常見光無源器件種類及原理

光無源器件是光纖通信設備的重要組成部分。它是一種光學元器件，其工藝原理遵守光學的基本規(guī)律及光線理論和電磁波理論、各項技術指標、多種計算公式和各種測試方法，與纖維光學、集成光學息息相關;因此它與電無源器件有本質的區(qū)別。

光無源器件是光纖通信設備的重要組成部分。它是一種光學元器件，其工藝原理遵守光學的基本規(guī)律及光線理論和電磁波理論、各項技術指標、多種計算公式和各種測試方法，與纖維光學、集成光學息息相關;因此它與電無源器件有本質的區(qū)別。在光纖有線電視中，其起著連接、分配、隔離、濾波等作用。實際上光無源器件有很多種，限于篇幅，此處僅講述常用的幾種——光分路器、光衰減器、光隔離器、連接器、跳線、光開關。

一、光纖活動連接器

1. 活動連接器

光纖活動連接器是實現(xiàn)光纖之間活動連接的無源光器件，它還有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行連接的功能?；顒舆B接器伴隨著光通信的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在已形成門類齊全、品種繁多的系統(tǒng)產(chǎn)品，是光纖應用領域中不可缺少的、應用最廣泛的基礎元件之一。

盡管光纖(纜)活動連接器在結構上千差萬別，品種上多種多樣，但按其功能可以分成如下幾部分：連接器插頭、光纖跳線、轉換器、變換器等。這些部件可以單獨作為器件使用，也可以合在一起成為組件使用。實際上，一個活動連接器習慣上是指兩個連接器插頭加一個轉換器。

(1) 連接器插頭

使光纖在轉換器或變換器中完成插拔功能的部件稱為插頭，連接器插頭由插針體和若干外部機械結構零件組成。兩個插頭在插入轉換器或變換器后可以實現(xiàn)光纖(纜)之間的對接;插頭的機械結構用于對光纖進行有效的保護。插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其主要尺寸如下：

外徑：Ф2.499±0.0005mm

外徑不圓度0.0005mm

微孔直徑：Ф126±0.5μm

微孔偏心量1μm

微孔深度：4mm 或 10mm

插針外圓柱體光潔度：14

端面曲率半徑：20-60mm

插針的材料有不銹鋼、全陶瓷、玻璃和塑料幾種。現(xiàn)在市場上用得最多的是陶瓷，陶瓷材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，耐磨性和抗腐蝕能力，但價格也較貴。塑料插頭價格便宜，但不耐用。市場上也有較多插頭在采用塑料冒充陶瓷，工程人員在購買時請注意識別。

插針和光纖相結合成為插針體。插針體的制作是將選配好的光纖插入微孔中，用膠固定后，再加工其端面，插頭端面的曲率半徑對反射損耗影響很大，通常曲率半徑越小，反射損耗越大。插頭按其端面的形狀可分為3類：PC型、SPC型、APC型。PC型插頭端面曲率半徑最大，近乎平面接觸，反射損耗最低;SPC型插頭端面的曲率半徑為20mm，反射損耗可達45dB，插入損耗可以做到小于0.2dB;反射損耗最高的是APC型，它除了采用球面接觸外，還把端面加工成斜面，以使反射光反射出光纖，避免反射回光發(fā)射機。斜面的傾角越大，反射損耗越大，但插入損耗也隨之增大，一般取傾角為8°±0.2°，此時插入損耗約0.2dB，反射損耗可達60dB，在CATV系統(tǒng)中所有的光纖插頭端面均為APC型。要想保證插針體的質量，光纖的幾何尺寸必須達到下列要求：光纖外徑比微孔直徑小0.0005mm;光纖纖芯的不同軸度小于0.0005mm。因此，插針和光纖以及兩者的選配對連接器插頭的質量影響極大，也是連接器插頭質量好壞的關鍵。不同廠家的產(chǎn)品工藝水平不一樣，因而差別就很大，在實際應用中，本人也曾多次碰到一個插頭插損1dB以上的情況，而正常值一般小于0.3dB。在工程應用中，不要小看一個小小的插頭，質量低劣的插頭對系統(tǒng)的影響是和很大的;在選購時一定要選用信譽高、知名廠家的產(chǎn)品。

