1、第四章第四章-常用光无源器件常用光无源器件1电子与信息工程学院通信技术研究所目目 录录4.14.1光纤连接器光纤连接器(1)光纤连接器的结构与种类光纤连接器的结构与种类 (2)光纤连接器特性光纤连接器特性4.24.2光纤耦合器光纤耦合器(1)光纤耦合器的结构与原理光纤耦合器的结构与原理 (2)光纤耦合器的特性光纤耦合器的特性4.34.3波分复用波分复用/解复用器解复用器(1)波分复用波分复用/解复用器原理与分类解复用器原理与分类(2)波分复用波分复用/解复用器的特性解复用器的特性4.44.4光开关光开关(1)光开关的种类光开关的种类 (2)光开关的特性参数光开关的特性参数4.54.5光隔离器及
2、光环行器光隔离器及光环行器 (1)光隔离器光隔离器 (2)光环形器光环形器4.64.6小结小结2概概 述述 光纤通信中所用的光器件可分成光有源器件和光无源器件两大类。二者的区别在于器件在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电能量转换。若出现光电能量转换，则称其为有源光器件；若未出现光电能量转换，即便也需要一些电信号的介入，均称为光无源器件。光无源器件有多种分类方法，目前最常用的是按功能分类。按照器件在光纤传输路上所发挥的功能可分为光隔离器、光纤连接器、光合/分路器光耦合器、光开关、光衰减器以及光极化控制器、光环形器滤波器等。本章主要介绍目前常用的光无源器件的结构、工作原理及特性参数。34.1
3、光纤连接器光纤连接器44.1光纤连接器光纤连接器4.1.1光纤连接器的结构与种类又称为固定接头或接线子，是使一对或几对光纤之间形成永久性的又称为固定接头或接线子，是使一对或几对光纤之间形成永久性的连接，不一定要求重复使用，但要求损耗低，后向反射光小，操作连接，不一定要求重复使用，但要求损耗低，后向反射光小，操作简便，性能稳定。制作固定接头的方法又熔接法、简便，性能稳定。制作固定接头的方法又熔接法、V形槽法、毛细管形槽法、毛细管法、套管法等，这些方法各有优缺点，都能制作出满足工程需要的法、套管法等，这些方法各有优缺点，都能制作出满足工程需要的固定接头。我国光纤干线中，熔接法用得最多。固定接头。我
4、国光纤干线中，熔接法用得最多。54.1光纤连接器光纤连接器光纤光纤(缆缆)活动连接器是实现活动连接器是实现光纤光纤(缆缆)之间之间活动连接的光无源器件，活动连接的光无源器件，它还具有将光纤它还具有将光纤(缆缆)与其他与其他无源器件无源器件、光纤、光纤(缆缆)与与系统和仪表系统和仪表进行活动连进行活动连接的功能。接的功能。是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广光无源器件之一是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广光无源器件之一。(1)套管结构套管结构这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，因而得到广泛应用。这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，因而得到广泛应用。FC、SC、D4等型号的连
5、接器均采用这种结构。等型号的连接器均采用这种结构。4.1光纤连接器光纤连接器(2)双锥结构结构利用锥面定位，此结构由利用锥面定位，此结构由AT&T创立和采用创立和采用。(3)V(3)V形槽结构形槽结构将两个插针放入将两个插针放入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，精度较高，但结构复杂，零件数量多。纤芯对准，精度较高，但结构复杂，零件数量多。74.1光纤连接器光纤连接器(4)(4)球面定心结构球面定心结构两根插针插入基座，球面与锥面接合将纤芯对准，并保证纤芯之间的间两根插针插入基座，球面与锥面接合将纤芯对准，并保证纤芯之间的间距
6、控制在要求的范围内，设计巧妙，但零件形状复杂，实现难度大。距控制在要求的范围内，设计巧妙，但零件形状复杂，实现难度大。(5)(5)透镜耦合结构透镜耦合结构又称远场耦合，结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，降低又称远场耦合，结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，降低了加工的精度要求，容易实现。但结构复杂、体积大、元件多、损耗大了加工的精度要求，容易实现。但结构复杂、体积大、元件多、损耗大84.1光纤连接器光纤连接器3.3.光纤活动连接器的种类光纤活动连接器的种类光纤活动连接器的品种、型号很多。据不完全统计，国际上常用的不下光纤活动连接器的品种、型号很多。据不完全统计，国际上常用的不
