光无源器件技术综述(一)

 ——这是篇关于光无源器件的系统介绍

万助军

摘要：光无源器件是光纤通信中不可或缺的部分，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，内容包括高斯光束能量耦合、光纤头的8°减反射角、光纤准直器设计等单元技术和光纤连接器、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和制造的工程师有参考作用。

关键词：光无源器件，准直器，隔离器、环形器、光开关、FBT

一、       绪言

适应信息社会对通信容量的要求，光纤通信已经取代电子通信。低损耗光纤、半导体激光器和掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能的三个关键因素，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的角色，本文将综合介绍各种光无源器件技术原理及特点[1]。

下文的组织结构是，第二部分介绍光无源器件中用到的基础知识和单元技术；第三部分对光纤连接器的一些特性进行分析；第四部分介绍各种晶体光学器件的结构、原理和发展情况；第五部分介绍波分复用器的原理和结构；第六部分介绍各种光开关的原理、结构和特点；第七部分介绍各种光衰减器的原理、结构和特点；第八部分介绍光纤熔融拉锥器件的基本原理和各种具体器件的实现方式；第九部分为全文总结。

需要说明的是，限于本文作者的知识水平和研究经历，对某些技术有较深入的分析，如光纤头、光纤准直器、光纤连接器、光隔离器、光环形器、Filter型波分复用器和光纤熔融拉锥器件等，对某些技术则大致介绍结构和原理，如Interleaver、光开关和可调光衰减器等，这些都是为了聊补本文的完整性，以顶住光无源器件技术综述这顶帽子。考虑本文的读者对象是从事光无源器件设计和制造的工程师，作者尽量少用复杂的公式，但在某些场合，公式有助于理解问题和说明一些重要结论，因此本文中仍出现多达50个公式。

一.   基础知识和单元技术

1.    高斯光束的能量耦合

在尾纤为单模光纤的光无源器件中，光束可用高斯近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可用（1）式计算[2-4]。

两束高斯光束之间的耦合，可能存在三种失配模式：径向失配X、轴向失配Z和角向失配θ，如图1所示。耦合失配造成光场重叠误差，从而影响耦合效率，根据（1）式计算得到耦合损耗与各种失配量之间的关系如图2所示，其中取光束束腰半径分别为200um和5um作对比，分别对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为200um的高斯光束，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的高斯光束，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。

图2. 两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系

2.    光纤头的8度减反射角

为了避免光器件中的反射光对通信系统造成影响，一般将光纤头的端面研磨成一定斜角以减少反射光^[2]。此端面斜角的选择依据是在保证回波损耗满足要求的情况下，尽量取小角度以减少对插入损耗的影响。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的耦合损耗，从图2（f）可以看到，不同波长的光其回波损耗不同，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的SMF-28型光纤作分析，其1310nm和1550nm的模场直径分别为9.2um和10.4um，根据公式（1）计算得到两波长的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和1550nm光的回波损耗分别为40dB和36dB，前者约比后者大4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约4%的光反射回去，增加回波损耗14dB，总回波损耗分别为54dB和50dB；镀增透膜之后，剩余反射率<0.25%，增加回波损耗26dB，总回波损耗分别为66dB和62dB，选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB。

图3. 光纤头回波损耗与端面角度的关系

当然，以上计算方法可能存在几个dB的误差，而且各种单模光纤的模场直径也存在差异，增透膜的实际剩余反射率也不尽相同，因此光纤头的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度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB。

3.     光纤准直器

图4.光纤之间的耦合与光纤准直器之间的耦合情况

在自由空间型的光无源器件（如光隔离器、光环形器、光开关等）中，输入和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，从而实现器件功能[4]。从光纤输出的高斯光束（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，两根光纤之间的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，将从光纤输出的光准直为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差，如图4所示，从图2（c）（d）亦可看出准直器对轴向容差的改善。

1)    光纤准直器的结构和参数

光纤准直器的结构参数如图5所示，因光纤头端面的8度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角θ，称为点精度。图6所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为2ωt，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。

2)    光纤准直器的设计方法

光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。具体设计步骤如下：

a)    确定所需工作距离Zw；

b)    列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵；

下面以Grin-Lens准直器为例：

c)    列出输出光束束腰位置的q参数；

我们知道，高斯光束的传输可用q参数及ABCD法则来描述，如（6）式和（7）式所示:

