无源光器件 return
无源光器件
内容提要 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分,也是其它光纤应用领域不可缺少的元 器件。本书对光无源器件的基本原理、制造工艺、测试方法和实际应用作了详细的叙述;对 当今光无源器件的最新成果作了全面的介绍;对今后的发展方向作了深入的分析和探讨 书中对光纤连接器、光衰减器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光开关、光调制器 进行了重点介绍。这些器件有些已大量用于光纤通信系统,有些将逐步用于光纤通信系 统。对于这些器件,书中除阐述其原理之外,还重点论述了它们的内部结构并介绍了关键 零部件的设计机理材料选用原则以及加工工艺。对器件的国际和国家标准也作了介绍。 相信将有助于读者正确地选用器件、合理地使用器件。 本书适合从事光纤通信和光纤传感的科研院所、设计部门工程施工单位和生产企业 的技术人员参考,也适合大专院校通信专业的师生作教材之用
序 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分,也是光纤传感和 其它光纤应用领域不可缺少的光器件。在光纤通信向大容量、高速率 发展的今天,光无源器件的重要性将更加突出光无源器件和有源器 件是光通信系统的基础,更是向前发展的推动力。努力研制、开发新 的无源器伴和有源器件是我国今后光通信产业发展的重点之 世界上各发达国家和许多发展中国家都在不断地开发各种光 无源器件和建立相关产业;国际标准化组织已经或正在制定光无源 器件的各种技术标准。近年来,新材料、新工艺、新产品在不断涌现。 这些都预示着光无源器件正面临一个大发展时期。在这种情况下, 《光无源器件》一书的出版是很有意义的。 我国的光无源器件研究始于70年代。近10年来发展十分迅速, 产品成龙配套,并形成一定的规模产业,为我国光通信事业作出了重 大贡献。本书的作者都是多年从事光无源器件科研、开发、生产的技 术人员。在编写过程中,他们不仅总结了当今光无源器件的技术成 果,而且对今后的发展方向作出了客观的预测。本书是一本内容丰 富、论证严谨、理论结合实际的文献,也是我国在光无源器件方面的 第一部专著,对从事光通信研究、生产和应用的科技人员具有较高的 参考价值。 《光无源器件》的出版必将有力地推动光无源器件科研和生产的 发展!
前言 近年来,光纤通信发展非常迅速,应用日渐广泛。作为光纤通信 设备重要组成部分的光无源器件,也取得了长足的进步,并逐步形成 了规模产业。随着信息高速公路的启动,不久的将来,光纤将到路边 进入家庭。对光无源器件的需求也将与日俱增。为了促进我国光通 信事业的发展,为了介绍光无源器件的最新成果,我们编写了这本 《光无源器件》,奉献给读者,希望能帮助读者增加对光无源器件的了 解 谈起光无源器件,不禁使人联想起电无源器件,如接插件、开关 电阻、电容等等。光无源器件与电无源器件确有相似之处,前者是为 光路服务的,后者是为电路服务的。光无源器件也有类似的光纤连接 器、光开关、光衰减器、光耦合器等器件。但是在深入了解这两类器件 之后,会发现他们之间有着本质的区别。 光无源器件是一种光学元器件。其工艺原理遵守光学的基本理 论,即光线理论和电磁波理论,各项技术指标、各种计算公式和各种 测试方法与纤维光学、集成光学息息相关。了解了这一点之后,就 容易理解光无源器件与电无源器件的本质区别了 光无源器件的制作工艺特别复杂涉及到许多不同的工艺技术。 每一种光无源器件的制作工艺又各不相同,自成体系。这些工艺技术 涉及到精密机械加工、成型工艺、精密光学加工、激光加工以及半导 体工艺。每一种光无源器件的制作往往涉及多项高、精、尖工艺技术。 要发展我国光无源器件产业,使之在世界光通信市场上占有一席之 地,了解、掌握进而利用这些工艺技术是发展光无源器件产业的必要 条件。器件的优劣、性能指标的好坏与工艺技术密切相关。寻求更新 更先进的工 展光无源器件的重要课题,也是推动光纤通
