第六章 光纤通信器件

1、第6章 光纤通信器件6.2 光耦合器光耦合器 (Coupler) 是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。目前，光耦合器已形成一个多功能、多用途的产品系列。从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波）耦合器。从端口形式上，可分为 X 形 (2×2 )、Y形(1×2 )、星形( N×N, N2) 以及树形 (1×N , N2 ）耦合器。从工作带宽上，可分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。另外，由于传导光模式的不同，又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分。一、耦合机理1 单模光纤耦合器

2、在单模光纤中，传导模是两个正交的基模(HE11模) ，耦合器中光场强分布如图所示。传导模进入熔融锥区，纤心不断变细， V 值逐渐减小，有越来越多的光功率进入光纤包层中，实际光功率是在以包层为心、光纤外介质为包层的复合波导中传输的。在输出端，随着纤心的逐渐变粗，V值增大，光功率被两根纤心以特定比例捕获。在熔锥区，两根光纤包层合并在一起，两根光纤纤心足够接近，形成弱耦合，如图所示。假定光功率由一根光纤注入，初始条件为, 。由此可求得每根光纤中的功率为可以看出，经过耦合区后，能量从第1根光纤向第2根光纤发生了转移，转移的能量有多少取决于两根光纤结构的差别、藕合系数和耦合长度显然，代表着光纤之间藕合的

3、最大功率。当两根光纤相同时，有，则。定义耦合臂输出的光功率与直通臂输入的光功率之比为耦合比率。下图就是耦合比率与熔融拉伸长度的关系曲线。最大耦合比率可以达到 100 。而且，对于不同的波长，耦合比率是不同的。即对某一个波长耦合比率可以达到100，可以从耦合臂得到最大的输出。这时对另一个波长来说，耦合比率可能达到0，将从直通臂输出。2多模光纤耦合器阶跃多模光纤的模式总数NV2/2，当传导模（靠近光轴为低阶模，离光轴较远的是高阶模）进入多模光纤耦合器的熔锥区时，纤心变细，V值变小，纤心中束缚的模式数减小，较高阶模进入包层，形成包层模。在熔锥区，两光纤包层合并，在输出端纤心又逐渐变粗时，耦合臂的纤心

4、将以一定比例捕获这些高次模式，获得耦合光功率，但低次模不参与耦合。二、描述光耦合器特性的一些技术参数表示光纤耦合器性能的主要参数有插入损耗，附加损耗，分光比与隔离度(串音)。在实际的耦合器中，信号通过它时，总会有一些损耗。两种基本类型的损耗就是插入损耗和附加损耗。1 插入损耗 (Insertion Loss) 插入损耗是指光功率从特定的端口到另一端口路径的损耗。从输入端口k到输出端口j的插入损耗可表示为 式中，为第k个输入端口的光功率，为第j个输出端口的光功率。 v 插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与分光比有很大的关系。2 附加损耗 (Excess Loss)附加损

5、耗定义为输入功率与总输出功率的比值 插入损耗并不能反映器件制作质量，这一点值得注意。3分光比(Coupling Ration)分光比是某一输出端口的光功率与所有输出端口光功率之比它是光耦合器特有的技术指标。它说明输出端口间光功率分配的百分比。对于2×2耦合器可以是4隔离度(Isolation)隔离度是指光纤耦合器件的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着线路之间的“串扰” (crosstalk）小。对于光纤耦合器来说，隔离度更有意义的是用于反映WDM器件对不同波长信号的分离能力。其数学表达式是式中：是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值是被检测光信号的输入功

6、率值。从上述定义可知，隔离度对于分波耦合器的意义更为重大，要求也就相应地要高些，实际工程中往往需要隔离度达到40dB以上的器件；而一般来说，合波耦合器对隔离度的要求并不苛刻，20dB左右将不会给实际应用带来明显不利的影响。5方向性 (Directivity)方向性是光耦合器特有的技术指标 , 是衡量器件定向传输特性的参数。以X形耦合器为例，方向性定义为耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。式中，代表总注入光功率；代表输入端非注入光端口的输出光功率。6均匀性（ Uniformity )对于要求均匀分光的光耦合器（主要是树形和星形器件），实际制作时，因为工艺

