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2010-8-18  點擊次數: 2769

概念:  光無源器件是光纖通信設備的重要組成部分,也是其它光纖應用領域不可缺少的元器件。具有高回波損耗、低插入損耗、高可靠性、穩定性、機械耐磨性和抗腐蝕性、易于操作等特點,廣泛應用于長距離通信、區域網絡及光纖到戶、視頻傳輸、光纖感測等等。

 

 
光無源器件的品種

  ▲ FC、SC、ST、LC等多種類型適配器
  ▲ 有PC、UPC、APC三種形式
  ▲ FC、SC、ST、LC等各種型號和規格的尾纖(包括帶狀和束狀),芯數從單芯到12芯不等。

 
光無源器件的測試(圖)

  光無源器件測試是光無源器件生產工藝的重要組成部分,無論是測試設備的選型還是測試平臺的搭建其實都反映了器件廠商的測試理念,或者說是器件廠商對精密儀器以及精密測試的認識。不同測試設備、不同測試系統搭建方法都會對測試的精度、可靠性和可操作性產生影響。本文簡要介紹光無源器件的測試,并討論不同測試系統對精確性、可靠性和重復性的影響。
  在圖一所示的測試系統中,測試光首先通過偏振控制器,然后經過回波損耗儀,回波損耗儀的輸出端相當于測試的光輸出口。這里需要強調一點,由于偏振控制器有1~2dB插入損耗,回波損耗儀約有5dB插入損耗,所以此時輸出光與直接光源輸出光相比要小6~7dB?梢杂脙筛鶈味颂分別接在回損儀和功率計上,采用熔接方式做測試參考,同樣可采用熔接方法將被測器件接入光路以測試器件的插損、偏振相關損耗(PDL)和回波損耗(ORL)。
  該方法是很多器件生產廠商常用的,優點是非常方便,如果功率計端采用裸光纖適配器,則只需5次切纖、2次熔纖(回損采用比較法測試*)便可完成插損、回損及偏振相關損耗的測試。但是這種測試方法卻有嚴重的缺點:由于偏振控制器采用隨機掃描Poincare球面方法測試偏振相關損耗,無需做測試參考,所以系統測得的PDL實際上是偏振控制器輸出端到光功率計輸入端之間鏈路上的綜合PDL值。由于回損儀中的耦合器等無源器件以及回損儀APC的光口自身都有不小的PDL,僅APC光口PDL值就有約0.007dB,且PDL相加并不成立,所以PDL測試值系統誤差較大,測試的重復性和可靠性都不理想,所以這種方法不是值得推薦的方法。改進測試方法見圖2所示。
  在圖2測試系統中,由于測試光先通過回損儀再通過偏振控制器,所以光源輸出端與偏振控制器輸入端之間的光偏振狀態不會發生大的變化,也就是說系統可測得較準確的DUT PDL值。然而問題還沒有解決,PDL是可以了,但回波損耗測試卻受到影響。我們知道,測試DUT回波損耗需要先測出測試系統本身的回光功率,然后測出系統與DUT共同的回光功率,相減得出DUT回光功率。從數學上容易理解, 系統回光功率相對越小,DUT回損值的精確度、可靠性以及動態范圍就會越好,反之則越差。在第二種系統中,系統回光功率包含了偏振控制器回光功率,所以比較大,進而限制了DUT回損測試的可靠性和動態范圍。但一般而言,只要不是測試-60dB以外的回損值,這種配置的問題還不大,因此它在回損要求不高的場合是一種還算過得去的測試方法。除了上述兩種測試方案以外,還有一種基于Mueller矩陣法的測試系統(圖3)。
  這種測試系統采用基于摻鉺光纖環的可調諧激光器(EDF TLS)而并非普通外腔式激光器,這點很重要,后文還有論述,此外它還加上Mueller矩陣分析法專用的偏振控制器、回損儀和光功率計。由于采用Mueller矩陣法測試PDL時要求測試光有穩定的偏振狀態,所以可調諧光源與偏振控制器之間以及偏振控制器與回損儀之間要用硬跳線連接,這樣可以排除光纖擺動對測試的影響。用Mueller矩陣法測試PDL需要做參考,所以在一定程度上可以排除測試鏈路對PDL測試的影響,因此這個系統可以得到較高的PDL測試精度以及回損與插損精度,測試的可靠性和可操作性都很好。在該系統中每個測試單元不是獨立地工作,它們必須整合為一體,可調諧光源不停掃描,功率計不停采集數據,測試主機分析采集所得數據,最后得出IL、PDL和ORL隨波長變化的曲線。這種方法目前主要用在像DWDM器件等多通道器件測試上,是目前非常先進的測試方法。
