光无源器件是光路的重要组成部分。光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件如插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部分。常见的光无源器件有光纤连接器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。光无源器件遵守光学的基本理论，即光线．基本结构及工作原理光纤活动连接器绝大多数都是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95％以上的光能通过连接器。目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种，如图3.1~图3.5所示。图3.1套管结构图3.2双锥结构图3.4球面定心结构图3.3V形槽结构图3.5透镜耦合结构套管结构的核心是插针与套筒。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其结构和主要尺寸如图3.6所示。图3.6插针的结构与主要尺寸插针的精度要求是：外径不圆度小于0.0005mm；外圆柱面光洁度为；微孔偏心量小于；插针端面为球面，其曲率半径为2060mm。套筒是与插针相配合的零件，它有两种结构，如图3.7所图3.7套筒的结构与尺寸套筒的精度要求是：内孔光洁度为5.88N。开口套筒使用弹性好的材料，如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷等。10光纤活动连接器结构上差别很大，品种也很多，但按功能可分成如下几部分：连接器插头(PlugConnector)：由插针体和若干外部零件组成。转换器或适配器(Adapter)：即插座，可以连接同型号插头，也可以连接不相同的型号插头，可以连一对插头，也可以连接几对插头或多心插头。11转换器(Converter)：将某一种型号的插头变换成另一种型号的插头，由一种型号的转换器加上另外其他型号的插头组成。光缆跳线(CableJumper)：一根光缆两端面装上插头，称为跳线。两个插头型号可以不同，可以是单心的，也可以是多心的。裸光纤转换器(BareFiberAdapter):将裸光纤穿入裸光纤转换器，处理好光纤端面，形成一个插头。122．主要性能指标及测试方法插入损耗插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数，其表达式为(dB)(3.1)为输入光功率；为输出光功率。插入损耗越小越好。回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数，其表达式为(dB)(3.2)为输入光功率；为后向反射光功率。回波损耗越大越好。重复性和互换性重复性是指光纤活动连接器多次插拔后，插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时，插入损耗的变化，也用dB表示。15影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多，现简述如下：两个光纤纤心位置的错位，如图3.8所示。实际有三种情况，即横向错位、角度倾斜和端面间隙。图3.8光纤纤心位置的错位16在两个光纤端面之间，由于存在不同的介质（如空气），光在介质之间多次反射，产生损耗，称为菲涅耳反射引起的损耗，其表达式为(3.3)由于两根光纤纤心直径不同，数值孔径不同也会引起光纤连接器损耗。Lf0.32dB1610lg17光纤固定连接器的作用是使一对或几对光纤之间永久性的连接。制作固定接头的方法有熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等。1．熔接法用熔接法制作固定连接器，是光纤固定连接的主要方法。它采用加热的方法将光纤熔接在一起，只要操作得当，熔接机设计合理，连接插入损耗很小，后向反射光近似为零，能够获得非常理想的光纤固定接头。18光纤加热和熔化的方法有三种，如图3.9所示。其特点如下：激光熔接图3.9光纤熔接方法19(1)电弧熔接用高压电极放电来加热光纤，使之熔融连接，电弧放电和光纤的对准可以由微机控制，实现自动化操作。电弧熔接是熔接法中应用广泛的方法。(2)氢氧焰熔接用于一些特殊的场合，如海底光缆的光纤熔接，其特点是接头强度高，但火焰的控制较为困难。(3)激光熔接如用激光器加热并熔接光纤，其特点是加热环境非常干净，接头强度高，但设备昂贵。20实现光纤熔接的设备是光纤熔接机，它由下述部分所组成：(1)光纤的准直与夹紧结构；(2)光纤的对准机构；(3)电弧放电机构；(4)电弧放电和电机驱动的控制机构。以下是详细的介绍。光纤的准直与夹紧结构光纤的准直与夹紧结构由精密V形槽和压板构成，精密V形槽的作用是使一对光纤不产生轴偏移，压板使光纤固定在V形槽内。21光纤的对准机构在熔接光纤之前，一般要通过手动或自动装置使纤心完全对准。常用如下三种方法来实现光纤的对准：功率监测纤心直视包层对准电弧放电机构熔接机的电弧放电由两根电极完成，电极由钼丝制成。电弧放电和电机驱动的控制机构在电极放电过程中，电机的驱动都由微处理机控制，按预定程序工作。222．其他固定连接方式形槽固定接头这种接头携带方便，简单易操作，不需要贵重的仪表和设形槽的结构是多样的，图3.10为FMS-1型光纤固定连接器的结构图。图3.10FMS-1型光纤固定连接器的结构图23毛细管固定接头毛细管固定接头一般都会采用玻璃材料制作，将两根处理好的光纤从两头穿入玻璃毛细管内，利用其精密内孔使两根光纤纤心对准。在两根光纤端面加入匹配液，消除菲涅尔反套管式固定接头与活动连接器一样，其主要零件也是插针和套筒。