7、下30余种。其中有代表性的有：余种。其中有代表性的有：FC、ST、SC、D4、双锥、双锥、VFo、F-SMA等，这些连接器都是不同国家、不同公司研制的产品，在一定的时期等，这些连接器都是不同国家、不同公司研制的产品，在一定的时期内，还会在一些国家和地区使用。在我国用得最多的是内，还会在一些国家和地区使用。在我国用得最多的是FC系列的连接系列的连接器，器，SC型也将逐步推广使用，型也将逐步推广使用，ST型连接器也有一定数量的应用。型连接器也有一定数量的应用。(1)FC(Face Connect)(1)FC(Face Connect)系列连接器系列连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的
8、连接器，它是我国电是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采用的主要品种，我国已制定了信网采用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国家标准。型连接器的国家标准。(2)SC(2)SC型连接器型连接器它的插针、套筒与它的插针、套筒与FC完全一样。外壳采用工程塑料制作、采用矩形结构完全一样。外壳采用工程塑料制作、采用矩形结构便于密集安装。不用螺纹连接、可以直接插拔，使用方便，操作空间小便于密集安装。不用螺纹连接、可以直接插拔，使用方便，操作空间小可以密集安装，可以做成多芯连接器，因此应用前景更为广阔。可以密集安装，可以做成多芯连接器，因此应用前景更为广阔。94.1光纤连接
9、器光纤连接器(3)ST(3)ST型连接器型连接器ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。(4)(4)不同型号插头互相连接的转换器不同型号插头互相连接的转换器在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。主要有以下几种：在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。主要有以下几种：ST/FC；FC/SC；FC/ST；SC/ST；ST/SC。(5)(5)活动连接器跳线的规格活动连接器跳线的规格选择跳线时，需要明确以下这些参数：选择跳线时，需要明确以下这些参数：插头型号；光纤型号；光纤芯径；光纤芯数；光缆外径；插头数；插头插头型号；光
10、纤型号；光纤芯径；光纤芯数；光缆外径；插头数；插头损耗；回波损耗；插针材料；插针端面形状；套筒材料。损耗；回波损耗；插针材料；插针端面形状；套筒材料。(6)(6)新型多芯光纤连接器新型多芯光纤连接器光缆向多芯、高密度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器光缆向多芯、高密度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接，多芯带状光纤进行连接，多芯带状光纤MT连接器就应运而生。连接器就应运而生。104.1光纤连接器光纤连接器11平面对接型光纤连接器平面对接型光纤连接器(FC型型face connect)4.1光纤连接器光纤连接器12 使用方法：使用方法：将带有接收光纤和发射光纤的插
11、针体分别插入套筒中，将螺旋拧紧，就实现了光纤的耦合。螺旋式连接螺旋式连接4.1光纤连接器光纤连接器13问题所在问题所在：FC 型光纤连接器的接头是平面型，产生菲菲涅尔反射涅尔反射，形成损耗形成损耗和引入噪声引入噪声。菲涅耳反射：菲涅耳反射：光在不同折射率的介质平面的交界面上会发生入射光的部分反射。4.1光纤连接器光纤连接器14矩形光连接器（矩形光连接器（SC）FC型PC型 预留空间以便耦合部分旋转，不能满足高密度安装要求。结构图：结构图：卡口式，能自锁和开启卡口式，能自锁和开启4.1光纤连接器光纤连接器154.1光纤连接器光纤连接器16ST型连接器型连接器插销锁定式连接方式4.1光纤连接器光纤
12、连接器17MF型光纤连接器型光纤连接器结构图：作用：多模带状光缆的光纤的一次连接。作用：多模带状光缆的光纤的一次连接。4.1光纤连接器光纤连接器4.1.2光纤连接器特性参数评价一个光纤连接器的主要性能指标有评价一个光纤连接器的主要性能指标有4个，即个，即插入损耗、回波损插入损耗、回波损耗、重复性和互换性耗、重复性和互换性。1.1.插入损耗插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器后，其是指光纤中的光信号通过活动连接器后，其输出光输出光功率相对功率相对输入光输入光功率的功率的比率比率的分贝数，表达式为：的分贝数，表达式为：式中：为连接器插入损耗；式中：为连接器插入损耗；为输入端的光功率；为输出端光
13、功率。为输入端的光功率；为输出端光功率。对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器，滤去高对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器，滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，这样才能准确地衡量连接器的次模，使光纤中的模式为稳态分布，这样才能准确地衡量连接器的插入损耗。插入损耗。181010lg(/)()cAPPdB cA0P1P注释：引起光纤与光纤之间连接损耗的诸多因素注释：引起光纤与光纤之间连接损耗的诸多因素4.1光纤连接器光纤连接器2.2.回波损耗回波损耗又称后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光对输入光的功率比率又称后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光对输入光的功率比