  上述三種測試方法中,筆者認為除了最后一種方法是測試DWDM多通道器件實現快速測試的最佳方案以外,其它兩種方法都不足取,原因是它們都一味強調方便,而忽略了精密測試的精確、可靠性及重復性的要求。這也是為什么很多器件廠家測試同樣的產品,今天測和明天測結果會大相徑庭的原因。解決辦法參見圖4的耦合器測試裝配方式。
  利用圖4的配置可以一次得出器件的回損和方向性參數,以及器件PDL和平均IL。由于測試激光光源為偏振光源,這樣對于器件插損測試就有一個PDL值大小系統測試的不確定性,如果器件本身PDL較大會比較成問題,所以采用去偏振器進行平均損耗測試。
  這種測試方法的優點是測試穩定準確,基本排除了理論或系統誤差,甚至抑制了隨機誤差,如插損采用無源去偏振器測試,缺點是需要搭建三個工位。EXFO公司資深專家、國際電聯PMD組主席Andre Girard有一句口頭禪,叫做Nothing perfect!器件測試也是這樣,是想要測試方便,但測試可靠性、重復性下降,還是想要測試可靠性與精度較高,但測試相對麻煩呢?一切都在個人取舍之間。上面是從測試工位的搭建即測試工位的拓撲關系來討論器件最佳測試,其實測試工藝中測試設備的選型占有更重要的位置。
  下面分別論述測試光源、功率計、偏振控制器以及測試系統對測試精確性、可靠性和重復性的影響。
  1.光源選擇
  測試光源是測試系統的激勵源,由于用于測試而非用于傳輸,一般來說不需要功率太高,激光光源0dBm,寬譜源-10dBm/nm足以滿足測試要求。同樣因為是用于測試,光源的功率穩定度相當重要,除此之外還有一個相干長度的問題。其實任何激光光源都有相干長度的問題,一般FP或DFB激光光源的相干長度為1,000米或更長,人為使激光器的線寬變寬后也有10米左右,這就是說,只要測試系統的光路短于這個長度,就會有干涉,測試就會測不準或者可靠性降低。有一種基于摻鉺光纖環的可調諧激光器很好地解決了這一問題,該激光器相干長度只有15厘米,而器件測試長度一般1~3米,所以一定不會有相干的影響,從而使測試值的穩定度、重復性和可靠性都非常高,是一種非常適合于器件測試的光源。
  除了相干長度,激光光源信噪比是另一個關鍵參數,激光光源的信號與源自發輻射噪聲的比值(S/SSE)是限制測試動態范圍的關鍵因素。如果S/SSE只有60dB,那么當測試65dB的濾光片時由于濾光片不能濾去自發輻射噪聲,所以測試只能顯示60dB,導致測試失敗。一般而言,可調諧激光光源的S/SSE有75dB,所以在要求測試大動態范圍器件時應注意光源的S/SSE值。
  對于寬譜源或ASE光源而言,波譜穩定度是一個關鍵參數,波譜穩定度是比積分功率穩定度更嚴格、更有意義的參數,它表征寬譜源在一段時間內波譜峰峰值變化的最大值。由于寬譜源一般配合光譜儀或波長計之類波長選擇設備使用,所以積分功率穩定度對于測試沒有太大意義。
  2.功率計選擇
  功率計探測器的材料大致決定了功率計的整體性能,一般有Ge、Si、InGaAs等材料的探測器,除此之外還有一種低偏振反映度(PDR)探測器,這種探測器是在InGaAs探測器的基礎上添加一些材料使得其對PDL非常不敏感,所以很適合用于PDL的測試。
  除了材料之外,探測器面積是決定其用途的重要參數,探測器面積越大,其受光能力就越強,但靈敏度則會降低,反之亦然。所以一般用于校準的光功率計探測器面積都大于3mm2,用于探測很小的光功率如-100dBm光能量探測器面積一般為1mm2。一般來說如果光功率計采用裸光纖適配器,則要求光功率計探測器面積大于3mm2,否則光纖出射光很難充分耦合到探測器上,使測試重復性和可靠性大大降低。其實即使采用大面積探測器,裸光纖適配器中的光纖也極有可能觸及探測器,導致探測器老化,使測試精度降低,所以一般建議采用熔接的方法,這樣雖然增加了一次熔纖,但是確保了測試的長期穩定性和可靠性。
  除了以上傳統的探測器類型,還有一種寬口徑積分球探測器技術。這種探測器的探測器面積相當于7mm2,由于采用積分球技術,所以它沒有傳統大口徑探測器的表面不均勻性、光纖對準和光纖頭容易觸及探測器表面的問題,測試重復性也是傳統探測器所無法相比的。
  3.偏振控制器選擇
  對隨機掃描Poincare球偏振控制器(PC)而言,掃描周期、覆蓋Poincare球面積、偏振光經過PC情況以及由于PC導致的光功率波動值等都是一些關鍵參數。這些參數的意思很容易理解,這里只想著重論述由于PC導致的光功率波動對測試的影響。我們知道PDL的測試其實就是探測當傳輸光偏振態(SOP)發生變化時,通過被測器件的光功率變化的最大值,所以如果由于其它原因導致光功率發生變化,測試系統就會誤以為這也是PDL,導致PDL測試過大。所以對于PC而言,光功率波動值將直接影響測試的準確度。
