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第八章 光通信无源器件简述
1. 用具有光学Kerr效应的晶体作为马赫－曾德尔干涉仪的一臂，让透射强度Io反馈到晶
体。
⑴求证系统的强度透射率为IIi?F(Io)?1?1cos(?Io??)，式中，Io22和?为常量；
⑵假定??0，画出Io与Ii的关系曲线，并推导最大微分增益dIodIi的表达式。 2. 光纤连接器的主要指标有哪几个？每个是如何定义的？
连接器指标有插入损耗（简称插损）、回波损耗（简称回损）、谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等，其中最重要的为插损和回损，对于活动性光纤连接器还有重复性和互换性。
⑴插损 插损为光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的贝数 IL??10lg1PP0d(B )
式中，IL为插损，P0为输入光功率，P1为输出端光功率。
⑵回损 回损又称为后向反射损耗，用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输入光功率的份额。表示为
RL??10lgrPP0d(B )
式中，RL为回损，P0为输入光功率，Pr为后向反射光功率。
⑶重复性和互换性 重复性是指光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用dB表示。互换性是表征连接器插头与转换器两部分任意互换或有条件互换的性能指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。 3. 影响光纤连接器插入损耗的因素主要有哪几个？说明每一个的含义。
⑴纤芯错位损耗 由于纤芯横向错位引起的损耗，它是连接损耗的重要原因。
⑵光纤倾斜损耗 由于两光纤轴线的角度倾斜?而引起的在连接处的光功率损耗。 ⑶端面间隙损耗 由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗。
⑷菲涅耳反射损耗 由于光纤两个端面间隙中存在不同的介质，当光进入其中时就会产生多次反射，从而产生损耗。
⑸芯径失配损耗 当光从纤芯半径为a1的光纤射向纤芯半径为a2（a2?a1）的光纤时导致的损耗。
⑹数值孔径失配损耗 当光从数值孔径为NA.1的光纤射向数值孔径为NA.2（NA.2?NA.1）的光纤时导致的损耗称为数值孔径失配损耗。 4. 改进光纤连接器回波损耗的主要方法有哪些？
通常将光纤端面加工成球面或斜球面，或将端面镀膜等。
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....5. 画示意图说明光纤活动连接器主要有哪些类型？各有哪些特点？
有代表性且正在使用的光纤活动连接器主要有以下几种类型：
⑴套管结构，如图8-6
由两个插针和一个套筒组成。其中的插针为一带有微孔的精密圆柱体，将光纤插入微孔后用胶固定并加工形成插针体。套筒是一种加工精密的套管，有开口和不开口两种，开口套筒使用最普遍。对准时，以插针的外圆柱面为基准面，插针插入套筒并与其实现紧配合，以保证两根光纤精密对准。
⑵双锥结构，如图8-7
插针外端面加工成圆锥面，机座内孔也加工成双圆锥面。两个插针插入时利用锥面定位进行对接。这种方法加工精度要求极高，插针和机座常采用聚合物模压成型，内外锥面的结合不仅保证纤芯对中，而且保证两光纤端面间距恰好符合要求。
⑶V型槽结构，如图8-8
将两个插针放入精密设计的V型槽中，再用盖板将插针压紧，使纤芯达到对准，在单芯连接时一般不被采用，但常用于单纤/多纤与平板波导连接或多纤之间互相连接。
⑷透镜耦合结构，如图8-9
透过球透镜或自聚焦透镜来实现光纤的对准。透镜将一根光纤的出射光变成平行光后进入另一透镜聚焦并耦合入第二根光纤。这种结构可以降低对机械加工的精度要求，但结构复杂、体积大、调整元件多、损耗大，在短距离便捷通信中采用。
⑸球面定心结构，如图8-10
由装有精密钢球的机座和装有圆锥面的插针组成。钢球开有一个内径比插针外径大的通孔，当两探针产如机座时，球面与锥面切合使纤芯对准并使纤芯间距符合要求。这种结构设计巧妙，但结构复杂，未被广泛采用。
6. 制作光纤固定连接器主要有哪些方法？分别是如何实现的？各有何特点？
制作固定接头的方法有熔解法、V形槽法、毛细管法、套管法等。
熔解法用加热的办法将光纤熔融结合在一起，只要操作得当，熔解机设计合理，连接的插入损耗很小，后向反射光为零。熔解的方法有电弧熔解、氢焰熔解、激光熔解三种，其中第一种应用最多。
V形槽法、毛细管法和套管法所制作的固定接头插入损耗很小，有一定的后向反射光，指标虽略低于熔解法，但小巧、操作简便，适合野外作业，在短途干线、设备抢修、野战等方面应用较多，尤其在多芯光纤连接方面优势明显。
⑴电弧式光纤熔解机 电弧式光纤熔解机由于操作方便，熔解质量高（插入损耗平均值都在0.1dB以下）、接头的一致性和稳定性等技术性能好。它一般都由光纤准直与夹紧机构、对准机构、电弧放电机构、控制机构4部分组成。
⑵V形槽固定接头 在线路抢修、短距离线路连接、特殊环境光纤连接中常采用V形槽固定接头。这种接头携带方便、操作简单，无需贵重仪表设备。其典型结构一般由合金铝片等制成的芯件和压盖两个元件构成。芯件是现在铝片上加工出对准槽和导引槽，然后将铝片相对折叠组成的。压盖是将铝片弯折成U字型制成，用与夹紧芯件，固定光纤。
⑶毛细管固定接头 毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作。它的接续原理与过程
