光纤器件

将光纤加工处理成具有某种功能的光电子器件

光纤器件是指将光纤加工处理成具有某种功能的光电子器件。其中以单模光纤为基础的光纤器件获得广泛应用。在光纤通信中可应用的光纤器件主要有光纤放大器、光纤激光器、光纤耦合器、光纤偏振器和光纤滤波器等。它们的主要功能分别是实现光直接放大、产生激光、完成光信号功率在不同光纤间的分配或组合、使输入光变成线偏振光和从不同波长的光波中选出或滤除特定波长的光波等。具有附加损耗小、可靠性高和操作简便等优点。

发展过程

光纤传输系统中对光路起转换、连接和控制功能的单元，又称光无源器件。主要有光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、复用器和解复用器等。1970年多模光纤取得突破性进展，光纤开始应用于通信技术，随之出现了光连接器。70年代末期，单模光纤出现并用于传输系统之后，相应地研制出单模光纤器件和平面型光纤器件，以适应长波长单模光纤传输系统的需要。光纤器件已有很多品种。光纤器件的基本理论和相关技术的研究受到人们重视，已经成为光电器件的一个独特的门类（见光纤光缆）。

基本参数

光纤器件有两个基本参数，即插入损耗和隔离度。光纤传输系统要求插入损耗小、隔离度大。

插入损耗　光纤器件插入光纤传输系统所引起的光功率损耗。通常用器件输出功率与输入功率 Pi之比的对数值来表示，即对于多端输出的器件，应是各输出端功率之和。产生插入损耗的主要原因是器件中光的漏泄、辐射、散射和像差等。插入损耗通常采用截断法、临时接点法（或两点法）来测量，测量在稳态模式分布的条件下进行。

隔离度　某些光纤元件插入光纤传输系统后，引起光从一个光路漏泄到另一个光路，常称串音。通常用漏泄到另一个光路的功率P1与主光路输入功率Pi之比的对数值来表示：产生串音的主要原因是器件中光纤端面的菲涅尔反射、各光路之间的包层厚度不当以及对漏泄和辐射模的吸收性能不佳等。

结构

光纤器件有光纤型、棒透镜型和平面型等结构。光纤型器件是光纤经过研磨抛光、热熔拉锥或镀膜等工艺制成的。加工较为简便，无需特殊材料，因而成本较低。棒透镜型器件是用棒透镜或配以必要的其他微光学元件制成。棒透镜是横断面折射率呈抛物型分布、对传输光束有自聚焦作用的圆柱形透镜，又称自聚焦透镜（图1）。这种透镜的特点是焦距小、数值孔径大、像差小、加工和连接方便、调准容易。由两根长度为1/4节距的棒透镜所构成的准直-聚焦平行光路适用于多种光纤器件。平面型器件以铌酸锂等作衬底材料，用集成电路工艺制成。其特点是体积小、抗外界干扰性能好，是集成光学器件的一种初级形式，又称薄膜光波导无源器件。

器件种类

光纤器件按功能分类，有光连接器、光耦合器、光开关、波分复用器和波分解复用器、光衰减器、光环行器、光隔离器和光调制器等。

光连接器　实现光纤与光纤或光纤与其他器件光学连接的器件。它的主要参数是插入损耗。光连接器品种甚多,按插孔的结构型式分，有O型、C型和V型等；按光纤种类和芯数分，有多模、单模光纤连接器，多芯、单芯光缆连接器等；按应用场合分，有通用式、现场装配式、密封式和穿墙式等。通用的多模单芯光缆连接器的插入损耗一般为 0.5～1分贝（图2）。单模光纤连接器的最低插入损耗可达 0.3分贝。

光定向耦合器使光路之间按比例实现能量耦合,且分光路线与传输方向有关，可作成三端口或四端口器件。根据结构和工艺的不同，可分为拼接式、拉锥式、棱镜式、平面式等（图3）。光定向耦合器的主要参数是插入损耗、分光比和隔离度。主要用于单线双向传输及数据网等。　星形耦合器　使一个或几个光路中的光能耦合到同一边(或另一边)一个或几个光路中的近似星形器件。将能量耦合到同一边光路的称为反射式星形耦合器；将能量耦合到另一边光路的称非反射式星形耦合器。按其对称性又可分为1×n型和n×n型等。按结构与工艺的不同，星形耦合器可分为拉锥式、搅模棒式等（图4）。星形耦合器的主要参数与光定向耦合器相同。它主要用于星形光纤网络。

T 形耦合器　使两个端机接到一个主传输线路上去的器件。主要结构和参数与星形耦合器相同，主要用于母线网络。

光开关　使一个或几个光路中的光能接通、切断或转换到另一个或几个光路中去的器件。按转换型式可分为1×n型和n×n型（矩阵开关）；按转换机理可分为机械式和折射率式（图5）。光开关的主要参数是插入损耗、隔离度、重复性、转换时间和寿命。它主要用于光路的切换。

波分复用器　使两个或两个以上不同波长的光载波共用一个光路的器件。按色散元件分有棱镜式、光栅式和干涉模式等。其主要参数是插入损耗、隔离度等。它主要用于单线双向传输和光纤网络传输。

波分解复用器　使共用一个光路的不同波长的多个光载波分到各自光路中去的器件。其主要参数、结构和用途均与波分复用器相同。

光衰减器　使光路的光能按一定比例衰减的器件。按衰减量的可调性可分为固定式、分级可调式和连续可调式（图6）。其主要参数是衰减量及其精度。它主要用于调整中继区间的损耗、评价光纤传输系统损耗和校正光功率计等。

光纤器件除应用于光纤通信外，还可应用于非通信领域，如传感技术、数据处理和计算技术等。特别是光纤传感器尤其受到人们注意，它的进展将会促进光纤器件的发展。此外为了适应单模光纤传输系统的需要，光纤器件将在平面型器件的基础上向混合集成光路方向发展，对光纤传输系统会产生重要的影响。

参考书目

玻恩和沃耳夫著，杨葭荪等译：《光学原理》，科学出版社,北京，1978。(M.Born and E.Wolf,Principles of Optics,Pergamon Press,Oxford,1975.) 　A.Yariv, Introduction to　Optical　Electronics,Holt Rinehart and Winston,New York,1976.

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