14、率的分贝数，表达式为：的分贝数，表达式为：式中，式中，表示回波损耗；表示回波损耗；表示输入光功率；表示输入光功率；表示后向反射光功率。表示后向反射光功率。回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。3.3.重复性和互换性重复性和互换性重复性是指光纤重复性是指光纤(缆缆)活动连接器活动连接器多次插拔后插入损耗多次插拔后插入损耗的的变化变化，用，用dB表示。表示。互换性是指连接器各部件互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化互换时插入损耗的变化，用，用dB表示。表示。这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接这两项指标
15、可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器器实用化的重要标志实用化的重要标志。010lg(/)rRAPP rA0PRP4.2光纤耦合器光纤耦合器204.2光纤耦合器光纤耦合器p光纤耦合器定义：简称耦合器，是将光信号进行定义：简称耦合器，是将光信号进行分路分路或或合路合路、插入插入、分配分配的一种的一种器件。简单地讲，光耦合器就是一类能使传输中的光信号在器件。简单地讲，光耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结构特殊结构耦合区发生耦合耦合区发生耦合，并进行，并进行再分配再分配的器件。的器件。分类：光纤耦合器目前已形成一个多功能、多用途的系列产品。分类：光纤耦合器目前已形成一个多功能
16、、多用途的系列产品。从功率上看从功率上看：分为功率分配器和光波长：分为功率分配器和光波长(合合/分波分波)耦合器；耦合器；从端口形式上划分从端口形式上划分：分为：分为X形形(2x2)耦合器、耦合器、Y形形(1x2)耦合器、星形耦合器、星形(NxNN2)耦合器、树形耦合器、树形(1xN，N2)耦合器；耦合器；从工作带宽的角度划分从工作带宽的角度划分：分为单工作窗口的窄带耦合器或标准耦合器：分为单工作窗口的窄带耦合器或标准耦合器(Standard Coupler，SC)、单工作窗口的宽带耦合器、双工作窗口的宽、单工作窗口的宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器；带耦合器；从传导模式划分从传导模式划分：
17、分为多模耦合器和单模耦合器。：分为多模耦合器和单模耦合器。214.2光纤耦合器光纤耦合器4.2.1 光纤耦合器的结构与原理制作方法：制作方法：分立光学元件组合型分立光学元件组合型、全光纤型全光纤型、平面波导型平面波导型。其中属于全。其中属于全光纤型的光纤型的光纤熔融拉锥法光纤熔融拉锥法因为具有因为具有各种优势各种优势，成为当前光耦合器的主要，成为当前光耦合器的主要制作方法。制作方法。熔融拉锥法熔融拉锥法：将两根将两根(或两根以上或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，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在高温加热下熔融，同时向两
18、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。特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。224.2光纤耦合器光纤耦合器4.2光纤耦合器光纤耦合器熔融拉锥法的工作原理熔融拉锥法的工作原理：入射光功入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配再分配,一部分光功率从一部分光功率从“直通臂直通臂”继继续传输，另一部分则由续传输，另一部分则由“耦合臂耦合臂”传传到另一光路。单模耦合器和多模耦到另一光路。单模耦合器和多模耦合器具有完全不同的耦合机理。合器具有完全不同的耦合机理。(1)熔融拉锥型单模光纤耦合器熔融拉锥型单模光纤耦合器光纤归一化
19、频率先减小，然后增加光纤归一化频率先减小，然后增加包层为芯，空气为包层构成新波导包层为芯，空气为包层构成新波导光功率以特定比例光功率以特定比例“捕获捕获”。(2)熔融拉锥型多模光纤耦合器熔融拉锥型多模光纤耦合器较高阶模式被捕获，获得耦合光功较高阶模式被捕获，获得耦合光功率；低阶模不参与耦合，只能从直率；低阶模不参与耦合，只能从直通臂输出；改进后的工艺保证了直通臂输出；改进后的工艺保证了直通臂和耦合臂的输出模式一致。通臂和耦合臂的输出模式一致。244.2光纤耦合器光纤耦合器4.2.2 光纤耦合器的特性参数光纤耦合器除了具有光无源器件的一般技术术语外，还有一些体现自身光纤耦合器除了具有光无源器件的