7、的局限，往往不可能做到绝对的均分。均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化量其数学表达式为式中：为最小输出光功率；为最大输出光功率。7偏振相关损耗 (Polarization Dependent Loss)衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，也称为偏振灵敏度。偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，俗称偏振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生360°变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要

8、求器件有足够小的偏振相关损耗。6.3 波分复用/解复用器一、光波分复用器的工作原理光波分复用器是对不同波长的光波进行分离(分波、解复)与合并(合波、复用)的光无源器件。光波分复用器：将不同波长的光信号混合在一起送入同一根光纤中传输。光解复用器：将一根光纤中传来的多波长信号按波长进行分离。它在高速光通信系统、接入网、全光网络等领域中，光纤频带资源有着广阔的应用前景。本质上讲，波分复用/解复用器就是一种方向耦合器。从耦合机理分析可知，对于不同的波长，耦合比率是不同的。即对某一个波长耦合比率可以达到100，可以从耦合臂得到最大的输出。这时对另一个波长来说，耦合比率可能达到0，将从直通臂输出。因此通过

9、合理地设计耦合器的结构，就可以实现合波和分波的目的。实际的光波分复用器件的一个端口，作为器件的输出/输入端； N个端口作为器件的输入/输出端如图所示。当器件用作解复用器时，注入到入射端（单端口）的各种光波信号，分别按波长传输到对应的出射端（N个端口之一）。对于不同的工作波长其输出端口是不同的。在给定的工作波长的光信号从输入单端口传输到对应的输出端口时，器件具有最低的插入损耗。而其他输出端口对该输入光信号具有理想的隔离。在器件用作复用器时，其作用同上述情况相反。在给定的工作波长的光信号从对应输入端口（N个端口之一）被传输到单端口时，具有最低的插入损耗而其他输入端口对该输入光则有理想的隔离。64

10、滤波器一、概念滤波器是一种波长选择器件，在光纤通信系统中有着重要的应用， 如光放大器中噪声的滤波。特别在WDM光纤网络中每个接收机都必须选择所需要的信道，滤波器成为必不可少的部分。滤波器分成固定滤波器和可调谐滤波器两大类。前者是允许一个确定波长的信号光通过，而后者是可以在一定光带宽范围内动态地选择波长，见图 所示。固定波长滤波器可调谐滤波器滤波器的特性如图所示。固定波长滤波器的主要参数是中心波长0，带宽 ，除它们以外，还有插入损耗和 隔离度等。对于可调谐滤波器，主要参数有调谐范围、带宽、可分辨信道数、调谐速度、插入损耗、偏振相关损耗和分辨率等。其中可分辨信道数是信道范围与最小信道间隔之比。调谐

11、速度指的是滤波器调到指定波长所需要的时间。分辨率是滤波器能检测的最小波长偏移。二、固定波长滤波器1. 薄膜干涉滤波器这种滤波器采用多层不同材料的介质薄膜构成，一层为高折射率，一层为低折射率，交叠而成。每层介质的等效光学厚度为/4，利用各层的反射光与入射光的干涉效应实现滤波。薄膜干涉滤波器结构当光由光疏介质入射到光密介质时，反射光不产生相移；而当光由光密介质入射到光疏介质时，反射光产生180°相移。由于介质厚度为/4，光经低折射率层内传输、反射、再传输后的总相移为360°，与经高折射率层的反射光同相叠加，这样，在中心波长附近，各层的反射光叠加，在滤波器上端面形成很强的反射光，

12、得到具有一定带宽的中心波长光信号。其它频率的光因不能满足相长干涉而不能被反射。2法布里珀罗固定波长滤波器法布里珀罗固定波长滤波器是由两片平行镜组成的谐振腔组成当入射光波长满足谐振条件时方能通过。式中L为谐振腔体的长度， m为整数该滤波器的传输特性可由下式表示式中，是介质和平行镜吸收引起的插入损耗，R为两平行镜的反射率。由上式可看出，传输特性是与R密切相关的一个周期函数，图(b)画出了传输特性曲线，我们将周期长度称为自由光谱范围FSRF-P滤波器的带宽由下列公式给出定义 为F-P滤波器的精细度，它反映滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差。三、可调谐滤波器严格来说，可调谐滤波器属于有源器件，它可以

