光纤通信

第4章 无源光器件光纤连接器 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

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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。

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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。

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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。

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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。

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损耗 输入 轴向位移 (a) 输入 间隔 (b) 损耗 输出 输入 输出 输入

倾斜错位 损耗

输出 (c) 截面不平整 输出 损耗 (d)

图4.1 (a) 轴向位移； (b) 连接间隔； (c) 倾斜错位; (d) 截面不平整

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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。

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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。

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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。

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(a)

D1

D2

(b)

1

2

(c)

图4.2 (a) D2>D1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2

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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。

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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。

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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)。

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电弧或激光 熔化焊接 待连接光纤

能进行显微操作的光纤夹具

图4.3 光纤的熔接

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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)。

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待连接的光纤

在此处使用环氧 化物将光纤端面 粘贴在一起或将 光纤夹紧以定位

V型槽基底

图4.4 V型槽机械连接