光电检测技术讲义(光纤)

光电检测技术

—光纤

一、基本光学定律和定义 (2)

二、光纤的基本结构 (3)

三、光纤的基本参数 (5)

四、光纤的制造 (9)

六、各种无源的光纤器件 (10)

一、基本光学定律和定义

下面我们将回顾一些与光纤相关的基本光学定律和定义。物质的最基本光学参数是它的折射率(或折射指数)，在自由空间中光以速度c＝3x10 m/s传播，光的速度与频率v以及波长λ之间的关系为c＝vλ。当光进入电介质或非导电介质时，将以速度v传播，这是材料的特征速度而且总是小于c。真空中的光速度与物质中的光速度之比即为材料的折射率n，其定义式为

(1)

一些典型的折射率值为：空气n＝1．00，水n＝1.33，玻璃n＝1．50，钻石n＝2．42。

关于光的反射和折射概念，可以考虑与平面波在电介质材料中传播相联系的光线概念。当光线到达两种不同介质的分界面时，光线的一部分反射回第一种介质，其余部分则进入第二种介质并发生弯折(或折射)。如果n2＜n1，则反射和折射情况如图（1）所示。界面上光线发生弯折或折射是由于两种材料中光的速度不同，也就是说它们有不同的折射效果。界面上光线之间的方向关系就是众所周知的Snell定律，其表达式为

(2)

图1 光线的折射和反射

等式中的角度在图1．4有其相应的定义，图中的角φ1是入射光线与界面法线间的夹角，称为入射角。根据反射定律，入射光线与界面间的夹角φ1与反射光线与界面间的夹角是完全相等的。另外，入射光线、界面的法线、反射光线位于同一平面内，这个平面是与两种材料的界面相垂直的，也就是所谓的入射面。通常光密介质(也就是折射率较大的介质)反射光的过程称为外反射，而光疏介质反射光(例如光在玻璃中传播时被玻璃与空气的界面反射)的过程则称为内反射。

当入射角φ1增大时，折射角φ2也增大。当φ1大到某一特定值时，φ2达到π／2。当入射角进一步增大时将不可能有折射光线，这时光线被“内全反射”。内全反射的条件可以由(2 )式所表示的Snell定律决定。图(2)所示为玻璃与空气的界面，根据Snell定律，进入空气的光线折向玻璃表面，当入射角增大到某一值时，空气中的光线将趋于与玻璃表面平行，这个特殊的入射角就是众所周知的临界入射角。如果光线的入射角大于此临界角，内全反射条件得到满足，则光线全部反射回玻璃，因而没有光线从玻璃表面逃逸(这是一种理想情况，实际上总有一些光能从表面折射出去，这可以利用光的电磁波理论加以解释)。

图2 全反射示意图

二、光纤的基本结构

光纤是“光导纤维”的简称，它是一种介质圆柱光波导，所谓“光波导”是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。光纤波导是以各种导光材料制成的纤维丝。其基本结构通常包括纤芯和包层两部分，如图（3）所示。纤芯由高折射率材料制成，是光波的传输介质；包层材料折射率比纤芯稍低一些，它与纤芯共同构成光波导，形成对传输光波的约束作用。目前，已研制成功的光纤包括石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、晶体光纤以及红外材料光纤等。

图3 光纤的基本结构

在光纤直光波导中传播的光波称之为“导波光”，其特征是：沿传播方向以“行波”的形式存在，而在垂直于传播方向上则以“驻波”的形式存在。因此，对于理想的光纤波导，

在垂直于光传播方向的任一截面上，都具有相同的场分布图。这种场分布只决定于光纤波导的几何结构，是光纤固有属性的表征。不同的场分布图通常又称之为“模式”，在一般的光纤中，可以允许几百至几千个模式传播，称之为“多模光纤”：如果光纤中只允许一个模式传播，则称之为“单模光纤”。光纤的传播特性与其横截面上折射率分布有很大关系。光纤依据其折射率分布可分为两类，即阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤。在阶跃折射率分布光纤中，纤芯和包层折射率均为常数，分别等于n l和n2 (n1＞n2)，在渐变折射率分布光纤中，包层折射率仍为n2，但纤芯折射率不再为常数，而是自纤轴沿半径r向外逐渐下降：在纤轴处(r＝0)，折射率最大(等于n l)；在纤壁处(r＝a)，折射率最小(等于n2)。光纤的折射率分布可由式3 描述

