光纤技术及应用---第五章

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1, 2 ,....,N
的单色光信号，并输入
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如图5.1-12 光复用器和光解复用器示意图 在复用器中，由各个信道输 入波长为 在解复用器中，则是将传 输光纤中波长为 1 ~ N 的复色光信号分解成波长 为 1 , 2 ,....,N 的单 色光信号，并输入相应的 输出信道

Pj
时，由器件所
T 10lg( Pi/ Pj )
i
（4）回波损耗：表示由输入端口返回输入信道的功率损耗，即：
jj 10lg( Pj / Pj )
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回波损耗又称为后向反射损耗，是指 光纤连接处，后向反射光功率相对入 射光功率的分贝数，回波损耗越大越 好。
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（5）信道工作波长：表示相应于最低插入损耗值的光信号波长， 在波分复用器中这一参数尤为重要。 （6）信道带宽
在各种光纤通信网中，要用到大量的光纤定向耦合器，
作为光纤线路的分路、合路以及节点互联耦合器件。 光纤定向耦合器特点： (a) 器件的主体是光纤，不含其它光学元件；
(b) 光的耦合功能是通过光纤中传输模式的耦合实现的；
(c) 光信号的传送方向是固定的。 由于制作时只需要光纤， 不需要其他光学元件， 具有与传输 光纤容易连接且损耗较低、 耦合过程无需离开光纤， 不存在任何 反射端面引起的回波损耗等优点， 因而更适合光纤通信， 有时 也称为全光纤元件
引导 环
光纤
引导 环
套管
共轴 调 整套 筒 (a) 扩展 光束 (b)
套管
发射 光纤
接收 光纤
准直 聚焦透 镜 (c)
图 常用光纤连接器的对准方案示意图 (a) 直套筒； (b) 锥形套筒； (c) 扩展光束
常用连接器类型
FC Type
SC Type
SC2 Type
FDD Type
3、光纤定向耦合器（简称光纤耦合器） 在光纤通信和光纤测量中， 有时需要把光信号在光路上 由一路向两路或多路传送， 有时需把N路光信号合路再向M路
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结构图

光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两 根光纤的纤心对接，保证95％以上的光能通过连接器。

目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种
。
图
套管结构
分为：直插（ST)型、双锥(BC)型；书上P83页


图 图 双锥结构
V形槽结构
图
透镜耦合结构
图
球面定心结构
第五章 光 纤 器 件
为实现光波的传输： 传统方法：采用分立光学元件构成光学系统 缺点：体积大、质量大、结构松散、可靠性差、与光纤不兼容
光纤技术的发展：以光纤为基质构成光纤器件，弥补不足
光纤器件是构成光纤通信系统和光纤传感系统不可缺少的部件。 按照能量的产生和消耗可分为光纤无源器件和光纤有源器件： (a)光纤无源器件：指用光纤构成的一种能量消耗型器件； 如：光纤连接器、光纤定向耦合器、光波分复用器、光纤隔离


同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源器件。用于
合成不同波长的称为复用器，用于分离不同波长的称为解复用 器。如图5.1-12
在复用器中，由各个信道输入波长为
光信号被耦合进同一根光纤中传输；
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的单色
在解复用器中，则是将传输光纤中波长为 1 ~ N 的复色光 信号分解成波长为 相应的输出信道。
和环形器、光纤滤波器、光纤光栅、光开关、光纤衰减器等）

光无源器件是光路的重要组成部分。

光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件如
插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部
分。常见的光无源器件有光纤连接器、光耦合器、光波分
复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。

光无源器件遵守光学的基本理论，即光线理论和电磁场理 论。
的两个端面精密对接起来。是一种可拆卸的光纤接插件，用于
反复地连接或断开光纤。 （2）光纤连接器的主要技术要求： (a) 插入损耗小；(b)重复插拔损耗变化小；(c ) 一致性（互换 性）好。此外，要求安装方便、性能稳定、可靠性高、价
格低廉。在距离光源较近处的光纤连接器还必须具有较大
的回波损耗，以消除端面反馈光对光源的不利影响。 （3）光纤连接器的分类： 端面对接式连接器、透镜扩束式连接器、阵列光纤连接器
ij 10lg( Pi / Pj )
其中：

Pj
---是第j信道的输入功率 ---是第i信道的输出功率
Pi

（2）信道隔离比：表示由输入信道(j)至非指定输出信道(k)的功 率传输损耗，即：
I kj 10lg( Pk / Pj )
（3）过剩损耗：表示当由第 j 信道输入功率 引起的总附加功率传输损耗 ，即：
器。如书上：P86 图5.1-10 星形耦合器
2、光纤耦合器的性能指标

