1、,第八章 耦合器和连接器,常见光无源器件,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。,常见光无源器件,光纤连接器原理,在光纤通信(传输)链路中，为了实现不同模块。设备和系统之间灵活连接的需要，必须有一种能在光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，使光路能按所需的通道进行传输，以实现和完成预定或期望的目的和要求，能实现这种功能的器件就叫连接器。光纤连接器就是把
2、光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。,光纤连接器,光纤连接器可分为两大类：活动连接器和固定连接器。,光纤连接的主要方式,1.固定连接。主要用于光缆线路中光纤间的永久性连接，多采用熔接，也有采用粘接和机械连接。特点是接头损耗小，机械强度较高。设备需要熔接机。 2.活动连接。主要用于光纤与传输系统设备以及与仪表间的连接，主要是通过光连接插头进行连接。特点是接头灵活较好，调换连接点方便，损耗和反射较大是这种连接方式的不
3、足。现在插损方面也已经很好了,性价比较高。 3.临时连接。测量尾纤与被测光纤间的耦合连接，一般采用此方法连接。特点是方便灵活，成本低，对损耗要求不高，临时测量时多采用此方式连接。,连接器和接头,连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。（活动连接） 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。 接头是实现光纤与光纤之间的永久性连接。（固定连接） 主要用于光纤线路的构成。,8,图8.1 光纤与光纤之间连接损耗产生的原因 (a)横向错位 (b)角向错位 (c ) 端面之间有间隔 (d) 端面不平滑,连接器原理,横向错位,图8.2 发射光纤与接收光纤的重
4、叠部分，两纤x芯中心偏离距离d,图8.3 多模阶跃光纤的横向错位损耗,图8.4 传输模式的光斑尺寸为w的单模光纤的横向对准差错损耗曲线,图8.6 发射光锥和接收光锥相互重叠的部分,图8.7 多模光纤的角度错位产生的损耗,图8.8 单模阶跃光纤的角度错位产生的损耗,图8.9 端面之间的间隙使一些发射光线可以逃逸出去,光纤端面分离,图8.10 多模阶跃光纤的端面间隙产生的损耗,图8.11 填充折射率匹配液可以减少光束发散，从而降低光纤的分离损耗,图8.13 倾斜端面产生的损耗,19,图8.14 纤芯不匹配可能产生的损耗,不同光纤之间的连接,20,图8.16 数值孔径不匹配可能产生的损耗,接收光锥,
5、发射光锥,21,图8.17 减少连接反射的两种方法 (a)物理接触 (b)倾斜端面,连接点的反射,纤芯 包层,纤芯 包层,光纤头预处理,刻痕-断裂 研磨-抛光,22,23,图8.18 将光纤固定在套筒内,环氧树脂 套筒,光缆,裸光纤,接头,接头通常指永久性的光纤连接熔接 粘结,24,光纤固定连接器,光纤固定连接器的作用是使一对或几对光纤之间永久性的连接。 制作固定接头的方法有熔接法、V形槽法、套管法等。 1熔接法 用熔接法制作固定连接器，是光纤固定连接的主要方法。,光纤固定连接器,它采用加热的方法将光纤熔接在一起，只要操作得当，熔接机设计合理，连接插入损耗很小，后向反射光近似为零，可以得到非常
6、理想的光纤固定接头。,光纤固定连接器,光纤加热和熔化的方法有三种，如图所示。 (1) 电弧熔接 (2) 氢氧焰熔接 (3) 激光熔接光纤熔接方法,光纤固定连接器,(1)电弧熔接 用高压电极放电来加热光纤，使之熔融连接，电弧放电和光纤的对准可以由微机控制，实现自动化操作。电弧熔接是熔接法中应用广泛的方法。 (2)氢氧焰熔接 用于一些特殊的场合，如海底光缆的光纤熔接，其特点是接头强度高，但火焰的控制较为困难。 (3)激光熔接 如用激光器加热并熔接光纤，其特点是加热环境非常干净，接头强度高，但设备昂贵。,光纤固定连接器,实现光纤熔接的设备是光纤熔接机，它由下述部分组成：(1)光纤的准直与夹紧结构；(
7、2)光纤的对准机构；(3)电弧放电机构；(4)电弧放电和电机驱动的控制机构。 以下是详细介绍。,光纤固定连接器,(1) 光纤的准直与夹紧结构 光纤的准直与夹紧结构由精密V形槽和压板构成， 精密V形槽的作用是使一对光纤不产生轴偏移，压板使光纤固定在V形槽内。,光纤固定连接器,(2) 光纤的对准机构 在熔接光纤之前，一般要通过手动或自动装置使纤心完全对准。常用如下三种方法来实现光纤的对准： 功率监测 纤心直视 包层对准 (3) 电弧放电机构,光纤固定连接器,熔接机的电弧放电由两根电极完成，电极由钼丝制成。 (4) 电弧放电和电机驱动的控制机构 在电极放电过程中，电机的驱动都由微处理机控制，按预定程