20、一般技术术语外，还有一些体现自身特点的技术术语。特点的技术术语。1.1.插入损耗插入损耗(Inserting Loss(Inserting Loss，IL)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小值。该值通常定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值。该值通常以分贝表示，数学表达式为：以分贝表示，数学表达式为：其中：其中：ILi是第是第i个输出端口的插入损耗；个输出端口的插入损耗；是第是第i个输出端口测到的光功率个输出端口测到的光功率值；值；是输入端的光功率值。是输入端的光功率值。2.2.附加损耗附加损耗(Excess Loss(Excess Loss，EL)EL)定
21、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。该值以分贝表示的数学表达式为：值以分贝表示的数学表达式为：2510lg()outiiinPILdBP outiPinP10lg()outiiinPELdBP 4.2光纤耦合器光纤耦合器式中：式中：为第为第i个输出口的输出功率；个输出口的输出功率；为输入光功率。为输入光功率。3.3.分光比分光比(Coupling Ratio(Coupling Ratio，CR)CR)是光耦合器所特有的技术术语，定义为耦合器各输出端口的输出功率相是光耦合器所特有的技术术语，定义为耦合器各输出端口
22、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字表达式表示为：对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数字表达式表示为：应特别指出的是，光纤耦合器的附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，而且也有分光比的影响。因此，不同类型的光纤耦合器之间，插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣。26outiPinP100%outioutiiPCRP4.2光纤耦合器光纤耦合器4.4.方向性方向性也是光耦合器所也是光耦合器所特有特有的一个技术术语，它是衡量器件的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性定
23、向传输性的参数的参数以标准以标准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，以分贝为单位的数学表入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝为单位的数学表达式为：达式为：式中：式中：代表总注入光功率；代表总注入光功率；代表输入端非注入光端口的输出光功率代表输入端非注入光端口的输出光功率。5.5.均匀性均匀性是衡量均分器件的是衡量均分器件的“不均匀程度不均匀程度”的参数。定义为在器件的工作带宽范围内的参数。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：
24、各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为：式中：式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。为最大输出光功率。实际制作要求均匀分光的耦合器时，因为工艺的局限，往往不可能做到实际制作要求均匀分光的耦合器时，因为工艺的局限，往往不可能做到绝对的均匀分光绝对的均匀分光。272110lg()ininPDLdBP 1inP2inP()10lg()()outoutMIN PFLdBMAX P 4.2光纤耦合器光纤耦合器6.6.偏振相关损耗偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss(Polarization Dependen
25、t Loss，PDL)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传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出端口输出光功率的最变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：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。器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。7.7.隔离度隔离度是指某一光路对是指某一光路对其他光路中其他光路中的信号的的
