光无源器件
光无源器件研究报告
光无源器件研究报告近年来，随着通信技术的快速发展，人们对光通信技术的研究和应用越来越广泛。
而光无源器件作为光通信系统中重要的组成部分，对于提高光通信的性能和稳定性具有重要的意义。
本文将介绍光无源器件的研究现状和发展趋势。
一、光无源器件的定义和分类光无源器件是指无需外部能量输入即可实现光信号处理的元器件。
它不需要任何电、磁或化学能量的输入，只需要利用光本身的特性完成光信号的处理。
光无源器件广泛应用于光通信、光存储、光计算等领域。
根据不同的工作原理，光无源器件可以分为几种类型，如：1. 光纤光纤是一种将光信号传输到目的地的无源设备。
光纤具有低损耗、高速率和抗电磁干扰等特点，因此它广泛应用于光通信系统中。
一般来讲，光纤可分为单模光纤和多模光纤两种。
其中，单模光纤适合远距离传输，而多模光纤适合短距离传输。
2. 光栅光栅是一种将光信号进行处理的器件。
它通常由一系列的反射棱镜组成，可以用来扩展、稳定和调制光信号。
光栅广泛应用于激光系统、治疗仪器和光谱仪等领域。
3. 光衰减器光衰减器是一种可以调节光的强度的器件。
它可用来控制光信号的输出功率，从而保证通信系统的正常运行。
光衰减器通常由气体、固体材料或半导体材料构成。
4. 光开关光开关是一种可以控制光线的传输路径的器件。
它通过调节光的传输路径来进行光信号的切换和路由。
光开关广泛应用于网络通信、光计算和光传感器等领域。
近年来，随着通信技术的快速发展，人们对光无源器件的研究越来越深入。
目前，研究人员主要关注以下几个方面：1. 新型光无源器件的研发为了提高光通信系统的性能和稳定性，研究人员一直在努力研发新型的光无源器件。
这些新型器件具有更高的灵敏度、更低的损耗和更广泛的应用范围，并且可以适应不同的光通信需求。
除了研发新型器件之外，研究人员还在努力优化现有的光无源器件。
通过改进设备的结构和材料，研究人员可以提高器件的性能和工作效率，并提高器件的可靠性和稳定性。
随着通信设备越来越小、越来越便携，研究人员也在努力实现光无源器件的集成化。
光无源器件技术知识点总结
参考书籍：《光无源器件》 林学煌 编著 人民邮电大学1 光纤连接器：接续为永久性和活动性两种方式，基本上是采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准。
永久性接续大多采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现，活动性接续一般采用活动连接器。
1．1连接器主要指标：插入损耗、回波损耗、谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等，其中最重要的为插入损耗和回波损耗，对于活动光纤连接器还有重复性和互换性（4种）。
A ．插入损耗是指光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的分贝数。
表达式：)(lg 1001dB P P I L -= 式中0p 为输入端光功率，1P 为输出端光功率。
插损越小越好，ITU 建议应不大于0．5dB 。
对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器以滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，以准确衡量连接器插损。
B ．回波损耗：又称为后向反射损耗，用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输入光功率的份额。
影响会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射漂移等，使通信系统性能恶化，具体表示为光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数。
)(lg 100L dB P p R r -=式中，0P 为输入端光功率，r p 为后向反射光功率。
回损越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响，其典型值初期要求应不小于25dB ，现要求不小于38dB 。
C ．重复性和互换性：重复性是指光纤(光缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用dB 表示。
互换性是表征连接器插头与转换器两部分任意互换或有条件互换的性能指标，也用dB 表示。
一般要求互换连接器的附加损耗应限制在小于0．2dB 的范围内。
A.1影响插入损耗的各种因素: a ．纤芯错位损耗：由于纤芯横向错位引起的损耗。
b ．光纤倾斜损耗：由于两光纤轴线的角度倾斜而引起的在连接处的光功率损耗。
c ．端面间隙损耗：由于光纤连接端面处存在间隙Z 而引起的损耗。
光无源器件
Grin-Lens：
n 0 1 co A Z s
C-Lens：
n11(n n1)R Lc
C-Lens与Grin-Lens对比II
➢双光纤准直器
子午面
垂直排列
水平排列
双光纤准直器尾纤排列方式
2 cross Lcross
双光纤准直器的交叉角度和交叉长度
