有源光器件按其功能性质也可以分为两类：一类是具有光 电能量信号转换的功能，如光源(将电转换为光)、光检测器(将 光转换为电)；另一类则是具有控制光信号、从而可实现控制系 统行为的功能，如光开关、光放大器(放大光信号)、光调制器 (利用电光效应等实现调制控制等功能)、波长变换器等。上述 内容中有关光源和光检测器部分内容将在第9章光纤通信技术中 详细介绍。
光纤光学与光纤应用技术
第6章 无源与有源光器件
本章以光纤技术最有代表性、最大量的应用领域—光纤通信 为背景，介绍无源光器件和有源光器件。在一般的光纤通信系统 中，除了采用光发射机(含调制器、载波光源、信道耦合器)、传 输信道光纤光缆、中继器和光接收机(含检测器、放大器、信号 处理器)等基本设备外，还需要一系列配套的功能部件，以实现 系统各部分之间光路的连接转换、信道的互通、分路/合路、交 换、隔离、复用/解复用、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、 偏振选择控制以及光开关、光放大等功能。光纤通信中所用的上 述全部光器件可分为两大类：无源光器件(Passive Optical Device)和有源光器件(Active Optical Device)。两类光器件的 本质区别在于，在实现器件自身功能过程中，有源光器件一般需 从外部吸取能量(即需外界电源驱动)，并具有以不同方式改变信 号的功能；而无源光器件则无须外界电源驱动，且对信号的作用 总是相同的，即只是衰减、合并和分离信号。
光纤的连接分为两类，即永久性的(固定的)连接和可拆 装的(非固定的)连接。前者常用于光纤传输线路两光纤段之间 的永久性连接(例如长途光缆间的接头，室外光缆连接)，称之 为光纤的接续，通常采用熔接方法，这是一种光学的连接方法， 连接点称为“接头”。固定接头的方法有熔接法、V形槽法和 套管法。其优点是，具有低的损耗和良好的机械稳定性，但以 牺牲灵活性为代价。后者可用于光纤与光源尾纤或光电探测器 尾纤之间的连接，这是一种活动的机械式连接结构，称之为 “光纤连接器”。光纤连接器是为可变连接设计的，用于设备 间临时性连接，因而是可以插拔的。光纤通信系统的中继和终 端的端机(发射机与接收机)与光纤线路之间的连接和调度，
发射光纤输出的光功率为P1，接收光纤接收的光功为P2，则有
.1)
由4.1节，相应的连接耦合损耗L即光功率的损失可以由
下式表示：
若两光纤实现理想的连接耦合(如图6.4所示)，无任何性能 参数失配和连接位置误差(即两光纤端面平整，完全接触，无 横向偏移与对准角度误差)，则应有P2=P1，从而T=1，L=0dB， 即表示连接无损耗；然而，实际上两光纤难以满足理想的连接
功率。若从芯径Ø62.5μm的渐变多模光纤传向芯径为Ø9μm 的单模光纤，将有约17dB的损耗，即损失约98%的光功率。
2.光纤几何特性与波导特性差异对连接损耗的影响
比较重要的特性差异因素有两类，即纤芯直径差异与数
值孔径差异(参见图6.5)。 （1）纤芯直径差异对连接损耗的影响
若两段光纤纤芯直径不同，在光纤轴线精确对准的条件下，
则连接损耗可以近似地由发射与接收纤芯自积相对差值
以及各种实验测试系统中与光纤之间的连接都要用到大量的光纤 连接器。光纤连接器还特别适用于通信系统中结构可能需要变化 的地方，如设备与局域网间的接口处、网络与终端设备间的连接、 电信系统进入大楼的位置等。
永久性连接——熔接法连接和可拆装连接——机械拼接法连 接两种连接的典型方法与设备分别如图6.2和图6.3所示。在图 6.2中，光纤熔接机利用机械方法将待连接的两光纤端面对齐， 然后采用电弧或激光脉冲加热，将它们熔接到一起。典型的熔接 接合损耗为0.05~0.2dB，多数情况为<0.1dB。熔接法设备昂贵， 但接头有良好的光学特性；机械拼接法可以用简化的通用光纤连 接器为代表，图6.3中光纤被固定在细长的圆柱套筒内，套筒上 有一个与光纤包层直径相匹配的插孔，套筒对中、准直光纤，并 保护光纤免受机械损伤。光纤端面与套筒的抛光端面对齐，套筒 固定在连接器的主体上，连接器主体连着光缆结构。减压套管 (缓冲罩)保护连接体与光缆之间的接头。大多数标准光纤连接器 是通过适配器(通常称为耦合插座)连接的。
耦合条件。引起连接损耗的因
素可能有多方面，例如光纤类
型不匹配，光纤的几何特性与
波导特性有差异，以及两光纤
之间的连接错位。以下将依次
图6.4 光纤的理想连接
讨论，其中将重点讨论两光纤 之间连接错位造成的损耗影响。
1.光纤类型不匹配对连接损耗的影响
经验与统计数据表明，若两段光纤的类型不匹配，例
如光从芯径为Ø62.5μm的渐变多模光纤传向芯径为Ø50μm 的渐变多模光纤，将会有约2dB的损耗，即损失约36%的光
图6.2 利用光纤熔接机熔接光纤 图6.3 具有连接装置或适配器的简 化通用光纤连接器
本节将重点介绍光纤连接器的主要原理与结构类型，首先 讨论光纤的连接损耗机制及其影响因索。讨论所涉及的一些原 则对接头也有参考意义。
6.1.1 光纤的连接损耗及影响因素
两段光纤相连接，其耦合效率可以用传输系数T表示。若
无源光器件是光通信系统中一类重要的基础性光器件，其 功能有许多是和相应的电子器件类似的。若按功能分类，比较 重要的无源光器件包括：光纤连接器、光纤耦合器(光分路/合 路器)、波分复用/解复用器、光滤波器、光衰减器、光隔离器、 光环行器、光偏振选择控制器等。图6.1表示了部分无源光器 件在光纤通信线路中的功能与作用。当前，无源光器件门类齐 全，性能得到很大提高，标准口益完善，新型器件不断出现。
图6.1 光纤通信线路中的部分无源光器件的布局
本章将依次概要介绍上述各类重要的无源光器件以及光开 关、光放大器、光调制器等有源光器件的工作原理与结构特性， 为学习光纤通信与光纤传感系统等应用奠定必要的器件基础。
6.1 光纤连接器
光纤(光缆)连接器是光纤通信系统中应用最广泛的器件 之一。任何一个光纤通信(传感)线路中均需解决光纤与光纤、 光纤与光源、光纤与光检测器之间的低损耗连接问题。