（3）其中r为纤芯半径，Δ是纤芯轴线折射率与包层折射率的相对差，定义为

（4）

g是光纤折射率分布参数，它决定了折射率分布曲线的形状，当g＝∞，即为阶跃折射率分布光纤：当g=2时，称之为平方律分布(或抛物线分布)光纤；g＝1时，为三角分布光纤.

图4 阶跃折射率分布光纤中光线路径

由一点发出的不同角度的子午光线将在传播一个周期长度之后会聚于另一点如果，这种会聚作用类似于一个正透镜的聚焦作用，故称这类光纤为“自聚焦光纤”。

图4双曲正割折射率分布光纤的自聚焦

三、光纤的基本参数

1、数值孔径

光纤的数值孔径定义为入射媒质折射率n i与最大入射角θm的正弦值之积。

（5）

对于阶跃折射率分布光纤，其数值孔径为

（6）

它只和光纤的折射率有关，而与光纤的几何尺寸无关s。

对于渐变折射率分布光纤，其数值孔径是入射点径向距离r0的函数，称为局部数值孔径。

（7）

在纤轴处，其数值孔径最大，称之为渐变折射率分布光纤的最大理论数值孔径或标称数值孔径。

光纤数值孔径在大小表征了光纤接收光功率能力的大小，即只有落入以θm为半锥角的锥形区域之内的光线才能够为光纤所接收，故称θm为光纤的“孔径角”。标准多模光纤的标称数值孔径为0.2，其孔径角为11.5o，标准单模光纤的数值孔径为0.1~0.15，其孔径角为5.7~8.6度。

2. 光纤传输模式

a．导模、漏模与辐射模的概念

在光纤中存在有三类模式，即导模、漏模和辐射模。导模的场分布特点是：在纤芯内为驻波场或传播场；在包层中为衰减场或消逝场，光波场功率限制在纤芯内传播。漏模的场分布特点是：在纤芯内传播的光波场功率透过一定厚度的“隧道”泄漏到包层之中，因此，在纤芯及距纤壁一定距离的包层之中，均为传播场。辐射模则在纤芯和包层之中均为传播场，光纤失去了对光波场功率的限制作用。

b．导模的分类

根据导模场的E z和H z的存在与否，可将光纤中的导模分为TE lm模、TM lm模、HE lm模

和EH lm模几种，TE lm模的E=0，H z≠0，称之为横电模；TM lm模H z=0，E z≠0，称之为横磁模；EH lm模和HE lm模的E z及H z辽均不为零，称之为混杂模，其中EH lm模为电场占优势，HE lm模为磁场占优势。这里，角标l和m分别是模式的角向标号与径向标号，不同的(l，m)标识不同的模式。

光纤的归一化频率V

（8）

其中，NA称为光纤的理论数值孔径，V是一个重要的参数。

c．导模功率传榆特性

在阶跃光纤中，当导模远离截止时，其功率几乎全部集中在纤芯中传输；当导模临近截止时，低阶模功率几乎全部在包层之中传输，而高阶模功率仍有相当大部分留存于纤芯之中传输。

在光纤的输出端，光功率的近场和远场分布可分别表示为

（9）

利用9可以测量任意折射率分布光纤的折射率分布参数g和数值孔径NA。

3、单模条件

当光纤的归一化频率V值小到一定值时，在光纤中将只允许一个模式传输，这就是光纤的基模HE11。这时的光纤即为单模光纤，单模光纤的芯径一般在5~ 10微米(依传输光波长的不同而有所不同)。