  4.測試系統的選擇
  所謂測試系統主要是指兩個以上測試表或模塊聯合工作,形成組合之后新的操作界面,并完成自動測試的測試設備。傳統系統搭建是通過一臺計算機,用GPIB口控制幾臺光測試儀表進行,這里著重介紹通過模塊組裝系統的方法。其主要思路是,測試主機本身就是一臺標準電腦,測試主機帶有5個插槽,可以插入測試模塊,組成簡單的系統,對于大的測試系統還可添加擴展機,主機與擴展機之間通過數據線連接。這樣擴展機上的槽位與主機上的槽位沒有任何區別,插在擴展機上的模塊與插在主機上的模塊在數據傳輸速率上也沒有任何區別,所以這種組建測試系統的方法使得系統數據傳輸速度非?,操作也很方便。擴展機上還可級聯擴展機,以組成更大的系統,所以擴容性非常好,例如EXFO的IQS-12004B DWDM測試系統將可調諧光源、快速光功率計、Muller矩陣法偏振控制器和波長校準單元有機地結合起來,測試波長精度達5pm,只需點擊鼠標就可測得IL、ORL和PDL隨波長的變化曲線,并得出串擾矩陣,這也恰恰展示了利用主機+擴展機進行系統搭建的優勢。
  本文結論
  本文從測試工位的拓撲結構以及測試設備選擇兩個角度論述了測試工藝的可靠性、精度與重復性。其實光器件的生產工藝是很復雜的學問,不是簡單幾句話就可說清楚,不同的產品工藝均有所不同,值得深入研究,這樣才不至于出了問題還不清楚出了什么問題而手忙腳亂。
  *所謂比較法測試回損是指采用標準回損跳線(一般為回損值14.7dB并經過國際相關組織認證的標準跳線)對系統進行校準,被測器件的回光與之比較得出回損值。這種測試回損的方法較傳統法更為方便,測試值精度更高,且受光源、光功率計等的不穩定影響較小。

光無源器件的原理及應用

  光無源器件是光纖通信設備的重要組成部分。它是一種光學元器件,其工藝原理遵守光學的基本規律及光線理論和電磁波理論、各項技術指標、多種計算公式和各種測試方法,與纖維光學、集成光學息息相關;因此它與電無源器件有本質的區別。在光纖有線電視中,其起著連接、分配、隔離、濾波等作用。實際上光無源器件有很多種,限于篇幅,此處僅講述常用的幾種—光分路器、光衰減器、光隔離器、連接器、跳線、光開關。
  一、光纖活動連接器。
  光纖活動連接器是實現光纖之間活動連接的無源光器件,它還有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統和儀表進行連接的功能;顒舆B接器伴隨著光通信的發展而發展,現在已形成門類齊全、品種繁多的系統產品,是光纖應用領域中不可缺少的、應用最廣泛的基礎元件之一。
  盡管光纖(纜)活動連接器在結構上千差萬別,品種上多種多樣,但按其功能可以分成如下幾部分:連接器插頭、光纖跳線、轉換器、變換器等。這些部件可以單獨作為器件使用,也可以合在一起成為組件使用。實際上,一個活動連接器習慣上是指兩個連接器插頭加一個轉換器。
 。1) 連接器插頭。
  使光纖在轉換器或變換器中完成插拔功能的部件稱為插頭,連接器插頭由插針體和若干外部機械結構零件組成。兩個插頭在插入轉換器或變換器后可以實現光纖(纜)之間的對接;插頭的機械結構用于對光纖進行有效的保護。插針是一個帶有微孔的精密圓柱體,其主要尺寸如下:
  外徑 Ф2.499±0.0005mm
  外徑不圓度 <0.0005mm
  微孔直徑 Ф126±0.5μm
  微孔偏心量 <1μm
  微孔深度 4mm 或 10mm
  插針外圓柱體光潔度 ▽14
  端面曲率半徑 20-60mm
  插針的材料有不銹鋼、全陶瓷、玻璃和塑料幾種,F在市場上用得最多的是陶瓷,陶瓷材料具有極好的溫度穩定性,耐磨性和抗腐蝕能力,但價格也較貴。塑料插頭價格便宜,但不耐用。市場上也有較多插頭在采用塑料冒充陶瓷,工程人員在購買時請注意識別。
