，单位为dB。其计算式为

(3)分光比(T)。分光比是指各输出端口的光功率比。如从端口1输入光功率，从端口2和端口3输出光功率，则分光比为

(4)反向隔离度。反向隔离度也称串扰，隔离度高表示线路之间的串扰小。它表示输入功率出现在不希望的输出端的多少。对于2×2光耦合器，由端口1输入光信号功率为P1，应从端口2和端口3输出，端口4应该无光信号输出。实际端口4有少量的光信号功率输出(P4)，则端口1输入光功率与端口4输出光功率之比的分贝值即端口1和端口4的隔离度。其表达式为

5.光隔离器

光隔离器是保证光信号只能正向传输的光无源器件，可避免光通路中由于种种原因而产生的反射光再次进入光源。若光源光通路中由于种种原因产生了反射光再次进入光源，则其会使光源工作不稳定，并影响其特性。进入光源的反射光主要使光源输出的光波长发生变化并产生附加噪声。光纤通信系统中的很多光器件，如激光器和光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器的发射光非常敏感，发射光将导致它们的性能恶化。例如，半导体激光器的线宽会受反射光的影响而展宽或压缩，因此要在靠近这种光器件的输出端放置隔离器。

1)光隔离器的组成、工作原理及分类

(1)光隔离器的组成。光隔离器主要由起偏器、旋光器(法拉第旋转器)和检偏器三部分组成。起偏器的特点是当入射光进入起偏器时，使输出光束变成某一形式的偏振光。起偏器有一个透光轴，当光的偏正方向与透光轴完全一致时，则光全部通过。旋光器由旋光材料和套在外面的电线圈组成。其作用是借助磁光效应，使通过它的光的偏振状态发生一定程度的旋转。

动画3-18　光隔离器的原理

(2)光隔离器的工作原理。起偏器和检偏器的透光轴成45°角，旋光器使通过它的光发生45°的旋转，当垂直偏振光入射时，由于该光与起偏器透光轴的方向一致，所以全部通过，经旋光器后其透光轴被旋转45°角，恰好与检偏器的透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现，能反向进入光隔离器的只有与检偏器透光轴一致的那部分光，这部分光经旋光器后其透光轴被旋转45°角，恰好与检偏器的透光轴垂直，所以光隔离器能够阻止反射光通过。光隔离器是一种非互易的光器件，它允许正方向传播的光通过，不允许反方向传播的光通过。光隔离器的原理见动画3-18。

(3)光隔离器的分类。光隔离器按结构可分为块型、光纤型和波导型三类；按照制作原理可分为三类，即光纤型光隔离器、波导型光隔离器和微光学型光隔离器，其中微光学型光隔离器又分为偏振相关型光隔离器(即微型)和偏振无关型光隔离器(即在线式)。

2)光隔离器的性能指标

光隔离器的主要性能指标包括正向插入损耗、反向隔离度、偏振相关损耗及回波反射值等。

正向入射光的插入损耗应越小越好；反向发射光的隔离度应越大越好；偏振相关损耗及回波反射值也应越小越好。

6.光开关

光开关是使在光纤或光波导通路中传播的光信号断、通，或者进行路由转换的一种光器件，在系统保护、系统调量、系统监测及全光交换技术中具有重要的应用价值。它具有调制、多分路和转换功能。

1)光开关的分类、组成和原理

光开关有两类，一类是机械式，如图3-27所示；另一类是非机械式，如图3-28所示。从转换速度来讲，机械式光开关达到了毫秒级，而电光效应式光开关已实现了18 GHz的调制，超过LD直接调制的极限，可以实现超高速转换(约60 ps)。机械式光开关串音小、插入损耗低、技术成熟，但开关速度低、不易集成；而非机械式光开关的开关速度快、易于集成、可靠性高，但串音和插入损耗相对较大。

图3-27　机械式光开关的组成示意

图3-28　非机械式光开关的组成示意

光开关的类型与原理见表3-3。

表3-3　光开关的类型与原理

如图3-27所示，机械式光开关的机械驱动机构带动活动光纤，使活动光纤根据要求分别与光纤A或B连接，实现光路的切换。

如图3-28所示，非机械式光开关由光纤、自聚焦透镜、起偏器、极化旋转器和检偏器组成。把偏压加在极化旋转器上，使经起偏器而来的偏振光产生极化旋转，实现通光状态；如极化旋转器不工作，则起偏器和检偏器的极化方向彼此垂直，为断光状态。

2)光开关的性能参数

按照输入/输出端口的数量，光开关通常是1×N型或N×1型，也可以是M×N阵列型。目前在光纤通信系统中，光开关主要用于主/备用系统之间的光路倒换保护，通常是1×N型或N×1型。光开关的主要性能参数有插入损耗、开关响应转换速度、串音和消光比。具体定义见表3-4。例如，机械式光开关产品的插入损耗小于0.5 dB，串音小于－50 dB，重复性损耗偏差小于0.1 dB。

表3-4　光开关的性能指标

光纤通信系统的测试参数在不同场合，有些是必测的，有些可以根据需要选测。这些不同的场合有:科研开发过程、生产过程、出厂验收、工程安装过程及维护使用过程。但对国防科研试验工程技术而言，光纤通信系统的测试主要可分为出厂测试、工程安装调测、竣工验收和日常维护测试4大类。测试项目内容包括光接口测试、电接口测试、抖动和漂移测试、误码测试、定时同步与时钟测试、保护倒技测试、环回功能测试、开销和维护信号测试以及网络管理性能测试。

任务实施

1.任务器材

光源、光功率计、光衰减器、光分波器(1∶4)、光纤连接器、光波分复用器、放大器、抽纸和笔。

2.任务

1)光纤连接器的识别

将各种光纤连接器(FC、SC、LC、ST)和法兰盘放置在实验桌上，由学生结合理论知识，区分出光纤连接器，并说明各种光纤连接器的结构、特点及应用场合。

团队设计法兰盘的损耗测试方案(测试框图、数据表格设计)。

2)其他光无源器件的识别

将各种光无源器件放置在实验桌上，由学生结合理论知识，区分出光无源器件，并说明各种器件的结构、特点及应用场合。

3)光衰减器

团队完成光衰减器的原理、特点及应用陈述(记录数据)，并测量光衰减器的衰减量，如图3-29所示。根据光衰减器的连续和步进的类型进行数据记录。求出光衰减器的损耗量(多次去平均值)。

图3-29　光衰减器测试框图

4)光波分复用器

团队完成光波分复用器的原理叙述，并设计光波分复用器的应用框图。

5)放大器

团队设计测试框图，测试放大器的放大倍数，测试框图依据图3-29设计，更换光无源器件，完成测试数据的记录和整理。

任务总结(拓展)

完成光隔离器、光分波器、光耦合器的插入损耗测试设计。