8、序工作。,光纤固定连接器,2其他固定连接方式 (1) V 形槽固定接头 这种接头携带方便，操作简单，不需要贵重的仪表和设备。V 形槽的结构是多样的，图为 FMS-1 型光纤固定连接器的结构图。,光纤固定连接器,(2) 毛细管固定接头 毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作，将两根处理好的光纤从两头穿入玻璃毛细管内，利用其精密内孔使两根光纤纤心对准。在两根光纤端面加入匹配液，消除菲涅尔反射。 (3) 套管式固定接头 与活动连接器一样，其主要零件也是插针和套筒。插入损耗在0.1 dB以下。,35,图8.20 电弧熔接,熔接,电极,定位单元,裸光纤,36,图8.21 各类机械式接头,粘接,光纤 光纤,光
9、纤 光纤,型槽 精密套筒,松套管 三根棒,图8.22 熔融玻璃棒接头的弯曲部位,图8.24 带状接头剖面图，光纤对接的位置用箭头指示,连接器,可拆卸，用于收发端机与光纤的连接及实验室中，操作简单，损耗较大。,39,40,低损耗 可重复性 可预测性 寿命长 高强度 环境适应性 易于组装 易于使用 成本低,光纤活动连接器,1基本结构及工作原理 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。 1 套管结构,3.1.1 光纤活动连接器,2 双锥结构4 球面定心结构,3 V形槽结构5 透镜耦合结构,
10、光纤活动连接器,套管结构的核心是插针与套筒。 插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其结构和主要尺寸如图所示。插针的结构与主要尺寸,光纤活动连接器,插针的精度要求是：外径不圆度小于0.0005 mm；外圆柱面光洁度为 ；微孔偏心量小于 ；插针端面为球面，其曲率半径为20 60 mm。 套筒是与插针相配合的零件，它有两种结构，如图所示。,光纤活动连接器,套筒的结构与尺寸 套筒的精度要求是：内孔光洁度为 ；拔插力为3.92 5.88 N。开口套筒使用弹性好的材料，如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷等。,光纤活动连接器,光纤活动连接器结构上差别很大，品种也很多，但按功能可分成如下几部分： (1) 连接器插头(P
11、lug Connector)：由插针体和若干外部零件组成。 (2) 转换器或适配器(Adapter)：即插座，可以连接同型号插头，也可以连接不同型号插头，可以连一对插头，也可以连接几对插头或多心插头。,光纤活动连接器,(3) 转换器(Converter)：将某一种型号的插头变换成另一种型号的插头，由一种型号的转换器加上另外其他型号的插头组成。 (4) 光缆跳线(Cable Jumper)：一根光缆两端面装上插头，称为跳线。两个插头型号可以不同，可以是单心的，也可以是多心的。 (5) 裸光纤转换器(Bare Fiber Adapter): 将裸光纤穿入裸光纤转换器，处理好光纤端面，形成一个插头。
12、,光纤活动连接器,2主要性能指标及测试方法 (1) 插入损耗 插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数，其表达式为(dB) 式中， 为输入光功率； 为输出光功率。插入损耗越小越好。,光纤活动连接器,重复性和互换性 重复性是指光纤活动连接器多次插拔后，插入损耗的变化，用dB表示。 互换性是指连接器各部件互换时，插入损耗的变化，也用dB表示。,光纤活动连接器,影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多，现简述如下： (1) 两个光纤纤心位置的错位，如图所示。实际有三种情况，即横向错位、角度倾斜和端面间隙。光纤纤心位置的错位,光源耦合,51,反射损耗 面积失配损耗 封装比损耗
13、数值孔径损耗 高强度 环境适应性 易于组装 易于使用 成本低,图8.36 光源的耦合损耗,53,图8.40 减少光源的光束发散角,光源,纤心,源,54,图8.41 光源耦合,柱透镜 光纤,球形透镜 光纤,柱透镜 光纤,光 耦 合 器,描述光耦合器特性的一些技术参数,1插入损耗(Insertion Loss)(3.4)式中， 为第i个输出端口的插入损耗； 为第i个输出端口的光功率； 为输入的光功率。 2附加损耗(Excess Loss)(3.5)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 Rati
14、on)(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一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。,描述光耦合器特性的一些技术参数,由 2 端输出的光功率 与全部注入的光功率(即图3.11中 1 端注入的光功率 )之比为(3.7)图 X形耦合器的方向性,描述光耦合器特性的一些技术参数,5均匀性(Uniformity) 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：(3.
