光纤通信_第4章 无源光器件.ppt

第4章 无源光器件 4.1 光纤连接器 4.2 光纤耦合器 4.3 光开关 4.4 光纤光栅 4.5 光滤波器 4.6 WDM合波/分波器 4.7 光隔离器与光环形器 习题四 4.1 光 纤 连 接 器 对于任何一个光纤线路， 必须考虑的一个重要问题是光纤之间的低损耗连接方法。 这些连接存在于光源与光纤， 光纤与光纤以及光纤与光检测器之间。 光纤连接需要采用何种技术，取决于光纤是永久连接还是可拆卸的连接。 一个永久性的连接通常指的是一个接头， 而一个易拆卸的连接则称为连接器。 接头一般常见于线路中间两根光缆中的光纤之间的连接， 连接器常位于光缆终端处， 用于将光源或光检测器与光缆中的光纤连接起来。 每种连接方法都受限于一些特定的条件， 它们在接头处都将导致不同程度的光功率损耗。 这些损耗取决于一定参数， 如两根光纤的几何特性、 波导特性、 光纤端面的质量以及它们之间的相对位置等。 4.1.1 光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。 外部损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗， 它顾名思义是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。 内部损耗又称为与光纤相关的损耗， 这主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗。 连接错位一般有以下几种情况： 轴向位移、 连接间隔、 倾斜位移、 截面不平整。 这些损耗如图4.1所示。 轴向位移即两根光纤连接处有轴向错位。 其耦合损耗在零点几分贝到几个分贝之间， 若错位距离小于光纤直径的5%， 则损耗一般可以忽略不计。 连接间隔有时又称端分离。 如果两根光纤直接对接， 则必须接触在一起， 光纤分得越开， 光的损耗越大。 如果两根光纤通过连接器相连， 则不必接触， 因为在连接器接触产生的相互摩擦会损坏光纤。 倾斜错位有时称为角错位。 若角错位小于2°， 则耦合损耗不会超过0.5 dB。 截面不平整。 光纤连接的两个截面必须经过高精度抛光和正面粘合。 如果截面与垂直面的夹角小于3°， 则耦合损耗不会超过0.5 dB。 除了错位连接之外， 任何相连的光纤的几何特性和波导特性的差异对光纤间的耦合损耗都有大的影响。 这些特性包括纤芯的直径、 纤芯区域的椭圆度、 光纤的数值孔径、 折射率剖面等。 由于这些参数与生产厂家相关， 因而使用者不能控制特性的变化。 理论结果表明， 与折射率剖面、 纤芯区域的椭圆度相比， 纤芯的直径和数值孔径的差异对连接损耗的影响更大。 图4.2（a）、 （b）、 （c）给出了由纤芯直径、 数值孔径和模场直径失配所引起的损耗的示意图。 4.1.2 光纤连接方法 光纤连接是指两根光纤之间的永久或半永久连接， 它的典型应用在于建立一个很长的光链路， 或者用在不需要经常连接和断开光纤的情况中。 为了实施和计算这样的连接， 必须考虑的因素有两根光纤的几何差异、 光纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。 这里介绍光纤通信中常用的连接方法。 光纤连接方法包括光纤熔接法、 V型槽机械连接和弹性管连接。 第一种方法可产生永久性的连接， 而后两种连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。 光纤熔接是通过加热的方法使已制备好的光纤端面连接在一起， 如图4.3所示。 这种方法首先将光纤端面对齐， 并且对接在一起， 该过程是在一个槽状光纤固定器里、 在带有微型控制器的显微镜之下完成的。 然后在两根光纤的连接处， 使用电弧或激光脉冲加热， 使光纤头尾端被熔化， 进而连接在一起。 这种技术产生非常小的连接损耗(典型的平均值小于0.06 dB)。 在V型槽机械连接方法中， 首先要将预备好的光纤端面紧靠在一起， 如图4.4所示。 然后将两根光纤使用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。 V型通道既可以是槽状石英、 塑料、 陶瓷， 也可以是金属基片作成槽状。 这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于光纤中心的位置)。 图4.5所示为弹性管连接装置的剖面图。 这是一种可以自动进行横向、 纵向、 角度对准的独特器件。 使用它连接多模光纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗， 但它所需要的设备和技巧却要少得多。 这种连接器件基本上就是一根用弹性材料做成的管子。 管子中心孔的尺寸稍小于待连接的光纤。 在孔的两端做成圆锥形以便于光纤插入。 当插入光纤时，光纤使孔膨胀， 于是塑料材料对光纤施加均匀的力。 这种对称特征让两根待连接光纤的轴自动准确地对齐。 尺寸范