反射镜
双光纤准直器
双光纤准直器应用示例 －2×2光开关
➢双光纤准直器
双光纤准直器输出光偏角由水平偏角θ//和竖
子午面
轴线
直偏角θ⊥两个分量组成，其中θ//因光纤位
置离轴产生，θ⊥由端面斜角引起。 2 a c r c ) o ta t / s ) / a 2 n ( / / n (
Grin-Lens：
2 cr 2 o n 0 s A s s A i Z n r
Lcrossn0
1 AtanAZ
C-Lens：
2cross2nR1r
Lcross
R n1
//
透镜端面
双光纤准直器输出光束方向
➢双光纤准直器
在光开关和光环形器等器件中，为了减少准直器数量和缩小体积，常用到双 光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合：
2 cross
2 cross
双光纤准直器与屋脊棱镜的耦合
➢Freespace型光隔离器
光隔离器分为偏振相关型和偏振无关型两种，前者又称为Freespace型，因两端无光 纤输入输出；后者又称为在线型，因两端有光纤输入输出。 ✓Freespace型光隔离器一般用于LD中，因为LD发出的光具有极高的线性度，可以采 用这种偏振相关的光隔离器而享有低成本的优势； ✓通信线路或者EDFA中一般采用在线型光隔离器，因为线路上的光偏振特性非常不 稳定，要求器件有较小的偏振相关损耗。
光器件基础知识培训
03 在高能级E2的电子，受到入射光
的作用，被迫跃迁到低能级E1上 与空穴复合，释放的能量产生光 辐射，这种跃迁称为受激辐射。
ROSA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.Passive devices
一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外， 还 需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信 系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。 虽然对各种器件的特性有不同的要求， 但是普遍要求插入损 耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、 体积小、价格便宜， 许多器件还要求便于集成。本节主要介 绍无源光器件的类型、原理和主要性能。
输入 光
光纤 a
1
光强 度
2
输出 光
1
5
9
定向耦合器； (b)
4
光纤 b
3
2
6
10
8×8星形耦合器； (c)
(a)
3
7
11 由12个2×2耦合器组
4
8
12 成的8×8星形耦合器
(c) (b)
图 3.29
光纤型把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。这 种方法可以构成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解复用器。 图3.29(a)和(b)分别示出单模2×2定向耦合器和多模n×n星形耦合器的结 构。单模星形耦合器的端数受到一定限制，通常可以用2×2耦合器组成， 图3.29(c)示出由12个单模2×2耦合器组成的8×8星形耦合器。
自 聚 焦透 镜分 光 片 4
3
2
(b)
1
1
23
自聚焦透镜 硅光栅 光纤
1＋2＋3 (d)
图 3.31微器件型耦合
光无源器件常见类型
就是不含光能源的光功能的器件，是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。
因其具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等领域。
光无源器件在光路中都要消耗能量，插入损耗是其主要性能指标。
光无源器件包括光纤连接器、光开关、光衰减器、光纤耦合器、波分复用器、光调制器、光滤波器、光隔离器、光环行器等。
它们在光路中分别可实现连接、能量衰减、反向隔离、分路或合路、信号调制、滤波等功能。
光无源器件有很多种，本文将讲述常用的几种—光纤衰减器、光纤环形器、光纤准直器、光纤隔离器、光纤传感器、光纤合束器和光纤起偏器。
光纤衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤CATV中的一个不可缺少的器件。
从市场需求的角度看，一方面光衰减器正向着小型化、系列化、低价格方向发展。
另一方面由于普通型光衰减器已相当成熟，光衰减器正向着高性能方向发展，如智能化光衰减器，高回损光衰减器等。
到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。
任何光纤系统传输数据的能力取决于接收器的光功率，如下图所示，其显示了接收光功率作用下的数据链路误码率。
（误码率是信噪比的倒数，例如误码率越高表示信噪比的信号越低。
）无论功率过高或者过低都会导致较高的误码率。
功率过高，接收放大器饱和，功率过低，可能会干扰信号产生噪音等问题。
光纤衰减器主要用于调整光功率到所需标准。
光纤环形器光纤环形器为非互易设备，只能沿单方向环行，反方向是隔离的。