信事业向前发展的关键之 光无源器件是一门新兴的、不断发展的学科。光纤通信的发展呼 唤着功能更全、指标更先进的光无源器件不断涌现;一种新型器件的 出现往往会有力地促进光纤通信的进步,有时甚至使其跃上一个新 的台阶。光纤通信系统对光无源器件的期望越来越大,器件的发展对 系统的影响越来越深。除此之外,光无源器件在光纤传感和其它光纤 应用领域也大有用武之地。 由此可见,在信息技术大发展的今天,无论是光无源器件的使用 者、生产者和研制者都需要增加对器件的认识和了解。本书的出版希 望能在这方面对读者有所帮助 本书对每一种光无源器件的原理、作用、制作工艺都作了较为详 细的描述,对光无源器件的发展趋势作了尽可能客观的展望。书中对 光无源器件列举了一些应用实例,以增加读者对实际应用的了解 书中重点论述了下列几种光无源器件: (1)光纤连接技术一各种连接器系列 (2)光信号衰减技术一各种光衰减器系列 (3)光信号功率分配技术一各种光耦合器系列 (4)光信号波长分配技术一各种光波分复用器系列 (5)回返光隔离技术一各种光隔离器 (6)光信号开关技术一各种光开关 (7)光信号调制技术一相位调制器和强度调制器 同时,还对光无源器件发展过程中,贯穿始终的几条主线加以论 述。即 1)纤维光学和集成光学应该共同发展,互为补充 (2)分立元件和集成化器件将长期共存,但发展趋势是集成化 (3)光线理论和电磁波理论是构成光无源器件的理论基础 (4)高、精、尖的加工技术是制作光无源器件的基本保证。要发 展光无源器件,必须加强工艺技术的研制。 光无源器件发展很快,在光纤通信和其它光纤应用领域中的地
位越来越重要。各发达国家和某些发展中国家都非常重视它的研制 与开发,投入巨资建立研制机构和生产工艺,迅速建立起较大规模的 产业 我国光无源器件的研制近年来取得了长足的进步,开发出不少 新的器件,为光纤通信工程提供了大量的产品,为光通信事业作出了 巨大的贡献。在产业方面也有很大的进展,已建立起初具规模的产业 基地,为今后的发展打下了良好的基础。但同时应该看到,我国的研 制水平和产业规模与世界先进国家相比,还有不小差距,这是需要努 力赶上的。 在今天这个信息社会里,信息量增长的速度愈来愈快,对通信容 量的要求越来越大,网络覆盖的区域越来越广这就要求光无源器件 跟上发展的步伐,研制出性能更好、功能更多的光无源器件。在光纤 进入家庭的同时,这些新的器件也将进入千家万户。可以预见,光无 源器件将迎来一个光辉灿烂的大发展时期 本书共分8章,其中第一章、第二章、第八章以及前言由林学煌 同志编写;第三章和第六章由方罗珍、姚建两同志合写;第四章由王 青林同志编写;第五章由刘水华同志编写;第七章由金正旺同志编 写 在编写过程中,曾得到许多同志的帮助。如工程院院士赵梓森同 志在百忙中抽时间审阅并给予指导;潘孝先、吴仲君等同志提供了许 多宝贵的资料这些同志都非常支持和关心本书的出版,在此深表敬 意和感谢! 由于光无源器件发展很快,涉及的知识面很广,再加上编写时间 比较仓促,书中错误和疏漏之处在所难免,希望读者批评指正
