光纤器件

光纤器件有光纤型、棒透镜型和平面型等结构。光纤型器件是光纤经过研磨抛光、热熔拉锥或镀膜等工艺制成的。加工较为简便，无需特殊材料，因而成本较低。棒透镜型器件是用棒透镜或配以必要的其他微光学元件制成。棒透镜是横断面折射率呈抛物型分布、对传输光束有自聚焦作用的圆柱形透镜，又称自聚焦透镜(图1)。这种透镜的特点是焦距小、数值孔径大、像差小、加工和连接方便、调准容易。由两根长度为1/4节距的棒透镜所构成的准直-聚焦平行光路适用于多种光纤器件。平面型器件以铌酸锂等作衬底材料，用集成电路工艺制成。其特点是体积小、抗外界干扰性能好，是集成光学器件的一种初级形式，又称薄膜光波导无源器件。

玻恩和沃耳夫著，杨葭荪等译:《光学原理》，科学出版社,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.

光纤器件有两个基本参数，即插入损耗和隔离度。光纤传输系统要求插入损耗小、隔离度大。

插入损耗 光纤器件插入光纤传输系统所引起的光功率损耗。通常用器件输出功率与输入功率 Pi之比的对数值来表示，即对于多端输出的器件，应是各输出端功率之和。产生插入损耗的主要原因是器件中光的漏泄、辐射、散射和像差等。插入损耗通常采用截断法、临时接点法(或两点法)来测量，测量在稳态模式分布的条件下进行。

隔离度 某些光纤元件插入光纤传输系统后，引起光从一个光路漏泄到另一个光路，常称串音。通常用漏泄到另一个光路的功率P1与主光路输入功率Pi之比的对数值来表示: 产生串音的主要原因是器件中光纤端面的菲涅尔反射、各光路之间的包层厚度不当以及对漏泄和辐射模的吸收性能不佳等。

光纤器件按功能分类，有光连接器、光耦合器、光开关、波分复用器和波分解复用器、光衰减器、光环行器、光隔离器和光调制器等。

光连接器 实现光纤与光纤或光纤与其他器件光学连接的器件。它的主要参数是插入损耗。光连接器品种甚多,按插孔的结构型式分，有O型、C型和V型等;按光纤种类和芯数分，有多模、单模光纤连接器，多芯、单芯光缆连接器等;按应用场合分，有通用式、现场装配式、密封式和穿墙式等。通用的多模单芯光缆连接器的插入损耗一般为 0.5~1分贝(图2)。单模光纤连接器的最低插入损耗可达 0.3分贝。

光定向耦合器 使光路之间按比例实现能量耦合,且分光路线与传输方向有关，可作成三端口或四端口器件。根据结构和工艺的不同，可分为拼接式、拉锥式、棱镜式、平面式等(图3)。光定向耦合器的主要参数是插入损耗、分光比和隔离度。主要用于单线双向传输及数据网等。 星形耦合器 使一个或几个光路中的光能耦合到同一边(或另一边)一个或几个光路中的近似星形器件。将能量耦合到同一边光路的称为反射式星形耦合器;将能量耦合到另一边光路的称非反射式星形耦合器。按其对称性又可分为1×n型和n×n型等。按结构与工艺的不同，星形耦合器可分为拉锥式、搅模棒式等(图4)。星形耦合器的主要参数与光定向耦合器相同。它主要用于星形光纤网络。

T 形耦合器 使两个端机接到一个主传输线路上去的器件。主要结构和参数与星形耦合器相同，主要用于母线网络。

光开关 使一个或几个光路中的光能接通、切断或转换到另一个或几个光路中去的器件。按转换型式可分为1×n型和n×n型(矩阵开关);按转换机理可分为机械式和折射率式(图5)。光开关的主要参数是插入损耗、隔离度、重复性、转换时间和寿命。它主要用于光路的切换。

波分复用器 使两个或两个以上不同波长的光载波共用一个光路的器件。按色散元件分有棱镜式、光栅式和干涉模式等。其主要参数是插入损耗、隔离度等。它主要用于单线双向传输和光纤网络传输。