26、信号的隔离能力隔离能力。隔离度。隔离度高高,也就意味着线也就意味着线路之间的路之间的“串话串话”小小。实际工程中，可直接用于反映。实际工程中，可直接用于反映WDM器件对不同波长器件对不同波长光信号的分离能力，对于分波耦合器往往需要隔离度达到光信号的分离能力，对于分波耦合器往往需要隔离度达到40dB以上的器以上的器件；而合波耦合器的隔离度要求并不苛刻，件；而合波耦合器的隔离度要求并不苛刻，20dB左右即可。其数学表达左右即可。其数学表达式为：式为：式中：式中：是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；是被检测光是被检测光信号的输入功率值。信号的输入功
27、率值。28()10lg()()outyjoutjMIN PPDLdBMAX P tPinP10lg()tinPIdBP 4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器294.3波分复用波分复用/解复用器解复用器p概述概述光波分复用器是对光波光波分复用器是对光波波长波长进行进行分离与合成分离与合成的光的光无源无源器件。具有广阔的器件。具有广阔的应用前景。应用前景。对波分复用器与解复用器共同的要求是对波分复用器与解复用器共同的要求是：复用：复用信道数量要足信道数量要足够多、插入损耗小、串音衰减大和通带范围宽够多、插入损耗小、串音衰减大和通带范围宽。波分复用器与波分解复波分复用器与波分解复用器的不同点在于
28、用器的不同点在于：复用器复用器的的插入损耗一般比较大插入损耗一般比较大。解复用器要求如下解复用器要求如下：给定工作波长应具有最低的插入损耗；给定工作波长应具有最低的插入损耗；其他端口对该光信号应具有理想隔离；其他端口对该光信号应具有理想隔离；304.3波分复用波分复用/解复用器解复用器4.3.1 4.3.1 波分复用波分复用/解复用器的原理与分类解复用器的原理与分类光复用器和解复用器可分为光复用器和解复用器可分为波长选择性波长选择性和和非波长选择性非波长选择性两种，如下图所两种，如下图所示，下面只介绍广泛应用的光波分复用系统的器件制造方法和原理。示，下面只介绍广泛应用的光波分复用系统的器件制造
29、方法和原理。314.3波分复用波分复用/解复用器解复用器1.1.光栅型光栅型是近年发展起来的，常用来制作波分复用器的是近年发展起来的，常用来制作波分复用器的主要分光元件主要分光元件。原理：入射光射到光栅表面，原理：入射光射到光栅表面，不同波长不同波长的的衍射角衍射角不同，就可以使不同的不同，就可以使不同的光送到不同的光纤中去。光送到不同的光纤中去。器件更紧凑、小巧，具有良好的温度特性器件更紧凑、小巧，具有良好的温度特性，可可满足工程需要。满足工程需要。324.3波分复用波分复用/解复用器解复用器2.2.波导阵列光栅型波导阵列光栅型下图是一种波导阵列光栅型波分复用器件，它由下图是一种波导阵列光栅
30、型波分复用器件，它由输入输入、输出波导输出波导、空间空间耦合器耦合器和和波导阵列光栅波导阵列光栅构成。构成。原理：空间耦合器的作用是将各种波长的输入信号，通过空间耦合器进原理：空间耦合器的作用是将各种波长的输入信号，通过空间耦合器进入阵列波导输入端，由于阵列波导是由若干条其光程差为入阵列波导输入端，由于阵列波导是由若干条其光程差为 的波的波导构成，根据衍射理论，在波导阵列光栅输出端，按波长长短顺序排列导构成，根据衍射理论，在波导阵列光栅输出端，按波长长短顺序排列输出，并通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，达到分波的目的输出，并通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，达到分波的目的33()/
31、2Ln 4.3波分复用波分复用/解复用器解复用器3.3.光纤光栅光纤光栅是利用光纤制造中的是利用光纤制造中的缺陷缺陷，用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布呈，用紫外光照射，使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化，在周期性变化，在满足布拉格光栅条件满足布拉格光栅条件的波长上的波长上全反射全反射，而，而其余其余波长波长通过通过的是一种的是一种全光纤陷波滤波器全光纤陷波滤波器。光纤布拉格光栅制作方法一般分为干涉法光纤布拉格光栅制作方法一般分为干涉法相位掩膜板法及逐点写入法。相位掩膜板法及逐点写入法。34注释：可参阅吴重庆编著注释：可参阅吴重庆编著光通信导论光通信导论8787页页-90-90页页4.3波分