  插針和光纖相結合成為插針體。插針體的制作是將選配好的光纖插入微孔中,用膠固定后,再加工其端面,插頭端面的曲率半徑對反射損耗影響很大,通常曲率半徑越小,反射損耗越大。插頭按其端面的形狀可分為3類:PC型、SPC型、APC型。PC型插頭端面曲率半徑最大,近乎平面接觸,反射損耗最低;SPC型插頭端面的曲率半徑為20mm,反射損耗可達45dB,插入損耗可以做到小于0.2dB;反射損耗最高的是APC型,它除了采用球面接觸外,還把端面加工成斜面,以使反射光反射出光纖,避免反射回光發射機。斜面的傾角越大,反射損耗越大,但插入損耗也隨之增大,一般取傾角為8o—9o,此時插入損耗約0.2dB,反射損耗可達60DB,在CATV系統中所有的光纖插頭端面均為APC型。要想保證插針體的質量,光纖的幾何尺寸必須達到下列要求:光纖外徑比微孔直徑小0.0005mm;光纖纖芯的不同軸度小于0.0005mm。因此,插針和光纖以及兩者的選配對連接器插頭的質量影響極大,也是連接器插頭質量好壞的關鍵。不同廠家的產品工藝水平不一樣,因而差別就很大,在實際應用中,本人也曾多次碰到一個插頭插損1dB以上的情況,而正常值一般小于0.3dB。在工程應用中,不要小看一個小小的插頭,質量低劣的插頭對系統的影響是和很大的;在選購時一定要選用信譽高、知名廠家的產品。
 。2)跳線。
  將一根光纖的兩頭都裝上插頭,稱為跳線。連接器插頭是跳線的特殊情況,即只在光纖的一頭裝有插頭。在工程及儀表應用中,大量使用著各種型號、規格的跳線,跳線中光纖兩頭的插頭可以是同一型號,也可以是不同的型號。跳線可以是單芯的,也可以是多芯的。跳線的價格主要由接頭的質量決定。因而價格也相差較大。在選用跳線時,本著質優價廉去選是不錯,但一定不要買質次價低的產品。
 。3)轉換器。
  把光纖接頭連接在一起,從而使光纖接通的器件稱為轉換器,轉換器俗稱法蘭盤。在CATV系統中用得最多的是FC型連接器;SC型連接器因使用方便、價格低廉,可以密集安裝等優點,應用前景也不錯,除此地外,ST型連接器也有一定數量的應用。
  a.FC型連接器。 FC型連接器是一種用螺紋連接,外部元件采用金屬材料制作的圓形連接器。它是我國采用的主要品種,在有線電視光網絡系統中大量應用;其有較強的抗拉強度,能適應各種工程的要求。
  b.SC型連接器。SC型連接器外殼采用工程塑料制作,采用矩形結構,便于密集安裝;不用螺紋連接,可以直接插拔,操作空間小。實用于高密集安裝,使用方便。
  c.ST型連接器。 ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊結構,確保連接時準確對中。
  這三種連接器雖然外觀不一樣,但核心元件——套筒是一樣的。套筒是一個加工精密的套管(有開口和不開口兩種),兩個插針在套筒中對接并保證兩根光纖的對準。其原理是:以插針的外圓柱面為基準面,插針與套筒之間為緊配合;當光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、以及套筒的內孔加工的非常精密時,兩根插針在套筒中對接,就實現了兩根光纖的對準。
  下面詳細講一下套筒。套筒有兩種結構:開口套筒與不開口套筒。 a.開口套筒。開口套筒在連接器中使用最普遍,其主要尺寸為 :外徑:Ф3.2±0.01mm,內徑Ф2.5±0.02mm,內孔光潔度:▽14;彈性形變:小于0.0005mm,插針插入或拔出套筒的力:3.92-5.88N。開口套筒采用高彈性的材料,如磷青銅、鈹青銅和氧化鋯陶瓷制作,當插針插入套筒之后,套筒對插針的夾持力應保持恒定,這三種材料制作的套筒都在應用,但以鈹青銅和氧化鋯陶瓷居多。 b.不開口套筒。不開口套筒在連接器中應用較少,在光纖與有源器件的連接中應用較多,其外型尺寸與開口套筒基本上一致。不同之處在于它的內孔直徑為ф2.5+0.0005mm,即比插針的外徑大1μm;既讓插針能夠順利插入,同時間隙也不能太大,保證光纖與有源器件(如激光管、探測器)連接時,重復性、互換性達到要求的指標。
  上述三種型號的轉換器,只能對同型號的插頭進行連接,對不同型號插頭的連接,就需要下面三種轉換器。即:FC/SC型轉換器——用于FC與SC型插頭互連;FC/ST型轉換器——用于FC與ST型插頭互連,SC/ST型轉換器——用于SC與ST型插頭互連。市場上的法蘭盤價格高低之間相關數倍,其實講完這些,讀者也應該明白原因在何處。
 。4)變換器。
