1、 插入损耗指的是无源器件的输入和输出插入损耗指的是无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，一般以分贝为单位，端口之间的光功率之比，一般以分贝为单位，定义为定义为 （6-1）其中其中,P P0 0指的是发送到输入端口的光功率，指的是发送到输入端口的光功率，P P1 1指的是从输出端口接收到的光功率。指的是从输出端口接收到的光功率。1010log()pILp 回波损耗指的是从无源器件的输入端回波损耗指的是从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比例，定口返回的光功率与输入光功率的比例，定义为义为 （6-2）其中，其中，P0是发送进输入端口的光功率，是发送进输入端口的光功率，Pr指的是从同一
2、个输入端口接收到的返回指的是从同一个输入端口接收到的返回的光功率。的光功率。r0-10log()pRLp反射系数指的是对于给定的光谱组成、反射系数指的是对于给定的光谱组成、偏振的几何分布，在器件的给定端口的反偏振的几何分布，在器件的给定端口的反射光功率射光功率P Pr r与入射光功率与入射光功率P P0 0之比，通常用之比，通常用dB表示：表示：（6-3）r010 log()pRp 器件能够按照规定的性能工作的从最器件能够按照规定的性能工作的从最小波长（小波长（min）到最大波长（）到最大波长（max）的范围，）的范围，是标称工作波长范围。是标称工作波长范围。偏振相关损耗指的是对于所有的偏振偏
3、振相关损耗指的是对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值。最大变化值。在无源器件中，隔离度表示的是由应在无源器件中，隔离度表示的是由应该被阻断的光路中输出的光功率与输入光该被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比，通常用功率之比，通常用dB表示：表示：（6-4）block0log(/)ISpp 光连接器的功能是将两根光纤连接起来，光连接器的功能是将两根光纤连接起来，与高温熔融连接两根光纤不同，这是一种可以与高温熔融连接两根光纤不同，这是一种可以拆装式连接。光连接器可以有多种安装结构，拆装式连接。光连接器可以有多种安装结构，如如FC/PC
4、型、型、APC型、型、ST型、型、SC型等。光连接型等。光连接器基本都是由插头和插座组成，在插头内精密器基本都是由插头和插座组成，在插头内精密安装一个插针，光纤就固定在插针中。安装一个插针，光纤就固定在插针中。影响光连接器的插入损耗的因素影响光连接器的插入损耗的因素:l被连接的两根光纤是否匹配，即两根单被连接的两根光纤是否匹配，即两根单模光纤的模场分布是否匹配，或两根多模模光纤的模场分布是否匹配，或两根多模光纤的芯径和折射率分布是否相同，被连光纤的芯径和折射率分布是否相同，被连接的两根光纤性能参数的离散性必然导致接的两根光纤性能参数的离散性必然导致插入损耗的增加；插入损耗的增加；l安装的精度，
5、如下图安装的精度，如下图6.1所示，两根光纤所示，两根光纤横向的错位、纵向的分离（两根光纤中间横向的错位、纵向的分离（两根光纤中间有间隙）和光纤的倾斜都会增加插入损耗。有间隙）和光纤的倾斜都会增加插入损耗。图图6.1 光连接器插入损耗的产生光连接器插入损耗的产生 尽管连接的两根光纤的端面经过研磨抛尽管连接的两根光纤的端面经过研磨抛光，但连接后它们之间总会有间隙，光在端光，但连接后它们之间总会有间隙，光在端面处会发生反射。反射不仅增加了连接器的面处会发生反射。反射不仅增加了连接器的损耗。而且若反射光回馈到激光器，会严重损耗。而且若反射光回馈到激光器，会严重扰乱激光器谐振腔的正常工作。为了减少光扰
6、乱激光器谐振腔的正常工作。为了减少光的反射，可以采用斜面结构。如图的反射，可以采用斜面结构。如图6.2所示。所示。图图6.2 斜面型光连接器（斜面型光连接器（APC型）型）（1）光纤连接损耗）光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部损耗又称为机械对准误差或连接错位外部损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义是由于光纤之间的连接损耗，它顾名思义是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称为与光纤错位引起的损耗。内部损耗又称为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗。连接错位性
