摘要:介绍了光纤无源器件的性能评价方法, 对光纤连接器、光纤耦合器、光纤衰减器等常用的光纤无源器件参数进行了详细的评价。

关键词:无源光纤器件 参数 性能评价

一、无源器件性能评价方法

       无源器件指标的实际意义及定义见图1。

      对于无源器件来说有两个端口, 即输入端口和输出端口, 所以就有了两个基本参数:

   一般这两个基本参数的值小于1,所以称之为无源器件,若大于1 则称之为有源器件。由于这两个基本参数是个小数或是一个很小的数, 表示出来很不方便, 所以对它们取对数, 然后再乘以-10,在感觉上就比较舒服了.这种作法称之为dB 表示法,可以跨很大的数量级,且运算比较简捷,对于式(1)和式

(2)做此法处理后, 就可分别得到下式:

式(3)、式(4)是用dB值来表示两个基本参数的方法。

二、常用器件的参数

1.光纤连接器的参数

在无源器件中用量最大的就是光纤连接器。下面对其主要性能参数和定义介绍如下:

(1)插入损耗:

   插入损耗是用来描述光纤连接器从输入端到输出端光能量透过率的参数。对连接起来的一付连接器来说这个参数是对两个端头质量的评估。当然, 是很难分出哪端好, 哪端坏的, 因为它们的精度是亚微米级的, 必须用一个理想的端头(主要指标后述)来测量。此端头我们称之为主头。有主头的跳线称之为主线, 用主线再对连接头测量, 就能客观地反应出连接头的质量。测出的损耗可以认为是由被测连接头引起的。实际上,给出的插入损耗值, 就是主线的测量值。测试方法如图2所示。

第1步:主头接入功率计P1,记录P1值;

第2步:用适配器接上被测端头,并将另一端接入功率计P2,记录P2值。

IL=-10LgP2/P1(dB) (5)

IL即为插入损耗。

(2)回波损耗:

      回波损耗是近年来由于传输速度的提高和带宽的增加而提出的指标。是指一对连接器在连接时, 由于两个头的各种参数不同及头间的间隙会引起连接端的反射, 主要是菲涅尔反射。当间距小于0.1μm 时回波损耗大于40dB,就是说返回的光能量小于入射光能量的万分之一。这主要归功于球面研磨、物理连接。回波损耗也是由两个端头引起的, 所以测量时也要有主测头、主测线。对于测量40 dB 以上的回波损耗, 主测头的光纤下凹必须小于0 .05 μm。回波损耗是用专用的回波仪测量的。现介绍回波仪光路的基本构造,见图3

      各主要部分的要求应为:激光器的相干距离要小于1 m , 以消除由于相干而引起的回波变化;回波测量是一个低功率的测量器件;取样测量能监视光功率的波动;耦合器一个方向的传导率要大于70 dB , 附加损耗要小于0 .1 dB , 是一个高质量的耦合器;斜角连接头要保证回波大于60 dB ;测试主头应是测量回波的标准等等。此系统可以保证进行小于55dB 的测试,对于更高要求的测量,如大于60 dB 的测量, 应将所有的连接器变为斜角研磨连接器, 而且内部光缆要更短, 这里不多赘述。

(3)互换性:

     这是实际使用时的插入损耗, 也称为互换插入损耗。这个指标真正体现了产品的质量, 在使用时不允许这个指标出问题。特别是对连接器的外径和同心度, 必须执行一个标准, 这在施工中是很重要的。

(4)重复性:

      由于现在的连接器都有定位销, 所以重复性都很好。若损耗增加, 一般都是因表面不洁引起的。所以清洁连接器即可保证一定的重复性指标, 这个指标对于维护工作很重要。

(5)连接器插头的几何参数, 包括:

     a .同心度:见图4,同心度(d)是光纤插头外径的圆心到光纤芯圆心的距离。对于单模光纤,要求同心度(d)小于1.4 μm，对于多模光纤要求同心度(d)小于4μm。此参数主要会影响插入损耗,是个固有的指标。

     b .表面曲率半径:物理连接必须是球面连接,对于不同的材质, 表面曲率半径(R)不同,物理连接的形式也不同。对于含氧化锆陶瓷插针,R 在10mm～20 mm内最佳, 可降低反射损耗。