目录 第一章光纤活动连接器………… 1.1基本原理和结构…… 1.2光纤活动连接器的核心部件…… ……17 1.3光纤(缆)活动连接器的组成部分……… 1.4常用的品种、型号规格和外形尺寸……… 1.5光纤活动连接器的测试方法………………………32 1.6今后发展方向… 第二章固定连接器… 2.1基本原理和结构 2.2光纤熔接机… 44 2.3V形槽固定接头 2.4毛细管固定接 2.5套管式固定接头………… 26今后的发展方向……… 第三章光衰减器 3.1光衰减器的作用和工作原理 3.2光衰减器的性能及测试 光衰减器的分类及性能指标 3.4常用光衰减器的品种、型号、规格和外形… 35光衰减器的应用及发展 第四章无源光耦合器件 4.1概述 4.2熔融拉锥型全光纤耦合器 …103 4.3波导型光耦合器 18
4.4耦合器前景展望…… 123 第五章光波分复用器……………… 5.1光波分复用器的工作原理和光学特性…125 5.2光波分复用器的制造方法 128 5.3光波分复用器的应用领域和应用实例 5.4光波分复用器的型号、规格和技术指标 143 5光波分复用器的发展方向 第六章光隔离器 6.1单模光纤准直器、偏振器及其它光隔离器中使用的光学元 件 6.2光隔离器的作用和工作原理 ……155 6.3光隔离器的性能及指标测试… 6.4光隔离器的品种、规格、型号和技术指标… 6.5光隔离器的应用及发展… 第七章光开关 200 7.1光开关的特性参数 7.2机械式光开关 7.3非机械式光开关 210 7.4光开关的类型及其用途 第八章无源器件的发展方向之一—集成光学 8.1集成光学… 82光波导的结构形式 230 83光波导所用的衬底材料 235 8.4集成光学的工艺技术………………………………238
fib 第一章光纤活动连接器 光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的无源光器 件,它还具有将光纤(缆)与有源器件、光纤(缆)与其它无源器件、光 纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。活动连接器伴随着光通 信、光传感器的发展而发展现在已经形成门类齐全、品种繁多的系 列产品成为光通信、光传感器以及其它光纤应用领域中不可缺少的 应用最广的基础元件之一。 目前,光通信一方面朝着超高速、大容量、长距离的方向发展,另 一方面又大力开发CATV、光纤局域网和用户系统,使光纤到路边、 进入家庭,这必然对活动连接器提出了多样化、高性能的要求。尤其 在“信息高速公路”计划启动之后,活动连接器将面临更高的要求并 具有更多的发展机遇。 活动连接器的发展要考虑三个方面:高技术性能、多规格品种和 大规模产业 1.1基本原理和结构 l.1.1光纤的结构和参数 光纤是由折射率不同的石英材料组成的细圆柱体。圆柱体的内 层称为纤芯,外层称为包层。光线(或光信号)在纤芯内进行传输 设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2。要使光线只在纤芯
fib 内传输而不致通过包层逸出,必须在纤芯与包层的界面处形成全反 射的条件,即要求满足: (1.1) 图1.1显示了阶跃折射率光纤的结构。 图1.1阶跃折射率光纤结构图 一般来讲,不同种类、不同厂家的光纤,其折射率的分布曲线是 不完全一样的。但不管是何种光纤,也不管其折射率如何分布,纤芯 的折射率n1总是要大于包层的折射率n2。 对于阶跃折射率光纤来讲,n1约为1.46,n2约为1.455 图12为几种学见的光纤折射率的分布曲线 除折射率之外,光纤还有许多物理、化学方面的参数。这些参数 在光通信、光传感的应用中,都是需要考虑的。在制作连接器时,也要 考虑这些参数。但其中最重要的有如下几项 1.相对折射率△ 对于多模光纤,△≈1% 对于单模光纤,△≈0.3% 2.数值孔径N.A 定义:当光从空气入射到光纤输入端面时,只有入射方向处于某 一光锥内的光线在进入光纤之后才能留在纤芯内,而从光锥之外入 射的光线,即使进入光纤,也会从包层逸出这个光锥半角的正弦,称 为光纤的数值孔径N.A。即