光纤环形器除了有多个端口外,其工作原理与光纤隔离器类似,也是一种单项传输器件,主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。
光纤准直器光纤准直器由尾纤与自聚焦透镜精确定位而成。
它可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。
适用于扩展以及校准光纤端的输出光束，或耦合两光纤光束的装置。
光无源器件
e(t) Ac cos(ct c ) cos(msinmt)
sin(ct c ) sin(msinmt)
将式中 cos(msinmt)和sin(msinmt) 两项按贝塞
尔函数展开：
cos(msin mt) J 0 (m) 2 J 2n (m) cos(2nmt)
n1
sin(msinmt) 2 J 2n1(m)sin(2n 1)mt n1
ec (t) Ac cos(ct c )
如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：
a(t) Am cosmt
其中 Am 和 ωm 分别是调制信号的振幅和角频率 ，当进行激光振幅调制之后，激光振幅 Ac 不再 是常量，而是与调制信号成正比。
其调幅波的表达式为：
e(t) Ac 1 ma cosmtcos(ct c )
Ac J0 (m) cos(ct c )
Ac J n (m) cos(c nm )t c (1)n cos(c nm )t c
n1
可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波 的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多
对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是 m ,
各边频幅度的大小 Jn (m)由贝塞尔函数决定。
如下图是m=1时的角度调制波的频谱。
0.77
0.44
mf 1
0.11
0.02
c
m
6 m
显然, 若调制信号不是单频正弦波, 则其频谱将更加复杂.
光调制器的种类
1. 电光效应光调制器
M-Z型电光强度调制器
电光效应: 在较强外电场作用下，介质的极化强度以及折射率会 各向异性的发生变化。 电光效应驰豫的时间很短，仅有10-11s量级，外场的施加或撤销 导致的折射率变化或恢复瞬间即可完成，因而可用作高速调制器、 高速开关等。
光纤通信第五版-第8章-耦合器与连接器
插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且 与分光比有很大的关系。
描述光耦合器特性的一些技术参数
3．分光比(Coupling Ration)
CRi
Pouti 100％ Pouti
(3.6)
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
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。
描述光耦合器特性的一些技术参数
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：
PDL
10
lg
Min(Pouti ) Max(Pouti )
(dB)
(3.9)
7．隔离度(Isolation)
对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树 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：
FL
10
lg
Min(Pouti ) Max(Pouti )
(dB)
(3.8)
6．偏振相关损耗(Polarization Dependent
Loss)
I
10
lg
P 式中，Pouti为在第i个光路输出端测到的其他输出端
光信号的功率； 为Pin输i 入的光功率。
光耦合器的制作方法
光耦合器大致可分为分立元件组合型、全 光纤型和平面波导型。
1、早期采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜 、棱镜等）组合拼接。
光纤无源器件介绍
第3张光纤无源器件介绍在光纤通信的传输系统中，除了必备的光终端设备、电终端设备和光纤之外，在传输线路中还需要各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与端机之间的连接、耦合、合／分路、线路倒换以及保护等多种功能。
相对于光电器件，如半导体激光器、发光二极管、光电二极管以及光纤放大器等光“有源器件”而言，这一类本身不发光、不放大、不产生光电转换的光学器件，常被称之为光“无源器件”。
无源器件的种类繁多，功能及形式各异，但在光纤通信网络里是一种使用性很强的不可缺少的器件。
主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤耦合器、光开关、光复用器(合波器和分波器)、光分路器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器，等等。
