光无源器件介绍

OpticalPassiveDevices光无源器件Title概述简介•是一种光学元器件•工艺原理遵循光学的基本原理，即光线理论以及电磁波理论•光通信设备的重要组成部分•工艺涉及多种加工工艺，特别复杂概述光无源器件主要分为以下几种1.光纤准直器（FiberCollimators）2.光纤连接器（Connector）3.光耦合器件（Coupler）4.光衰减器（Attenuator）5.光隔离器（Isolator）6.光波分复用器（WDM）7.偏振光合波器（PBC）8.光开关(Switch)9.光环形器（Circulator）概述PPT内容介绍•各种无源器件的基本原理•各种无源器件的种类•各种无源器件的性能技术指标光纤准直器（Collimator)1.光纤准直器（FiberCollimator）光纤准直器（Collimator)原理与作用光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样可使两准直器之间保持较长的距离，可以插入光学元件以实现器件性能。如下图所示；光纤准直器（Collimator)原理示意图腰斑较大发散角小GrinLens（1/4透镜）FiberPigtail束腰半径小发散角大GlassSleeve近高斯光束折射率径向变化示意图玻璃套管光纤尾纤光纤准直器（Collimator)种类•C-Lens光纤准直器:Cylindrical-Lens,球端面透镜技术准直器•G-Lens光纤准直器:GrinLens,斜端面折射率径向渐变技术准直器C-Lens可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比G-Lens改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而在普通应用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在Filter型WDM中，需要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens端面为平面易于贴片。光纤准直器（Collimator)UV胶Epoxy环氧树脂制作工艺Lens组装玻璃管Lens光纤准直器（Collimator)制作工艺Pigtail组装对齐后作标记斜面对齐光纤准直器（Collimator)制作工艺LensHolder套管组装LensHolder主要性能技术指标：1.Wavelength（波长）=1520~1580nm2.InsertionLoss（插入损耗）0.15dB3.ReturnLoss（回波损耗）65dB4.TensileLoad（拉力）5N5.WorkingDistance（工作距离）:10mm光纤准直器（Collimator)连接器（Connector）2.连接器（Connector）连接器（Connector）基本原理光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学机构，是两根光纤的纤心对准，保证90％以上的光可以通过。光纤连接器是光学元器件中的基础元件，除了实现光纤之间的连接外，它还具有将光纤光缆、有源器件、其他无源器件、系统与仪表实现连接的功能。连接器（Connector）种类1、活动连接器：a、连接器插头（PlugConnector）使光纤（缆）在转换器或变换器中完成插拔功能的器件b、转换器（Adaptor）把光纤（缆）插头连接在一起，从而实现光纤接通的器件c、跳线（JumperConnector）一根光纤（缆）的两端都装上插头d、变换器（Converter）使某种型号的插头换成另一种型号插头的器件e、裸光纤转换器（BareFiberAdaptor）使裸光纤与光源、探测器、各类光仪表连接的器件2、固定连接器：主要为光纤熔接（FiberFusingSplicing）连接器（Connector）序号按ferrule插针分类1ø2.5mm陶瓷SCFCSTESCONE2000BSC2DIN2ø1.25mm陶瓷LCMU3ø2.0mm陶瓷D44ø3.17mm陶瓷5方型塑料插芯MTMPXMPTMT-RJ6双锥插芯SMA905SMA906（老式连接器）类型基本制造类型类型FC&SCSTLCMUD4DIN&E2000BSC2MPXMT-RJVF-45厂商NTTAT&TLucentNTTNECDiamondMolexAMPAMP&StratosSiemeas各种制造标准连接器（Connector）连接器（Connector）插针端面PC：Non-angledPhysicalContactconnector无角度接触连接器APC：AngledPhysicalContactconnector有角度接触连接器这里端面一般为球面，球面增加回损。比较两种连接器，APC斜球端面连接器可以在接触时产生更大的回波损耗，其数值可以达到50-70dB，而一般的PC端面连接器回损约为30-40dB，只是由于角度位置的要求，APC连接器制作工艺会稍微复杂。连接器（Connector）部分连接器图例SC/PCSC/APCFC/PCFC/APC连接器（Connector）LC/PCLC/APC连接器（Connector）MU/PCMU/APC连接器（Connector）ST/PC连接器（Connector）E2000/PCE2000/APC连接器（Connector）F3000/PCF3000/APCNote:SFFConnector:SmallFormFactor(1.25mmferruleOD).连接器（Connector）插针A插针B光纤插针连接器（Connector）插针套筒式连接器示意图LC/PC连接器组装结构连接器（Connector）组装前组装后主要性能技术指标连接器（Connector）1、插入损耗（InsertionLoss)2、回波损耗（ReturnLoss）3、重复损耗：多次插拔的损耗4、互换损耗：连接器部件互换时损耗光耦合器（Coupler）3.光耦合器（Coupler）光耦合器（Coupler）耦合器件的定义以及种类光耦合器是重要的无源器件，可是传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，然后进行再分配。