32、复用波分复用/解复用器解复用器4.3.2 4.3.2 波分复用波分复用/解复用器的特性解复用器的特性1.1.解复用器解复用器以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性如下：以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性如下：(1)(1)中心波长中心波长(或通带或通带)是由设计、制造者根据相应的国际标准、国家标准或实际应用要求选定是由设计、制造者根据相应的国际标准、国家标准或实际应用要求选定的。密集型波分复用器的。密集型波分复用器ITU-T规定在规定在1550nm区域，区域，1552.52nm为标准波为标准波长。其他波长规定间隔长。其他波长规定间隔100G(0.8nm)，50G(0.4nm)等，或取
33、其整数倍作等，或取其整数倍作复用波长。复用波长。(2)(2)中心波长工作范围中心波长工作范围对于每一工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参数对于每一工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参数限定了我们所选用的光源限定了我们所选用的光源(LED或或LD)的谱宽宽度及中心波长位置。它以的谱宽宽度及中心波长位置。它以1.0nm表示或者是以平均信道之间间隔的表示或者是以平均信道之间间隔的10%表示。表示。354.3波分复用波分复用/解复用器解复用器(3)(3)中心波长对应的最小插入损耗中心波长对应的最小插入损耗式中：式中：代表波长为代表波长为 的光束在输出端的光功率；的光束在
34、输出端的光功率；代表波长为代表波长为 的光束在的光束在输入端合路信号中的光功率。输入端合路信号中的光功率。该参数是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好，可以用输入端到N个输出端的各信道的波长插入损耗关系曲线来表达。以小于“X“dB表示。361L110110lgPLP 1P101P14.3波分复用波分复用/解复用器解复用器(4)(4)相邻信道之间串音耦合最大值相邻信道之间串音耦合最大值式中：式中：代表波长为代表波长为 的光束在输出端串扰到的光束在输出端串扰到 的输出端口处的光功率；的输出端口处的光功率；代表波长为代表波长为 的光束在输出端口处的输出光功率。的光束在输出端口处的输出光功率。该参数是
35、衡量解复用器的另一项重要指标。数字通信中一般大于该参数是衡量解复用器的另一项重要指标。数字通信中一般大于30dB，模拟通信中则应大于模拟通信中则应大于50dB。以大于。以大于”Y”dB表示。表示。(5)(5)偏振相关损耗偏振相关损耗偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时(如线偏振、圆偏振、如线偏振、圆偏振、椭圆偏振椭圆偏振)，对应输出端口插入损耗最大变化量。，对应输出端口插入损耗最大变化量。2.2.复用器复用器以光信号波长为函数的复用器的光学特性，可用于给定的输入端口以光信号波长为函数的复用器的光学特性，可用于给定的输入端口(1#N#端口为输入
36、端口，端口为输入端口，0#端口为输出端口端口为输出端口)。每一端口的各种光学参数与解复。每一端口的各种光学参数与解复用器中对应的参数定义相类似。用器中对应的参数定义相类似。3712L112210lgPLP 1P122P24.4光开关光开关384.4光开关光开关p概述是光纤通信系统重要的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是数据是光纤通信系统重要的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是数据通信和密集波分复用通信和密集波分复用(DWDM)系统的应用，复杂的网络拓扑对可靠、灵系统的应用，复杂的网络拓扑对可靠、灵活的网管产生了强烈的需求。活的网管产生了强烈的需求。DWDM城域网和接入网应用对具有插城域
37、网和接入网应用对具有插/分和分和交换功能的光开关的需求更加迫切。交换功能的光开关的需求更加迫切。光开关的主要任务是切换光路光开关的主要任务是切换光路，下，下图是图是1X2光开关切换光路的示意图。光开关切换光路的示意图。394.4光开关光开关4.4.1 4.4.1 光开关的种类光开关的种类光开关根据驱动方式可分为光开关根据驱动方式可分为机械式光开关机械式光开关和和非机械式光开关非机械式光开关，根据工作原理可分为根据工作原理可分为机械式光开关机械式光开关、液晶光开关液晶光开关、电光式光电光式光开关开关和和热光式光开关热光式光开关系统对光开关的要求归纳为系统对光开关的要求归纳为：小的串音、小的消光比
38、、低的插入损耗、小的驱动电流小的串音、小的消光比、低的插入损耗、小的驱动电流(或或电流电流)、无极化依赖性、与光纤有高的耦合效率、紧凑的器、无极化依赖性、与光纤有高的耦合效率、紧凑的器件尺寸、根据需求而定的开关速度和频率带宽。件尺寸、根据需求而定的开关速度和频率带宽。404.4光开关光开关4.4.2 4.4.2 光开关的特性参数光开关的特性参数1.1.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：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：式中：为进入输入端的光功率；为进入输入端的光功率；为输出端接收的光功率为输出端接收的光功率。2.2.隔离度隔离度是指两个相隔