13、通过控制电压或温度的变化来改变滤波器的某些参数，从而达到波长动态选择的目的。可调谐滤波器主要使用在WDM系统中。WDM网络中所有波长都应从ITU标准中选取，如波长间隔约为0.8nm(1550nm 窗口)，则对应信道频率间隔是100GHz 。所以可调谐滤波器的调谐范围、带宽应该根据要求来设计。下面介绍以下几种滤波器1光纤法布里珀罗滤波器下图是一个光纤法布里珀罗滤波器的结构示意图其工作原理与固定波长滤波器相同，输入光纤和输出光纤的两个端面被抛光镀膜，两个光纤端面之间的部分构成了法布里珀罗腔，这两根光纤经过支架与压电陶瓷相连，对压电陶瓷施加电压（300500V ）可使支架产生左右变化的位移，从而改变

14、反射镜之间的长度，达到波长调谐的目的。如果不是通过压电陶瓷改变腔长，而是在两光纤端面之间填入介质液晶，由于液晶的折射率随着施加电压的变化迅速改变，腔的光程nL也随之变化。这种填充液晶的滤波器调谐时间在10ns内，调谐范围达80nm ，波长分辨率0.050.10nm，插入损耗为几个分贝。2马赫曾特干涉滤波器马赫一曾德尔（Mach 一 Zehnder ）光纤干涉滤波器由两个3dB耦合器串联组成一个马赫一曾德尔干涉仪，干涉仪的两臂长度不等，光程差为L。马赫曾特（MZ）干涉滤波器的机理是，两个相干单色光经过不同长度光波导传输后发生干涉。考虑两个波长1和2复用后的光信号由光纤送入马赫一曾德尔干涉滤波器的

15、输入端1，两个波长的光功率经第一个3dB耦合器均匀地分配到干涉仪的两臂上，由于两臂的长度差为L，所以经两臂传输后的光，在到达第二个3dB耦合器时就产生相位差。，式中n是波导折射率，复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口3，2满足相长条件，1满足相消条件，则输出2光；如果在输出端口4，2满足相消条件，1满足相长条件，则输出入1光。马赫一曾德尔光纤干涉滤波器与上面的马赫一曾德尔干涉仪原理基本相同，但在最后输出时还是有细微的差别。马赫一曾德尔干涉仪中来个相干光经过分束器2后相互叠加，然后合为一路输出。而在马赫一曾德尔光纤干涉滤

16、波器中，两个相干光在通过第2个3dB耦合器时，实际上沿着两个光路传播的，只不过这两路光靠得非常近，使得它们相互耦合而交换能量，最后还是从两个光路输出，但这时每个光路输出光功率与光通过第2个3dB耦合器前不同，其变化的程度取决于耦合程度。马赫一曾德尔干涉滤波器的原理可进一步用耦合波理论来解释。从输入端口1 到输出端口3和4的传输特性分别可表示为由此可见，从干涉仪端口3和4输出的光强随和L呈正弦或余弦变化。因此，若有两个波长为1和2的光波从端口1输入而且分别满足则有 这就是说，在输入端口输入波长间距为（相应的频率间隔为）的光，分别在不同的输出端口输出。这种滤波器要求输入光波的频率间隔必须精确地控制

17、在的整数倍。当波长数为4个时，需要3个马赫一曾德尔干涉滤波器级联，当波长数为8个时，需要三级共7个马赫一曾德尔干涉滤波器级联，而且要使第一级的频率间隔为，第二级的频率间隔为2，第三级的频率间隔为4，才能将它们分开，如图所示。改变既可以通过分别控制有效光通道的折射率n和长度差L，也可以同时控制n和L。还可以通过对热敏薄膜加热或者改变压电晶体的控制电压来达到。级联马赫一曾德尔干涉滤波器可以用光纤耦合器或硅衬底上的硅波导（平面光波导）来实现。因为这种滤波器的调谐机理是热电的，所以切换时间约为1ms 。此外，马赫一曾德尔干涉仪（M 一 ZI）构成的可调谐滤波器制造成本低，对偏振很不灵敏，串音很低。但是

18、调谐控制复杂，调谐速度较慢。3 .光栅滤波器 （1）布拉格光栅布拉格（Bragg）光栅由间距为的一列平行半反射镜组成称为布拉格间距。如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，即使功率反射系数R很小，从第一个反射镜反射出来的总能量Er,tot约为入射的能量Ein。该特定波长B强反射的条件是式中n代表布拉格光栅的阶数，当n=1时，表示一阶布拉格光栅，此时；当n=2时，表示二阶布拉格光栅，此时。上式表明，布拉格间距(或光栅周期)应该是B波长一半的整数倍，布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器。该共振波长称为布拉格波长。光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制

