第4章 常用光无源器件
光无源器件
1
光器件的分类
光有源器件： 光源 光放大器 光检测器
光无源器件： 光连接器 光耦合器 光开关 光隔离器 光衰减器 光调制器
光环行器
光波分复用器
作用 —— 参数—— 原理—— 类型
2
4.1 光纤连接器
一、功能：
用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间, 光纤 与其它部件之间，设备和设备之间的连接。 又叫活接头。
全光交换：
1×2空间光交换
1×2时隙光交换
光纤延时线 . T
47
光开关
复合光交换
T4 T3 T2 T1
光开关或耦合器
T1 T2 T3 T4
6t 4t 2t
T1 T2 T3 T4
48
49
50
光开关
二、光开关的类型
（1）机械式光开关
原理
★移动光纤式 ★移动棱镜式
51
光开关
移动光纤式：
套管
方空玻璃套筒
NTT：256波，间隔0.2nm， 3dB带宽0.12nm，插入损耗 4.4-6.4dB，串扰-33dB，偏 振相关波长差<0.03nm，需 要温控。
扇型波导
b 2b 3b 4b
llll 1c 2c 3c 4c
llll 1d 2d 3d 4d
行..
扇型波导
67
光环行器
基本功能：
光环形器
1
2
3
用途：用于光放大器和光时域反射 仪。
68
要点总结
1、光器件与电器件的比较
电源
电探头 电阻 电混频器 电插头 二极管
光方向耦合器 激光器 光调制器 隔离器 光检测器 光衰减器
分支器（三通）
波分复用器
MODEL
光纤连接器
69
要点总结
2、 FC 型光纤连接器的结构、缺点 插针体
光纤1
玻璃套筒
光纤2 光纤1 光纤3
光 纤2 光纤3
52
光开关
移动棱镜式：
棱镜
自聚焦透镜
53
光开关
新型的微光机电系统光开关
微光机电系统（MOEMS）光开关微机电系统（MEMS） 技术与传统的光技术的结合
54
光开关
55
56
光开关
（2）电光式光开关
场效应晶体
高折射率玻璃棱镜
V<Vt
v
V>Vt
57
5、工作寿命 意义：可插拔的最大次数
18
四、 光纤通信对光连接器的要求
①连接损耗低
0.5dB连接损耗~~~5km光纤损耗
≤0.4dB ②重复性好 ③寿命长
一般>1000次 ④强度高 ⑤环境稳定性好 ⑥反射低 ⑦体积小，成本低，操作方便
19
五、陶瓷PC型光纤连接器的主要技术指标
插入损耗 重复性 互换性 反射损耗 寿命 温度范围
作用：将带状光纤的光纤一根根分开，与单芯光纤连接。
13
6、MT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。
14
三、 光纤连接器的参数
1、插 入衰减
意义：表征光连接器插入后引起的光路中的光信号 衰减的程度。
a 定义： c=10 Lg(Pin / Pout) (dB)
影响光纤连接器衰减的因素： ①参数不匹配：折射率、纤径 ②耦合缺陷：
61
光隔离器
4.6 光隔离器
一、 定义 光隔离器是一种防止光沿传输光程返回的无源器件。
62
光隔离器
光隔离器
63
光隔离器
二、工作原理 基于法拉第效应
在偏振光的传播方向外加电磁场时，其偏振方向 会旋转一定的角度。
Ω=V·B·L (V费尔德常数、L材料厚度、B磁场 强度) 无论光的传播方向如何，顺着外加磁场的传播方 向观察，偏振光按顺时针的方向旋转.
螺旋式连接 粘合剂 插针体 套筒
插针体
固定盘
光纤
光纤
6
材料：合金
问题所在：FC 型光纤连接器的接头时平面型，产生菲涅尔反射， 形成损耗和引入噪声 。
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 。
7
2、直接接触型光纤连接器（PC型—physical connect） 特点： 插针体（包括光纤）的端面研磨成凸面球，使得被连接 的光纤的端面可以直接接触，实现 物理结构的直接连接。
28
工作原理：
光功率的比例分配与锥形的长度和包层的厚度有关
29
2、 微光器件型 主要采用自聚焦渐变透镜
半透镜 A
B
GRIN圆柱透镜
GRIN圆柱透镜
30
3、波导型
在一个平面板的衬底上制作 需要形状的光波导， 衬底既可以做支撑体也可以做波导的包层。
嵌 入波导
玻璃 衬底
31
32
4、对接型偶合器
包层研磨
单独分离出来
71
要点总结 3、 光耦合器与光波分复用器的区别：
光耦合器 光波分复用器
光功率的合与分 光波长的分与合
72
要点总结 4、 2×2型光纤耦合器的级联
利用（N ·㏒2N）/ 2个2×2的星型耦合器可以 组成㏒2 N级阵列， 形成N×N型星型耦合器，其
分路损耗为3㏒2 N dB.