39、离输出端口光功率的比值，以分贝来表示：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：式中：为为开关的两个隔离端口开关的两个隔离端口(nm)；Pin 是光从是光从i 端口输入时端口输入时n 端口端口的输出功率，的输出功率，Pim是光从是光从n端口输入时在端口输入时在m 端口测得的光功率。端口测得的光功率。411010lgPILP 0P1P,10lginn mimPIP,n m4.4光开关光开关3.3.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：值，以分贝表示：式中：式中：为进
40、入输入端的光功率；为进入输入端的光功率；为输入端口接收到的返回光功率。为输入端口接收到的返回光功率。4.4.远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。表达式为：值。表达式为：421010lgPRLP 0P1P212110lgPFCP 4.4光开关光开关5.5.近端串扰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。的光功率之比。43122110lg(/)NCPP 4.4光开关光开关6.6.消光比消
41、光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。式中：式中：为为n，m端口导通时的插入损耗；端口导通时的插入损耗；为两个端口非导为两个端口非导通时的插入损耗通时的插入损耗。7.7.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。时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。nmIL4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器454.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器4.5.1 4.5.1 光隔离器光隔离器互易器件互易器件：允许双向光通行
42、，即输入光与输出光可以互换的无源器件。：允许双向光通行，即输入光与输出光可以互换的无源器件。光隔离器光隔离器：是一种光单向传输的非互易性器件，即光的单向器。：是一种光单向传输的非互易性器件，即光的单向器。光隔离器的用途光隔离器的用途：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止来自连接：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性。器、熔接点、滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性。1.1.光隔离器的原理光隔离器的原理法拉第旋转器：法拉第旋转器：用旋光材料制成法拉第旋转器，是通过它的光的偏振态用旋光材料制成法拉第旋转器，是通过它的光的偏振态
43、旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关。光隔离器的工作原理光隔离器的工作原理是基于法拉第旋转的是基于法拉第旋转的非互异性非互异性。光隔离器的组成光隔离器的组成：起偏器起偏器、检偏器检偏器、法拉第旋转器法拉第旋转器三部分三部分。各部分作用各部分作用：起偏器允许垂直偏振光顺利通过；检偏器允许起偏器允许垂直偏振光顺利通过；检偏器允许45o方向上的方向上的偏振光顺利通过；法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时针旋转偏振光顺利通过；法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o单模光纤隔离器的特点单模光纤隔离器的特点：是隔离器的工作与入射光的偏振态有关，即必
44、是隔离器的工作与入射光的偏振态有关，即必须是垂直偏振。须是垂直偏振。464.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器2.2.隔离器的工作过程：隔离器的工作过程：当入射光从左向右传输时，由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透当入射光从左向右传输时，由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透振方向一致，故入射光无损地通过起偏器。由于法拉第旋转器的作用，振方向一致，故入射光无损地通过起偏器。由于法拉第旋转器的作用，使光的偏振态旋转到使光的偏振态旋转到45o方向上，由于检偏器的透振方向也在方向上，由于检偏器的透振方向也在45o方向方向上，于是经过法拉第旋转器旋转上，于是经过法拉第旋转器旋转45o后的光能顺利
