【正文】 ③”表示為ZH7002C配置，以上兩種配置方式為擴展型；誤碼測試模塊為一個獨立的可選模塊。 光器件基礎知識一、無源光器件在光纖通信的傳輸系統(tǒng)中，除了必備的光終端設備、電終端設備和光纖之外，在傳輸線路中還需要各種輔助器件以實現(xiàn)光纖與光纖之間或光纖與光端機之間的連接、耦合、合／分路、線路倒換以及保護等多種功能。相對于光電器件，如半導體激光器、發(fā)光二極管、光電二極管以及光纖放大器等光“有源器件”而言，這一類本身不發(fā)光、不放大、不產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換的光學器件，常被稱之為光“無源器件”。無源器件的種類繁多，功能及形式各異，但在光纖通信網(wǎng)絡里是一種使用性很強的不可缺少的器件。主要的無源器件有光纖連接器、光纜連接器、光纖耦合器、光開關(guān)、光復用器(合波器和分波器)、光分路器、光隔離器、光衰耗器、光濾波器，等等。它的作用概括起來主要是：連接光波導或光路；控制光的傳播方向；控制光功率的分配；控制光波導之間、器件之間和光波導與器件之間的光耦合；以及合波和分波等作用。需特別指出，由于生產(chǎn)光“無源器件”的廠家眾多，且品種、結(jié)構(gòu)、外貌各異，價格也不菲，因此實驗箱中所涉及的光“無源器件”遠不能代表該類器件的全貌。各學?？筛鶕?jù)自己教學的需要和開設特殊實驗內(nèi)容的要求，在本實驗箱基礎上添置更多的光“無源器件”，增加新的實驗內(nèi)容。本章節(jié)的實驗目的是讓學生對光纖通信中這一類基本器件的某種結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能指標有一個基本了解，熟悉光“無源器件”性能指標的測量方法和光學測量儀器的使用方法，為今后的實踐打下一個良好的基礎。 “ZH7002型光纖通信多功能綜合實驗系統(tǒng)”。序 號名 稱數(shù) 量11310/1550nm分波器（WDM）1只21310/1550nm合波器（WDM）1只31310nm光分路器（1∶1）1只4FC/FC連接器2只5可變光衰減器（～30dB）1只6單模光纖5根7多模光纖1根 光“無源器件”種類和數(shù)量配置(一) 光纖連接器光纖連接器又叫光纖活動連接器、或叫活接頭。這是用于連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光通路的可以可拆卸重復使用的光“無源器件”，被廣泛應用在光纖傳輸線路、光纖配線架和光纖測試儀器、儀表中，也是目前使用數(shù)量最多的光無源器件。盡管光纖連接器在結(jié)構(gòu)上千差萬別，品種上多種多樣，但按其功能可以分成如下幾個部分：連接器插頭：插頭由插針體和外部配件組成，用于完成在光纖器件連接中插拔功能。兩個插頭在插入轉(zhuǎn)換器或變換器后可以實現(xiàn)光纖之間的對接。通常將一端裝有插頭的光纖稱為尾纖。光纖跳線：將一根光纖兩頭都裝上插頭，稱為跳線。連接器插頭是其特殊情況，即只在光纖的一頭裝有插頭。跳線的兩頭可以是同一型號，也可以是不同的型號；可以是單芯的，也可以是多芯的。轉(zhuǎn)換器：把兩個光纖插頭連接在一起，從而使光纖接通的器件稱為轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器又稱法蘭盤。變換器：將某一種型號的插頭變換成另一種型號插頭的器件叫做變換器。在實際使用中，往往會遇到這種情況，即手頭上有某種型號的插頭，而設備或儀器上是另一種信號的插頭或變換器，彼此配接不上，不能工作。此時，使用相對應型號的變換器，問題就迎刃而解了。裸光纖轉(zhuǎn)接器：將裸光纖與光源、探測器以及各類光儀器進行連接的器件，稱為裸光纖轉(zhuǎn)接器。裸光纖與裸光纖轉(zhuǎn)接器使用時可相互連接；用完后，可以將裸光纖抽出它用。因此彼此是可以結(jié)合和分離的。