在光纤中，最邻近服HE11的高阶模是TE01和TM01模，只有当这些模式截止了，光纤才成为单模光纤。光纤传输单模的条件取决于不同的折射率分布，对于阶跃折射率分布光纤的单模条件为

(10)

由上式看到，在给定光纤的结构参数(a，n，Δ)之后，单模条件就取决于传输光波波长，通常称使得高阶模截止的波长为单模光纤的截止波长，记为λc

(11)

仅当光波的波长或频率大于截至波长或频率小于截至频率时才可实现单模传输。

4、光纤的损耗

光纤的损耗光波在实际光纤中传输时，光功率将随传输距离增加而作指数衰减，即

(12)

式中α即为光纤的功率损耗系数。在实际应用中，通常以“分贝dB”来表示光纤的损耗，记为o，o定义为每单位长度光纤的功率衰减分贝数。

(13)

引起光纤损耗的原因很多，归纳起来大致可以分为3大类：吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗。吸收损耗是指由于光纤材料的量子跃迁，使得光功率转换成热量。光纤的吸收损耗包括基质材料的本征吸收、杂质的吸收和原子缺陷的吸收。本征吸收是指紫外和红外电子跃迁与振动跃迁带引起的吸收，这种吸收带的尾端延伸到光纤通信波段，但引起的损耗一般很小(0.01~0.05的dB/km)。杂质吸收主要是各种过渡金属离子的电子跃迁以及氢氧根离子(OH-)的分子振动跃迁所引起的吸收，通过适当的光纤制备工艺可以得到纯度很高的光纤材料，使过渡金属粒子的含量降到ppb(10-9)量级以下，从而基本上可以消除金属离子引起的杂质吸收，而OH-所引起吸收则难以根除，它构成了光纤通信波段内的三个吸收峰和3个通信窗口(0．85微米、1．31微米和1．55微米)，其中1.55微米是光纤的最低损耗波长(如图1．14所示)。原子缺陷吸收主要是光纤材料受到热幅射或光辐射作用所引起的吸收，对于以石英为纤芯材料的光纤，这种吸收可以忽略不计。

散射损耗是光纤中由于某种远小于波长的不均匀性(如折射率不均匀、掺杂粒子浓度不均匀等)引起的对光的散射所造成的光功率损耗。其中，在小信号功率传输时，最基本的散射过程是“瑞利散射”，其特征是，散射光强反比于波长。正因为如此，目前光纤通信的光源波长向长波长发展，当光纤中传输的光功率超过一定值(阀值功率)时，还会诱发另外两种非线性效应散射过程，即受激喇曼散射与受激布里渊散射，引起光纤的非线性损耗。因此，在光纤通信中，一般要求信号功率低于非线性散射的阀值功率。多模光纤弯曲损耗是指由于光纤的弯曲，使一部分高阶模从光纤纤芯中辐射出去所引起的损耗。光纤的弯曲损耗随着光纤弯曲的曲率半径的减小而指数增大，当曲率半径小于某一个临界曲率半径Rc时，所引起的损耗将大至不能忽略的量级。

图5 光纤损耗的分类

除了上述三种损耗机理之外，实际光纤在包层之外的涂覆层也会产生附加损耗。这是因为导模的功率(尤其是高阶模)有相当一部分是要在包层之中传输的，如果说涂覆层材料折射率与包层材料折射率相近，这部分光功率就会进入涂覆层之中，而涂覆层材料的损耗是非常高的，这就带来导模光功率的损耗。

图6 通讯窗口

5．光纤的色散

光纤的色散是指由于光波脉冲的不同频率成份的传播速度(群速度)不同所导致的脉冲展宽。在多模光纤中存在有三种色散，即①材料色散，它是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽；②波导色散，它是由于相同的光源频率所对应的同一导模的群