(2)跳線

將一根光纖的兩頭都裝上插頭，稱為跳線。連接器插頭是跳線的特殊情況，即只在光纖的一頭裝有插頭。在工程及儀表應用中，大量使用著各種型號、規(guī)格的跳線，跳線中光纖兩頭的插頭可以是同一型號，也可以是不同的型號。跳線可以是單芯的，也可以是多芯的。跳線的價格主要由接頭的質量決定。因而價格也相差較大。在選用跳線時，本著質優(yōu)價廉去選是不錯，但一定不要買質次價低的產(chǎn)品。

(3)轉換器

把光纖接頭連接在一起，從而使光纖接通的器件稱為轉換器，轉換器俗稱法蘭盤。在CATV系統(tǒng)中用得最多的是FC型連接器;SC型連接器因使用方便、價格低廉，可以密集安裝等優(yōu)點，應用前景也不錯，除此地外，ST型連接器也有一定數(shù)量的應用。

a.FC型連接器。 FC型連接器是一種用螺紋連接，外部元件采用金屬材料制作的圓形連接器。它是我國采用的主要品種，在有線電視光網(wǎng)絡系統(tǒng)中大量應用;其有較強的抗拉強度，能適應各種工程的要求。

b.SC型連接器。SC型連接器外殼采用工程塑料制作，采用矩形結構，便于密集安裝;不用螺紋連接，可以直接插拔，操作空間小。實用于高密集安裝，使用方便。

c.ST型連接器。 ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊結構，確保連接時準確對中。

這三種連接器雖然外觀不一樣，但核心元件--套筒是一樣的。套筒是一個加工精密的套管(有開口和不開口兩種)，兩個插針在套筒中對接并保證兩根光纖的對準。其原理是：以插針的外圓柱面為基準面，插針與套筒之間為緊配合;當光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、以及套筒的內(nèi)孔加工的非常精密時，兩根插針在套筒中對接，就實現(xiàn)了兩根光纖的對準。

下面詳細講一下套筒。套筒有兩種結構：開口套筒與不開口套筒。 a.開口套筒。開口套筒在連接器中使用最普遍，其主要尺寸為 ：外徑：Ф3.2±0.01mm，內(nèi)徑Ф2.5±0.02mm，內(nèi)孔光潔度：14;彈性形變：小于0.0005mm，插針插入或拔出套筒的力：3.92-5.88N。開口套筒采用高彈性的材料，如磷青銅、鈹青銅和氧化鋯陶瓷制作，當插針插入套筒之后，套筒對插針的夾持力應保持恒定，這三種材料制作的套筒都在應用，但以鈹青銅和氧化鋯陶瓷居多。 b.不開口套筒。不開口套筒在連接器中應用較少，在光纖與有源器件的連接中應用較多，其外型尺寸與開口套筒基本上一致。不同之處在于它的內(nèi)孔直徑為ф2.5+0.0005mm，即比插針的外徑大1μm;既讓插針能夠順利插入，同時間隙也不能太大，保證光纖與有源器件(如激光管、探測器)連接時，重復性、互換性達到要求的指標。

上述三種型號的轉換器，只能對同型號的插頭進行連接，對不同型號插頭的連接，就需要下面三種轉換器。即：FC/SC型轉換器--用于FC與SC型插頭互連;FC/ST型轉換器--用于FC與ST型插頭互連，SC/ST型轉換器--用于SC與ST型插頭互連。市場上的法蘭盤價格高低之間相關數(shù)倍，其實講完這些，讀者也應該明白原因在何處。

