科普：如何识别各种无源光纤器件？

在光纤通信系统中，常用到许多光纤通信器件。根据是否需要进行光电能量转换分类，光纤通信器件分为有源光器件和无源光器件。无源光器件工作时不需要外加电源，分为连接用器件和功能性器件。光纤连接器属于连接用无源器件，在前面的任务中已经介绍过了。光衰减器、光耦合器、波分复用器、波长转换器、光开关、光滤波器等属于功能性无源器件。

1.光衰减器

光衰减器是用来稳定地、准确地减少光信号功率的无源光器件，主要用于调节光缆线路的损耗、测量光端机的灵敏度、校准光功率计等场合。当光纤传输线路上的光信号过强时，会对光接收机造成损坏，这时需要使用光衰减器对光功率进行一定程度的损耗。

根据光衰减器的工作原理，可将光衰减器分为位移型光衰减器、直接镀膜型光衰减器、损耗片型光衰减器和液晶型光衰减器。根据损耗器的损耗量是否可调，可将光衰减器分为固定光衰减器和可调光衰减器两种。

（1）固定光衰减器

固定光衰减器造成的光功率损耗值是固定不变的，具体规格有3dB、5dB、10dB、15dB、20dB、30dB、40dB等标准的损耗量，如图所示。

（2）可调光衰减器

可调光衰减器造成的光功率损耗值在一定范围内可调节，如图所示。可调光衰减器又可分为分级可调式和连续可调式两种。

对光衰减器性能的要求是：插入损耗低，回波损耗高，分辨率线性度和重复性好，损耗量可调范围大，损耗精度高，器件体积小，重量轻，环境稳定性能好。其中，分辨率线性度取决于损耗元件的特性和所采用的读数显示方式及机械调整结构；重复性也取决于所采用的读数显示方式及机械调整机构。

2.光耦合器

光耦合器是对光信号进行分路、合路或分配的无源光器件，它依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作。光耦合器可以把一路光信号分配成多路，即分路器，也称分光器。反过来，它也可以把多路光信号合成一路光信号，即合路器，也称合光器，如图所示。

光耦合器对光信号进行分路或合路后光信号功率有所变化。1∶2N（N为正整数）的分光器平均分配出来的光信号功率相比于输入光功率而言，下降3×NdB。

从端口形式上划分，光耦合器包括X形（2×2）耦合器、Y形（1×2）耦合器、树形耦合器以及星形（N×N，N》2）耦合器等，如图所示。

耦合器的主要特性指标为插入损耗和隔离度。插入损耗为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值，该值越小越好。隔离度指光耦合器的某一光路输出端口所测到的其他光路信号（不想要）的光功率与注入光功率的比值，该值越小隔离度越好，说明各输出口之间的“串话”越小。

3.波分复用器

波分复用（简称WDM）技术是将一系列载有信息但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送。

波分复用系统最核心的器件是波分复用器，即合波器（也称光复用器）和分波器（也称光解复用器），如图所示。

合波器和分波器分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。合波器在波分复用系统的发送端，将多个不同波长的光信号组合在一起，并注入一根光纤中传输。合波器在波分复用系统的接收端，将一根光纤上组合在一起的光信号分离，送入不同的接收终端。合波器和分波器在原理上是相同的，只要改变输入、输出的方向。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型、介质膜型、光栅型和平面型四种。

波分复用器的主要特性指标除了插入损耗和隔离度以外，还有中心波长、中心波长工作范围等。

4.光波长转换器

光波长转换器的功能是使光信号从一个波长转换到另一个波长的器件。根据波长的转换机理，光波长转换器分为光电型光波长转换器和全光型光波长转换器。光波长转换器在光交叉互连、光网络管理等领域得到了广泛的应用。

（1）光电型光波长转换器

光电型光波长转换器是将波长为λ1的光信号转换成电信号，经过整形后，调制所需波长λ2的半导体激光器（简称LD），输出波长为λ2的光信号，从而实现波长转换，如图所示。光电型光波长转换器技术比较成熟，容易实现，工作稳定。其缺点是装置结构复杂，成本随速率和元件数增加，功耗大，使得它在多波长通道系统中的应用受到限制。

（2）全光型光波长转换器

全光型光波长转换器不需要将光信号转换成电信号处理，而是直接将光信号从一个波长转换到另一个波长，在光域直接实现波长转换。它将波长为λ1的光信号与需要转换成波长为λ2的连续探测光信号同时耦合进半导体放大器（简称SOA）。当输入光信号为高电平时，使SOA增益发生饱和，从而使连续的探测光受到调制，结果使得输入光信号所携带的信息转换到λ2上，通过滤波器取出λ2光信号，即可实现λ1到λ2的全光波长转换，如图所示。全光型光波长转换器克服了光电型光波长转换器速率的瓶颈，工作速率高。其缺点是长波长和短波长变换时不对称，消光比较低。

5.光隔离器和光环行器

光隔离器的作用是保证光波只能正向传输，避免光缆线路中由于各种因素而产生的反射光返回进入激光器，而影响激光器的工作稳定性，如图1-29所示。光信号从光隔离器的输入端进入时，可以畅通无阻地通过，从隔离器的输出端输出，损耗很小；而光信号从相反方向进入隔离器，损耗非常大，光信号被损耗，在光纤输入端没有光信号输出。光隔离器可分为偏振相关和偏振无关两种，主要用在激光器的后面和光放大器两端。

光环行器有多个端口，其工作原理与隔离器类似，主要用于光分插复用器中。典型的环行器一般有三个或四个端口，如图所示。

（六）光开关

光开关是控制光纤传输通路中光信号通、断，或进行光路切换的无源器件。光开关外形如图1-31所示，在系统保护、系统监测及光交换技术中广泛应用。光开关有微电机械关开关（MEMS）、电光开关、热光开关和SOA光开关等类型。

（七）光纤光栅

光纤光栅是在光纤的纤芯部分因折射率周期性发生变化而形成的。光纤光栅利用向光纤纤芯照射紫外线时折射率上升的现象制作而成。向光纤光栅内射入光时，只有符合折射率周期变化的波长光会受到影响（反射或向光纤外发射），如图所示。根据这一特性，可以使光纤本身具有滤波功能。

光纤光栅具有高波长选择性能、易与光纤耦合、插入损耗低、结构简单、体积小等优点，日益受到人们的关注，其应用范围不断扩展到诸如光纤激光器、WDM合/分波器、超高速系统中的色散补偿器、EDFA增益均衡器等光纤通信及温度、应变传感等领域中。