光无源器件技术总结万助军中科院上海微系统与信息技术研究所博士生上海上诠光纤通信设备有限公司技术顾问摘要:光无源器件是光纤通信中不可或缺部分,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8减反射角、光纤准直器设计等单元技术与光纤连接器、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与制造工程师有参考作用。关键词:光无源器件,准直器,隔离器、环形器、光开关、FBT绪言适应信息社会对通信容量要求,光纤通信已经取代电子通信。低损耗光纤、半导体激光器与掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能三个重要的条件,而DWDM+EDFA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]。下文组织架构是,第二部分介绍光无源器件中用到基础知识与单元技术;第三部分对光纤连接器一些特性进行剖析;第四部分介绍各种晶体光学器件结构、原理与发展状况;第五部分介绍波分复用器原理与结构;第六部分介绍各种光开关原理、结构与特点;第七部分介绍各种光衰减器原理、结构与特点;第八部分介绍光纤熔融拉锥器件基础原理与各种具体器件实现方式;第九部分为全文总结。需要说明是,限于本文作者知识水平与研究经历,对某些技术有较深入剖析,如光纤头、光纤准直器、光纤连接器、光隔离器、光环形器、Filter型波分复用器与光纤熔融拉锥器件等,对某些技术则大致介绍结构与原理,如Interleaver、光开关与可调光衰减器等,这些都是为了聊补本文完整性,以顶住光无源器件技术总结这顶帽子。考虑本文读者对象是从事光无源器件设计与制造工程师,作者尽量少用复杂公式,但在某一些场合,公式有助于理解问题与说明一些重要结论,因此本文中仍出现多达50个公式。基础知识与单元技术高斯光束能量耦合在尾纤为单模光纤光无源器件中,光束可用高斯近似处理,器件耦合损耗可用高斯光束之间耦合效率进行剖析。两束高斯光束之间能量耦合效率,取决于二者光场叠加比率,可用(1)式计算[2-4]。(1)两束高斯光束之间耦合,有几率存在三种失配模式:径向失配X、轴向失配Z与角向失配θ,如图1所示。耦合失配造成光场重叠误差,进而影响耦合效率,根据(1)式计算得到耦合损耗与各种失配量之间关系如图2所示,其中取光束束腰半径分别为200um与5um作对比,分别对应一般准直器与光纤模场半径。束腰半径为200um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。(a)(b)(d)(c)(e)(f)光纤头8度减反射角为了尽最大可能避免光器件中反射光对通信系统造成影响,一般将光纤头端面研磨成一定斜角以减少反射光[2]。此端面斜角选择依据是在保证回波损耗满足规定的要求情况下,尽量取小角度以减少对插入损耗影响。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耦合损耗,从图2(f)能够正常的看到,不同波长光其回波损耗不同,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SMF-28型光纤作剖析,,根据公式(1)计算得到两波长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与1550nm光回波损耗分别为40dB与36dB,前者约比后者大4dB;在端面未镀增透膜情况下,只有约4%光反射回去,增加回波损耗14dB,总回波损耗分别为54dB与50dB;镀增透膜之后,剩余反射率%,增加回波损耗26dB,总回波损耗分别为66dB与62dB,选择8度斜角基本能保证回波损耗大于60dB。当然,以上计算方法可能存在几个dB误差,而且各种单模光纤模场直径也存在差异,增透膜实际剩余反射率也不尽相同,因此光纤头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度斜角基本能够保证回波损耗大于60dB。光纤准直器在自由空间型光无源器件(如光隔离器、光环形器、光开关等)中,输入与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,将从光纤输出光准直为腰斑较大而发散角较小光束,以增加对轴向间距容差,如图4所示,从图2(c)(d)亦可看出准直器对轴向容差改善。光纤准直器结构与参数光纤准