光無(wú)源器件技術(shù)綜述

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1、光無(wú)源器件技術(shù)綜述萬(wàn)助軍中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生上海上詮光纖通信設(shè)備有限公司技術(shù)顧問(wèn)摘要：光無(wú)源器件是光纖通信中不可或缺的部分，本文綜合介紹各種光無(wú)源器件技術(shù)原理、特點(diǎn)以及部分工藝考慮，內(nèi)容包括高斯光束能量耦合、光纖頭的8°減反射角、光纖準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)等單元技術(shù)和光纖連接器、晶體光學(xué)器件、波分復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)等器件技術(shù)，希望對(duì)從事光無(wú)源器件設(shè)計(jì)和制造的工程師有參考作用。關(guān)鍵詞：光無(wú)源器件，準(zhǔn)直器，隔離器、環(huán)形器、光開(kāi)關(guān)、FBT一.緒言適應(yīng)信息社會(huì)對(duì)通信容量的要求，光纖通信已經(jīng)取代電子通信。低損耗光纖、半導(dǎo)體

2、激光器和摻鉺光纖放大器是使光纖通信成為可能的三個(gè)關(guān)鍵因素，而DWDM+EDFA使光纖通信容量得到空前擴(kuò)展。在光纖通信系統(tǒng)中，各種光無(wú)源器件扮演著不可或缺的角色，本文將綜合介紹各種光無(wú)源器件技術(shù)原理及特點(diǎn)[1]。下文的組織結(jié)構(gòu)是，第二部分介紹光無(wú)源器件中用到的基礎(chǔ)知識(shí)和單元技術(shù)；第三部分對(duì)光纖連接器的一些特性進(jìn)行分析；第四部分介紹各種晶體光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)、原理和發(fā)展情況；第五部分介紹波分復(fù)用器的原理和結(jié)構(gòu)；第六部分介紹各種光開(kāi)關(guān)的原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；第七部分介紹各種光衰減器的原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；第八部分介紹光纖熔融拉錐器件

3、的基本原理和各種具體器件的實(shí)現(xiàn)方式；第九部分為全文總結(jié)。需要說(shuō)明的是，限于本文作者的知識(shí)水平和研究經(jīng)歷，對(duì)某些技術(shù)有較深入的分析，如光纖頭、光纖準(zhǔn)直器、光纖連接器、光隔離器、光環(huán)形器、Filter型波分復(fù)用器和光纖熔融拉錐器件等，對(duì)某些技術(shù)則大致介紹結(jié)構(gòu)和原理，如Interleaver、光開(kāi)關(guān)和可調(diào)光衰減器等，這些都是為了聊補(bǔ)本文的完整性，以頂住光無(wú)源器件技術(shù)綜述這頂帽子?？紤]本文的讀者對(duì)象是從事光無(wú)源器件設(shè)計(jì)和制造的工程師，作者盡量少用復(fù)雜的公式，但在某些場(chǎng)合，公式有助于理解問(wèn)題和說(shuō)明一些重要結(jié)論，因此本文中仍出

4、現(xiàn)多達(dá)50個(gè)公式。二.基礎(chǔ)知識(shí)和單元技術(shù)1.高斯光束的能量耦合在尾纖為單模光纖的光無(wú)源器件中，光束可用高斯近似處理，器件的耦合損耗可用高斯光束之間的耦合效率進(jìn)行分析。兩束高斯光束之間的能量耦合效率，取決于二者的光場(chǎng)疊加比率，可用（1）式計(jì)算[2-4]。（1）兩束高斯光束之間的耦合，可能存在三種失配模式：徑向失配X、軸向失配Z和角向失配θ，如圖1所示。耦合失配造成光場(chǎng)重疊誤差，從而影響耦合效率，根據(jù)（1）式計(jì)算得到耦合損耗與各種失配量之間的關(guān)系如圖2所示，其中取光束束腰半徑分別為200um和5um作對(duì)比，分別對(duì)應(yīng)一般

5、準(zhǔn)直器和光纖的模場(chǎng)半徑。束腰半徑為200um的高斯光束，對(duì)角向失配比較敏感，對(duì)徑向失配次之，對(duì)軸向失配則有較大容差；束腰半徑為5um的高斯光束，對(duì)軸向失配比較敏感，對(duì)徑向失配次之，對(duì)角向失配則有較大容差。36圖1.高斯光束的耦合失配情況（a）（b）（d）（c）圖2.兩高斯光束耦合損耗與各種失配量之間的關(guān)系（e）（f）361.光纖頭的8度減反射角為了避免光器件中的反射光對(duì)通信系統(tǒng)造成影響，一般將光纖頭的端面研磨成一定斜角以減少反射光[2]。此端面斜角的選擇依據(jù)是在保證回波損耗滿足要求的情況下，盡量取小角度以減少對(duì)插入

6、損耗的影響。光纖端面研磨成一定斜角之后，回波損耗可視為反射光束與正向傳輸光束之間的耦合損耗，從圖2（f）可以看到，不同波長(zhǎng)的光其回波損耗不同，但并非如圖2（f）所示差異那么大。這是因?yàn)?，在角向失配量相同情況下，波長(zhǎng)越短則耦合損耗越大，光束束腰半徑越大則耦合損耗越大，而在光纖中波長(zhǎng)越長(zhǎng)則模場(chǎng)半徑越大，因此兩種因素稍微抵消。下面我們?nèi)】祵幑镜腟MF-28型光纖作分析，其1310nm和1550nm的模場(chǎng)直徑分別為9.2um和10.4um，根據(jù)公式（1）計(jì)算得到兩波長(zhǎng)的回波損耗與端面角度關(guān)系如圖3所示。當(dāng)端面角度為8度時(shí)

7、，1310nm和1550nm光的回波損耗分別為40dB和36dB，前者約比后者大4dB；在端面未鍍?cè)鐾改で闆r下，只有約4%的光反射回去，增加回波損耗14dB，總回波損耗分別為54dB和50dB；鍍?cè)鐾改ぶ?，剩余反射?0.25%，增加回波損耗26dB，總回波損耗分別為66dB和62dB，選擇8度斜角基本可以保證回波損耗大于60dB。圖3.光纖頭回波損耗與端面角度的關(guān)系當(dāng)然，以上計(jì)算方法可能存在幾個(gè)dB的誤差，而且各種單模光纖的模場(chǎng)直徑也存在差異，增透膜的實(shí)際剩余反射率也不盡相同，因此光纖頭的實(shí)際回波損耗可能與以上

8、計(jì)算結(jié)果存在一些差異，但實(shí)際證明選擇8度斜角基本可以保證回波損耗大于60dB。2.光纖準(zhǔn)直器圖4.光纖之間的耦合與光纖準(zhǔn)直器之間的耦合情況在自由空間型的光無(wú)源器件（如光隔離器、光環(huán)形器、光開(kāi)關(guān)等）中，輸入和輸出光纖端面必須間隔一定距離，以便在光路中插入一些光學(xué)元件，從而實(shí)現(xiàn)器件功能[4]36。從光纖輸出的高斯光束（實(shí)際為近高斯光束，可以高斯光束近似處理），束