光無源器件
具有機械耐磨性等性能的元器件
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、易於操作等特點，廣泛應用於長距離通信、區域網路及光纖到戶、視頻傳輸、光纖感測等等。
▲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台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，並討論不同測試系統對精確性、可靠性和重複性的影響。
測試系統中，測試光首先通過偏振控制器，然後經過回波損耗儀，回波損耗儀的輸出端相當於測試的光輸出口。這裡需要強調一點，由於偏振控制器有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。可以用兩根單端跳線分別接在回損儀和功率計上，採用熔接方式做測試參考，同樣可採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，如果功率計端採用裸光纖適配器，則只需5次切纖、2次熔纖(回損採用比較法測試*)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：由於偏振控制器採用隨機掃描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。由於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相加並不成立，所以PDL測試值系統誤差較大，測試的重複性和可靠性都不理想，所以這種方法不是值得推薦的方法。
2測試系統中，由於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DUTPDL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，然後測出系統與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、可靠性以及動態範圍就會越好，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範圍。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，還有一種基於Mueller矩陣法的測試系統
這種測試系統採用基於摻鉺光纖環的可調諧激光器(EDFTLS)而並非普通外腔式激光器，這點很重要，後文還有論述，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。由於採用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，功率計不停採集數據，測試主機分析採集所得數據，最後得出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，筆者認為除了最後一種方法是測試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、可靠性及重複性的要求。這也是為什麼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。
得出器件的回損和方向性參數，以及器件PDL和平均IL。由於測試激光光源為偏振光源，這樣對於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，所以採用去偏振器進行平均損耗測試。
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，如插損採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AndreGirard有一句口頭禪，叫做Nothingperfect！器件測試也是這樣，是想要測試方便，但測試可靠性、重複性下降，還是想要測試可靠性與精度較高，但測試相對麻煩呢？一切都在個人取捨之間。上面是從測試工位的搭建即測試工位的拓撲關係來討論器件最佳測試，其實測試工藝中測試設備的選型佔有更重要的位置
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、可靠性和重複性的影響。
測試光源是測試系統的激勵源，由於用於測試而非用於傳輸，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。同樣因為是用於測試，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於這個長度，就會有干涉，測試就會測不準或者可靠性降低。有一種基於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、重複性和可靠性都非常高，是一種非常適合於器件測試的光源
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雜訊的比值(S/SSE)是限制測試動態範圍的關鍵因素。如果S/SSE只有60dB，那麼當測試65dB的濾光片時由於濾光片不能濾去自發輻射雜訊，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範圍器件時應注意光源的S/SSE值。
對於寬譜源或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，它表徵寬譜源在一段時間內波譜峰峰值變化的最大值。由於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於測試沒有太大意義。
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，所以很適合用於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。所以一般用於校準的光功率計探測器面積都大於3mm2，用於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採用裸光纖適配器，則要求光功率計探測器面積大於3mm2，否則光纖出射光很難充分耦合到探測器上，使測試重複性和可靠性大大降低。其實即使採用大面積探測器，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，所以一般建議採用熔接的方法，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於7mm2，由於採用積分球技術，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，測試重複性也是傳統探測器所無法相比的。
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情況以及由於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，這裡只想著重論述由於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，所以如果由於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。所以對於PC而言，光功率波動值將直接影響測試的準確度。
所謂測試系統主要是指兩個以上測試表或模塊聯合工作，形成組合之後新的操作界面，並完成自動測試的測試設備。傳統系統搭建是通過一台計算機，用GPIB口控制幾台光測試儀錶進行，這裡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台標準電腦，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，對於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常快，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-12004BDWDM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，只需點擊滑鼠就可測得IL、ORL和PDL隨波長的變化曲線，並得出串擾矩陣，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、精度與重複性。其實光器件的生產工藝是很複雜的學問，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，這樣才不至於出了問題還不清楚出了什麼問題而手忙腳亂。
*所謂比較法測試回損是指採用標準回損跳線(一般為回損值14.7dB並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，限於篇幅，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。
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、光纖與系統和儀錶進行連接的功能。活動連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。
儘管光纖（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。
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；插頭的機械結構用於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
插針的材料有不鏽鋼、全陶瓷、玻璃和塑料幾種。現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採用塑料冒充陶瓷，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。插針體的製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於0.2dB；反射損耗最高的是APC型，它除了採用球面接觸外，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於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，而正常值一般小於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。
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。在工程及儀錶應用中，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。
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
b．SC型連接器。SC型連接器外殼採用工程塑料製作，採用矩形結構，便於密集安裝；不用螺紋連接，可以直接插拔，操作空間小。實用於高密集安裝，使用方便。
c．ST型連接器。ST型連接器採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並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。
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，而儀錶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。對於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採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，通常採用一種機械連接頭（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，然後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，平均插入損耗小於0.4dB，反射損耗大於50dB，抗拉強度大於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。
（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後，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=-10log(Po/Pi) ,其中PO—輸出端的光功率，PI—輸入端的光功率。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，後向反射光相對於輸入光的比率的分貝數，其表達式為RL=-10loyPr/POdB，其中PO—輸入光功率，Pr—後向反射光功率。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於“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，從面使後向反射光大為減少。斜球面接觸除了實現光纖端面的物理接觸以外，還可以將微弱的後向光加以旁路，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。關於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）重複性。
重複性是指對同一對插頭，在同一隻轉換器中，多次插拔之後，其插入損耗的變化範圍，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，再計算相對於平均值的變化範圍。性能穩定的連接器的重複性應小於±0.1dB。重複性和使用壽命是有區別的，前者是在有限的插拔次數內，插入損耗的變化範圍；後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後，其插入損耗的範圍。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。
重複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誌。質量好的跳線和轉換器，其重複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
活動連接器一般用於下述位置：①光端機到光配接箱之間採用光纖跳線；②在光配線箱內採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光端機內部採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幹尾纖相連；⑥光分路器的輸入、輸出尾纖與法蘭盤的活動連接。