(4)變換器

將某一種型號的插頭變換成另一型號插頭的器件叫做變換器，該器件由兩部分組成，其中一半為某一型號的轉換器，另一半為其它型號的插頭。使用時將某一型號的插頭插入同型號的轉換器中，就變成其它型號的插頭了。在實際工程應用中，往往會遇到這種情況，即手頭上有某種型號的插頭，而儀表或系統(tǒng)中是另一型號的轉換器，彼此配不上，不能工作。如果備有這種型號的變換器，問題就迎刃而解了。對于FC、SC、ST三種連接器，要做到能完全互換，有下述6種變換器。SC-FC，將SC插頭變換成FC插頭;ST-FC將ST插頭變換成FC插頭;FC-SC將FC插頭變換成SC插頭;FC-ST將FC插頭變換成ST插頭，SC-ST將SC插頭變換成ST插頭;ST-SC將ST插頭變換成SC插頭。

實際上光纖的活動連接除了采用上述的活動連接器外，如果是緊急搶修斷光纜，而手頭又沒有熔接機，通常采用一種機械連接頭(也稱快速接線子)處理。其利用一個玻璃微細管來定位，用一套機械裝置來緊固光纖，使用時先切開光纖，對端面進行清潔處理，光纖端頭保留6-8mm，然后將光纖的兩個端面在玻璃微細管的中央對準后夾緊，擰緊兩端的螺帽即可實現(xiàn)光纖的可靠連接。這種機械連接頭的長度約40mm，直徑不超過5.7mm，平均插入損耗小于0.4dB，反射損耗大于50dB，抗拉強度大于1.25kg，更重要的是裝配時間極短，確實是一種快速搶修必備工具。

2.光纖活動連接器的表征指標

(1) 插入損耗

插入損耗定義為光纖中的光信號通過活動連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝比。其表達式為IL=-10loy PI/PO(dB)，其中PO-輸入端的光功率，PI-輸出端的光功率。插入損耗越小越好。從理論上講影響插入損耗的主要因素有以下幾種：纖芯錯位損耗、光纖傾斜損耗、光纖端面間隙損耗、光纖端面的菲涅耳反射損耗、纖芯直徑不同損耗、數(shù)值孔徑不同損耗。不管那種損耗都和生產(chǎn)工藝有關，因此生產(chǎn)工藝技術是關鍵。

(2) 回波損耗

回波損耗又稱反射損耗，是指在光纖連接處，后向反射光相對于輸入光的比率的分貝數(shù)，其表達式為RL=-10loy Pr/PO dB，其中PO-輸入光功率，Pr-后向反射光功率。 反射損耗愈大愈好，以減少反射光對光源和系統(tǒng)的影響。改進回波損耗的途徑只有一個，即將插頭端面加工成球面或斜球面。球面接觸，使纖芯之間的間隙接近于“0”，達到“物理接觸”，使端面間隙和多次反射所引起的插入損耗得以消除，從面使后向反射光大為減少。斜球面接觸除了實現(xiàn)光纖端面的物理接觸以外，還可以將微弱的后向光加以旁路，使其難以進入原來的纖芯，斜球面接觸可以使回波損耗達到60dB以上，甚至達到70dB。關于插頭的類型定義前面已述，此處不多講。在CATV系統(tǒng)中都選用APC型端面的接頭，這種接頭的反射損耗完全可以達到系統(tǒng)要求，當然加工工藝不好的APC接頭反射損耗比PC型接頭的還要低也是可能的。

(3) 重復性

重復性是指對同一對插頭，在同一只轉換器中，多次插拔之后，其插入損耗的變化范圍，單位用dB表示。插拔次數(shù)一般取5次，先求出5個數(shù)據(jù)的平均值，再計算相對于平均值的變化范圍。性能穩(wěn)定的連接器的重復性應小于±0.1dB。重復性和使用壽命是有區(qū)別的，前者是在有限的插拔次數(shù)內(nèi)，插入損耗的變化范圍;后者是指在插拔一定次數(shù)后，器件就不能保證完好無損了。

