光纖器件

光纖傳輸系統中對光路起轉換、連接和控制功能的單元，又稱光無源器件。主要有光連接器、光耦合器、光開關、光衰減器、復用器和解復用器等。1970年多模光纖取得突破性進展，光纖開始應用於通信技術，隨之出現了光連接器。70年代末期，單模光纖出現並用於傳輸系統之後，相應地研製出單模光纖器件和平面型光纖器件，以適應長波長單模光纖傳輸系統的需要。光纖器件已有很多品種。光纖器件的基本理論和相關技術的研究受到人們重視，已經成為光電器件的一個獨特的門類（見光纖光纜）。

光纖器件有兩個基本參數，即插入損耗和隔離度。光纖傳輸系統要求插入損耗小、隔離度大。

插入損耗 光纖器件插入光纖傳輸系統所引起的光功率損耗。通常用器件輸出功率與輸入功率 Pi之比的對數值來表示，即對於多端輸出的器件，應是各輸出端功率之和。產生插入損耗的主要原因是器件中光的漏泄、輻射、散射和像差等。插入損耗通常採用截斷法、臨時接點法（或兩點法）來測量，測量在穩態模式分佈的條件下進行。

隔離度 某些光纖元件插入光纖傳輸系統后，引起光從一個光路漏泄到另一個光路，常稱串音。通常用漏泄到另一個光路的功率 P1與主光路輸入功率 Pi之比的對數值來表示：產生串音的主要原因是器件中光纖端面的菲涅爾反射、各光路之間的包層厚度不當以及對漏泄和輻射模的吸收性能不佳等。

光纖器件有光纖型、棒透鏡型和平面型等結構。光纖型器件是光纖經過研磨拋光、熱熔拉錐或鍍膜等工藝製成的。加工較為簡便，無需特殊材料，因而成本較低。棒透鏡型器件是用棒透鏡或配以必要的其他微光學元件製成。棒透鏡是橫斷面折射率呈拋物型分佈、對傳輸光束有自聚焦作用的圓柱形透鏡，又稱自聚焦透鏡（圖1）。這種透鏡的特點是焦距小、數值孔徑大、像差小、加工和連接方便、調準容易。由兩根長度為1/4節距的棒透鏡所構成的准直-聚焦平行光路適用於多種光纖器件。平面型器件以鈮酸鋰等作襯底材料，用集成電路工藝製成。其特點是體積小、抗外界干擾性能好，是集成光學器件的一種初級形式，又稱薄膜光波導無源器件。

光纖器件按功能分類，有光連接器、光耦合器、光開關、波分復用器和波分解復用器、光衰減器、光環行器、光隔離器和光調製器等。

光連接器 實現光纖與光纖或光纖與其他器件光學連接的器件。它的主要參數是插入損耗。光連接器品種甚多，按插孔的結構型式分，有O型、C型和V型等；按光纖種類和芯數分，有多模、單模光纖連接器，多芯、單芯光纜連接器等；按應用場合分，有通用式、現場裝配式、密封式和穿牆式等。通用的多模單芯光纜連接器的插入損耗一般為 0.5～1分貝（圖2）。單模光纖連接器的最低插入損耗可達 0.3分貝。

光定向耦合器 使光路之間按比例實現能量耦合，且分光路線與傳輸方向有關，可作成三埠或四埠器件。根據結構和工藝的不同，可分為拼接式、拉錐式、稜鏡式、平面式等（圖3）。光定向耦合器的主要參數是插入損耗、分光比和隔離度。主要用於單線雙向傳輸及數據網等。星形耦合器 使一個或幾個光路中的光能耦合到同一邊(或另一邊)一個或幾個光路中的近似星形器件。將能量耦合到同一邊光路的稱為反射式星形耦合器；將能量耦合到另一邊光路的稱非反射式星形耦合器。按其對稱性又可分為1× n型和 n× n型等。按結構與工藝的不同，星形耦合器可分為拉錐式、攪模棒式等（圖4）。星形耦合器的主要參數與光定向耦合器相同。它主要用於星形光纖網路。

T 形耦合器 使兩個端機接到一個主傳輸線路上去的器件。主要結構和參數與星形耦合器相同，主要用於母線網路。

光開關 使一個或幾個光路中的光能接通、切斷或轉換到另一個或幾個光路中去的器件。按轉換型式可分為1× n型和 n× n型（矩陣開關）；按轉換機理可分為機械式和折射率式（圖5）。光開關的主要參數是插入損耗、隔離度、重複性、轉換時間和壽命。它主要用於光路的切換。

波分復用器 使兩個或兩個以上不同波長的光載波共用一個光路的器件。按色散元件分有稜鏡式、光柵式和干涉模式等。其主要參數是插入損耗、隔離度等。它主要用於單線雙向傳輸和光纖網路傳輸。

波分解復用器 使共用一個光路的不同波長的多個光載波分到各自光路中去的器件。其主要參數、結構和用途均與波分復用器相同。

光衰減器 使光路的光能按一定比例衰減的器件。按衰減量的可調性可分為固定式、分級可調式和連續可調式（圖6）。其主要參數是衰減量及其精度。它主要用於調整中繼區間的損耗、評價光纖傳輸系統損耗和校正光功率計等。

光纖器件除應用於光纖通信外，還可應用於非通信領域，如感測技術、數據處理和計算技術等。特別是光纖感測器尤其受到人們注意，它的進展將會促進光纖器件的發展。此外為了適應單模光纖傳輸系統的需要，光纖器件將在平面型器件的基礎上向混合集成光路方向發展，對光纖傳輸系統會產生重要的影響。

玻恩和沃耳夫著，楊葭蓀等譯：《光學原理》，科學出版社，北京，1978。(M.Born and E.Wolf,Principles of Optics,Pergamon Press,Oxford,1975.) A.Yariv, Introduction to　Optical　Electronics,Holt Rinehart and Winston,New York,1976.