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是：①将两根处理好的光纤从两头穿入毛细管内，利用其精密的内孔使两根光纤纤芯对准；②在两光纤端面之间加入匹配液，消除菲涅耳反射，降低插入损耗，减小后向反射；③用机械方法使光纤紧固。这种固定接头操作简便，体积很小，插损小，性能较好。
⑷套管式固定接头 这一类固定接头的结构原理与活动连接器完全一致，其主要零件也是插针和套筒。插针和套筒可以是陶瓷、玻璃、金属和塑料等，外形设计哟更多地考虑如何将固定接头放臵在光缆接头盒中。插针端面要现场粘接、研磨，端面之间要加注匹配液。这种固定接头有一定的使用价值。
7. 光衰减器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。
根据不同的光信号传输方式，可将光衰减器分为单模光衰减器和多模光衰减器；根据不同的光信号接口方式，可分为尾纤式光衰减器和连接器端口式光衰减器；根据不同的衰减方式又可分为固定式光衰减器和可变光衰减器。根据光衰减器的原理，可将其分为：
⑴位移型光衰减器 当两段光纤进行连接时，纤芯错位、端面间隙都会引起连接器损耗。反过来，将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制连接时的衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时发生一定错位，使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的。
⑵直接镀膜型光衰减器 这是一种直接在光纤的端面或玻璃基片上镀制金属吸收膜或反射膜来衰减光能量的衰减器。
⑶衰减片型光衰减器 衰减片型光衰减器是一种将具有吸收特性的衰减片通过机1械装臵直接固定在光纤的端面上或准直光路中得到的光衰减器。光信号经过4节距自聚焦透镜准直、衰减片衰减后，再被第二个自聚焦透镜聚焦耦合进光纤中。使用不同衰减量的衰减片，就可以得到相应衰减值的光衰减器。
⑷液晶型光衰减器 利用了分子轴扭转向列p型液晶。其原理如下：从光纤入射的光信号经自聚焦透镜后成为平行入射光，该平行光波被分束元件P1分为偏振面相互垂直的两束偏振光o光盒e光。当它们经过不加任何电压的液晶元件时，两束偏振光同时旋转90?后再被另一个与P1光轴成90?的分束元件P2合为一束平行光，由第二个自聚焦透镜耦合进光纤；当液晶两电极加压后，扭转向列小盒产生晶向倾斜?，这使得通过液晶 的部分o光盒e光偏振面旋转，旋转90?的那部分偏振光功率为I'?Iocos?，它们被分束元件P2汇合成一束平行光出射。随着外加电场的不断加强，该部分光功率也逐渐便小，即被自聚焦透镜耦合进入光纤的光信号也将越来越小，从而实现对光线好的衰减。 8. 光衰减器的性能指标有哪些？分别如何定义？
光衰减器的性能指标主要有衰减量、插入损耗、衰减量精度和回波损耗这四项。 ⑴衰减量和插入损耗 衰减量和插入损耗是光衰减器的重要技术指标。
固定光衰减器的衰减量指标实际上就是其插入损耗指标要求，取决于金属蒸镀膜层的透过率和均匀性。由布拉格定律可知，透过率取决于吸收材料的内透过率?和它的厚度t
Tp?10??t
因此，衰减量A可表示为
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A??10lgTp?10?t
式中，?取决于材料的吸收本领，是波长的函数。
光衰减器的插入损耗（IL）主要来源于光纤准直器的插入损耗和衰减单元的透过率精度及耦合工艺。
⑵光衰减器的衰减精度
光衰减器的衰减精度是光衰减器的重要指标之一。通常机械式光衰减器的衰减精度为其衰减量的?0.1倍。
⑶回波损耗
回波损耗RL是影响系统性能的另一重要指标。光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出的光能量之比，一般由各元件和空气折射率失配造成的反射引起。
⑷频谱特性
在一些特殊的用途中，需要衰减器在一定的带宽范围内有较高的衰减精度，其衰减谱线具有较好的平坦性。
9. 光耦合器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。
从功能上看，它可分为光功率分配器以及光波长分配（合/分波）耦合器；从端口形式上划分，它包括X型（2?2）耦合器，Y型（1?2）耦合器、星形（N?N，N?2）耦合器以及树形（1?N，N?2）耦合器等；从工作带宽的角度划分，它分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器合双窗口的宽带耦合器；由于传导光模式的不同，它又有多模耦合器合单模耦合器之分；从结构上又可分为分立元件组合型、全光纤型、平面波导型等类。
熔融拉锥型全光纤耦合器 熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。
波导型光耦合器 波导型光耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光光耦
3合器件，往往是在铌酸锂（）等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所需的波导结构制成芯片；芯片与单模光纤的耦合则具有端面直接耦合合通过迅衰场的表面耦合
LiNbO等基本方法。
10. 光耦合器的性能指标有哪几类？分别如何定义？
⑴插入损耗 指以分贝表示的第i个输出端口的光功率Pout相对全部输入光功率PIN的
i减少值
POUTILi??10lgiPIN（dB）
⑵附加损耗 所有输出端口的光功率综合相对于输入光功率以分贝表示的减小值
EL??10lg?POUTiPINdB( ) 44