种类从功能上分光功率（Splitter）和光波长分配耦合器（WDMCoupler）；从端口形式可分为X形、Y形、星形以及树形耦合器；从工作带宽分窄带耦合器、单工作窗口宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器；从传导光模式分多模耦合器、单模耦合器。熔融拉锥型全光纤耦合器应为其良好的综合优势成为现在制作耦合器的主要方法。JDSU主要制造此类Coupler，为本章节专讲内容。熔融拉锥型全光纤耦合器的优势1、极低的附加损耗：标准X型可达到0.05dB以下；2、方向性好：一般超过60dB;3、良好的环境稳定性：例如在-40度－85度范围内可保持稳定的工作特性；4、控制方法简单、灵活；5、成本低廉：原料为一般光纤，自动化程度高，成品率高。光耦合器（Coupler）光纤结构示意图光耦合器（Coupler）Coating包胶层Core纤芯Cladding涂覆层光耦合器（Coupler）光线的传播1.MeridionalRay子午光线的传播（总与光纤轴相交）CladdingCladding2.SkewRay斜光线的传播（射入角大于子午线，不与光纤轴相交）光线的传播光耦合器（Coupler）光耦合器（Coupler）耦合机理：（单模光纤耦合器）耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过“直通臂”继续传输，另一部分由“耦合臂”传到另一光路。基本原理是：当光线输入进入熔锥区输入端时，由于纤芯的不断变细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部分的光功率会逸出“输入臂”熔锥区的光纤包层，这时光功率是以包层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输出端，随着纤芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特定的比率捕获。光耦合器（Coupler）耦合机理示意图(1X2Single为例)耦合区单模输入光（小角度单一路径）背散射臂输入臂入射角度变大逸出折射光耦合臂形成新的全反射直通臂光耦合器（Coupler）熔融拉锥示意图99.9％氢气火焰拉力一定要打两个结光耦合器（Coupler）V-shapeQuartzTube石英基板ShrinkTube热缩套SiliconRubber硅胶StainlessSteelTube不锈钢套Epoxy环氧胶UV胶Fiber光纤ShrinkTube热缩套SiliconRubber硅胶V-shapeQuartzTubeV型石英基板StainlessSteelTube不锈钢套结构示意图光耦合器（Coupler）主要性能技术指标1、插入损耗2、附加损耗（ExcessLoss）：全部输出端口功率总和相对于全部输入功率总和的减少值3、分光比（CouplingRatio）：耦合器各输出端口的输出功率的比值4、方向性（Directivity）：输入侧非注入光一端的输出光功率与全部注入功率的比较值5、均匀性（Uniformity）:在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化值6、偏振相关损耗（PolarizationDependentLoss）当传输光信号偏振态发生360度变化，器件各端口输出光功率最大变化量7、隔离度（Isolation）光纤耦合器件某一光路对其他光路中光信号的隔离能力光衰减器（Attenuator）4.光衰减器（Attenuator）光衰减器是重要的光学无缘器件，常用于在系统中吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗以及各类测试中。光衰减器可以按照用户的要求将光信号进行预期的衰减，类型很多，不同类型衰减器分别采用不同的工作原理。光衰减器的作用：光衰减器（Attenuator）光衰减器（Attenuator）直接镀膜型光衰减器（吸收或反射膜）纵向位移型横向位移型衰减片型光衰减器液晶型光衰减器光衰减器位移型光衰减器光衰减器的种类光衰减器（Attenuator）MEMS衰减器的原理正视图AirGap气孔DoubleCoreTube双光纤毛细管Vane折光叶片Coating镀反射模WedgedMirror双折射晶体G-Lens格林透镜FlexPCB（MEMSChipSoldered）印刷线路板（Chip已焊接）Epoxy632胶光衰减器（Attenuator）光衰减器主要性能指标1、InsertionLoss：插入损耗，即衰减量2、ReturnLoss：回波损耗3、Attenuationrange：衰减范围4、Attenuationresolution：衰减精度5、PDL：偏振相关损耗5.光隔离器（Isolator）光隔离器（Isolator）光隔离器（Isolator）概述与光隔离器种类光隔离器主要是解决光路中光的反射问题，它是只允许光线沿光路正向传输的非互易性无源器件。包括两种主要类型：Polarization-DependentFree-spaceOpticalIsolator空间型偏振相关隔离器，简称PDFI。其工作原理是利用了磁光晶体的法拉第效应，具体结构是两个线偏振器中加一个法拉第旋转器而成。MiniatureOpticalFree-spaceIsolator微型空间型偏振相关隔离器，简称MOFI，是PDFI的微型化，原理与其相同。Polarization-InsensitiveFiberIsolator偏振无关光隔离器，简称PIFI。其工作原理是采用双折射晶体，产生偏振态互相垂直的o光和e光，又经双折射晶体耦合。但反射光经法拉第旋转器偏转后，o光与e光之间的角度加大，无法耦合反射到入射口。以下是光隔离器中常用的一些光学元件以及特性。2、1、3、法拉第旋转器（FaradayRotator）光隔离器（Isolator）不具有旋光性的物质在磁场的作用下，偏振光通过改物质时其震动面将发生旋转。此现象称为磁致旋光效应，也称法拉第效应。法拉第效应的一个重要特性是：不管光的传播特性如何，迎着外加磁场的方