19、成的。所谓光敏性，是指强激光（在1040ns 脉冲内产生几百毫焦耳的能量）辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系。如用特定波长的激光干涉条纹（全息照相）从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周期性变化，就像一个布拉格光栅，成为光纤光栅。如图 (a）所示。这种光栅在大约 500°C 以下稳定不变，但用500°C 以上的高温加热时就可擦除。在InP衬底上用InxGa1-xAsyP1-y材料制成凸凹不平结构的表面，其间距为光栅，就构成一个单片集成布拉格光栅，如图(b）所示。利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，可以

20、做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。如果在一个2x2光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器。 4声光滤波器声光滤波器结构类似于M-Z滤波器。其中的两臂被刻蚀在LiNbO3双折射半导体中，进入的光被输入偏振器分成TE波和TM波。一个换能器产生表面声波，在LiNbO3中引起折射率的周期性波动，这种波动等效为动态的布拉格光栅，由于光栅相互作用，满足谐振条件（对应某一波长）的TE模光能被转化成TM模，而TM模的光能转换TE模，然后经输出偏振器输出，波长不满足谐振条件的信号将从另一个端口输出。6.4 光开关光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。光开关Switche

21、s应用：应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)110ms保护开关110ms光包交换1ns外调制10ps对光开关的要求是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和 操作方便。光开关分类机械光开关：包括微机械光开关波导光开关：利用电光、磁光、热光和声光效应机械光开关机械光开关优缺点在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；但开关时间较长（几十毫秒到毫秒量级）；开关尺寸较大，而且不易集成。金属薄膜关开关的结构波导芯层下面是底包层，上面则是金属薄膜， 金属薄膜与波导之间为空气。通过施加在金属薄膜与衬底之间的电压，使金属薄膜获得静电

22、力，在它的作用下，金属薄膜向下移动与波导接触在一起，使波导的折射率发生改变，从而改变了通过波 导光信号的相移。金属薄膜M-Z型光开关结构如果不加电压，金属薄膜跷起，M-Z干涉仪两个臂的相移相同，此时光信号从端2输出；如果加电压，金属薄膜与波导接触，引起该臂的相移，光信号从端口1输出。热光效应光开关基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，改变介质的折射率，而改变其相位差，进而实现光信号的通断特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）电光效应波导开关开关时间短（可达10ps1ns）；体积非常小，而且易于大规模集成；但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。上图是由两个Y形Li

23、NbO3波导构成的马赫-曾德尔1×1光开关，它利用电光效应原理工作。晶体折射率随外加电场而变化。在理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，在输出端D干涉，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。当A、B分支的相位差f=0时输出功率最大，当f=/2时，两个分支中的光场相互抵消，使输出功率最小，在理想的情况下为零。相位差的改变由外加电场控制(材料的折射率随电压的变化而改变)。6.5 光隔离器与光环形器隔离器是一种只允许光单方向传输的器件。光纤通信系统中的很多光器件 如激光器，光放大器对来自连接器，熔接点，滤波器的反射光非常敏感， 反射光将导致它们的性能恶化，例如半导体激光器

24、的线宽受反射光的影响会展宽或压缩，甚至可达几个数量级。因此要在靠近这种光器件的输出端放置隔离器，可以阻止反射光的影响。理解隔离器工作原理的基础是法拉第磁光效应。法拉第（ Faraday, Michael, 1791一1567英国物理学家和化学家）于1845年发现，当磁场作用在一块玻璃上，平面偏振光在玻璃中沿着磁场传播会发生光的振动面旋转。这一效应就称为法拉第磁光效应。法拉第磁光效应也称为磁致旋光。法拉第磁光效应实验装置示意入射光沿z轴正方向行进，通过起偏器P1后变成沿x轴振动的线偏振光。线偏振光通过密绕螺线管中非铁磁性媒质，图上磁感应强度B沿z轴正方向，与光传播方向相同。光通过磁场后，振动面转