15、8) 6偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss) 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 时，器件各输出端输出功率的最大变化量： (3.9)7隔离度(Isolation)(3.10) 式中， 为在第i个光路输出端测到的其他输出端光信号的功率； 为输入的光功率。,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。其耦合机理简单直观，可用一般的几何光学进行描述。但损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定
16、性较差。,光耦合器的制作方法,2、全光纤耦合器，即直接在两根（或两根以上）光纤之间形成某种形式的耦合。 全光纤耦合器的发展：（1）最早是Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法（2） Bergh等人发明了光纤研磨法，（3）研磨结束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。,光耦合器的制作方法,（4）20世纪80年代初，人们开始用光纤熔融拉锥法制作单模光纤耦合器，已成为当前制作光耦合器的主要方法。 3、集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。利用平面光波导制作的光耦合器具有体积小，分光比控制精确，易于大批生产等特点。,光耦合器的制作方法,熔融拉锥法是：将两根（或两根以上）除去
17、涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。 熔融拉锥制作系统的示意图如图所示。熔融拉锥制作系统示意,光耦合器的制作方法,熔融拉锥型全光纤耦合器有如下优点： (1) 极低的附加损耗，对于X 形或Y 形耦合器（参见表），附加损耗小于0.05 dB。表 标准X, Y型全光纤耦合器的典型性能指标,光耦合器的制作方法,(2) 方向性好，一般达到60 dB，保证了传输光信号的定向性，减小了线路之间的串扰。 (3) 良好的环境稳定性，光路结构简单紧凑，在-4085温度范围内耦合器可以保证稳定工作。,光耦合器的制作方法,(4
18、) 控制方法简单、灵活，不仅可以方便地改变器件的性能参数，还能制作具有不同功能的其他器件。 (5) 制作成本低，适于批量生产。上表给出了标准X，Y型全光纤耦合器的典型性能指标。,耦合机理,1单模光纤耦合器 在单模光纤中，传导模是两个正交的基模( 模)，耦合器中光场强分布如图所示。耦合器中光场强分布,耦合机理,传导模进入熔融锥区，纤心不断变细，V 值逐渐减小，有越来越多的光功率进入光纤包层中，实际光功率是在以包层为心、光纤外介质为包层的复合波导中传输的。,耦合机理,在输出端，随着纤心的逐渐变粗，V 值增大，光功率被两根纤心以特定比例捕获。在熔锥区，两根光纤包层合并在一起，两根光纤纤心足够接近，形
19、成弱耦合，如下图所示。图 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理,耦合机理,在弱导近似下，假设光纤无损耗，则有耦合方程：(3.11)式中， 分别为两根光纤的模式场幅度； 是独立状态的两根光纤的传输常数； 是耦合系数。 实际上，自耦合系数 ，且 。当z = 0 时，已知 ，则耦合方程的解为式(3.12)所示。,耦合机理,因此可求得每根光纤中的功率为(3.13)由此得到：耦合比率与熔融拉伸长度的关系曲线，如图3.15所示。最大耦合率可以达到100。 耦合比率与熔融拉伸长度的关系,耦合机理,2多模光纤耦合器 阶跃多模光纤的模式总数 ，当传导模（靠近光轴为低阶模，离光轴较远的是高阶模）进入多模光纤耦合器的熔锥
20、区时，纤心变细，V值变小，纤心中束缚的模式数减小，较高阶模进入包层，形成包层模。 在熔锥区，两光纤包层合并，在输出端纤心又逐渐变粗时，耦合臂的纤心将以一定比例捕获这些高次模式，获得耦合光功率，但低次模不参与耦合。,波导型光耦合器,在 等衬底材料上，通过薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成所需的波导结构，利用光波导实现光的耦合。 单模光纤与单模波导的耦合有端面直接耦合和通过迅衰场的表面耦合等方法。 波导型光纤耦合器有以下优点： (1) 体积小，质量轻，易于集成。 (2) 机械及环境稳定性好。 (3) 耦合分光比易于精确控制，母板定形后，可以进行 大批量生产。 (4) 易于制成小型化的宽带耦合器件。,波
21、导型光耦合器,单模波导型分路器是对单模光信号进行功率分配的器件，可分为分支波导、方向耦合器和间隙渐变方向耦合器三种。1分支波导 分支波导的基本结构分为对称和非对称两种，如图所示。其带宽仅取决于模色散的限制，适于制作宽带耦合器，带宽可达100 nm。图 分支波导,波导型光耦合器,2方向耦合器 方向耦合器(如图所示)对波长较为敏感，带宽为 10nm 左右，分光比通过耦合区的长度来调整。波导方向耦合器,光 耦 合 器,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。 从端口形式上，可分为X 形( )、Y 形( )、星形 ( N N, N2 ) 以及树形 ( 1 N, N2）耦合器。,光 耦 合 器,从工作带宽上，可分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。 另外，由于传导光模式的不同，又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分。,