它的作用概括起来主要是：连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；以及合波和分波等作用。
需特别指出，由于生产光“无源器件”的厂家众多，且品种、结构、外貌各异，价格也不菲，因此实验箱中所涉及的光“无源器件”远不能代表该类器件的全貌。
各学校可根据自己教学的需要和开设特殊实验内容的要求，在该实验箱基础上添置更多的光“无源器件”，增加新的实验内容。
本章节的实验目的是让学生对光纤通信中这一类基本器件的某种结构及相关性能指标有一个基本了解，熟悉光“无源器件”性能指标的测量方法和光学测量仪器的使用方法，为今后的实践打下一个良好的基础。
“JH5002型光纤通信原理综合实验系统”现在的光“无源器件”基本配置见表。
一、光纤连接器光纤连接器又叫光纤活动连接器、或叫活接头。
这是用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路的可以可拆卸重复使用的光“无源器件”，被广泛应用在光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，也是目前使用数量最多的光无源器件。
尽管光纤连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几个部分：表光“无源器件”种类和数量配置连接器插头：插头由插针体和外部配件组成，用于完成在光纤器件连接中插拔功能。
光无源器件介绍
第二十五页，共39页
lHybrid
vHybrid分类
根据图13中的功能集成方案，Hybrid有很多种类，此处仅列出几种无源集 成Hybrid。
ØWDM+Isolator
signal
signal+pump
pump 接掺铒光纤 图14.正向泵浦的WDM+Isolator
隔离。
2
1
21
3
3 三端口环形器
4 四端口环形器
图6.光环形器中的信号光流向
第十四页，共39页
l光环形器
v光环形器应用 用于密集波分复用系统、单纤双向传输、光时阈反射计（ OTDR）、色散补偿器。
1、2n
1、2 m-1、m+1 n
FBG m
图7.光环形器用于密集波分复用系统
Tx
Rx
Rx
Tx
图8.光环形器用于单纤双向传输
第四页，共39页
l光纤准直器
v准直器应用 光隔离器、光环形器、光开关、光衰减器、波分复用 器，保偏准直器可用于偏振合束器中
Metal Tube
Glass Tube
Pigtail
图2.准直器结构
第五页，共39页
Lens
l光纤准直器
v准直器参数 Ø工作波长和工作带宽 Ø插入损耗（Insertion Loss，IL）
第三页，共39页
Capillary
l光纤准直器
v准直器分类 Ø按准直透镜分类 G－Collimator、C－Collimator、D－Collimator Ø按尺寸分类
普通型和Mini型
Ø按尾纤类型分类
单模光纤准直器、多模光纤准直器
光无源器件技术综述
光无源器件技术综述万助军中科院上海微系统与信息技术研究所博士生上海上诠光纤通信设备有限公司技术顾问摘要：光无源器件是光纤通信中不可或缺的部分，本文综合介绍各种光无源器件技术原理、特点以及部分工艺考虑，内容包括高斯光束能量耦合、光纤头的8°减反射角、光纤准直器设计等单元技术和光纤连接器、晶体光学器件、波分复用器、光开关等器件技术，希望对从事光无源器件设计和制造的工程师有参考作用。
关键词：光无源器件，准直器，隔离器、环形器、光开关、FBT一. 绪言适应信息社会对通信容量的要求，光纤通信已经取代电子通信。
低损耗光纤、半导体激光器和掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能的三个关键因素，而DWDM+EDFA 使光纤通信容量得到空前扩展。
在光纤通信系统中，各种光无源器件扮演着不可或缺的角色，本文将综合介绍各种光无源器件技术原理及特点[1]。
下文的组织结构是，第二部分介绍光无源器件中用到的基础知识和单元技术；第三部分对光纤连接器的一些特性进行分析；第四部分介绍各种晶体光学器件的结构、原理和发展情况；第五部分介绍波分复用器的原理和结构；第六部分介绍各种光开关的原理、结构和特点；第七部分介绍各种光衰减器的原理、结构和特点；第八部分介绍光纤熔融拉锥器件的基本原理和各种具体器件的实现方式；第九部分为全文总结。
需要说明的是，限于本文作者的知识水平和研究经历，对某些技术有较深入的分析，如光纤头、光纤准直器、光纤连接器、光隔离器、光环形器、Filter 型波分复用器和光纤熔融拉锥器件等，对某些技术则大致介绍结构和原理，如Interleaver 、光开关和可调光衰减器等，这些都是为了聊补本文的完整性，以顶住光无源器件技术综述这顶帽子。
考虑本文的读者对象是从事光无源器件设计和制造的工程师，作者尽量少用复杂的公式，但在某些场合，公式有助于理解问题和说明一些重要结论，因此本文中仍出现多达50个公式。
二. 基础知识和单元技术1. 高斯光束的能量耦合在尾纤为单模光纤的光无源器件中，光束可用高斯近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。