速度在纤芯和包层中不同所引起的脉冲展宽；②多模色散，它是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。在单模光纤中，由于只有基模传输，因此不存着在多模色散，但波导色散与材料色散依然存在；此外，由于构成基模的两个正交线偏振模具有不同的群速度，还会引起偏振色散。

抛物线分布是最常用的折射率分布，取这种分布的多模光纤具有“自聚焦”特性，其模间色散较小。单模光纤多采用阶跃折射率分布，这时光纤在1．3微米附近具有最低色散。三角折射率分布多用于将单模光纤的最低色散波长移至1．55微米处，因为单模光纤在1．55微米波长处具有最低损耗，称这种光纤为“色散位移光纤”。

四、光纤的制造

作为光纤的候选材料，必须满足一系列的要求，例如，这种材料必须能拉制成很长、很细、可卷绕的纤维；必须对特定的光波是透明的，以便光纤可以有效地导光；物理性能合适，使得拉制成的光纤纤芯与包层折射率仅有稍许差异等。可以满足上述要求的主要材料有玻璃和塑料。形形色色的玻璃纤维，可以分成具有大面积纤芯的高损耗玻璃纤维和极为透明的(低损耗)的玻璃纤维。前者用于短距离传输，而后者则主要用于长途传输。塑料光纤尚未得到广泛应用，因为比起玻璃纤维，其损耗较大。塑料光纤主要用于短距离传输(几百米以内)和一些恶劣环境中，在这种环境中塑料光纤因其机械强度大，所以比起玻璃纤维更具有优势。

通信用石英光纤是外径为125微米左右的细玻璃丝。玻璃是一种硬度很高的无延展性的易碎材料，其强度极限由材料结构内Si-O键的键合力所决定，外径为125微米的光纤所能承受的抗张力将30kg。然而，实际的光纤表面或内部总是不可避免地存在有裂纹，在光纤受外力作用时，一个非常小的微裂会扩大、传播，引起崩溃性的断裂，这使得光纤的断裂强度大为降低(约为理论值的1／4)，因此外径为125微米的光纤所具有的实际抗张力只有7kg左右，尽管如此，光纤比起同样粗细的钢丝的抗拉强度还要大1倍。

制造光纤时，必须先将经过提纯的原材料制成一根满足一定要求的玻璃棒，称之为“光纤预制棒”，或“坯棒”，光纤预制捧是拉制光纤的原始棒体材料，其内层为高折射率的芯层，外层为低折射率的包层，应具有符合要求的折射率分布与几何尺寸。目前，用于制各光纤预制棒的方法已有数十种，其中普遍使用，井能够拉制出优质光纤的制棒方法主要有以下4

种：外部汽相沉积法、汽相轴向沉积法、改进的化学汽相沉积法和等离子沉积法(PCVD)。

光纤的高抗拉强度归功于其包层之外的涂覆层，在光纤丝拉出之后，要立即涂上一层丙稀酸环氧树脂或硅酮树脂(硅橡胶)等保护材料(称之为一次涂覆或预涂覆)，否则，裸光纤丝是极容易断裂的。一次涂覆层将光纤表面与环境中的水分、化学气份等隔离开，可防止光纤表面上已有的微小缺陷(微裂纹)逐步腐蚀扩大，同时也可保护光纤表面不受机械损伤。光纤的机械特性还与光纤制备工艺的各个环节密切相关，高质量的光纤必须在具有高清洁度的环境中制备，任何污染物接触了光纤预制棒或裸光纤表面，都会使光纤制成品的最终抗拉强度大为降低。光纤的抗弯性能也是衡量光纤机械特性的一项重要指标。一般讲，抗拉强度好的光纤其抗弯性能也好，高质量的光纤其无折断弯曲曲率半径可小至1~2mm。为了加强光纤的机械特性，在预涂覆之后，还要对光纤进行套塑并制成光缆，然后才能够在实际工程中应用。