光纖連接器按傳輸媒介的不同可分為單模光纖連接器和多模光纖連接器；按結(jié)構(gòu)類型的不同可分為FC、SC、ST、MU、LC、MT等各種型式；按連接器的插針端面接觸方式可分為FC、PC（UPC）和APC；還有按光纖芯數(shù)的多少分，有單芯光纖連接器和多芯光纖連接器。不管何種連接器，都必須具備損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復性和互換性好以及價格低廉等優(yōu)點。FC、SC、ST連接器是目前世界上使用量最大的品種，也是我國采用比較常見的光纖品種。 FC型（平面對接型）連接器是一種采用卡口螺紋方式連接。這種連接器插入損耗小，重復性、互換性和環(huán)境可靠性都能滿足光纖通信系統(tǒng)的要求，是目前國內(nèi)廣泛使用的類型。FC型連接器結(jié)構(gòu)采用插頭——轉(zhuǎn)接器——插頭的螺旋耦合方式。兩插針套管互相對接，對接套管端面拋磨成平面，外套一個彈性對中套筒，使其壓緊并且精確對中定位。FC型光連接器制造中的主要工藝是高精度插針套管和對中套筒的加工。高精度插針套管有毛細管型、陶瓷整體型和模塑型三種典型結(jié)構(gòu)。對中套筒是保證插針套管精確對準的定位機構(gòu)。根據(jù)其插針端面形狀的不同，它分為固定光纖端面的平面接觸FC、球面接觸的FC/PC和斜球面接觸的FC/APC結(jié)構(gòu)，后兩種有利于減少插針端面的反射損耗。它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、制造容易的優(yōu)點。缺點是對沾污較敏感，應保持插針端面的絕對于凈，否則影響連接衰耗。 SC（矩形）光纖連接器是一種直接插拔耦合式連接器，不用旋轉(zhuǎn)，可自鎖和開啟，為非螺旋卡口型。它的外殼是矩形結(jié)構(gòu)，采用模塑工藝制作，用增強的PBT的內(nèi)注模玻璃制造。插針套管是氧化鋯整體型，將其端面研磨成凸球面。插針體尾入口是錐形的，以便光纖插入到套管內(nèi)。SC矩形光纖連接器可以是單纖連接器也可以是多纖連接器。該器件特點是不需要螺紋連接，直接插拔，操作空間小，非常適合于密集安裝狀態(tài)下使用，如光纖配線架，光端機，以及局域網(wǎng)、用戶網(wǎng)等。按其插針端面形狀也分為平面接觸SC、球面接觸的SC/PC和斜球面接觸的SC/APC幾種結(jié)構(gòu)。 ST連接器是一種采用帶鍵的卡口式鎖緊機構(gòu)來確保連接時準確對中的連接器，插針的端面形狀通常為PC面。它的特點主要是使用非常方便。光纖活動連接器產(chǎn)生的損耗主要原因有兩個方面，一是連接技術(shù)上的原因；二是光纖參數(shù)不一致所引起。前者主要有軸心錯位、有折角、間隙以及端面不完整等造成光損耗。后者是由于光纖芯徑、相對折射率差、橢圓度、外徑、偏心度以及折射率分布參數(shù)等的差別所引起。連接技術(shù)所造成的損耗往往是主要的，其中軸心錯位和間隙造成損耗占有較大的比例。 光纖連接損耗的原因表征光纖連接器特性的參數(shù)主要是：插入損耗、回波損耗、重復性和互換性等。插入損耗（Insertion Loss）：即連接損耗，是指光纖中的光信號通過光纖連接器，其輸出光功率()與輸入光功率()的比的分貝數(shù)，表示為：插入損耗越小越好?；夭〒p耗（Return Loss, Reflection Loss）：又稱后向反射損耗，是指連接器對鏈路光功率反射的抑制能力，指在光纖連接處，后向反射光功率＜)與輸入光功率()的比的分貝數(shù)，表示為：回波損耗越大越好，這樣可減少反射光對光源和系統(tǒng)的影響。其典型值應不小于25dB。實際應用的連接器，插針表面經(jīng)過了專門的拋光處理，可以使回波損耗更大，一般不低于45dB。重復性和互換性：重復性和互換性指標是對活動連接器而言的。重復性是指光纖連接器多次插撥后插入損耗的變化，用分貝(dB)表示?