光纤通信_第五章_光纤线路技术及器件_光衰减器课件

1、光衰减器（光衰减器（optical attenuator）n用来稳定地、准确地减小信号光功率的用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源器件。它是光功率调节所不可缺少无源器件。它是光功率调节所不可缺少的器件。的器件。 n按衰减光功率的工作机理分有：按衰减光功率的工作机理分有：耦合型光衰减器耦合型光衰减器反射型光衰减器反射型光衰减器吸收型光衰减器吸收型光衰减器耦合型光衰减器耦合型光衰减器n通过输入、输出光束对准偏差的控制来通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。减量的目的。 反射型光衰减器反射型光衰减器n是在玻璃基片上镀反射膜

2、作为衰减片。是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。由光透过衰减片时主要是反射和透射。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。从而达到改变衰减量的目的。吸收型光衰减器吸收型光衰减器n采用光学吸收材料制成衰减片，对光的采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，从而因而光线可垂直入射到衰减片上，从而可简化结构和工艺，使器件体积和重量可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得较小。变得较小。 n光衰减器按其衰减量的变化情况可分为光

3、衰减器按其衰减量的变化情况可分为三种类型：三种类型：n固定式衰减器，即衰减量一定；固定式衰减器，即衰减量一定；n步步进可变式衰减器，即阶跃式可变，如进可变式衰减器，即阶跃式可变，如5步进式的，每步为步进式的，每步为10dB，即即10dB5n连续可变式衰减器，如连续可变式衰减器，如060dB。主要技术指标主要技术指标n插入损耗插入损耗n衰减量变化范围衰减量变化范围n精度精度n温度的影响温度的影响 光开关（光开关（optical switch）n一种光路控制器件，可实现光路通一种光路控制器件，可实现光路通断的控制、光路选择、光交换断的控制、光路选择、光交换n如：主备光路切换；光纤、光器件如：主备光

4、路切换；光纤、光器件的测试等；实现全光层次的路由选的测试等；实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。保护等功能。 光开关的主要性能参数光开关的主要性能参数 n交换矩阵：大小反映了光开关的交换能力。交换矩阵：大小反映了光开关的交换能力。n交换速度：交换速度：n损耗：包括插入损耗、回波损耗等。产生损耗：包括插入损耗、回波损耗等。产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。损耗特性影响到了光开关的级生的损耗。损耗特性影响到了光开关的级联

5、，限制了光开关的扩容能力。联，限制了光开关的扩容能力。n消光比：描述光开关导通与非导通状态通消光比：描述光开关导通与非导通状态通光能力差别的主要指标，即两个端口处于光能力差别的主要指标，即两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。导通和非导通状态的插入损耗之差。n交换粒度：反映了光开关交换业务的灵活交换粒度：反映了光开关交换业务的灵活性。分为三类：波长交换、波长组交换和性。分为三类：波长交换、波长组交换和光纤交换。光纤交换。n升级能力：增加光开关的容量。升级能力：增加光开关的容量。n可靠性：要求具有良好的稳定性和可靠性可靠性：要求具有良好的稳定性和可靠性光开关类型光开关类型n依据原理可分为：

6、机械光开关、热光开依据原理可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。关、电光开关和声光开关。n依据交换介质可分为：自由空间交换光依据交换介质可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。开关和波导交换光开关。n常用的光开关有：常用的光开关有：MEMS光开关、喷墨光开关、喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、液体光开关、全息光开关、声光开关、液体光栅光开关、栅光开关、SOA光开关等。光开关等。 基于磁光效应光开关机械式光开关机械式光开关 n通过机械运动实现不同光纤端口之间的通过机械运动实现不同光纤端口之间的相对连接，解决的办法是

7、相对移动光纤相对连接，解决的办法是相对移动光纤或相对移动光学元件。或相对移动光学元件。 液晶光开关液晶光开关n液晶是一种介于固态和液态之间的物质，它液晶是一种介于固态和液态之间的物质，它具有光学各向异性晶体所特有的双折射性。具有光学各向异性晶体所特有的双折射性。液晶分子有较强的电偶极矩，在外电场作用液晶分子有较强的电偶极矩，在外电场作用下易于极化；其分子间的作用力比固体弱，下易于极化；其分子间的作用力比固体弱，容易呈现各种状态，而且多数在介电常数、容易呈现各种状态，而且多数在介电常数、折射率、磁化等方面显示出较大的各向异性。折射率、磁化等方面显示出较大的各向异性。因此，通过微小的外部能量因此，