光纤的温度特性关系到光纤系统的长期可靠性与稳定性，也是衡量光纤性能的重要参数，如上所述，为加强光纤的机械性能，要在裸光纤丝(纤芯与包层)外表面加涂覆层和套塑层，而徐覆层与套塑层所用材料为有机树脂与塑料，其线膨胀系数比石英要大得多，因此在温度变化时就会收缩(低温)或伸长(高温)，导致光纤产生微弯曲，从而引起光纤的附加衰减。

光纤的温度特性受到涂覆层与套塑层材料及其工艺的影响。因此，在光纤的设计制各中，要合理地选择涂覆和套塑材料以及涂覆层与套塑层的厚度和其他相关工艺，利用涂覆层来缓冲套塑层引起的微弯曲。此外，人们也研究采用其他涂覆和套塑材料，以满足对于温度特性有特殊要求的应用场合。

五、各种无源的光纤器件

1、光纤连接器

光纤连接器又称光纤活动连接器，俗称活动接头，它是一种可拆卸的光纤接插件，可以反复连接或断开，它用于光纤与光纤之间的连接、光纤与设备(如光端机、光测试仪表)之间的连接或光纤与其他无源器件的连接。它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少一种重要无源器件，也是市场需求量最大的光无源器件之一。

对于光纤连接器的主要技术要求为：

(1)插入损耗小；

(2)回波小；

(3)稳定性好：连接后，插入损耗随时间、环境、温度的变化不大；

(4)拆、装方便；

(5)体积小、价格低廉。

从设计原理上讲，光针连接器可分为三类：端面对接式连接器、透镜扩束式连接器与阵列光纤连接器。

a．端面对接式连接器

大多数光纤连接器的外部机械结构与微波电线连接器十分类似。使用时将光纤插针插入转接插座的连接套管之中，同时拧紧螺母即可。然而，光纤连接器的内部结构却远比电缆连接器复杂和精密，尤其是光纤插针的轴心对准、端面处理以及和转接插座中的连接套管的精密配合等，都要求有十分严格的工艺来保证。

目前，各厂家生产的光纤连接器的具体结构几乎都不相同，且相互之间一般不能互换。其中，在市场上销售的几种最典型的连接器结构如下：

(1)ST(直插)型。这种连接器是由AT＆T公司1985年初推出的，它采用和同轴电缆连接器类似的结构，插针与插座均是轴对称，易于加工，是一种最简单的结构。ST型连接器中最精密的部件是固定光纤的金属或陶瓷插针，连接器转接插座里的与光纤插针相配合的精密连接套管可确保插入其中的两根光纤对准。这种结构还利用带键的卡口式锁定机构来防止光纤在多次连接过程中的转动，以确保连接器在多次插拔中具有较稳定的连接损耗。

(2)BC(双锥)型。这种连接器也是由AT＆T公司发明的，它采用最新的精密模塑技术，将光纤封装在端部有一个精密锥体的插针内，连接器转接插座内装有精密的双锥形连接套管。当两根光纤压入双锥形连接套之中时，即可实现光纤的连接。

(3)PC(物理接触)型。这种连接器由AMP公司提出，它利用光纤端面物理接触来提高连接器的性能，其光纤抛光端面设计成圆弧状，两对接光纤纤芯端面间隙小，使得菲涅尔反射损耗大为降低。这样就使得连接器的回波损耗由非接触型的十几分贝提高到四十分贝，大大减小了反馈光对于光源(LD)的不利影响。

(4)FC(面接触)型。其插针端部贴有中间开孔的薄片，可使连接的两光纤实现“面接触”，同时又不造成通光端面的磨损。而且，在光纤端面还可以镀制抗反射膜来消除菲涅尔反射。

