c) 列出输出光束束腰位置的 q 参数； 我们大家都知道，高斯光束的传输可用 q 参数及 ABCD 法则来描述，如（6）式和（7）式 所示：

  一般考虑光纤端面高斯光束的模场半径为ω 0 且波面曲率半径为R 0 ＝∞，因此光纤端 面的q参数为：

  光纤头的 8 度减反射角 为了尽最大可能避免光器件中的反射光对通信系统造成影响，一般将光纤头的端面研磨成一定斜角 以减少反射光[2]。此端面斜角的选择依据是在保证回波损耗满足规定的要求的情况下，尽量取小角

  点精度可用光线追迹的方式计算，此处不赘述。 光纤准直器常用 0.23 节距的 Grin-Lens，就为了能够通过微调间隙 L 而得到不同工 作距离的光纤准直器，C-Lens 的长度选择，也应作类似考虑。 3) 光纤准直器的分析和比较 Grin-Lens 最早用于光纤准直器的准直透镜， NSG 公司是最早的供应者， 目前国内的上海 中科光纤通讯器件有限公司、西安飞秒光电科技有限公司和西安同维通信技术有限公司均能 供应 Grin-Lens。 CASIX 公司的罗勇将 C-Lens 引入光纤准直器，因成本优势而得到顾客欢迎。 前面已经提到，准直器的工作距离与光纤头和透镜间距 L 相关，增加间距 L 可增加工作 距离，但是对一个确定的准直透镜，工作距离不能无限增加。当光纤端面在透镜焦点附近调 节时，光斑尺寸变化较大，然而将光纤端面置于透镜焦点上（此时工作距离接近 0） ，计算所 得光斑尺寸仍有参考作用，有助于估算确定的透镜参数所能得到的光斑尺寸。点精度随光纤 头位置变化不大，取间距 L 等于透镜焦距所得点精度可作为其他情况的近似。 下面针对 Grin-Lens 和 C-Lens，分析工作距离、光斑尺寸和点精度与透镜参数的关系。 a) 工作距离限制 对（10）式稍作变换，得到一个关于 L 的一元二次方程（12） ，该方程有解（两个解 中接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件（13）式。

  摘要：光无源器件是光纤通信中不可或缺的部分，本文综合介绍各种光无源器件技术原理、特 点以及部分工艺考虑，内容有高斯光束能量耦合、光纤头的 8°减反射角、光纤准直器设计等 单元技术和光纤连接器、晶体光学器件、波分复用器、光开关等器件技术，希望对从事光无源 器件设计和制造的工程师有参考作用。 关键词：光无源器件，准直器，隔离器、环形器、光开关、FBT

  其中系数a、b、c与透镜参数相关且包含工作距离Z w ，因此由（13）式可得到工作距 离的限制条件： Grin-Lens： Z W ≤

  2) 光纤准直器的设计方法 光纤准直器的基础原理是，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。光纤准直器的设计方法是，根据实际的需求确定准直器的工作距离，依据 高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距 L 并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直 器的点精度。具体设计步骤如下： a) 确定所需工作距离Z w ； b) 列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵； 下面以 Grin-Lens 准直器为例： 光纤头与透镜间隙：

  b) 光斑尺寸 取间距 L 等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下： Grin-Lens： ω t ≈

  以上关于光斑尺寸和点精度的计算是基于间距 L 等于透镜焦距，其结果仅作为选择透镜 参数时的参考，精确的计算可依照上述光纤准直器的设计办法来进行。 C-Lens 可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比 Grin-Lens 改变参数相对容易，因 此在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。但是在 Filter 型 WDM 中，需要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens 因其端面为平面而占非常大的优势。 4. 双光纤准直器 双光纤准直器的设计方法与单光纤准直器类似，也是依据高斯光束传输理论，由需要的 工作距离确定光纤头与透镜间距并计算光斑尺寸，差别在点精度的计算。双光纤准直器依光 纤头不同分为两种：垂直排列型和水平排列型，如图 7 所示，其中子午面对应端面斜角方向。 水平排列型亦称等光程型，因其两束光是等光程的，本文仅对水平排列型双光纤准直器进行 分析，垂直排列型可作类似分析。

  当然，以上计算方法可能存在几个 dB 的误差，而且各种单模光纤的模场直径也存在差 异，增透膜的实际剩余反射率也不尽相同，因此光纤头的实际回波损耗可能与以上计算结果 存在一些差异，但实际证明选择 8 度斜角基本可以保证回波损耗大于 60dB。 3. 光纤准直器

  d) 确定光纤头与透镜间距 L； 在输出光束束腰位置，波面曲率半径为R 3 =∞即 1/q 3 的实部为 0：  1  Re  =0  q3 ( L)  纵观以上推导过程，q 3 中只包含一个变量L，因此可依据（10）确定间距L。 e) 计算光斑尺寸和点精度； 根据确定的间距L，可由q 3 计算光斑尺寸：