(4) 互換性

互換性是指不同插頭之間或者同轉換器任意置換之后，其插入損耗的范圍。這個指標更能說明連接器性能的一致性。質量較好的連接器，其互換性應能控制在±0.15dB以內(nèi)。

重復性和互換性考核連接器結構設計和加工工藝的合理與否，也是表明連接器實用化的重要標志。質量好的跳線和轉換器，其重復性和互換性是合格的，即使是不同廠家的產(chǎn)品在一起使用;質量低劣的產(chǎn)品即使是同一廠家的產(chǎn)品也很差。更不用說不同廠家產(chǎn)品混合使用的情況。

3、活動連接器的使用

活動連接器一般用于下述位置：①光端機到光配接箱之間采用光纖跳線;②在光配線箱內(nèi)采用法蘭盤將光端機來的跳線與引出光纜相連的尾纖連通;③各種光測試儀一般將光跳線一端頭固定在測試口上另一端與測試點連接;④光端機內(nèi)部采用尾纖與法蘭盤相連以引出引入光信號;⑤光發(fā)射機內(nèi)部，激光器輸出尾纖通過法蘭盤與系統(tǒng)主干尾纖相連;⑥光分路器的輸入、輸出尾纖與法蘭盤的活動連接。

二、光分路器

與同軸電纜傳輸系統(tǒng)一樣，光網(wǎng)絡系統(tǒng)也需要將光信號進行耦合、分支、分配，這就需要光分路器來實現(xiàn)，光分路器是光纖鏈路中最重要的無源器件之一，是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件，常用M×N來表示一個分路器有M個輸入端和N個輸出端。在光纖CATV系統(tǒng)中使用的光分路器一般都是1×2、1×3以及由它們組成的1×N光分路器。

1.光分路器的分光原理

光分路器按原理可以分為光纖型和平面波導型兩種，光纖熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進行側面熔接而成;光波導型是微光學元件型產(chǎn)品，采用光刻技術，在介質或半導體基板上形成光波導，實現(xiàn)分支分配功能。這兩種型式的分光原理類似，它們通過改變光纖間的消逝場相互耦合(耦合度，耦合長度)以及改變光纖纖半徑來實現(xiàn)不同大小分支量，反之也可以將多路光信號合為一路信號叫做合成器。熔錐型光纖耦合器因制作方法簡單、價格便宜、容易與外部光纖連接成為一整體，而且可以耐孚機械振動和溫度變化等優(yōu)點，目前成為市場的主流制造技術。

熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方法靠擾，在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導結構，通過控制光纖扭轉的角度和拉伸的長度，可得到不同的分光比例。最后把拉錐區(qū)用固化膠固化在石英基片上插入不銹銅管內(nèi)，這就是光分路器。這種生產(chǎn)工藝因固化膠的熱膨脹系數(shù)與石英基片、不銹鋼管的不一致，在環(huán)境溫度變化時熱脹冷縮的程度就不一致，此種情況容易導致光分路器損壞，尤其把光分路放在野外的情況更甚，這也是光分路容易損壞得最主要原因。對于更多路數(shù)的分路器生產(chǎn)可以用多個二分路器組成。

2.光分路器的常用技術指標

(1) 插入損耗

光分路器的插入損耗是指每一路輸出我相對于輸入光損失的dB數(shù)，其數(shù)學表達式為：Ai=-10lg Pouti/Pin ，其中Ai是指第i個輸出口的插入損耗;Pouti是第i個輸出端口的光功率;Pin是輸入端的光功率值。

(2) 附加損耗

附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于輸入光功率損失的dB數(shù)。值得一提的是，對于光纖耦合器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質量的指標，反映的是器件制作過程的固有損耗，這個損耗越小越好，是制作質量優(yōu)劣的考核指標。而插入損耗則僅表示各個輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響。因此不同的光纖耦合器之間，插入損耗的差異并不能反映器件制作質量的優(yōu)劣。對于1*N單模標準型光分路器附加損耗如下表所示：