45、通过检偏器，这样，后的光能顺利通过检偏器，这样，正正向传输入射光无损地通过隔离器向传输入射光无损地通过隔离器。当反射波向反方向传输时，由于检偏。当反射波向反方向传输时，由于检偏器的透振方向为器的透振方向为45o，只允许，只允许45o方向的偏振光通过检偏器，其余偏振态方向的偏振光通过检偏器，其余偏振态的光全部被检偏器阻止。通过检偏器的光被法拉第旋转器再旋转的光全部被检偏器阻止。通过检偏器的光被法拉第旋转器再旋转45o，便，便成为水平偏振光，该偏振态光被起偏器阻止，成为水平偏振光，该偏振态光被起偏器阻止，这样就阻止了反方向光的这样就阻止了反方向光的传输。传输。474.5光隔离器及光环行器光隔离器及
46、光环行器2.2.实用型光隔离器的结构实用型光隔离器的结构下图是一个实用型的光隔离器。它是由两个空间分离偏振器、法拉第旋下图是一个实用型的光隔离器。它是由两个空间分离偏振器、法拉第旋转器和一个半波片组成。转器和一个半波片组成。空间分离偏振器空间分离偏振器(SWP)：让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过，让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过，且偏折方向和光传输方向无关。其作用是将入射的任意偏振态的光分解且偏折方向和光传输方向无关。其作用是将入射的任意偏振态的光分解为水平和垂直的两个正交偏振分量，或者水平和垂直的两个正交偏振分为水平和垂直的两个正交偏振分量，或者水平和垂直的两个正交偏振分量合成某
47、一偏振光。量合成某一偏振光。法拉第旋转器法拉第旋转器：能使通过它的光的偏振方向顺时针旋转能使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o。半波片半波片：可以把光的偏振态旋转：可以把光的偏振态旋转45o，将从左向右传播光的偏振态顺时针，将从左向右传播光的偏振态顺时针旋转，反之逆时针旋转旋转，反之逆时针旋转。隔离器的工作过程隔离器的工作过程：先介绍各部件的功能，然后分别介绍正向传输和反先介绍各部件的功能，然后分别介绍正向传输和反向传输过程，注意反向不能传输的关键是向传输过程，注意反向不能传输的关键是水平偏振光只能偏折通过水平偏振光只能偏折通过SWP而垂直偏振光只能直接通过而垂直偏振光只能直接通过SWP。4
48、84.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器49实用型隔离器的原理图实用型隔离器的原理图4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器3.3.光隔离器的特性参数光隔离器的特性参数光隔离器的主要技术参数有光隔离器的主要技术参数有插入损耗插入损耗和和隔离度隔离度。(1)(1)插入损耗插入损耗是指增加光隔离器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出是指增加光隔离器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口的光功率之比，即：端口的光功率之比，即：式中：式中：为输出端口的光功率，为输出端口的光功率，为输入端口的光功率。该器件的性能要为输入端口的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗是求
49、对正向入射光的插入损耗是越小越好越小越好。(2)(2)隔离度隔离度是指光隔离器的正向入射光对反向反射光的隔离能力。定义为：正向入是指光隔离器的正向入射光对反向反射光的隔离能力。定义为：正向入射光信号的功率值与反向反射光信号的功率值的比的分贝数，表示为：射光信号的功率值与反向反射光信号的功率值的比的分贝数，表示为：式中：式中：表示正向入射光的功率，表示正向入射光的功率，表示反向反射光的光功率。该器件的表示反向反射光的光功率。该器件的性能要求对反向反射光的隔离度值性能要求对反向反射光的隔离度值越大越好越大越好。50iL10lg(/)()iioLPPdBoPiPI10lg(/)()riIPPdBiP
50、rP4.5光隔离器及光环行器光隔离器及光环行器4.5.2 4.5.2 光环行器光环行器是一个多端口器件，一般有是一个多端口器件，一般有3个或个或4个端口，如下图所示。光环行器的工个端口，如下图所示。光环行器的工作原理与隔离器的工作原理类似，也是利用了光的偏振现象，其特点是作原理与隔离器的工作原理类似，也是利用了光的偏振现象，其特点是端口间的输入输出关系是确定的，且只能正向传输，也就是进入端口端口间的输入输出关系是确定的，且只能正向传输，也就是进入端口1的的光必须到端口光必须到端口2，进入到端口，进入到端口2的光必须到端口的光必须到端口3，以此类推，以此类推。光环行器主要用于光分插复用器、光放大