7、和几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情况：轴向位移、连接间一般有以下几种情况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。这些损耗如隔、倾斜位移、截面不平整。这些损耗如图图6.3所示。所示。图图6.3 光纤错位连接损耗光纤错位连接损耗(a)轴向位移；轴向位移；(b)连接间隔；连接间隔；(c)倾斜错位倾斜错位;(d)截面不平整截面不平整 轴向位移即两根光纤连接处有轴向错位。轴向位移即两根光纤连接处有轴向错位。其耦合损耗在零点几分贝到几个分贝之间，若其耦合损耗在零点几分贝到几个分贝之间，若错位距离小于光纤直径的错位距离小于光纤直径的5%，则损耗一般可以，则损耗一般可以忽略不计。连接间隔有
8、时又称端分离。如果两忽略不计。连接间隔有时又称端分离。如果两根光纤直接对接，则必须接触在一起，光纤分根光纤直接对接，则必须接触在一起，光纤分得越开，光的损耗越大。如果两根光纤通过连得越开，光的损耗越大。如果两根光纤通过连接器相连，则不必接触，因为在连接器接触产接器相连，则不必接触，因为在连接器接触产生的相互摩擦会损坏光纤。生的相互摩擦会损坏光纤。倾斜错位有时称为角错位。若角错位小于倾斜错位有时称为角错位。若角错位小于2，则耦合损耗不会超过，则耦合损耗不会超过0.5 dB。截面不平整。截面不平整。光纤连接的两个截面必须经过高精度抛光和正光纤连接的两个截面必须经过高精度抛光和正面粘合。如果截面与垂
9、直面的夹角小于面粘合。如果截面与垂直面的夹角小于3，则，则耦合损耗不会超过耦合损耗不会超过0.5 dB。除了错位连接之外，任何相连的光纤的除了错位连接之外，任何相连的光纤的几何特性和波导特性的差异对光纤间的耦合几何特性和波导特性的差异对光纤间的耦合损耗都有大的影响。这些特性包括纤芯的直损耗都有大的影响。这些特性包括纤芯的直径、纤芯区域的椭圆度、光纤的数值孔径、径、纤芯区域的椭圆度、光纤的数值孔径、折射率剖面等。由于这些参数与生产厂家相折射率剖面等。由于这些参数与生产厂家相关，因而使用者不能控制特性的变化。理论关，因而使用者不能控制特性的变化。理论结果表明，与折射率剖面、纤芯区域的椭圆结果表明，
10、与折射率剖面、纤芯区域的椭圆度相比，纤芯的直径和数值孔径的差异对连度相比，纤芯的直径和数值孔径的差异对连接损耗的影响更大。图接损耗的影响更大。图6.4（a）、（）、（b）、）、（c）给出了由纤芯直径、）给出了由纤芯直径、数值孔径和模场数值孔径和模场直径失配所引起的损耗的示意图。直径失配所引起的损耗的示意图。图图6.4 内部连接损耗内部连接损耗(a)D21;(b)NA1NA2;(c)MFD1MFD2（2 2）光纤连接方法）光纤连接方法 光纤连接是指两根光纤之间的永久或半光纤连接是指两根光纤之间的永久或半永久连接，它的典型应用在于建立一个很长永久连接，它的典型应用在于建立一个很长的光链路，或者用在
11、不需要经常连接和断开的光链路，或者用在不需要经常连接和断开光纤的情况中。为了实施和计算这样的连接，光纤的情况中。为了实施和计算这样的连接，必须考虑的因素有两根光纤的几何差异、光必须考虑的因素有两根光纤的几何差异、光纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。这里介绍光纤通信中常用的连接方法。这里介绍光纤通信中常用的连接方法。光纤连接方法包括光纤熔接法、光纤连接方法包括光纤熔接法、V型槽型槽机械连接和弹性管连接。第一种方法可产生机械连接和弹性管连接。第一种方法可产生永久性的连接，而后两种连接方法在需要时永久性的连接，而后两种连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。
12、可以将已连接的光纤拆开。光纤熔接是通过加热的方法使已制备好的光纤熔接是通过加热的方法使已制备好的光纤端面连接在一起，如图光纤端面连接在一起，如图6.5所示。这种方所示。这种方法首先将光纤端面对齐，并且对接在一起，该法首先将光纤端面对齐，并且对接在一起，该过程是在一个槽状光纤固定器里、在带有微型过程是在一个槽状光纤固定器里、在带有微型控制器的显微镜之下完成的。然后在两根光纤控制器的显微镜之下完成的。然后在两根光纤的连接处，使用电弧或激光脉冲加热，使光纤的连接处，使用电弧或激光脉冲加热，使光纤头尾端被熔化，进而连接在一起。这种技术产头尾端被熔化，进而连接在一起。这种技术产生非常小的连接损耗（典型的