波分解复用器 使共用一个光路的不同波长的多个光载波分到各自光路中去的器件。其主要参数、结构和用途均与波分复用器相同。

光衰减器 使光路的光能按一定比例衰减的器件。按衰减量的可调性可分为固定式、分级可调式和连续可调式(图6)。其主要参数是衰减量及其精度。它主要用于调整中继区间的损耗、评价光纤传输系统损耗和校正光功率计等。

光纤器件除应用于光纤通信外，还可应用于非通信领域，如传感技术、数据处理和计算技术等。特别是光纤传感器尤其受到人们注意，它的进展将会促进光纤器件的发展。此外为了适应单模光纤传输系统的需要，光纤器件将在平面型器件的基础上向混合集成光路方向发展，对光纤传输系统会产生重要的影响。

利用微纳光纤操作简单、 倏逝波耦合等特性，目前研究者们成功研制出多种基于微纳光纤的谐振腔。根据谐振腔结构大致可分为 三类 : 圈型谐 振腔(loopresonators)、结型谐振腔(knot resonators)和卷型 谐振腔(coil resonators)。 Sumetsky 等首先报道了将微纳光纤绕圈形成谐振腔的方法:将微纳光纤两端通过拉锥端与单模光纤相连，借助光学显微镜操作形成圈型结构。微纳光纤圈型谐振腔的耦合区依靠静电力、范德瓦尔力和摩擦力相互作用维持，谐振腔的自由光谱区取决于微纳光纤圈的大小，谐振峰的形状则与耦合系数有关，通过微调节光纤圈尺寸从而改变谐振腔的自由光谱区和谐振峰形状 。

由于圈型结构耦合区是通过相互作用力来保持，容易受到外界环境干扰，结构不够稳定，童利民等对结型谐振腔耦合区进行改进 ，通过将微纳光纤相互缠绕，增加微纳光纤间的摩擦力，形成结构更为稳定的结型谐振腔。 Jiang 等所制作的结型谐振腔的品质因子可达 10000 以上。 结型谐振腔可通过拉拽微纳光纤的一端来改变谐振腔的大小，而且谐振腔可以在低折射率衬底表面或者液体中稳定工作。Sumetsky 等报道了微纳光纤卷型谐振腔，它是多圈微纳光纤间通过倏逝波耦合形成的三维结构谐振腔。由于微纳光纤谐振腔具有高品质因子、小尺寸等特点，研究者们实现了多种微型光纤激光器。 Jiang 等用结型谐振腔实现了稀土掺杂的微型激光器。 实验使用 975nm 波长激光作为泵浦光，当最大泵浦功率为12.8mW时，最大输出功率约为 8μW。 此后他又实现了基于倏逝波增益的微纳光纤结型染料激光器。 近期，肖尧等在光学显微镜下将单根 CdS 纳米线折叠成微环反射镜，形成耦合的复合谐振腔结构，并通过游标效应选模，实现其稳定的低阈值单模激光输出 。

微纳光纤具有小尺寸、大表面体积比、强倏逝波传输特性等特点， 使它们对外界环境表现出高灵敏、快响应速度和较低的探测极极限等优势，因此在光学传感方面具有潜在应用价值。 Polynkin 等报道了一款基于微纳光纤的微流折射率传感器，并用其测量不同浓度的甘油水溶液的折射率，实验结果表明其测量精度约为 10-4 。Villatoro 等设计了一个用于测量氢气浓度的微纳光纤传感器， 实验中氢气浓度为 3.9%时，该传感器的响应时间约为 10s， 这比其它光学氢气传感器快了 3~5 倍。 谷付星等直接从掺杂的高分子溶液中拉制出具有特定功能的高分子纳米线，并通过微纳光纤倏逝波耦合的方式将光有效地输入 、 输出纳米线，研制成了用来检测湿度和气体浓度的光学传感器。 实验中，单根聚丙烯酰胺(PAM)纳米线可以检测35%~88%的相对湿度，响应时间约为 30ms，比现有的电学湿度传感器快 1~2 个量级; 单根溴百里香酚蓝(BTB)掺 杂 的 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 脂 (PMMA) 纳 米 线 对NH3 气 体 的 灵 敏 度 可 以 达 到 3ppm， 响 应 时 间 约 为1.8s，这比传统薄膜传感器快很多。 此外，微纳光纤在冷原子的俘获与传导、量子光学等领域也具有潜在应用价值 。