；Q性是指連接器各部件互換時插入損耗的變化，也用分貝(dB)表示。連接器一般由跳線和轉(zhuǎn)換器組成，連接器的重復性和互換性指標可以考核連接器結(jié)構(gòu)設計和加工工藝的合理性，它們是連接器實用化的重要標志。使用壽命（插拔次數(shù)）：反映連接器滿足技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)插拔次數(shù)的多少。目前使用的光纖連接器一般都可以插拔l000次以上。溫度性能：是指連接器能夠正常使用的溫度范圍。具體是在一定溫度范圍內(nèi)（通常在：－40～＋70℃）；此外還有抗拉強度、振動等各種環(huán)境試驗數(shù)據(jù)等。(二) 耦合器件光耦合器是一種用于傳送和分配光信號的無源器件。通常，光信號由鍋臺器一個端口輸入，而從另一個端口或幾個端口輸出。光耦合器在光纖局域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)、干涉型光纖傳感器和某些測量儀表(如光時域反射計)中有廣泛的應用。光耦合器已形成了一個多功能、多用途的產(chǎn)品系列。根據(jù)不同的情況有不同的分類方法。從功能上，光耦合器可分為：光功率分配器和光波長分配耦合器；從傳導模式上，它可分為：單模耦合器和多模耦合器；從端口形式上，它可分為：X形耦合器、Y形耦合器、星形耦合器和鉗形耦合器等；從工作帶寬上，它可分為：單工作窗口的窄帶耦合器、單工作窗口的寬帶耦合器(WFC)和雙工作窗口的寬帶耦合器(WIC)。我們通常又將與波長無關(guān)的耦合器稱為合／分路器；而將與波長有關(guān)者又稱為波分復用器。與波長無關(guān)類合／分路器常用1N表示其合／分路數(shù)，也就是在星形耦合的某一側(cè)只保留一個端口而已。實際上，對于路數(shù)較多的合／分路器完全可以采取和墾形粥合器一樣的工藝，如熔融技術(shù)。表征鍋臺器特性的主要參數(shù)是：插入損耗、功率鍋臺系數(shù)、分光比和隔離度。插入損耗：是指某一輸出端口的光功率（）與全部輸入光功率（）的比的分貝數(shù)，表示為：功率耦合系數(shù)：定義為耦合臂輸出功率()與輸入光功率()之比，表示為：分光比：定義為耦合器各輸出端口輸出功率()與總輸出功率的比值，表示為：隔離度：是指光耦合器的某一光路對其他光路中的光信號的隔離能力。定義為：某一光路輸出端測到的其他光路的光信號的功率值()與光信號輸入功率()的比的分貝數(shù)，表示為：光耦合器的耦合是靠消逝場的作用，這就需要使光纖的芯線靠近。因此制作光耦合器的方法主要有：側(cè)面研磨法和熔融拉錐法。側(cè)面研磨法是將光纖預先埋入玻璃塊的弧形槽中，然后對光纖側(cè)面進行研磨拋光，同時監(jiān)測光通量。研磨結(jié)束后，在磨面上加入一小滴匹配液，再將光纖拼接，做成光纖耦合器。熔融拉錐法是將兩根(或兩根以上)除去徐覆層的光纖以一定方式靠攏，在高溫下加熱熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光功率耦合。熔融拉錐法的工藝相當成熟，這種方法己成為當前制作光耦合器的主要方法。(三) 光衰減器能夠使傳輸線路中的光信號產(chǎn)生定量衰減的器件稱為光衰減器。光衰減器可大致分為固定和可變兩類。固定衰減器和可變衰減器的主要指標是其衰減量的準確度、精度和穩(wěn)定性或重復性，以及適用的波長區(qū)域。使光纖中的光信號功率衰減的辦法很多，因此衰減器的原理和結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。（FC標準適配器形式），應用于光纖傳輸線路中，可對光強進行0～25dB連續(xù)可變的衰減，對衰減量進行在線式調(diào)整與鎖定，使用極為方便。 