73
要点总结 6、光开关在光纤通信中的用途
（3）热光开关
58
（4）SOA光开关
控制电压
半导体光放大器
59
光开关
二、 参数
（1）插入损耗
ai=10Lg(Pin/Pout)
(dB)
(2) 通断消光比 开关处于接通状态的输出光功率和 处于断开状态的输出光功率之比。
a=10Lg(P通/P断)
60
光开关
(3)寿命 允许转换光路的次数
（4）转换速度 光通道的设置开关：1~10ms 保护倒换：1~10us 分组交换：1ns 外调制：10ps
l1
• 插入损耗和隔离度:
– 对传输通道的波长，具有低插入损耗 (< 1 dB)
l2
– 传输通道波长对另一波长有高损耗 (20 to 50 dB) :
I10=-10log10[P1(λ1)/P0 (λ1)], I20=-10log10[P2(λ1)/P0 (λ1)]
36
A、分类 •熔锥型(粗WDM) •多层干涉滤光膜型(细WDM →DWDM) •棱镜分光型(粗WDM) •光栅型---体光栅、光纤光栅(粗WDM，细WDM ) •阵列波导光栅(细WDM →DWDM) B、原理
41
光栅型波分复用器---体光栅
主最大强度的方向由下式给出：d sinθ=mλ
Δ θ /Δ λ= m/ d cosθ
其中d为光栅周期， θ为衍射角， m = 0，±1， ±2，等
等， Δ θ 为角分离， Δ λ 为波长间隔。
1. 体光栅型
输入光
l4l3l2l1
42
l1—l16 l16
布拉格光栅
用途： 光功率分配器或光功率组合器
25
2、星型耦合器 功能：将n根光纤的输入光功率合 在一起，均匀 的分给m 根光纤。
用途：多端口功率分配器
26
3、 定向耦合器
功能： 取出光纤中向不同方向传送的光信号
1
3
2
4
1
3
2
4
用途：只能用于功率分路器。 27
四、基本结构 1、 光纤型
将几根光纤去涂覆后排列在一起， 用熔断拉锥技术制作成光耦合器。
倒换备用 光交换
空分光交换 时分光交换 复合光交换
74
要点总结
7、 光隔离器的作用及工作 原理
光隔离器是一种防止光沿传输光程 返回的无源器件。
工作原理： 基于法拉第效应
在偏振光的传播方向外加电磁场时 ，其 偏振方向会旋转一定的角度。
Ω=V·B·L 无论光的传播方向如何，顺着外加磁场 的传播方向观察，偏振光按顺时针的方 向旋转
≦0.3dB ≦0.1dB ≦0.1dB ≧38dB ≧10000次 －40~80℃
20
4.2 光纤耦合器
一 、光纤耦合器 功能： 对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件。 实现光功率的分配，对光的波长没有影响。
分路
合路
插入
分配 21
二、 参数
（1）插入损耗 意义： 表征插入光方向耦合器后对链路的光信号的衰减。
光纤 套筒
平面对接型光纤连接器产生菲涅尔反射
70
要点总结
3、PC 型光纤连接器、SC 型 光纤连接器、 FO型光纤连接器各自的特点。
PC 型光纤连接器： 物理接触型，实现物理上的直接接触，克服了菲涅尔反射。 SC 型 光纤连接器：
矩形，方便安装，降低精度要求 FO型光纤连接器：用于将带状光纤的每 一根光纤
l1—l15、l16
环形器
FBG
l16
l1—l15
l1—l15、l16 l16
43
光纤光栅型波分复用器
其反射波长成为布拉格波长（ λB ）由下面的布拉格条件 确定：
2Λneff=λB
其中Λ为光栅周期， neff为有效纤芯折射 率。
44
Array Waveguide Grating (AWG)
波导光栅
光源 尾纤
光中继
光耦合器
光跳线
光测试仪器
光检测器3
二、光纤连接器的典型类型及工作原理
1、平面对接型光纤连接器 （FC型—face connect）
结构：
粘合剂
插针体
套筒
插针体
固定盘
光纤
光纤
4
光连接器 FC 型光纤连接器
5