(5)SC(直联)型。它也是最新结构，其截面形状为矩形而不是圆形，联结机械设计成推拉式，而不用螺纹锁定，因此连接器体积大为减小，尤为适合于多芯光缆阵列连接。

(6)SMA(通用标难)型。其结构与同轴电缆结构完全相同，有卡口式和螺口式多数用于

连接多模光纤，结构比较简单而性能也足以满足一般应用要求。

目前，光纤连接器的连接损耗不同厂家产品有很大差异，最低的可达到0．2dB以下，经多次插拔操作之后，损耗变化一般在0．1—0．3dB。

b．透镜扩束式连接器

这种连接器利用一个透镜将发射光纤的光束准直，然后再利用另一个透镜将光束聚焦于接收光纤，其原理结构如（7）所示。扩束式连接器的主要优点是大大减小了连接器对于连接过程中的横向偏移的敏感程度，因为透镜之间的光束束宽远大于对接式连接器光纤之间光束束宽；另一方面，由于透镜端面面积远大于光纤纤芯面积，也使得通光表面污染的影响大为降低；此外，还可以采取多种减反射措施，例如，在光纤与透镜端面之间注入折射率匹配液以及在透镜另一通光端面镀制减反射膜等，将能够消除菲涅尔反射，这在对接式光纤连接器中一般是很难做到的(PC型和FC型除外)。

图7 透镜扩束式连接器原理图

然而，从总体上来看，扩束式连接器的损耗还是要比对接式连接器损耗大。这是因为扩束式连接器的光纤—透镜偏移损耗与对接式连接器的光纤—光纤偏移损耗相当，而扩束式的透镜—透镜偏移损耗是附加的，此外透镜的象差也会引起附加损耗。因此，这种连接器的连接损耗在采取了减反射措施之后仍有1-1.5dB。

c．阵列光纤连接器

当需要同时连接多根光纤(如多芯光缆)时，就要用到阵列光纤连接器。这种连接器是将多根光纤按照一定方式排列起来，然后利用特殊设计的机械结构使光纤阵列同时对准并联结起来。

2、光纤定向耦合器

光纤定向耦合器是一种用于分配和传送光信号功率的光无源器件。通常，光信号功率由精合器的一个端口输入，然后按照一定的比例分配至几个指定端口输出，这称之为“分路”；或者，由几个端口输入的光信号功率经耦合耦合进入同一个端口输出，这称之为“合路”。因此，光纤定向耦合器有时也被称之为“分路器”或“合路器”。

光纤定向耦合器也是种市场需求量很大的光无源器件。尤其是在各种光纤通信网中，凡是涉及到多个光波信号的分与合以时，都需要用光纤定向耦合器。

光纤定向耦合器的主要性能指标为：

①分路比，表征某一信道输出功率分配比，以分贝计；

②信道隔离比，表征同侧(输入或输出)端口之间的功率传输损耗；

③过剩损耗，表征由于光学部件吸收、散射或锅台等因素引起的各信道总附加损耗。

依据光纤定向锅台器的工作原理，可将其分为3种形式：部分反射式、波前分割式和模场稳合式。部分反射式光纤定向耦合器是利用光学部分反射原理来实现分光的。图8所示为一种以自聚焦透镜和部分反射镜构成的耦合器，其部分反射膜直接镀制在两透镜结合面上，当光波由1端口入射到部分反射膜上时，一部分光透射进入4端口，另一部分光反射进入3端口，两端口输出分配比取决于部分反射膜的反射率的大小；同样，由2端口输入的功率也将按比例分配至3端口与4端口输出：而在1端口与2端口之间以及3端口与4端口之间光信号是相互隔离的。此外，由于光传播的可逆性，这种耦合器也可以反向使用，即由3、4端口输入，由1、2端口输出，其分部特性保持不变。部分反射膜也可以镀制在直角棱镜斜面上，构成一种“T型耦合器”，如图3．6所示。