表 法蘭式光可調(diào)衰減器技術(shù)性能參數(shù)參 數(shù)單 位指 標工作波長nm1310或1550附加損耗dB≤衰減量dB0～25輸入/輸出形式FC外形尺寸mmФ19溫度范圍℃40～＋80(四) 光開關(guān)光開關(guān)是使傳輸通路中的光路控制器件，起著控制光信號通、斷或轉(zhuǎn)換光路的作用。它目前廣泛應用在主、備光纖線路的切換，光纖或光纜的測量系統(tǒng)中，以及用戶系統(tǒng)、專用線路、光交換機中等領域。一個性能良好的光開關(guān)應具備插入損耗低、轉(zhuǎn)換重復性好、開關(guān)速度快、使用壽命長以及結(jié)構(gòu)緊湊等。由于只要能在時間上或空間上對光波進行切換的器件都可制作成光開關(guān)，所以光開關(guān)種類繁多。通常，可將光開關(guān)概括為三類，每一類又有多種具體形式。機械式光開關(guān)：利用機械動作達到光開關(guān)的目的。其光開關(guān)優(yōu)點具有插入損耗小、串擾低；缺點是速度慢，易磨損，容易受振動和沖擊的影響。非機械式光開關(guān)：利用電光效應、磁光效應及聲光效應實現(xiàn)光開關(guān)。其光開關(guān)優(yōu)點具有重復性好、開關(guān)速度快、可靠性高、使用壽命長、尺寸小等。缺點是插入損耗、串光性能不夠理想。半導體光波導開關(guān)：基于電光效應——電場引起折射率變化、填充帶效應或載流子注入感生折射率變化以及量子限制Stark效應場感生折射率變化制作成光開關(guān)。其光開關(guān)優(yōu)點具有損耗低、開關(guān)速度快、重復性好，便于與其它元期間單片集成進行批量生產(chǎn)等。(五) 光隔離器光隔離器是光單向傳輸?shù)囊环N非互易性器件，即光的單向器。光隔離器在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學測量系統(tǒng)中具有重要作用。例如，光發(fā)射機中光源所發(fā)出的信號光，通常是以活動連接器的形式耦合到光纖線路中去的?；罱宇^處的光纖端面間隙會使約4％的反射光向著光源傳輸（菲涅耳反射光）。對于光頻穩(wěn)定性要求高的光纖通信系統(tǒng)(如相干光通信系統(tǒng)，密集波分復用或光頻分復用系統(tǒng)等)，這部分返回光可能影響光源的工作穩(wěn)定性，進而影響到系統(tǒng)的正常工作。為此，需在光源和活動連接器之間設置光隔離器，消除不良影響。另外，還有光纖準直器、光環(huán)行器等等，其功能和和性能不再一一贅述，可參見相關(guān)教材。(六) 在使用光纖無源器件時需注意以下幾點： 每個光纖部件插頭都帶有保護套，使用時拔下保護套，并保存好，便于在實驗結(jié)束時重新套上。 光纖部件屬于易損、嬌貴器件，應輕拿輕放，避免使用蠻力徑向用勁拽拉光纖或使光纖彎曲弧度過小，造成光纖芯線折斷。各部件之間連接時須仔細對準定位銷位置，并注意接頭的旋緊方向（如FC頭）。 平時使用時，注意保持光纖插頭前端纖芯表面的清潔，避免碰撞、摩擦，如發(fā)現(xiàn)有污物時，可用軟緞或棉扦沾無水乙醇輕輕擦拭干凈。二、光纖光纖是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細絲。包層纖芯 光纖的外形光纖的種類很多，這里只介紹作為信息傳輸波導用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖。實用光纖主要有三種基本類型，光線在纖芯傳播的路徑，以及由于色散引起的輸出脈沖相對輸入脈沖的畸變。這些光纖的主要特征如下。突變型多模光纖（StepIndex Fiber,SIF），這種光纖纖芯直徑一般在50~80μm，特點是信號畸變大。漸變型多模光纖（GradedIndex Fiber,GIF），這種光纖纖芯直徑一般為50μm，特點是信號畸變小。單模光纖（SingleMode Fiber,SMF），這種光纖纖芯直徑一般只有8~10μm，只能傳輸一個模式（兩個偏振態(tài)簡并），其信號畸變很小。