  將某一種型號的插頭變換成另一型號插頭的器件叫做變換器,該器件由兩部分組成,其中一半為某一型號的轉換器,另一半為其它型號的插頭。使用時將某一型號的插頭插入同型號的轉換器中,就變成其它型號的插頭了。在實際工程應用中,往往會遇到這種情況,即手頭上有某種型號的插頭,而儀表或系統中是另一型號的轉換器,彼此配不上,不能工作。如果備有這種型號的變換器,問題就迎刃而解了。對于FC、SC、ST三種連接器,要做到能完全互換,有下述6種變換器。SC—FC,將SC插頭變換成FC插頭;ST—FC將ST插頭變換成FC插頭;FC—SC將FC插頭變換成SC插頭;FC—ST將FC插頭變換成ST插頭,SC—ST將SC插頭變換成ST插頭;ST—SC將ST插頭變換成SC插頭。
  實際上光纖的活動連接除了采用上述的活動連接器外,如果是緊急搶修斷光纜,而手頭又沒有熔接機,通常采用一種機械連接頭(也稱快速接線子)處理。其利用一個玻璃微細管來定位,用一套機械裝置來緊固光纖,使用時先切開光纖,對端面進行清潔處理,光纖端頭保留6—8mm,然后將光纖的兩個端面在玻璃微細管的中央對準后夾緊,擰緊兩端的螺帽即可實現光纖的可靠連接。這種機械連接頭的長度約40mm,直徑不超過5.7mm,平均插入損耗小于0.4dB,反射損耗大于50dB,抗拉強度大于1.25kg,更重要的是裝配時間極短,確實是一種快速搶修必備工具。
  2.光纖活動連接器的表征指標
 。1) 插入損耗。
  插入損耗定義為光纖中的光信號通過活動連接器之后,其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝比。其表達式為IL=-10loy PI/PO(dB),其中PO—輸入端的光功率,PI—輸出端的光功率。插入損耗越小越好。從理論上講影響插入損耗的主要因素有以下幾種:纖芯錯位損耗、光纖傾斜損耗、光纖端面間隙損耗、光纖端面的菲涅耳反射損耗、纖芯直徑不同損耗、數值孔徑不同損耗。不管那種損耗都和生產工藝有關,因此生產工藝技術是關鍵。
 。2) 回波損耗。
  回波損耗又稱反射損耗,是指在光纖連接處,后向反射光相對于輸入光的比率的分貝數,其表達式為RL=-10loy Pr/PO dB,其中PO—輸入光功率,Pr—后向反射光功率。 反射損耗愈大愈好,以減少反射光對光源和系統的影響。改進回波損耗的途徑只有一個,即將插頭端面加工成球面或斜球面。球面接觸,使纖芯之間的間隙接近于“0”,達到“物理接觸”,使端面間隙和多次反射所引起的插入損耗得以消除,從面使后向反射光大為減少。斜球面接觸除了實現光纖端面的物理接觸以外,還可以將微弱的后向光加以旁路,使其難以進入原來的纖芯,斜球面接觸可以使回波損耗達到60dB以上,甚至達到70dB。關于插頭的類型定義前面已述,此處不多講。在CATV系統中都選用APC型端面的接頭,這種接頭的反射損耗完全可以達到系統要求,當然加工工藝不好的APC接頭反射損耗比PC型接頭的還要低也是可能的。
 。3) 重復性。
  重復性是指對同一對插頭,在同一只轉換器中,多次插拔之后,其插入損耗的變化范圍,單位用DB表示。插拔次數一般取5次,先求出5個數據的平均值,再計算相對于平均值的變化范圍。性能穩定的連接器的重復性應小于±0.1dB。重復性和使用壽命是有區別的,前者是在有限的插拔次數內,插入損耗的變化范圍;后者是指在插拔一定次數后,器件就不能保證完好無損了。
 。4) 互換性。
  互換性是指不同插頭之間或者同轉換器任意置換之后,其插入損耗的范圍。這個指標更能說明連接器性能的一致性。質量較好的連接器,其互換性應能控制在±0.15dB以內。
  重復性和互換性考核連接器結構設計和加工工藝的合理與否,也是表明連接器實用化的重要標志。質量好的跳線和轉換器,其重復性和互換性是合格的,即使是不同廠家的產品在一起使用;質量低劣的產品即使是同一廠家的產品也很差。更不用說不同廠家產品混合使用的情況。
  3、活動連接器的使用
  
活動連接器一般用于下述位置:①光端機到光配接箱之間采用光纖跳線;②在光配線箱內采用法蘭盤將光端機來的跳線與引出光纜相連的尾纖連通;③各種光測試儀一般將光跳線一端頭固定在測試口上另一端與測試點連接;④光端機內部采用尾纖與法蘭盤相連以引出引入光信號;⑤光發射機內部,激光器輸出尾纖通過法蘭盤與系統主干尾纖相連;⑥光分路器的輸入、輸出尾纖與法蘭盤的活動連接。
  二、光分路器