这种T型耦合器可以将一束光分成两束光，也可以将两束光成为一束光。但是应注意，T型耦合器作为合路器使用时，仍然存在着分路损耗。

图8 光纤定向耦合器原理图

另一种模场耦合式光纤定向耦合器是采用熔锥法制备的，它首先根据耦合器所要求的端口数目，按一定的耦合矩阵将光纤耦合在一起，形成耦合器的雏形；然后以火焰均匀加热耦合区，并同时拉伸光纤使耦合区形成双锥形；在拉伸过程中从耦合器的一端输入光功率，在另一端进行动态监测，控制耦合的长度和双锥体的腰径，使之达到预定要求。利用这种方法可以制备x×x的x型辊合器，也可以制各各种多端口“星型耦合器”。

图9 熔锥法光纤定向耦合器

目前，光纤定向稳合器的主要技术指标已达到：信道平均过剩损耗小于0.5dB；信道隔离比大于40dB；工作波长可分段覆盖850nm—1550cm波长范围，信道组态有1x2—1x32和2×2—32×32等多种形式，甚至还研制出100xloo的星型耦合器。

3、光波分复用器

光波分复用器属于波长选择性耦合器，是一种用来合成不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源器件，又称前者为“复用器”；后者为“解复用器”。在复用器中，由各个信道输入的不同波长的复色光信号被耦合进同一根光纤中传输；在解复用器中，则将传输光纤中的不同波长为的复色光信号分解成波长的单色信号，并送入相应的输出信道。这样就可以充分利用光纤的低损耗窗口及其较宽的波长带宽，在一根光纤中同时传输不同波长的光源(信道)的光信号，从而使光通信系容量提高几倍乃至几十倍。此外，在半导体激光泵浦YAG、光纤放大以及光孤子传输等许多其他应用场合，光波分复用器也得起到十分重要的作用。

图10 光波分复用器

随着光波分复用技术的发展，光波分复用器已经成为一种商用无源器件，其潜在的市场应用前景十分广阔。

波光分复用器的性能可以用以下3个指标来衡量。

a、插入损耗：指由于波分复用器的引入而导致的功率损耗。这种损耗包括波分复用器自身的固有损耗以及波分复用器与光纤的连接损耗，当然这种插入损耗越小越好。

b、信道隔离度：指一个信道的信号功率耦合到另一个信道中的信号功率的大小。隔离度越大，耦合过去的信号功率就越小。原则上隔离度大一些好，但具体允许值的大小随用途不同而定。在发送端，由于光源线宽很窄，只要相邻光源之间的波长间隔足够大，就不会有很大的光功率发射到指定信道的光谱之外，因此，发送端对信道间隔离度的要求不太高。而在接收端，由于光检测器的灵敏度在很宽的光谱范围内都很高，因而信道间的隔离度不够好时，很小一点的泄漏信号都会影响接收灵敏度，因此，对接收端的解复用器隔离度要求较高。影响隔离度的主要因素有：不理想的滤波特性、光源光谱的重叠、杂散光以及光纤的非线性效应等。

c、信道带宽：指分配给某一特定信道的光源波长范围。由于实际光波长与标称波长有偏差，环境温度变化会引起激光器波长的变化，激光器本身发光也有一定的线宽，因而波分复用中光源的信道带宽应足够宽，即相邻光源波长之间的间隔应足够大，才能避免不同光源之间的串扰。如对于常用的多纵模激光器，所需信道带宽为数十纳米，而对于单纵模激光器，则仅需一纳米左右即可。

常用的波分复用器分为棱镜分光型、干涉滤光片型、衍射光栅型几种。

棱镜型波分复用器是利用棱镜的色散作用来实现波长分离的。一束复色光入射棱镜时，由于棱镜材料折射率随光波长而异，使得不同波长的光具有不同的折射角，经两次折射之后，不同波长的光信号就可以相互分离，如图11a所示。这是早期应用的一种波分复用器，它结构简单，但色散系数小，插入损耗较大，性能指标难以提高，已被淘汰。

干涉滤光片型波分复用器利用器是利用多层光学薄膜干涉原理来分光的。当一束复色光入射干涉滤光片时，波长满足干涉所要求的相位匹配条件的光信号将透射，其他波长的光

信号则反射，如图11b所示。

衍射光射栅型波分复用器则是利用光栅的衍射作用来工作的，如11c所示。当一束复色光入射衍射滤光片时，由于不同的波长具有不同的衍射角，从而彼此相互分离，与前两种分光元件相比，衍射光栅的通带带宽窄、前后沿陡，因此可复用信道数更多。