13、平均值小于生非常小的连接损耗（典型的平均值小于0.06 dB）。但是，在采用这种连接方法时必须注。但是，在采用这种连接方法时必须注意到，由于用手接触时产生的光纤表面损伤、意到，由于用手接触时产生的光纤表面损伤、加热时引起的表面损伤加深、光纤连接处附近加热时引起的表面损伤加深、光纤连接处附近的残余应力等都会在光纤介质熔化时导致化学的残余应力等都会在光纤介质熔化时导致化学成分的变化，从而产生不牢固的连接。成分的变化，从而产生不牢固的连接。图图6.5 光纤的熔接光纤的熔接 在在V型槽机械连接方法中，首先要将预型槽机械连接方法中，首先要将预备好的光纤端面紧靠在一起，如图备好的光纤端面紧靠在一起，如图6
14、.6所示。所示。然后将两根光纤使用粘合剂连接在一起或先然后将两根光纤使用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。用盖片将两根光纤固定。V型通道既可以是型通道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成槽状。这种方法的连接损耗在很大程度作成槽状。这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤的尺寸（外尺寸和纤芯直径）上取决于光纤的尺寸（外尺寸和纤芯直径）变化和偏心度（纤芯相对于光纤中心的位变化和偏心度（纤芯相对于光纤中心的位置）。置）。图图6.6 V型槽机械连接型槽机械连接 图图6.7所示为弹性管连接装置的剖面图。所示为弹性管连接装置的剖面图。这是一种可以
15、自动进行横向、纵向、角度这是一种可以自动进行横向、纵向、角度对准的独特器件。使用它连接多模光纤可对准的独特器件。使用它连接多模光纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗，但它所需要的设备和技巧却要少得损耗，但它所需要的设备和技巧却要少得多。这种连接器件基本上就是一根用弹性多。这种连接器件基本上就是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小于待连接的光纤。在孔的两端做成圆锥形于待连接的光纤。在孔的两端做成圆锥形以便于光纤插入。当插入光纤时，光以便于光纤插入。当插入光纤时，光纤使纤使孔膨胀，于是塑料材料对光纤施加均匀的
16、孔膨胀，于是塑料材料对光纤施加均匀的力。力。这种对称特征让两根待连接光纤的轴自这种对称特征让两根待连接光纤的轴自动准确地对齐。尺寸范围较宽的光纤都能够动准确地对齐。尺寸范围较宽的光纤都能够插入弹性管中。由于每一根光纤在插入到弹插入弹性管中。由于每一根光纤在插入到弹性管中时，其各自位置与弹性管管轴相关，性管中时，其各自位置与弹性管管轴相关，因此两根待连接的光纤在尺寸上并不一定要因此两根待连接的光纤在尺寸上并不一定要相等。相等。图图6.7 弹性管连接弹性管连接（3 3）常用的几种连接器）常用的几种连接器 光纤连接器常采用螺丝卡口、卡销固定、光纤连接器常采用螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结构。这三种
17、结构都包括单通道推拉式三种结构。这三种结构都包括单通道连接器和既可应用于光缆对光缆，也可用于连接器和既可应用于光缆对光缆，也可用于光缆对线路卡连接的多通道器。这些连接器光缆对线路卡连接的多通道器。这些连接器利用的基本耦合机理既可以是对接类型，也利用的基本耦合机理既可以是对接类型，也可以是扩展光束类型。可以是扩展光束类型。对接类型的连接器采用金属、陶瓷或模对接类型的连接器采用金属、陶瓷或模制塑料的套圈，这些套圈可以很好地适配每制塑料的套圈，这些套圈可以很好地适配每根光纤和精密套管。将光纤涂上环氧树脂后根光纤和精密套管。将光纤涂上环氧树脂后插入套圈内的精密孔中。套圈连接器对机械插入套圈内的精密孔中
18、。套圈连接器对机械结构的要求包括小孔直径尺寸以及小孔相对结构的要求包括小孔直径尺寸以及小孔相对于套圈外表面的位置。于套圈外表面的位置。图图6.8给出了用于单模光纤和多模光纤给出了用于单模光纤和多模光纤系统中的两种常用对接类型的对准设计，系统中的两种常用对接类型的对准设计，它们分别采用直套筒和锥形（双锥形）套它们分别采用直套筒和锥形（双锥形）套筒结构。在直套筒连接器中，套圈中的套筒结构。在直套筒连接器中，套圈中的套管和引导环的长度决定了光纤的端面间距。管和引导环的长度决定了光纤的端面间距。而双锥形的连接器使用了锥形套筒以便接而双锥形的连接器使用了锥形套筒以便接纳和引导锥形套管。类似地，筒中的套管