  與同軸電纜傳輸系統一樣,光網絡系統也需要將光信號進行耦合、分支、分配,這就需要光分路器來實現,光分路器是光纖鏈路中最重要的無源器件之一,是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件,常用M×N來表示一個分路器有M個輸入端和N個輸出端。在光纖CATV系統中使用的光分路器一般都是1×2、1×3以及由它們組成的1×N光分路器。
  1.光分路器的分光原理
  光分路器按原理可以分為光纖型和平面波導型兩種,光纖熔融拉錐型產品是將兩根或多根光纖進行側面熔接而成;光波導型是微光學元件型產品,采用光刻技術,在介質或半導體基板上形成光波導,實現分支分配功能。這兩種型式的分光原理類似,它們通過改變光纖間的消逝場相互耦合(耦合度,耦合長度)以及改變光纖纖半徑來實現不同大小分支量,反之也可以將多路光信號合為一路信號叫做合成器。熔錐型光纖耦合器因制作方法簡單、價格便宜、容易與外部光纖連接成為一整體,而且可以耐孚機械振動和溫度變化等優點,目前成為市場的主流制造技術。
  熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方法靠擾,在高溫加熱下熔融,同時向兩側拉伸,最終在加熱區形成雙錐體形式的特殊波導結構,通過控制光纖扭轉的角度和拉伸的長度,可得到不同的分光比例。最后把拉錐區用固化膠固化在石英基片上插入不銹銅管內,這就是光分路器。這種生產工藝因固化膠的熱膨脹系數與石英基片、不銹鋼管的不一致,在環境溫度變化時熱脹冷縮的程度就不一致,此種情況容易導致光分路器損壞,尤其把光分路放在野外的情況更甚,這也是光分路容易損壞得最主要原因。對于更多路數的分路器生產可以用多個二分路器組成。
  2.光分路器的常用技術指標
 。1) 插入損耗。
  光分路器的插入損耗是指每一路輸出我相對于輸入光損失的dB數,其數學表達式為:Ai=-10lg Pouti/Pin ,其中Ai是指第i個輸出口的插入損耗;Pouti是第i個輸出端口的光功率;Pin是輸入端的光功率值。
 。2) 附加損耗。
  附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于輸入光功率損失的DB數。值得一提的是,對于光纖耦合器,附加損耗是體現器件制造工藝質量的指標,反映的是器件制作過程的固有損耗,這個損耗越小越好,是制作質量優劣的考核指標。而插入損耗則僅表示各個輸出端口的輸出功率狀況,不僅有固有損耗的因素,更考慮了分光比的影響。因此不同的光纖耦合器之間,插入損耗的差異并不能反映器件制作質量的優劣。對于1*N單模標準型光分路器附加損耗如下表所示:
  分路數 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 16
  附加損耗DB 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2
  (3) 分光比。
  分光比定義為光分路器各輸出端口的輸出功率比值,在系統應用中,分光比的確定是根據實際系統光節點所需的光功率的多少,確定合適的分光比(平均分配的除外),光分路器的分光比與傳輸光的波長有關,例如一個光分路在傳輸1.31 微米的光時兩個輸出端的分光比為50:50;在傳輸1.5μm的光時,則變為70:30(之所以出現這種情況,是因為光分路器都有一定的帶寬,即分光比基本不變時所傳輸光信號的頻帶寬度)。所以在訂做光分路器時一定要注明波長。
  (4) 隔離度。
  隔離度是指光分路器的某一光路對其他光路中的光信號的隔離能力。在以上各指標中,隔離度對于光分路器的意義更為重大,在實際系統應用中往往需要隔離度達到40dB以上的器件,否則將影響整個系統的性能。
  另外光分路器的穩定性也是一個重要的指標,所謂穩定性是指在外界溫度變化,其它器件的工作狀態變化時,光分路器的分光比和其它性能指標都應基本保持不變,實際上光分路器的穩定性完全取決于生產廠家的工藝水平,不同廠家的產品,質量懸殊相當大。在實際應用中,本人也確實碰到很多質量低劣的光分路器,不僅性能指標劣化快,而且損壞率相當高,作于光纖干線的重要器件,在選購時一定加以注意,不能光看價格,工藝水平低的光分路價格肯定低。
  三、光衰減器
  光衰減器是一種非常重要的纖維光學無源器件,是光纖CATV中的一個不可缺少的器件。到目前為止市場上已經形成了固定式、步進可調式、連續可調式及智能型光衰減器四種系列。