图11 三中光波分复用器结构原理

多数波分复用器是由自聚焦透镜与分光元件构成的。图12所示为一种干涉滤光型波分复用器的结构。在每两个1／4节距透镜之间夹一块干涉滤光片来分离一种波长的信号(其中，第1块和第3块分别为长波通和短波通截止滤光片；第2块则为带通滤片)。

图12 干涉滤光片型波分复用器

干涉滤光片型波分复用器的每一信道至少需要一个透镜和一块滤光片，结构复杂，且信道损耗随复用数增加而递增。与之相比，衍射光栅型波分复用器的结构就大为简化，它只需要一个自聚焦透和一块衍射光栅，将光栅置于自聚焦透镜的一端，将光纤列阵置于透镜的另一端，即可将经光栅衍射的不同衍射角(对应于不同波长)的光信号会聚到相应的接收光纤之中，这种波分复用器的复用信道数目可达十几路，平均信道插入损耗可低于2dB，已为目

前大多数厂家采用。

4、光隔器与环行器

光隔器与环行器是一种光非互易传输耦合器。在光隔离器中，当先信号沿正向传输时，具有很低的损耗，光路被接通；当光信号沿反向传输时，损耗很大，光路被阻断。在光环行器中，光信号只能沿规定的路径环行，否则就具有很大的损耗。

衡量光隔离器与环行器性能的主要参数有：

①正向插入损耗，定义为正向传输时输出光功率与输入光功率之比，

②反向(逆向)隔离比，定义为反向(逆转)传输时输出光功率与输入光功率之比；

③回波损耗，定义为输入端口自身返回功率与输入功率之比。

光隔离对于高速光纤通信系统具有十分重要的意义，因为在这种系统中应用的半导体激光对于反馈光的影响十分敏感，干分之几的反馈光就可能使系统误码率增加几个量级，因此几乎每一个激光器前必须加装光隔离器才能够正常工作，这种潜在的广阔应用前景极大地促进了光隔器和研究与开发工作。

光隔离器依据的原理是法拉弟磁光效应，即当光波通过置于磁场中的法拉弟旋转光片时，光波的偏振方向总是沿与磁场(H)方向构成右手螺旋的方向旋转，而与光波的传播方向无关，这样，当光波沿正向和沿反向两次通过法拉递旋转光片时，其偏振方向旋转角将迭加而不是抵消(如在互易性旋转光片中的情形)，这种现象称之为“非互易旋转性”。

光隔离器有两种类型：与偏振有关的光隔离器和与偏振无关的光隔离器，图3．13示出光隔离器结构原理和偏振态变化示意图。

图13 法拉弟光隔器原理图

在半导体激光器(LD)输出端应用的光隔离器多为偏振有关型，因为LD输出光为线偏振光。而且LD本身为波导器件，具有较强的偏振选择功能，因此还可在隔离器中充当起

偏器。图14示出一种与LD集成的光隔离器结构。

在光纤线路中应用的光隔离器多为偏振无关型。互易旋光器则为半波片或石英旋光片；偏振分光镜一般用方解石晶体制成，其光路如图3．15所示，这种隔离器的正向插入损耗可低于1．5dB，反向隔离比可大于30dB。

图14 LD集成的光隔离器结构图15 偏振无关型光隔离器环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图16所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。光环行器一般用于将一根光纤中传输的正向(输入)和反向(输入)光信号分开，例如在光时域反射仪，反射式光纤传感器以及单端耦合光放大器及其他光纤系统中用作稳合器，可使系统结构简化、性能提高。图17所示为三端口光环行器用于光纤双向传输系统的情况。

图16 光环行器

图17 光纤双向传输系统