19、纳和引导锥形套管。类似地，筒中的套管和引导环的长度同样也使光纤的端面保持和引导环的长度同样也使光纤的端面保持给定的间距。给定的间距。图图6.8 常用光纤连接器的对准方案示意图常用光纤连接器的对准方案示意图(a)(a)直套筒；直套筒；(b)(b)锥形套筒；锥形套筒；(c)(c)扩展光束扩展光束 扩展光束类型的连接器在光纤的端面之扩展光束类型的连接器在光纤的端面之间加进透镜，如图间加进透镜，如图6.8（c）所示。这些透镜所示。这些透镜既可以准直从传输光纤出射的光，也可以将既可以准直从传输光纤出射的光，也可以将扩展光束聚焦到接收光纤的纤芯处，光纤到扩展光束聚焦到接收光纤的纤芯处，光纤到透镜的距离等于
20、透镜的焦距。这种结构的优透镜的距离等于透镜的焦距。这种结构的优点是由于准直了光束，因此在连接器的光纤点是由于准直了光束，因此在连接器的光纤端面间就可以保持一定的距离，这样连接器端面间就可以保持一定的距离，这样连接器的精度将较少地受横向对准误差的影响。而的精度将较少地受横向对准误差的影响。而且，一些光处理元件，诸如分束器和光开关且，一些光处理元件，诸如分束器和光开关等，也能很容易地插入到光纤端面间的扩展等，也能很容易地插入到光纤端面间的扩展光束中。光束中。连接器的主要特性如下：连接器的主要特性如下：1）插入损耗）插入损耗 连接器的一个最重要的性能参数是插入连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。
21、正如前面所讨论的，存在各种可能的损耗。正如前面所讨论的，存在各种可能的原因引起光的损耗。为了减小插入损耗，可原因引起光的损耗。为了减小插入损耗，可使用三种方法。第一种方法是使用保护套来使用三种方法。第一种方法是使用保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。第二种方法是将加固件（例如芳香族聚酰胺）第二种方法是将加固件（例如芳香族聚酰胺）与连接器连接在一起，浙样就释放了光纤自与连接器连接在一起，浙样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就是用插针体来保护身的张力。第三种方法就是用插针体来保护裸光纤。裸光纤。插入损耗是由制造商以如下的两个数插入损耗是由制造商以如
22、下的两个数值提供的：平均值和最大值。一般的连接值提供的：平均值和最大值。一般的连接器平均损耗大约为器平均损耗大约为0.25 dB，这个数值可以，这个数值可以在在0.11 dB之间浮动。最大损耗大约为之间浮动。最大损耗大约为0.5 dB，变化范围在，变化范围在0.31.5 dB之间。之间。2 2）回波损耗（简称回损）回波损耗（简称回损）对连接器来说，回波损耗的问题起源对连接器来说，回波损耗的问题起源于一个简单的矛盾现象：为了最小化插入于一个简单的矛盾现象：为了最小化插入损耗，需要尽可能地将光纤端面抛光，而损耗，需要尽可能地将光纤端面抛光，而抛光的端面对光的反射增强，这样回波损抛光的端面对光的反射
23、增强，这样回波损耗就产生了。耗就产生了。回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为此安装人员提出了有效的解决方法：将两个连此安装人员提出了有效的解决方法：将两个连接器通过物理接触（接器通过物理接触（PC）来减小它们之间的来减小它们之间的空气缝隙。现在多数连接器都是利用这种方法空气缝隙。现在多数连接器都是利用这种方法安装的。由于制造完美的平面来实现理想的物安装的。由于制造完美的平面来实现理想的物理接触是不可能的，因此制造商将插针体的端理接触是不可能的，因此制造商将插针体的端面做成不同的形状，如圆弧形等。面做成不同的形状，如圆弧形等。为了提高物理接触的效果就必须减少为
24、了提高物理接触的效果就必须减少接触面积，接触面积，因为小面积的质量可以更加有因为小面积的质量可以更加有效地控制。抛光方法的提高使得制造商可效地控制。抛光方法的提高使得制造商可以将以将PCPC连接器的回波损耗从几年前的连接器的回波损耗从几年前的-40 dB减小到如今的减小到如今的-55 dB，同时，同时，也将平也将平均插入损耗限制在可接受的均插入损耗限制在可接受的0.2 dB以内。以内。3 3）可重复性（耐用性）可重复性（耐用性）连接器是作为临时连接使用的，应在连接器是作为临时连接使用的，应在多次插拔之后仍保持它们的特性。所以可多次插拔之后仍保持它们的特性。所以可重复性是连接器的一个重要特性。资
25、料表重复性是连接器的一个重要特性。资料表明，连接器在多次插拔之后其插入损耗将明，连接器在多次插拔之后其插入损耗将增加，通常增加，通常5000次插拔之后增加量应小于次插拔之后增加量应小于0.2 dB。光通信中经常需要把多个光信号耦合到光通信中经常需要把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合器可以实现这些功能。图器可以实现这些功能。图6.9所示是简单的所示是简单的2 2和和1 2光耦合器（光耦合器（Y型分路器）。以型分路器）。以2 2耦合耦合器为例，端口器为例，端口1（或端口（或端口4）输入的光信号可）输入的光信号可以按原设计的功率分配比例耦合