插入损耗在0.1dB以下，回波损耗达45dB以上。24光耦合器(Coupler)是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波）耦合器。从端口形式上，可分为X25从工作带宽上，可分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。另外，由于传导光模式的不同，又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分。263.2.1描述光耦合器特性的一些技术参数3.2.2光耦合器的制作方3.2.3耦合机理3.2.4波导型光耦合器3.2.5光波分复用器(WDM)和解复用273.2.1描述光耦合器特性的一些技术参数1．插入损耗(InsertionLoss)(3.4)为第i个输出端口的插入损耗；为第i个输出端口的光功率；为输入的光功率。2．附加损耗(ExcessLoss)(3.5)插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与分光比有很大的关系。outILPP10lg(dB)283.2.1描述光耦合器特性的一些技术参数3．分光比(CouplingRation)(3.6)它是光耦合器特有的技术指标。4．方向性(Directivity)方向性是光耦合器特有的技术指标,是衡量器件定向传输特性的参数。以X形耦合器为例，方向性定义为耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。outout100％293.2.1描述光耦合器特性的一些技术参数端输出的光功率与全部注入的光功率(即图3.11中端注入的光功率)之比为 (3.7) 图3.11 X形耦合器的方向性 IN2(out)IN1 10lg (dB) 303.2.1 描述光耦合器特性的一些技术参数 5．均匀性(Uniformity) 对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树形）， 由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性 来衡量其不均匀程度： (3.8) 6．偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss) 衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量， 也称为偏振灵敏度。 out out Min( 10lg(dB) Max( 313.2.1 描述光耦合器特性的一些技术参数 当传输光信号的偏振态变化 时，器件各输出端输出 功率的最大变化量： (3.9) 7．隔离度(Isolation)(3.10) 为在第i个光路输出端测到的其他输出端光信号的功率； 为输入的光功率。 out out Min( 10lg(dB) Max( 10lg(dB) 32光耦合器大致可分为分立元件组合型、全光纤型 和平面波导型。 1、早期采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜、棱镜等） 组合拼接。 但损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定性较差。33 2、全光纤耦合器，即直接在两根（或两根以上）光纤之间形成某种形式的耦合。 全光纤耦合器的发展： （1）最早是Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法 Bergh等人发明了光纤研磨法，（3）研磨结束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再将光纤 拼接，做成光纤耦合器。 34 （4）20世纪80年代初，人们开始用光纤熔融拉锥法制作单 模光纤耦合器，已成为当前制作光耦合器的主要方法。 3、集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。 利用平面光波导制作的光耦合器具有体积小，分光比控制 精确，易于大批生产等特点。 35 熔融拉锥法是：将两根（或两根以上）除去涂覆层的光 纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸， 最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输 光功率耦合的一种方法。 熔融拉锥制作系统的示意图如图3.12所示。 图3.12 熔融拉锥制作系统示意 36 熔融拉锥型全光纤耦合器有如下优点： 形耦合器（参见表3.1），附加损耗小于0.05 dB。 表3.1 标准X, Y型全光纤耦合器的典型性能指标 单模2(1)2工作波长 1310, 1550nm 附加损耗 0.1 dB 分光比容差 分光比 方向性 ＞60 dB 工作时候的温度 -40C~85C 37 方向性好，一般达到60dB，保证了传输光信号的定 向性，减小了线路之间的串扰。 良好的环境稳定性，光路结构相对比较简单紧凑，在-40~85温度范围内耦合器能够保证稳定工作。 操控方法简单、灵活，不但可以方便地改变器件的性能参数，还能制作具有不一样功能的其他器件。 制作成本低，适于批量生产。表3.1给出了标准X，Y型全光纤耦合器的典型性能指标。 38 1．单模光纤耦合器 在单模光纤中，传导模是两个正交的基模( 耦合器中光场强分布如图3.13所示。图3.13 耦合器中光场强分布 39传导模进入熔融锥区，纤心不断变细，V 值逐渐减小， 有更多的光功率进入光纤包层中，实际光功率是在 以包层为心、光纤外介质为包层的复合波导中传输的。