  两束高斯光束之间的耦合，可能存在三种失配模式：径向失配 X、轴向失配 Z 和角向失 配 θ，如图 1 所示。耦合失配造成光场重叠误差，从而影响耦合效率，根据（1）式计算得到 耦合损耗与各种失配量之间的关系如图 2 所示， 其中取光束束腰半径分别为 200um 和 5um 作 对比，分别对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为 200um 的高斯光束，对角向失配 比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配则有较大容差；束腰半径为 5um 的高斯光束，对轴 向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配则有较大容差。

  1. 高斯光束的能量耦合 在尾纤为单模光纤的光无源器件中，光束可用高斯近似处理，器件的耦合损耗可用高斯 光束之间的耦合效率做多元化的分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加 比率，可用（1）式计算[2-4]。

  度以减少对插入损耗的影响。光纤端面研磨成一定斜角之后，回波损耗可视为反射光束与正 向传输光束之间的耦合损耗，从图 2（f）可以看到，不同波长的光其回波损耗不同，但并非 如图 2（f）所示差异那么大。这是因为，在角向失配量相同情况下，波长越短则耦合损耗越 大，光束束腰半径越大则耦合损耗越大，而在光纤中波长越长则模场半径越大，因此两种因 素稍微抵消。 下面我们取康宁公司的 SMF-28 型光纤作分析， 其 1310nm 和 1550nm 的模场直径分别为 9.2um 和 10.4um，根据公式（1）计算得到两波长的回波损耗与端面角度关系如图 3 所示。当 端面角度为 8 度时，1310nm 和 1550nm 光的回波损耗分别为 40dB 和 36dB，前者约比后者大 4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约 4%的光反射回去，增加回波损耗 14dB，总回波损 耗分别为 54dB 和 50dB；镀增透膜之后，剩余反射率0.25%，增加回波损耗 26dB，总回波损 耗分别为 66dB 和 62dB，选择 8 度斜角基本能保证回波损耗大于 60dB。

  适应信息社会对通信容量的要求，光纤通信已经取代电子通信。低损耗光纤、半导体激 光器和掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能的三个关键因素， 而DWDMEDFA使光纤通信 容量得到空前扩展。在光纤通信系统中，各种光无源器件扮演着不可或缺的角色，本文将综 合介绍各种光无源器件技术原理及特点[1]。 下文的组织结构是，第二部分介绍光无源器件中用到的基础知识和单元技术；第三部分 对光纤连接器的一些特性做多元化的分析；第四部分介绍各种晶体光学器件的结构、原理和发展情 况；第五部分介绍波分复用器的原理和结构；第六部分介绍各种光开关的原理、结构和特点； 第七部分介绍各种光衰减器的原理、结构和特点；第八部分介绍光纤熔融拉锥器件的基本原 理和各种具体器件的实现方式；第九部分为全文总结。 需要说明的是，限于本文作者的知识水平和研究经历，对某些技术有较深入的分析，如 光纤头、光纤准直器、光纤连接器、光隔离器、光环形器、Filter 型波分复用器和光纤熔融拉 锥器件等，对某些技术则大致介绍结构和原理，如 Interleaver、光开关和可调光衰减器等，这 些都是为了聊补本文的完整性，以顶住光无源器件技术综述这顶帽子。考虑本文的读者对象 是从事光无源器件设计和制造的工程师，作者尽量少用复杂的公式，但在某一些场合，公式有 助于理解问题和说明一些重要结论，因此本文中仍出现多达 50 个公式。

  图 2（c） （d）亦可看出准直器对轴向容差的改善。 1) 光纤准直器的结构和参数 光纤准直器的结构参数如图 5 所示，因光纤头端面的 8 度斜角，造成输出光束与准直器 轴线存在夹角θ，称为点精度。图 6 所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重 合，其间距为准直器的工作距离Z w 。准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Z w /2，束腰直径 为 2ω t ，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。到此我们介绍了光纤准直器的三个 主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。

  在自由空间型的光无源器件（如光隔离器、光环形器、光开关等）中，输入和输出光纤 端面必须间隔一定距离，以便在光路中插入一些光学元件，以此来实现器件功能[4]。从光纤输 出的高斯光束（实际为近高斯光束，可以高斯光束近似处理） ，束腰半径较小而发散角较大， 两根光纤之间的直接耦合损耗对其间距极其敏感，光纤准直器扮演这样一种功能，将从光纤 输出的光准直为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差，如图 4 所示，从