（1）插入损耗(Insertion Loss):定义为指定输出端口的光 功率相对于全部输入光功率的减小值
ILi 10lg Pouti / Pin (dB)
ILi 为第i个输出端口的插入损耗；Pouti 为第i个输出端口 式中， P 的光功率； in 为输入端的光功率。
器和环形器、光纤滤波器、光纤衰减器等，
功能：对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换及衰减等
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(b)光纤有源器件：用光纤构成的一种能量产生型器件 如：光纤放大器、光纤激光器等 功能：主要是扩大通信容量、增大中继距离、提高传感效能等。 本章主要讲： 光纤无源器件 （光纤连接器、光纤定向耦合器、光波分复用器、光纤隔离器
-----波导阵列光栅型波分复用器由输入和输出波导、空间耦合 器和波导阵列光栅构成。
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2、光波分复用器的技术指标
（1）信道插入损耗：表征与光波长相对应的信道功率损耗； （2）信道隔离比（串扰损耗）：表征串入与光波长不相对应 的信道的功率大小； （3）信道间隔：表征两相邻信道之间中心波长的差值。
或N路分配， 能完成上述功能的器件就是光耦合器。 光耦合
器按制作方法分为微镜片耦合器、 波导耦合器和光纤耦合器 等。
通常，光信号功率由耦合器的一个端口输入，然后按照一定的
比例分配至几个指定端口输出，称为分路； 光信号功率由几个端口输入，经耦合器进入同一个端口输出， 称为分路。
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光纤定向耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器件。
1、光纤耦合器类型：根据光纤耦合器的工作原理分 (a)部分反射式光纤耦合器：利用光学部分反射原理来实现的。端 口输出分配比取决于反射模反射率的大小；图5.1-5 (b) 波前分割式光纤耦合器：是对输入光束进行空间分割，使其
分成几束光束输出，达到分光的目的；图5.1-7
(c )模场耦合式光纤耦合器：依据光纤中传输模式场分布相互耦 合来实现光信号的分路和合路。当两光纤相距很近时，在一根光 纤中传输的模式场分布会扩展到另一根光纤之中，从而在其中激 励起传导模，因此就使得导模场所携带功率由一根光纤耦合到另
均是星形和树形）， 由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性 来衡量其不均匀程度： N为 相应输出端口总数 ( Pout )i U i 10lg ( Pout )i / N
i

（6）偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)

5.1 光纤无源器件 广义讲：光纤无源器件可以看成一个多端口耦合器，每一 个端口对应一条信号通道（简称“信道”），光信号由耦合器 的一个端口或几个端口输入，经过某种变换或处理之后，从另
一个或几个端口输出。
1、光纤无源器件的主要性能参数 （1）信道插入损耗：表示由输入信道(j)至指定输出信道(i)的 功率传输损耗，即：
一根光纤中传输。图5.1-8（X形拼接式耦合器）,5.1-9（双锥形光
纤耦合）
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图5.1-8（X形拼接式耦合器）,-----输出分配比取决于两纤芯 间距以及拼接长度。
P1 输入 端口 P2 P1 输出 端口 P2 拉锥 区
拉锥 区
耦合 区
图5.1-9（双锥形光纤耦合）------可控制耦合区的长度和双锥 体的腰径来达到预定要求
输出功率的比值
(CR )i
( Pout )i 100% ( Pin )i
i
它是光耦合器特有的技术指标。

（4）方向性(Directivity) 方向性是光耦合器特有的技术指标, 是衡量器件定向传输 特性的参数。以X形耦合器为例，方向性定义为耦合器正
常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部
------利用多层光学薄膜干涉原理来分光的；
(d) 光纤定向耦合型波分复用器：
-----由一根光纤向另一根光纤耦合功率的耦合效率是光波长的 函数，当波长满足耦合效率=1时，光信号功率发生完全转 移，当波长满足耦合效率=0时，光信号功率不发生转移。 (e) 光纤光栅型波分复用器：图5.1-17
(f) 波导阵列光栅型波分复用器：图5.1-18
衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量， 也称为偏振灵敏度。


指当传输光信号的偏振态变化 360 时，器件各输出端输 出功率的最大变化量： Min( Pouti ) PDL 10lg (dB) Max( Pouti ) （7）隔离度(Isolation)：指光纤耦合器的某一光路对 其他光路中光信号的隔离能力

光耦合器(Coupler)是能使光信号在特殊结构的耦合区发 生耦合，并进行光功率再分配的器件。

从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波
）耦合器。