26、到端口以按原设计的功率分配比例耦合到端口2和端和端口口3输出，端口输出，端口1和端口和端口4输入的光还可以耦合输入的光还可以耦合在一起，并按一定的比例从端口在一起，并按一定的比例从端口2和端口和端口3输输出。反之，从端口出。反之，从端口2和端口和端口3输入的光信号也输入的光信号也可以从端口可以从端口1和端口和端口4输出。输出。图图6.9简单的耦合器简单的耦合器 常用的制造光耦合器的方法有研磨抛光法、常用的制造光耦合器的方法有研磨抛光法、熔融拉锥法和平面波导法。用研磨抛光法制造熔融拉锥法和平面波导法。用研磨抛光法制造耦合器时，先将去除包层的裸光纤埋入带有特耦合器时，先将去除包层的裸光纤埋入带有特
27、定弧形槽的石英玻璃中，在进行光学研磨、抛定弧形槽的石英玻璃中，在进行光学研磨、抛光，去除一部分包层，然后将两根经过研磨的光，去除一部分包层，然后将两根经过研磨的光线拼接在一起（见图光线拼接在一起（见图6.10（a），利用被），利用被研磨部分的光场相互耦合，从而构成光耦合器。研磨部分的光场相互耦合，从而构成光耦合器。耦合强度与研磨的深度有关，若研磨没有触及耦合强度与研磨的深度有关，若研磨没有触及到纤芯，属于弱耦合，主要靠纤芯和包层界面到纤芯，属于弱耦合，主要靠纤芯和包层界面上的消逝波发生耦合；若研磨进入纤芯中，上的消逝波发生耦合；若研磨进入纤芯中，纤芯中的光场将发生强耦合。纤芯中的光场将发生强耦
28、合。图图6.10 研磨抛光制作法研磨抛光制作法 用熔融拉锥法制造光耦合器时，先将两用熔融拉锥法制造光耦合器时，先将两根或多根光纤扭绞在一起，用高温火焰对扭根或多根光纤扭绞在一起，用高温火焰对扭绞区局部加热使其熔融，并在熔融过程中使绞区局部加热使其熔融，并在熔融过程中使其拉伸，形成双锥形耦合区，如图其拉伸，形成双锥形耦合区，如图6.10（b）所示。由于被拉伸的部分光纤芯径变细，使所示。由于被拉伸的部分光纤芯径变细，使更多的光场在纤芯外传输而耦合进另一光纤更多的光场在纤芯外传输而耦合进另一光纤中。假设耦合器是无附加损耗的，输入到一中。假设耦合器是无附加损耗的，输入到一根光纤中的光功率是根光纤中的光
29、功率是p p0 0，根据耦合模理论，根据耦合模理论，耦合到另一根光纤中的功率为耦合到另一根光纤中的功率为 （6-5）220sin()ppz 根据功率守恒，第一根光纤中的输出功根据功率守恒，第一根光纤中的输出功率为：率为：（6-6）是耦合系数，与两根光纤耦合区的长是耦合系数，与两根光纤耦合区的长度、耦合区两根光纤的半径比及光波长有关。度、耦合区两根光纤的半径比及光波长有关。通常用分光比表示耦合器输出端口之间光功通常用分光比表示耦合器输出端口之间光功率分配比例，表示为率分配比例，表示为 （6-7）210cos()ppz212=100%ppp分光比 若在两根输出光纤中光功率相等，则称这若在两根输出光
30、纤中光功率相等，则称这种耦合器为种耦合器为3dB耦合器。耦合器。3dB耦合器的分光比耦合器的分光比为为50:50，但两个输出端口的光有，但两个输出端口的光有的相对相的相对相位差，即耦合到另一光纤的输出光与沿直通输位差，即耦合到另一光纤的输出光与沿直通输出方向的光相比存在出方向的光相比存在的相位滞后。的相位滞后。利用式（利用式（6-5）、（）、（6-6）给出的关系，可）给出的关系，可以通过适当的设计将耦合器结构用于两路波分以通过适当的设计将耦合器结构用于两路波分解复用。假设从端口解复用。假设从端口1 1输入输入 1 1和和 2 2的信号光，的信号光，由于耦合系数与光波长有关，而由于耦合系数与光波
31、长有关，而 1 1和和 2 2的波长的波长间隔又较大，适当的设计耦合情况可以实现对间隔又较大，适当的设计耦合情况可以实现对 1 1波长，满足波长，满足,1,2,3,zmm对于对于 2 2波长，满足波长，满足 （6-8）则此耦合器将对波长有选择作用，波长为则此耦合器将对波长有选择作用，波长为 1 1的光信号全部直通过去从端口的光信号全部直通过去从端口2输出，波长输出，波长为为 2 2的光信号全部耦合到另一光纤中，从端的光信号全部耦合到另一光纤中，从端口口3输出，起到波分解复用的作用。输出，起到波分解复用的作用。由于熔融拉锥型耦合器中锥形变化缓慢，由于熔融拉锥型耦合器中锥形变化缓慢，反射光可以忽略