(3) 分光比

分光比定義為光分路器各輸出端口的輸出功率比值，在系統(tǒng)應用中，分光比的確定是根據(jù)實際系統(tǒng)光節(jié)點所需的光功率的多少，確定合適的分光比(平均分配的除外)，光分路器的分光比與傳輸光的波長有關，例如一個光分路在傳輸1.31 微米的光時兩個輸出端的分光比為50：50;在傳輸1.5μm的光時，則變?yōu)?0：30(之所以出現(xiàn)這種情況，是因為光分路器都有一定的帶寬，即分光比基本不變時所傳輸光信號的頻帶寬度)。所以在訂做光分路器時一定要注明波長。

(4) 隔離度

隔離度是指光分路器的某一光路對其他光路中的光信號的隔離能力。在以上各指標中，隔離度對于光分路器的意義更為重大，在實際系統(tǒng)應用中往往需要隔離度達到40dB以上的器件，否則將影響整個系統(tǒng)的性能。

另外光分路器的穩(wěn)定性也是一個重要的指標，所謂穩(wěn)定性是指在外界溫度變化，其它器件的工作狀態(tài)變化時，光分路器的分光比和其它性能指標都應基本保持不變，實際上光分路器的穩(wěn)定性完全取決于生產(chǎn)廠家的工藝水平，不同廠家的產(chǎn)品，質量懸殊相當大。在實際應用中，本人也確實碰到很多質量低劣的光分路器，不僅性能指標劣化快，而且損壞率相當高，作于光纖干線的重要器件，在選購時一定加以注意，不能光看價格，工藝水平低的光分路價格肯定低。

三、光衰減器

光衰減器是一種非常重要的纖維光學無源器件，是光纖CATV中的一個不可缺少的器件。到目前為止市場上已經(jīng)形成了固定式、步進可調(diào)式、連續(xù)可調(diào)式及智能型光衰減器四種系列。

1、衰減器的衰減原理

光衰減器的類型很多，不同類型的衰減器分別采用不同的工作原理。

① 位移型光衰減器

眾所周知，當兩段光纖進行連接時，必須達到相當高的對中精度，才能使光信號以較小的損耗傳輸過去。反過來，如果將光纖的對中精度做適當?shù)恼{(diào)整，就可以控制其衰減量。位移型光衰減器就是根據(jù)這個原理，有意讓光纖在對接時，發(fā)生一定的錯位。使光能量損失一些，從而達到控制衰減量的目的，位移型光衰減器又分為兩種：橫向位移型光衰減器、軸向位移型光衰減器。橫向位移型光衰減器是一種比較傳統(tǒng)的方法，由于橫向位移參數(shù)的數(shù)量級均在微米級，所以一般不用來制作可變衰減器，僅用于固定衰減器的制作中，并采用熔接或粘接法，到目前仍有較大的市場，其優(yōu)點在于回波損耗高，一般都大于60dB。軸向位移型光衰減器在工藝設計上只要用機械的方法將兩根光纖拉開一定距離進行對中，就可實現(xiàn)衰減的目的。這種原理主要用于固定光衰減器和一些小型可變光衰減器的制作。

② 薄膜型光衰減器

這種衰減器利用光在金屬薄膜表面的反射光強與薄膜厚度有關的原理制成。如果玻璃襯底上蒸鍍的金屬薄膜的厚度固定，就制成固定光衰減器。如果在光纖中斜向插入蒸鍍有不同厚度的一系列圓盤型金屬薄臘的玻璃襯底，使光路中插入不同厚度的金屬薄膜，就能改變反射光的強度，即可得到不同的衰減量，制成可變衰減器。

③ 衰減片型光衰減器

衰減片型光衰減器直接將具有吸收特性的衰減片固定在光纖的端面上或光路中，達到衰減光信號的目的，這種方法不僅可以用來制作固定光衰減器，也可用來制作可變光衰減器。