8、通过微小的外部能量电、磁、热电、磁、热等就能实现分子状态间的转变，从而引起它等就能实现分子状态间的转变，从而引起它的电、光、磁的物理性质发生变化。的电、光、磁的物理性质发生变化。n液晶材料用于光开关，利用了它的光学特性液晶材料用于光开关，利用了它的光学特性随电场改变的特性，称液晶的电光效应。随电场改变的特性，称液晶的电光效应。n根据用外电场控制液晶分子的取向，根据用外电场控制液晶分子的取向，对对偏振进行控制偏振进行控制而实现开关功能的。而实现开关功能的。气泡式光开关气泡式光开关 n安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出的二维光交叉连波导两种技术

9、，开发出的二维光交叉连接系统。又称为接系统。又称为“光子交换平台光子交换平台”。n由许多交叉的硅由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液。液。n缺省条件下，入射光可沿着波导无交换缺省条件下，入射光可沿着波导无交换传输。当需要交换时，一个热敏硅片会传输。当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全反射至输气泡将入射波导中的光信号全反射至输出波导，实现光路的选择、转换。出波导，实现光路的选择、转换。微机械式光开关（微机械式光开关（MEMS

10、） nMicro-Electro-Mechanical Systemsn一般称作一般称作微机电系统技术微机电系统技术，其含义是指，其含义是指可批量制作的，集微型机构、微型传感可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。是随着半导体集成电微型器件或系统。是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。的发展而发展起来的。MEMSMEMS的应用的应用nMEMS在工业、信息和通信、国防、航空在工业、信息

11、和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。前景。n目前，目前，MEMS的应用领域中领先的有：汽的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境；正在增长的有：通信、车、医疗和环境；正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化；还在萌芽的有：机构工程和过程自动化；还在萌芽的有：家用家用/安全、化学安全、化学/配药和食品加工。配药和食品加工。n微型化：微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

12、n以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。铝，热传导率接近钼和钨。 n批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个，成本大大降低生产。同时制造成百上千个，成本大大降低生产。n集成化：可以把不同种类传感器或执行器集集成化：可以把不同种类传感器或执行器集成于一体，形成微传感器阵列、微执行器阵成于一体，形成微传感器阵列、微执行器阵列列。 n多学科交叉：涉及电子、机械、材料、制造、多学科交叉：涉及电子、机械、材料、制造

13、、信息与自动控制、物理、化学和生物等学科。信息与自动控制、物理、化学和生物等学科。1N MEMS Switch微反射镜光纤耦合器(Optical fiber coupler)n能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。在耦合发生耦合，并进行再分配的器件。在耦合的过程中，信号的波谱成分没有发生变化，的过程中，信号的波谱成分没有发生变化，变化的只是信号的光功率。变化的只是信号的光功率。n从端口形式上分：从端口形式上分：X形形( (2 2) )、Y形形( (1 2) )、星形星形( (N N，N2) )、树形、树形( (1 N，N2) )等

14、。等。 n可以实现对线路的监控；可以用于光纤可以实现对线路的监控；可以用于光纤CATV、光纤用户网、无源光网络光纤用户网、无源光网络(PON)、光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。n原理：光学分束原理、消逝场耦合原理原理：光学分束原理、消逝场耦合原理微透镜耦合型 自聚焦棒耦合型 融锥型 波导型 应力型 主要参数 n分光比：分光比：n定义为耦合器各输出端口的输出功率的定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，具体应用中常用相对输出总功率比值，具体应用中常用相对输出总功率的百分比来表示，如的百分比来表示，如50:5050:50、80:2080:20、25:25

15、:25:2525:25:25:25等，或用各端口之间输出功等，或用各端口之间输出功率之比表示，如率之比表示，如1:11:1、4:14:1、1:1:1:11:1:1:1等。等。 n插入损耗：插入损耗： ( (M N) ) MmPPILminNjjout, , 1lg10,1,MkkinNjjoutPPIL1,1,lg10NjPPILMkkinjout, , 1lg101,n均匀性均匀性: :表示耦合器输出各端口的功率与功率平表示耦合器输出各端口的功率与功率平均值最大偏差。偏差越小，则光功率分均值最大偏差。偏差越小，则光功率分配越均匀。配越均匀。 minmaxlog10outoutPPP n方向性

16、方向性:(:(隔离度隔离度) )表示在输入端主光纤传输方向与任一根表示在输入端主光纤传输方向与任一根非主光纤非传输方向上的功率比。非主光纤非传输方向上的功率比。其中，其中，Pin为输入端第为输入端第i根光纤的输入光功根光纤的输入光功率，率，Pib为输入端除第为输入端除第i根光纤之外任何一根光纤之外任何一根光纤的后向传输光功率。根光纤的后向传输光功率。 inibPPSlog10光纤光栅光纤光栅（Fiber Bragg grating）n利用石英光纤的利用石英光纤的紫外光敏特性紫外光敏特性将光波导结构将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。直接做在光纤上形成的光纤波导器件。n可以作成滤波器、