32、，所以也称为方向耦合器。反射光可以忽略，所以也称为方向耦合器。将多根光纤熔融拉锥制成的耦合器称为星形将多根光纤熔融拉锥制成的耦合器称为星形耦合器，如图耦合器，如图6.11所示。用熔融拉锥法制作所示。用熔融拉锥法制作耦合器成本低，器件的性能稳定，插入损耗耦合器成本低，器件的性能稳定，插入损耗小，在实际系统中得到广泛的应用。小，在实际系统中得到广泛的应用。(21),1,2,3,2zmm图图6.11 熔融拉锥法制作熔融拉锥法制作4 4耦合器耦合器 耦合器的特性可以用一下几个性能参数耦合器的特性可以用一下几个性能参数来描述。来描述。1）附加损耗附加损耗(excess loss)附加损耗的定义为附加损耗
33、的定义为()10lgjexjiPPdBP（6-9）其中，其中，P Pj j 是在端口是在端口 j 的输出功率，的输出功率，P Pi i是是端口端口 i 的输入功率。如果光功率从端口的输入功率。如果光功率从端口1输输入，入，则附加损耗等于：则附加损耗等于：121()10lgexPPPdBP（6-10）在理想状态下，输出功率之和应该等在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率。附加损耗定量给出了实际情于输入功率。附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别，因此附加损耗应尽况和理想状态的差别，因此附加损耗应尽可能小。对于正在讨论的耦合器，依赖于可能小。对于正在讨论的耦合器，依赖于其类型，典型附加损耗
34、在其类型，典型附加损耗在 0.060.15 dB 之间变化。（注：公式之间变化。（注：公式(4.4)中分母的中分母的 P1 是是输入端，分子的输入端，分子的 P1 是输出端。）是输出端。）2)插入损耗插入损耗(IL)插入损耗是指输入端口插入损耗是指输入端口i和输出端口和输出端口j之间之间产生的损耗，为输出与输入端口光功率之比，产生的损耗，为输出与输入端口光功率之比，即即()10lgjijiPIL dBP 如从端口如从端口1 1输入，端口输入，端口2 2输出，则它们之输出，则它们之间的插入损耗为间的插入损耗为2121()10lgPILdBP 一个耦合器的插入损耗是相当高的。一个耦合器的插入损耗是
35、相当高的。22耦合器的插入损耗的典型值为耦合器的插入损耗的典型值为 3.4 dB。（6-12）（6-11）3)耦合比耦合比 耦合比形式上定义为某一端口输出的光耦合比形式上定义为某一端口输出的光功率与所有端口的输出光功率之比，功率与所有端口的输出光功率之比，即即()10lgjjjPCR dBP 这个特性通常用来描述一个耦合器的这个特性通常用来描述一个耦合器的性能。它可以用绝对值或百分比给出，在性能。它可以用绝对值或百分比给出，在后一种情况下后一种情况下:(%)100jjjPCRP（6-14）（6-13）波导耦合器是一种应用广泛的耦合器，波导耦合器是一种应用广泛的耦合器，其基本结构和基本原理与光耦
36、合器类似。图其基本结构和基本原理与光耦合器类似。图6.12（a）所示为一个）所示为一个2 2波导耦合器结构示波导耦合器结构示意图，波导是由不同折射率的介质构成，如意图，波导是由不同折射率的介质构成，如图图6.12（b）所示，它是由折射率较高的薄层）所示，它是由折射率较高的薄层夹在折射率较低的介质中间形成，在相互作夹在折射率较低的介质中间形成，在相互作用区中两个波导相互靠近产生光场的相互耦用区中两个波导相互靠近产生光场的相互耦合，耦合强度与作用区的长度、波导的宽度、合，耦合强度与作用区的长度、波导的宽度、波导间隙、折射率及光波长等因素有关。波导间隙、折射率及光波长等因素有关。（a）（b）图图6.
37、12 波导耦合器的结构波导耦合器的结构可以采用多个可以采用多个3dB耦合器连接的方式设计耦合器连接的方式设计多端口星形波导耦合器，图多端口星形波导耦合器，图6.13所示为所示为8 8和和1 8波导耦合器的结构图。波导耦合器的结构图。图图6.13 多端口耦合器多端口耦合器 最简单常用的光纤偏振控制器是可转动最简单常用的光纤偏振控制器是可转动光纤线圈型，其结构如图光纤线圈型，其结构如图6.14（a）所示。这所示。这种结构是一在底板上垂直安装一排（一般种结构是一在底板上垂直安装一排（一般3或或4个）圆盘，盘可以转动，半径比光纤芯径大得个）圆盘，盘可以转动，半径比光纤芯径大得多，约为多，约为 750m
38、m，圆盘的圆周上有槽，光线，圆盘的圆周上有槽，光线可以缠绕在盘上。当光纤被缠绕在圆盘上弯曲可以缠绕在盘上。当光纤被缠绕在圆盘上弯曲成小圆圈时，光纤外面被拉伸，里面被压缩，成小圆圈时，光纤外面被拉伸，里面被压缩，如图如图6.14（b）所示。所示。这种应力引起光纤的感生双折射，使输入这种应力引起光纤的感生双折射，使输入光在两个偏振方向上产生相移，从而起到控制光在两个偏振方向上产生相移，从而起到控制偏振的作用。当光纤线圈被转动时，光纤中的偏振的作用。当光纤线圈被转动时，光纤中的快轴和慢轴也发生旋转，因此，通过调整线圈快轴和慢轴也发生旋转，因此，通过调整线圈的方向可以获得所需要的任意的偏振方向。的方向