     c .光纤下凹:由于光纤比周围的氧化锆材质软, 所以在抛光时往往会将光纤多抛下一块, 因此必须注意光纤端面到插针顶点的距离。这里采用机抛光要比手抛光更好一些,若要手抛光,就不能有过抛,也不能有欠抛,否则会引起插入损耗的增加和回波损耗的减少。见图5，其下凹d 要小于0.05μm。

     d .光纤芯圆心到插针最高点的距离:见图6，此参数描述的是光纤端面与轴的角度,是对抛光质量的验证。这距离如果变大了,会增加插入损耗和降低回波损耗, 并影响互换性。此距离一般小于50μm 。

(6)单模光纤连接器的主头几何尺寸包括以下几个:

     A.外径:2449 μm ±0 .5 μm

     B. 同心度:小于0 .5 μm

     C. 光纤芯圆心到插针顶点的距离小于20μm，也就是说光纤端面法线与插针轴间的夹角小于0 .06°

   根据以上参数指标, 在实际应用中要特别掌握插入损耗、回波损耗和互换性这三项,但是对于生产单位,也须掌握其余的指标,以便于质量管理。

2 .耦合器

此种器件参数较多较繁,这里仅用2 ×2的耦合器来说明,见图7。

(1)耦合率:

CR =P4/(P3+P4）×100% (6)

其中P3为3端出光功率,P4为4端出功率。1、3端为一根光纤,2、4端为另一根光纤。CR值体现了由一根光纤向另一根光纤耦合的量值。

(2)附加损耗:

EL=-10Lg(P3 +P4)/P1(dB) (7)

这个参数体现耦合器制造的水平,值越小水平越高。高水平的往往小于0.5dB ,更高级的小于0.1dB。

(3)分配比：

SR=P3/P4   (8)

SR表示两端的功率比,它的精度体现了生产者控制的水平

(4)方向传导率:

D=-10LgP2/P1(dB)  (9)

此时3 、4 端要做防止端面反射的处理。此指标对仪器及传感器的制造用户比较重要。

(5)单端插入损耗:

ILn=-10LgPn/P1(dB)(n =3 .4)  (10)

此指标是实际设计及使用的参数。

下面给出一个实际例子:

a .工作波长:

1300nm、1310nm、1550nm

b .耦合率:50±50×3 %

c .一般分配比:1:1

d .最大附加损耗:0.5dB

e .最大插入损耗:3.8dB

一般认为对3dB 的耦合器,单端最大插入损耗为3.5dB ,实际上由于耦合率有误差,其值将会增大或减小,下面就进行如下的推证:

     从IL3、IL4 的值可以看出最大插入损耗的实际意义。当CR 为50%、EL=0.5dB时,如重新计算,则IL3=IL4 =3.51dB。

     这时说明了一个问题, 即附加损耗对那一端都有作用。综上所述, 耦合器随着光纤芯数的增加,参数会增多, 其最重要的参数是最大插入损耗。

3 .衰减器

     衰减器可分为固定衰减器和可变衰减器两种。可变衰减器大多用在施工和实验室中, 这里不进行介绍。下面只对固定衰减器的参数进行介绍。

(1)衰减值:

     因为光端机有一个很大的动态范围,只需将光功率调整到最佳工作点的附近即可。对于较小的调整,由于线路上有一定的衰减值, 所以要搞得精确一些;而对于较大的调整,线路上基本没有什么衰耗, 衰减值可相对地粗一些。

     下面是我们建议的标称值及精度, 见表2。

(2)回波:

     衰减器一般用在接收端, 线路的回波一般在35 dB/km 至45 dB/km 之间,所以有30dB 左右的回波损耗就足够了。

(3)重复性:

     这也是一个实际使用的指标, 在对一个系统的维护时必须使用这个指标。它的重复性越好, 维护起来越容易, 因此建议一般应小于±0.5dB,实际上在1dB内浮动。

三、综述

     光纤无源器件是建立在精密机械加工、精密光学加工、新型材料等学科的基础之上的,它们的参数和精度体现了有关技术、工业的整体水平和国家的应用水平。