17、反射器、色散补偿器等可以作成滤波器、反射器、色散补偿器等n易于与光纤连接，对偏振不敏感易于与光纤连接，对偏振不敏感n发展：发展：1978年年Hill发现光敏特性并成功制作发现光敏特性并成功制作FBG1989年年Meltz提出的横向写入制造方法提出的横向写入制造方法1993年年Hill等人提出的相位掩膜制造法等人提出的相位掩膜制造法光纤光栅器件逐步走向实用化光纤光栅器件逐步走向实用化 光敏特性n光纤的折射率在紫外光照射下，随光强光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化的特性。发生变化的特性。n光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，可保持永久性不变。可保持永久性

18、不变。n利用紫外光就可以将一些特定的光波导利用紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光纤中，形成光纤型光波导器结构写入光纤中，形成光纤型光波导器件。件。n光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全研究清楚研究清楚n较为普遍的观点：由于诱导光（紫外光）较为普遍的观点：由于诱导光（紫外光）的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而改变了光纤的吸收、散射等光学特性，从而改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现折射率的变化；另外，在光照射过程出现折射率的变化；另外，

19、在光照射过程中，光纤材料结构释放诱导应力以及构形中，光纤材料结构释放诱导应力以及构形的畸变等也导致了折射率的变化。的畸变等也导致了折射率的变化。n这种光折变效应主要发生在近紫外波段这种光折变效应主要发生在近紫外波段 n最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中，最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发现，具有光敏特性的光纤种后来研究发现，具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有时根据需要为了加大折射率的变化程有时根据需要为了加大折射率的变化程度，就会选用高掺杂的光纤。度，就会

20、选用高掺杂的光纤。 n折射率的折射率的永久性永久性改变改变n与掺杂锗的与掺杂锗的浓度浓度基本上成正比关系，与基本上成正比关系，与所用的紫外光源类型及照射到材料上的所用的紫外光源类型及照射到材料上的能量密度能量密度有关有关n对光纤材料进行高压低温对光纤材料进行高压低温H2扩散，可以扩散，可以极大地提高光纤材料的光敏性；极大地提高光纤材料的光敏性；nB/Ge双掺杂材料具有较高的光敏性；双掺杂材料具有较高的光敏性；各种光纤材料光敏特性光纤纤芯掺杂类型光纤纤芯掺杂类型 最大光致折射率最大光致折射率 掺掺Ge光纤光纤10-310-2普通通信光纤普通通信光纤10-3B/Ge光纤光纤10-310-2掺掺P光

21、纤光纤 10-3硫化物光纤硫化物光纤 10-4（可见光）（可见光）光纤光栅的制作 n基于光纤的光敏特性，可以利用紫外基于光纤的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中光将特定的波导结构写入到光纤中n根据波导结构构造相应的根据波导结构构造相应的光场分布光场分布n制作方法：制作方法： 纵向写入法纵向写入法 （早期）（早期） 双光束干涉法双光束干涉法 横向写入法横向写入法 相位掩膜法相位掩膜法 （主要）（主要） 逐点写入法逐点写入法nL L l l0 0/(2/(2sinq q) )n缺陷是对光源的相干性要求较高，对制缺陷是对光源的相干性要求较高，对制造环境要求极严，重复性差造环境要求极

22、严，重复性差 双光束干涉法双光束干涉法L Ll l0 0l l0 0q q相位掩膜法相位掩膜法n产生的光纤光栅周期为掩膜光栅周产生的光纤光栅周期为掩膜光栅周期的一半，与入射光无关，因此对期的一半，与入射光无关，因此对光源的相干性要求不高，并且稳定、光源的相干性要求不高，并且稳定、易于准直，重复性好，可以简化光易于准直，重复性好，可以简化光纤光栅的制作系统。纤光栅的制作系统。 n缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通常只能制造一种光栅。常只能制造一种光栅。 逐点写入法逐点写入法n一种非相干写入技术一种非相干写入技术n利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而利用聚焦光束在光纤上逐点曝光