39、可以获得所需要的任意的偏振方向。图图6.14 可转动光纤线圈型偏振控制器可转动光纤线圈型偏振控制器 挤压型偏振控制器利用电磁挤压是光纤挤压型偏振控制器利用电磁挤压是光纤产生附加的双折射，达到控制偏振状态的目产生附加的双折射，达到控制偏振状态的目的。一种挤压型偏振控制器的结构如图的。一种挤压型偏振控制器的结构如图6.15所示，光纤和压电晶体被固定在一起，当晶所示，光纤和压电晶体被固定在一起，当晶体上外加电压时，晶体的长度发生变化，压体上外加电压时，晶体的长度发生变化，压挤光纤，使光纤产生附加双折射，压力的大挤光纤，使光纤产生附加双折射，压力的大小可以通过外加电压精细控制。小可以通过外加电压精细控
40、制。图图6.15 挤压型偏振控制器挤压型偏振控制器 光纤光栅由一段折射率沿其长度周期光纤光栅由一段折射率沿其长度周期性变化的光纤构成。利用掺锗石英光纤受性变化的光纤构成。利用掺锗石英光纤受到到240 nm 附近紫外光照射时纤芯折射率会附近紫外光照射时纤芯折射率会增大这一现象，将光纤沿中心轴线切开，增大这一现象，将光纤沿中心轴线切开，从光纤切面照射呈空间周期性变化的紫外从光纤切面照射呈空间周期性变化的紫外光，纤芯部位就会出现周期性折射率变化，光，纤芯部位就会出现周期性折射率变化，这就形成了光栅（这就形成了光栅（FG），其结构如图），其结构如图6.16所示。所示。图图6.16 光纤光栅的结构光纤光
41、栅的结构 目前制作光栅的光源主要有目前制作光栅的光源主要有 193 nm/248 nm 中紫外光，中紫外光，334 nm 近紫外光及近紫外光及 10.6 m CO2 激光。制作方法主要有干涉法（如双反激光。制作方法主要有干涉法（如双反射镜、三反射镜法）与非干涉法（如相位、射镜、三反射镜法）与非干涉法（如相位、振幅掩膜法）。干涉曝光法是指先形成紫外振幅掩膜法）。干涉曝光法是指先形成紫外光周期模式（周期在光周期模式（周期在 1 m 以下）以下）,再从光纤再从光纤侧面进行照射。干涉曝光法中的干涉条纹是侧面进行照射。干涉曝光法中的干涉条纹是将紫外激光先分成将紫外激光先分成2个光路个光路,然后再叠加而成
42、。然后再叠加而成。通过改变两光束的相对角度能产生任意周期通过改变两光束的相对角度能产生任意周期具有不同反射波长的光栅，如图具有不同反射波长的光栅，如图6.16（a）所）所示。示。相位掩膜法中的相位掩膜板（本身是相位掩膜法中的相位掩膜板（本身是一种衍射光栅，其石英基片上的凹槽周期一种衍射光栅，其石英基片上的凹槽周期与光栅周期成比例）临近光纤配置，从另与光栅周期成比例）临近光纤配置，从另一侧照射紫外激光，紫外激光被调制成一侧照射紫外激光，紫外激光被调制成1次衍射光，两光叠加于光纤芯部并形成干次衍射光，两光叠加于光纤芯部并形成干涉条纹。采用这种方法能产生大量同一特涉条纹。采用这种方法能产生大量同一特
43、性的光栅，其稳定性好，应用较普遍，如性的光栅，其稳定性好，应用较普遍，如图图6.16（b）所示。）所示。图图6.16中的光栅是双光束干涉（如图中的光栅是双光束干涉（如图（a）所示）或掩膜法（如图（）所示）或掩膜法（如图（b）所示）所示）写入，反射光满足布拉格条件。写入，反射光满足布拉格条件。（1）光纤光栅滤波器）光纤光栅滤波器 纤芯中折射率的周期性分布实际上构纤芯中折射率的周期性分布实际上构成布拉格衍射的结构称为布拉格光栅成布拉格衍射的结构称为布拉格光栅（FBG）。图）。图6.17所示为光纤布拉格光栅所示为光纤布拉格光栅原理示意图。原理示意图。图图6.17 光纤布拉格光栅原理示意图光纤布拉格光
44、栅原理示意图 FBG 的结构和的结构和 DFB 激光器周期性波纹激光器周期性波纹结构的作用一样，提供周期性的耦合点，使结构的作用一样，提供周期性的耦合点，使单模光纤中入射的基膜根据光栅和不同传输单模光纤中入射的基膜根据光栅和不同传输常数决定的相位条件。既可以耦合成前向传常数决定的相位条件。既可以耦合成前向传输模式，也可以偶合成后向传输模式。短周输模式，也可以偶合成后向传输模式。短周期的均匀光纤光栅的基本特性表现为一个反期的均匀光纤光栅的基本特性表现为一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为布拉格射式光学滤波器，反射峰值波长称为布拉格波长，记为波长，记为 ，满足下列方程式，满足下列方程式 （6-1