  1、 衰減器的衰減原理。光衰減器的類型很多,不同類型的衰減器分別采用不同的工作原理。
 、 位移型光衰減器。
  眾所周知,當兩段光纖進行連接時,必須達到相當高的對中精度,才能使光信號以較小的損耗傳輸過去。反過來,如果將光纖的對中精度做適當的調整,就可以控制其衰減量。位移型光衰減器就是根據這個原理,有意讓光纖在對接時,發生一定的錯位。使光能量損失一些,從而達到控制衰減量的目的,位移型光衰減器又分為兩種:橫向位移型光衰減器、軸向位移型光衰減器。橫向位移型光衰減器是一種比較傳統的方法,由于橫向位移參數的數量級均在微米級,所以一般不用來制作可變衰減器,僅用于固定衰減器的制作中,并采用熔接或粘接法,到目前仍有較大的市場,其優點在于回波損耗高,一般都大于60dB。軸向位移型光衰減器在工藝設計上只要用機械的方法將兩根光纖拉開一定距離進行對中,就可實現衰減的目的。這種原理主要用于固定光衰減器和一些小型可變光衰減器的制作。
 、 薄膜型光衰減器。
  這種衰減器利用光在金屬薄膜表面的反射光強與薄膜厚度有關的原理制成。如果玻璃襯底上蒸鍍的金屬薄膜的厚度固定,就制成固定光衰減器。如果在光纖中斜向插入蒸鍍有不同厚度的一系列圓盤型金屬薄臘的玻璃襯底,使光路中插入不同厚度的金屬薄膜,就能改變反射光的強度,即可得到不同的衰減量,制成可變衰減器。
 、 衰減片型光衰減器。
  衰減片型光衰減器直接將具有吸收特性的衰減片固定在光纖的端面上或光路中,達到衰減光信號的目的,這種方法不僅可以用來制作固定光衰減器,也可用來制作可變光衰減器。
  2.光衰減器的性能指標。
 、 衰減量和插入損耗。
  衰減量和插入損耗是光衰減器的重要指標,固定光衰減器的衰減量指標實際上就是其插入損耗,而可變衰減器除了衰減量外,還有單獨的插入損耗指標,高質量的可變衰減器的插入損耗在1.0dB以下,一般情況下普通可變衰減器的該項指標小于2.5dB即可使用。在實際選用可調衰減器時,插入損耗越小越好。但這勢必會牽扯到價格。
 、 光衰減器的衰減精度。
  衰減精度是光衰減器的重要指標。通常機械式可調光衰減器的衰減精度為其衰減量的±0.1倍。其大小取決于機械元件的精密加工程度。固定式光衰減器的衰減精度很高。通常衰減精度越高,價格就越高。
 、 回波損耗。
  在光器件參數中影響系統性能的一個重要指標是回波損耗;胤倒鈱饩W絡系統的影響是眾所周知的。光衰減器的回波損耗是指入射到光衰減器中的光能量和衰減器中沿入射光路反射出的光能量之比。高性能光衰減器的回波損耗在45dB以上。事實上由于工藝等方面的原因,衰減器實際回波損耗離理論值還有一定差距,為了不致于降低整個線路回波損耗,必須在相應線路中使用高回損衰減器,同時還要求光衰減器具有更寬的溫度使用范圍和頻譜范圍。
  3.光衰減器的應用范圍。
  
固定式光衰減器主要用于對光路中的光能量進行固定量的衰減,其溫度特性極佳。在系統的調試中,常用于模擬光信號經過一段光纖后的相應衰減或用在中繼站中減小富余的光功率,防止光接收機飽和;也可用于對光測試儀器的校準定標。對于不同的線路接口,可使用不同的固定衰減器;如果接口是尾纖型的,可用尾纖型的光衰減器焊接于光路的兩段光纖之間;如果是在系統調試過程中有連接器接口,則用轉換器式或變換器式固定衰減器比較方便。在實際應用中常常需要衰減量可隨用戶需要而改變的光衰減器。所以可變衰減器的應用范圍更廣泛。例如由于EDFA、CATV光系統的設計富余度和實際系統中光功率的富余度不完全一樣,在對系統進行BER評估,防止接收機飽和時,就必須在系統中插入可變光衰減器,另外,在纖維光學(如光功率計或OTDR)的計量、定標也將使用可變衰減器。從市場需求的角度看,一方面光衰減器正向著小型化,系列化、低價格方向發展。另一方面由于普通型光衰減器已相當成熟,光衰減器正向著高性能方向發展,如智能化光衰減器,高回損光衰減器等。
  四.光隔離器
  光隔離器是一種非互易光學元件,它只容許光束沿一個方向通過,對反射光有很強的阻擋作用。在CATV光傳輸系統中,由于光纖活動連接器,光纖熔接頭,光學元件的存在和光纖本身的瑞利散射的作用,總是存在反射光波,對系統性能產生有害的影響,因此就必須采用光隔離器消除反射波的影響,在光反射機,光放大器中都裝有光隔離器,