3)    光纤准直器的分析和比较

Grin-Lens最早用于光纤准直器的准直透镜，NSG公司是最早的供应者，目前国内的上海中科光纤通讯器件有限公司、西安飞秒光电科技有限公司和西安同维通信技术有限公司均能供应Grin-Lens。CASIX公司的罗勇将C-Lens引入光纤准直器，因成本优势而得到顾客欢迎。

前面已经提到，准直器的工作距离与光纤头和透镜间距L相关，增加间距L可增加工作距离，但是对一个确定的准直透镜，工作距离不能无限增加。当光纤端面在透镜焦点附近调节时，光斑尺寸变化较大，然而将光纤端面置于透镜焦点上（此时工作距离接近0），计算所得光斑尺寸仍有参考作用，有助于估算确定的透镜参数所能得到的光斑尺寸。点精度随光纤头位置变化不大，取间距L等于透镜焦距所得点精度可作为其他情况的近似。

下面针对Grin-Lens和C-Lens，分析工作距离、光斑尺寸和点精度与透镜参数的关系。

a)    工作距离限制

对（10）式稍作变换，得到一个关于L的一元二次方程（12），该方程有解（两个解中接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件（13）式。

以上关于光斑尺寸和点精度的计算是基于间距L等于透镜焦距，其结果仅作为选择透镜参数时的参考，精确的计算可依照上述光纤准直器的设计方法进行。

C-Lens可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比Grin-Lens改变参数相对容易，因此在长工作距离应用中具有优势，而在普通应用中，也因其成本优势受到欢迎。但是在Filter型WDM中，需要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens因其端面为平面而占绝对优势。

4.    双光纤准直器

双光纤准直器的设计方法与单光纤准直器类似，也是依据高斯光束传输理论，由需要的工作距离确定光纤头与透镜间距并计算光斑尺寸，差别在点精度的计算。双光纤准直器依光纤头不同分为两种：垂直排列型和水平排列型，如图7所示，其中子午面对应端面斜角方向。水平排列型亦称等光程型，因其两束光是等光程的，本文仅对水平排列型双光纤准直器进行分析，垂直排列型可作类似分析。

双光纤准直器的输出光偏角由水平偏角θ//和竖直偏角θ⊥两个分量组成，如图8所示，其中竖直偏角与单光纤准直器相同，是由光纤头端面的斜角引起，而水平偏角是因光纤位置离轴引起。双光纤准直器两束输出光交叉角可计算如下：

5.    双光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合

在光开关和环形器等器件中，为了减少准直器的数量和缩小器件体积，常用到双光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合，如图11和图12所示。

对图11中的屋脊棱镜在此不赘述，图12中的Wedge对，就是晶体光学中的渥拉斯顿棱镜[5]，两片楔形晶体的光轴互相垂直，光从一片晶体传输到另一片晶体时发生o光和e光的转换（相应折射率发生no和ne的转换），达到偏转光束方向的目的。光束经过Wedge对的偏转角φ如（26）式所示，其中θ为Wedge对的楔角，该耦合单元的设计原则是选择适当的Wedge对楔角，使偏转角2φ与双光纤准直器的交叉角2θcross匹配。

屋脊棱镜和Wedge对由冷光学加工得到，其角度的精度和一致性可满足要求，而双光纤准直器角度的一致性则相对差一些，制作一系列细微角度差异的屋脊棱镜和Wedge对，选择性的与双光纤准直器匹配，有助于解决问题。

6.    Displacer晶体

Displacer晶体的功能是将o光与e光分离所需的距离，如图13所示，o光和e光分离角度α称为发散角，表示如下[5]：

图13. Displacer晶体功能示意图

前面提到的Wedge对，即渥拉斯顿棱镜，两片楔形晶体的光轴相互垂直且平行于入射表面，Displacer型Wedge对稍有不同，如图14所示，其第二片晶体光轴方向与渥拉斯顿棱镜相同，而第一片晶体的光轴方向与Displacer晶体相同，两片晶体的光轴方向仍保持相互垂直。Displacer型Wedge对兼有Displacer晶体和Wedge对的功能，o光和e光在第一片晶体中分离，而在进入第二片晶体时亦发生了o光和e光的转换，因此光束方向发生偏转，偏转角如（30）式所示，与（26）式不同的是n2取代了ne，n2可根据光轴方向由晶体光学定律计算。Displacer型Wedge对的各种参数，需根据实际应用场合，进行严格的光线追迹来确定。