45、5）式中，式中，n neffeff是纤芯的等效折射率，是纤芯的等效折射率，是光栅周是光栅周期。期。eff=2Bn 图图6.18所示是光纤光栅作为滤波器应用所示是光纤光栅作为滤波器应用的一个示例。若的一个示例。若 FBG 的反射波长是的反射波长是 1，输，输入信号中波长为入信号中波长为 1的光信号被的光信号被 FBG 反射回来，反射回来，从环形器的从环形器的3端口输出，而其他端口输出，而其他3个波长的信个波长的信号透射过去，从号透射过去，从 FBG 的输出端输出，从而的输出端输出，从而实现从多波长信号中选择某波长下路。理论实现从多波长信号中选择某波长下路。理论分析可知，光纤光栅的长度越长，对光谱
46、的分析可知，光纤光栅的长度越长，对光谱的选择性越好，选择性越好，3dB 带宽越窄。带宽越窄。光纤光栅具有体积小，插损低，与普通光纤光栅具有体积小，插损低，与普通光纤匹配良好等优点，在光纤通信和光纤传光纤匹配良好等优点，在光纤通信和光纤传感领域有广泛的应用。感领域有广泛的应用。图图6.18 FBG应用示例应用示例（2 2）啁啾光纤光栅）啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅是指光纤中的折射率调啁啾光纤光栅是指光纤中的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴线变化的光制幅度不变，而周期沿光栅轴线变化的光栅，其制作方法是在光纤上刻出一系列不栅，其制作方法是在光纤上刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看等间距
47、的光栅，光栅上的每一点都可以看成是一个本地布拉格光栅的通带和阻带滤成是一个本地布拉格光栅的通带和阻带滤波器，其周期沿传输方向波器，其周期沿传输方向z z的变化可以表示的变化可以表示为为 （6-16）式中式中 c c 是周期的线性变化斜率，数值可以是周期的线性变化斜率，数值可以取正值，也可以取负值，其结构如图取正值，也可以取负值，其结构如图6.19所所示。示。()(1)zcz 图图6.19 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 在这种光栅中，由于光栅周期的变化，在这种光栅中，由于光栅周期的变化，使输入光波中不同的波长在光栅的不同深度使输入光波中不同的波长在光栅的不同深度位置处被反射，造成不同波长的光在光栅中
48、位置处被反射，造成不同波长的光在光栅中渡越时间不同，这一特性适合用于作为群速渡越时间不同，这一特性适合用于作为群速度色散补偿器件，也可以构成宽带滤波器。度色散补偿器件，也可以构成宽带滤波器。我们简单分析一下啁啾光栅补偿色散的我们简单分析一下啁啾光栅补偿色散的原理。光信号在光纤中传输时，由于群速度原理。光信号在光纤中传输时，由于群速度色散，入射光脉冲中的短波分量（高频分量）色散，入射光脉冲中的短波分量（高频分量）群速度高，经过光纤传输以后位于脉冲的前群速度高，经过光纤传输以后位于脉冲的前沿，而长波分量位于脉冲的后沿，结果造成沿，而长波分量位于脉冲的后沿，结果造成脉冲的展宽。这种被展宽的光信号进入
49、啁啾脉冲的展宽。这种被展宽的光信号进入啁啾光栅后，不同波长的信号在与光栅周期对应光栅后，不同波长的信号在与光栅周期对应的位置被反射，即短波长的信号在光栅的末的位置被反射，即短波长的信号在光栅的末端才被反射，长波长的信号在脉冲的起始端端才被反射，长波长的信号在脉冲的起始端就被反射，于是就补偿了群速度色散效应，就被反射，于是就补偿了群速度色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原。使脉冲宽度被压缩甚至还原。用啁啾光纤光栅作为色散补偿器的优用啁啾光纤光栅作为色散补偿器的优点是器件的体积小，补偿效率高，其缺点点是器件的体积小，补偿效率高，其缺点是补偿带宽较窄，目前人们正在研制宽带是补偿带宽较窄，目前人们正在研
50、制宽带啁啾光纤光栅以适应啁啾光纤光栅以适应 WDM 系统的需要。系统的需要。如果注入光栅如果注入光栅 FG 的光向纤芯外辐射的光向纤芯外辐射出去，并耦合至包层，被光纤涂覆树脂吸出去，并耦合至包层，被光纤涂覆树脂吸收而迅速消耗掉，且不存在反射，则称具收而迅速消耗掉，且不存在反射，则称具有这种功能的光栅为长周期（几十至几百有这种功能的光栅为长周期（几十至几百微米）光栅微米）光栅(LPG)。M-Z滤波器的结构如图滤波器的结构如图6.20（a）所示，）所示，由两个由两个3dB耦合器和两段长度不等的波导耦合器和两段长度不等的波导臂组成。输入光功率臂组成。输入光功率Pi经第一个经第一个3dB耦合器耦合器后