  隔離器由起偏器,旋光器和檢偏器三部分組成。起偏器是一種光學器件,當光束入射到它上面時,其輸出光束變成了某一方向的線性偏振光,該方向就是起偏器的偏振軸。當入射光的偏振方向與起偏器的偏振軸垂直時光不能通過,因此起偏器又可作檢偏器用。旋光器由旋光性材料和套在外面的永久磁鐵組成,借助磁光效應,使通過它的光的偏振方向發生一定程度的旋轉。
  光隔離器的工作原理為:起偏器與檢偏器的偏振軸相差45o,當入射光經過起偏器時,被變成線偏振光,然后經旋光器,其偏振面被旋轉45o,剛好與檢偏器的偏振方向一致,于是光信號順利通過光隔離器而進入光路中。如果有反射光出現時,反射光通過檢偏器和旋光器后,其偏振方向與起偏器的偏振方向正交而不能通過起偏器,從而達到了隔離反射光的目的,每級光隔離器對反射光的損耗高達35dB以上。
  在CATV系統中對光隔離器性能的要求是:正向損耗低、反向隔離度高、回波損耗高、器件體積小、環境性能好。由于光隔離器比較貴重,所以一般應用在光源中,在光纖線路中不用,只所以不用并不是不需要,而是從成本考慮。如果光隔離器價格便宜,插入損耗又小,可以在線路中應用,以提高系統性能。
  五、光開關
  光開關是一種光路控制器件,起著切換光路的作用,在光纖傳輸網絡和各種光交換系統中,可由微機控制實現分光交換,實現各終端之間、終端與中心之間信息的分配與交換智能化;在普通的光傳輸系統中,可用于主備用光路的切換,也可用于光纖、光器件的測試及光纖傳感網絡中,使光纖傳輸系統,測量儀表或傳感系統工作穩定可靠,使用方便。
  在CATV光網絡中,為保證有線電視系統的不間斷工作,應配備備份光發射機,當正在工作的光發射機出故障時,利用光開關就可以在極短的時間內(小于1ms)將備份光發射機接入系統,保證其正常工作。
  根據其工作原理,光開關可分為機械式和非機械式兩大類。機械式光開關靠光纖或光學元件移動使光路發生改變,目前市場上的光開關一般為機械式,其優點是插入損耗低,一般小于1.5dB;隔離度高,一般大于45dB,不受偏振和波長的影響。非機械式光開關則依靠電光效應、磁光效應、聲光效應以及熱光效應來改變波導折射率,使光路發生改變,這也是一項新技術,這類開關的優點是:開關時間短,體積小,便于光集成或光電集成;不足之處是插入損耗大,隔離度低。
  六、波分復用器
  在一根光纖內同時傳送幾個不同波長的光信號通信方式收做波分復用,采用波分復用技術,只要在發送端和接收端增加少量的合波、分波設備,就可以大幅度增加光纖的傳輸容量,提高經濟效益。對于已經鋪設的光纜,采用波分復用技術,也可實現多路傳輸,起到降低成本和擴充容量的作用。波分復用器在光路中起到合波和分波的作用,它把不同波長的光信號匯集(合波)到一根光纖中傳輸,到了接收端,又把由光纖傳輸來的復用光信號重新分離(分波)出來。根據分光原理的不同,波分復用器又可分為枝鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種,目前市場上的產品大多數是衍射光柵型。波分復用器的主要指標有插入損耗、串音損耗、波長間隔和復用路數等。插入損耗是指因使用波分復用器而帶來的光功率損耗,一般在1—5dB左右。串音損耗表示波分復用器對各波長的分隔程度。串音衰耗越大越好,應大于20dB。
  七、光接頭盒、光配線箱、光終端盒
  由于每盤光纜長度大多在2。5KM以下,因此在長距離光纜連接時需要連接光纜,為保證連接強度和在各種環境情況下使用,都要安裝接頭盒。光接頭盒能夠起密封和防水作用,它可以橫式安裝,也可以豎式安裝。為了保證連接強度,先在一段連接光纜之間用鋼絲加固,然后將每根熔接好的光纖用插板分層排列。一根光纜輸出,選擇1*1接頭盒,如果是一根光纜輸入,N根光纜輸出,選擇1*N接頭盒。當光纜芯數超過16對,訂購時需要說明是多少芯光纜,以便內部增加光纖熱收縮套管和光纖托板。
  當16芯以上光纜進入室內并分配給不同設備時需要安裝光配線箱,光配線箱上有活動接頭、法蘭盤、光分路器,既可固定光纜、又可進行光設備的配接。
  當16芯以下光纜進入室內并且分配給不同設備時,可安裝光終端盒,光終端盒一端和室外光纜連接,另一端分出若干根尾纖連接到光設備。
  在有線電視光網絡系統中用到大量的光無源器件,光系統的質量與穩定性與光無源器件息息相關,即使有源器件采用世界著名品牌,如果無源器件不仔細加以選擇,也會導致系統質量低劣。
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