23、而形成光栅，每写一个条纹，光栅移形成光栅，每写一个条纹，光栅移动一定距离，需用精密机构控制光动一定距离，需用精密机构控制光纤运动位移。通过控制光纤的移动，纤运动位移。通过控制光纤的移动，可以方便的控制光栅的周期。可以方便的控制光栅的周期。n一般用于制造长周期光栅一般用于制造长周期光栅 类型类型n从结构上可分为周期性结构和非周从结构上可分为周期性结构和非周期性结构两类，分别称为均匀、非期性结构两类，分别称为均匀、非均匀光纤光栅。周期结构器件制造均匀光纤光栅。周期结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期结简单，其特性受到限制；非周期结构制造困难，其特性容易满足各种构制造困难，其特性容易满足各种要求

24、。要求。n从功能上可分为滤波型光栅和色散从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两类，色散补偿型光栅补偿型光栅两类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅。是非周期光栅，又称为啁啾光栅。光纤光栅工作原理光纤光栅工作原理 n光纤光栅从本质上讲是通过波导与光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传的特定频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到前输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限定在包层或纤芯向或后向传输的限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射和中的模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。

25、反射光谱特性。n光纤光栅中，光场与光波导之间的光纤光栅中，光场与光波导之间的相互作用可用耦合模理论来描述。相互作用可用耦合模理论来描述。 均匀光纤光栅均匀光纤光栅 n最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光栅，其折射率可以表示为栅，其折射率可以表示为 )2cos()(Lznnzneffn前向和后向两种模式间的耦合波方程为前向和后向两种模式间的耦合波方程为nbb= =b b b b 2 2 / /L L，b b 、b b 为入射波和反射为入射波和反射波的传播常数，耦合系数波的传播常数，耦合系数K= =n/ /l lB。l lB= =2neffL L为布拉格波长为布拉格

26、波长nA+(0)=1、A-(L)=0 )exp()exp(ziAiKdzdAziiKAdzdAbbn解耦合方程可得光纤光栅的反射率为解耦合方程可得光纤光栅的反射率为 )()2/()()()0()0(222222SLshSLchSSLKshKAARb2)2/(bKKS)/(tanh)(tanh22maxBnLLKRl典型的光纤光栅的反射谱典型的光纤光栅的反射谱l lB01波长（波长（m mm）反反射射率率n反射谱线的主峰两侧有一系列的边带，这反射谱线的主峰两侧有一系列的边带，这些边带会在传输中产生串扰，影响传输质些边带会在传输中产生串扰，影响传输质量。量。n为了抑制边带谱线，采用一种称之为为了抑

27、制边带谱线，采用一种称之为变迹变迹的方法，即对折射率进行幅度调制，使耦的方法，即对折射率进行幅度调制，使耦合系数随光栅长度变化。常用的变迹函数合系数随光栅长度变化。常用的变迹函数有有Gauss函数、函数、Hamming函数和函数和Blackman函数等。通过改变其耦合系数函数等。通过改变其耦合系数达到改变反射谱的目的。达到改变反射谱的目的。 线性啁啾光纤光栅线性啁啾光纤光栅 n光栅周期沿光栅长度变化，称为啁啾光纤光光栅周期沿光栅长度变化，称为啁啾光纤光栅栅n光栅周期沿轴向线性变化时为线性啁啾光栅，光栅周期沿轴向线性变化时为线性啁啾光栅，其折射率可以表示为其折射率可以表示为 )(2cos)(zz

28、nnzneffLn耦合模方程耦合模方程n一般情况下，方程没有解析解，只有利一般情况下，方程没有解析解，只有利用数值法对啁啾光栅的特性进行研究。用数值法对啁啾光栅的特性进行研究。 AdttBiiKdzdAAdttBiziKdzdAzz)(exp)(exp)(00相移光栅相移光栅n指两相邻区之间的光栅相位的变化是不指两相邻区之间的光栅相位的变化是不连续的，即折射率分布不连续。连续的，即折射率分布不连续。n可在反射谱阻带中打开线宽极窄的一个可在反射谱阻带中打开线宽极窄的一个或多个透射窗口或多个透射窗口,使得光栅对某一波长或使得光栅对某一波长或多个波长有更高得选择度窗口位置、通多个波长有更高得选择度窗口位置、通过率及线宽可以随相移点、相移量而变过率及线宽可以随相移点、相移量而变化。化。10l lB反反射射率率n一般均匀周期光纤光栅的周期均为零点一般均匀周期光纤光栅的周期均为零点几个几个m mm，长周期光纤光栅的光栅周期远长周期光纤光栅的光栅周期远远大于一般的光纤光栅，可以达到几百远大于一般的光纤光栅，可以达到几百m mm。n将导波中某频段的光耦合到包层中去而将导波中某频段的光耦合到包层中去而损失掉