25、过角度，与光通过的媒质长度L及H(=B/)的关系为：比例因子V称为费尔德常数，表示单位磁场强度使光偏振面旋转的角度。费尔德常数和光的频率及媒质温度有关。对于大多数物质，费尔德常数为正。我们规定：当光的传播方向和磁场方向平行时，迎着B的方向观察，光的振动面向左旋转（逆时针），则费尔德常数为正。用右手螺旋法则很容易记住：如费尔德常数为正，则当右手姆指指向B的方向，其余成拳的四个手指的方向就是光振动面旋转的方向。几乎所有的物质（包括气体、液体、固体）都存在法拉第效应，不过一般都不显著。掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的钇铁石榴石(YIG)等晶体的费尔德常数较大。对石英光纤，V=4.86&#

26、215;10-6r/A（弧度/安培）。注意旋光现象与磁致旋光现象的区别：（偏振光通过某些透明物质后，其振动面方将以光的传播方向为轴线转过一定的角度，这种现象称为旋光现象。也称为自然旋光。）旋光和磁致旋光都引起振动面转动，但两者有一个根本的不同。这一点在它们沿正反两个方向通过引起旋光的物质体现出来。在自然旋光现象中，左右旋是由旋光物质决定的，与光的传播方向是否反转无关。举例来说，当线偏振光通过右旋的自然旋光物质时，无论光束沿正反方向传播，迎着传播方向看去，振动面总是向右旋转因此如果透射光沿原路返回，其振动面将回到初始位置。而在法拉第磁光效应中，振动面转动方向只决定于磁场方向，无论光向前和向后传播

27、，只要磁场方向不发生改变，振动面都向同一方向转动。例如，当线偏振光通过磁光介质时，如果沿磁场方向传播，且振动面向右旋；当光束沿反方向传播时，迎着传播方向看去振动面将向左旋所以，如果光束由于反射一正一反两次通过磁光介质后，振动面的最终位置与初始位置比较，将转过 2的角度。因此，在自然旋光中，线偏振光向前传播所产生的振动面转动的方向和光反方向传播所引起的振动面转动的方向相反，光在晶体中来回传播，振动面转动效应抵消，结果振动面转动角度为零；而在磁光效应中，若偏振光先顺着B的方向传播再沿原路返回，那么法拉第旋转的左右方向互换，振动面转动角度加倍。法拉第磁光效应的这一特性就构成了下面光隔离器的关键基础。

28、隔离器由三个功能部件组成，输入偏振器（起偏器）、法拉第磁光效应旋转器、输出偏振器（检偏器）输入和输出偏振器的作用是将光变成固定偏振方向的线偏振光。法拉第磁光效应旋转器是使入射光的偏振方向发生旋转变化。调节磁场强度使旋转器旋转的角度为45°。入射光经过输入偏振器后变成垂直偏振光。经过法拉第旋转器，垂直偏振光的偏振方向旋转了45°，输出偏振器的方向设计成输入偏振器的透光轴45°角，所以允许其通过；另一方面，在隔离器的反方向上，反射光经输出偏振器变成45°的线偏振光，经法拉第旋转器又一次旋转45°后，变成了水平偏振，由于输入偏振器只允许垂直偏振光通过

29、，所以反射光便无法到达隔离器输入端。技术参数(1) 插入损耗(正向插入衰减)：沿光传播方向的衰减。和分别为正向入射和出射的光功率(2)反向隔离度：它表征隔离器对反向传输光的衰减能力，即阻止程度，是隔离器最重要的指标。和分别为反向入射和出射的光功率(3)回波损耗：它表征正向入射到隔离器中的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比，它主要来源于入射光的准直部分。通常平面元器件引起的回波损耗在14dB左右，通过斜面抛光和镀适当的抗反射涂层等工艺后可达60dB。(3)偏振相关损耗：输入光偏振态发生变化而其它参数不变时，器件插入损耗的最大变化量。是衡量器件插入损耗受偏振态影响的重要指标(其表示式比较复杂，参见课本)。另外，30dB带宽以及偏振模色散也是描述隔离器的参数，详情参见课本。n 主要技术指标：n 插入损耗：1.0dBn 反向隔离度：35dBn 30dB带宽：±20nmn 偏振相关损耗(PDL): 0.2dBn 偏振膜色散(PMD): 0.2psn 回波损耗：50dBn 分级:A级(35 dB);P级(稍高如：50 dB)n 金属封装(保护隔离器免受环境因素影响，增强机械性能，延长使用寿命)六、隔离器的应用1在激