无源光器件介绍

1、第5章无源光器件第第 5 5 章无源光器件章无源光器件5.1光纤耦合器光纤耦合器5.2光波分复用器和解复用器光波分复用器和解复用器5.3光衰减器光衰减器5.4光开关光开关5.5光隔离器光隔离器5.6光纤连接器光纤连接器5.7光纤光栅光纤光栅5.8光环行器光环行器习题习题第5章无源光器件5.1光纤耦合器光纤耦合器在光纤通信和光纤测量中，在光纤通信和光纤测量中， 有时需要把光信号在光路有时需要把光信号在光路上由一路向两路或多路传送，上由一路向两路或多路传送， 有时需把有时需把N路光信号合路再向路光信号合路再向M路或路或N路分配，路分配， 能完成上述功能的器件就是光耦合器。能完成上述功能的器件就是光

2、耦合器。 光纤耦合器是实现光信号分路、光纤耦合器是实现光信号分路、 合路、合路、 插入和分配的插入和分配的一种器件，一种器件， 它是一种多功能、它是一种多功能、 多用途的器件。多用途的器件。 一个好的耦一个好的耦合器应满足下列要求：合器应满足下列要求： 低损耗、低损耗、 易操作、易操作、 可重复性、可重复性、 低低成本、成本、 尺寸小、尺寸小、 热稳定、热稳定、 模相关性小、模相关性小、 输入通道间有高的输入通道间有高的隔离度等。隔离度等。 第5章无源光器件光纤耦合器广泛应用于光通信、光纤耦合器广泛应用于光通信、 光监测、光监测、 光传感技术等领域。光传感技术等领域。 在通信方面，在通信方面，

3、 光纤通信网光纤通信网络试验和性能监测中，络试验和性能监测中， 光信号的分合必须使用光信号的分合必须使用耦合器；耦合器； 在图像传输方面，在图像传输方面， 一根光纤的光信号一根光纤的光信号要经耦合器分配至多个用户；要经耦合器分配至多个用户； 在波分复用传输在波分复用传输系统和光放大器中，系统和光放大器中， 各波长光的分与合也必须各波长光的分与合也必须使用耦合器。使用耦合器。 第5章无源光器件5.1.1 光耦合器的拓扑结构光耦合器的拓扑结构光耦合器根据输入、光耦合器根据输入、 输出的端口数目可分为输出的端口数目可分为星形和树形两大类。星形和树形两大类。 星形耦合器是指具有星形耦合器是指具有NN(

4、N2)端口组态的耦合器系列，端口组态的耦合器系列， 是星形网络是星形网络的关键器件，的关键器件， 最重要的性能指标是各端口的插最重要的性能指标是各端口的插入损耗和均匀性等。入损耗和均匀性等。 树形耦合器是指具有树形耦合器是指具有1(2)N(N2)端口组态的功率分配器，端口组态的功率分配器， 是光纤有是光纤有线电视和通信网等技术中的重要元件。线电视和通信网等技术中的重要元件。 第5章无源光器件星形耦合器和树形耦合器的制作方法一般有星形耦合器和树形耦合器的制作方法一般有直接法和基本单元拼接法。直接法和基本单元拼接法。 直接法是指将直接法是指将N根光根光纤，纤， 以合适的拓扑结构紧密接触后，以合适的

5、拓扑结构紧密接触后， 在较强加在较强加热源的作用下，热源的作用下， 一次熔融拉锥获得所需端口组一次熔融拉锥获得所需端口组态的光纤耦合器，态的光纤耦合器， 一般用于制作低端口数的光一般用于制作低端口数的光纤耦合器。纤耦合器。 此种方法制成的光耦合器机械性能牢、此种方法制成的光耦合器机械性能牢、 环境稳定性好、环境稳定性好、 使用寿命长、使用寿命长、 器件外形小巧。器件外形小巧。 因此，因此， 特别适合于在海底工程及其他恶劣环境特别适合于在海底工程及其他恶劣环境下使用。下使用。 第5章无源光器件端口数目较多时，端口数目较多时， 一般采用基本单元拼接一般采用基本单元拼接法，法， 此种方法最简单最常用

6、。此种方法最简单最常用。 图图5-1-1和图和图5-1-2分别给出了几种常用的星形耦合器和树形耦合分别给出了几种常用的星形耦合器和树形耦合器的拼接示意图。器的拼接示意图。 对于对于N不大于不大于8的星形耦合器，的星形耦合器， 可以使用可以使用22器件作为基本单元；器件作为基本单元； 如果如果N大于大于16， 则可以采用则可以采用44或或88器件作为器件作为基本单元。基本单元。 第5章无源光器件图5-1-1 星形耦合器拼接示意图第5章无源光器件图5-1-2 树形耦合器拼接示意图第5章无源光器件5.1.2 全光纤耦合器全光纤耦合器全光纤耦合器的制作主要方法是熔融拉锥法。全光纤耦合器的制作主要方法是

7、熔融拉锥法。 熔融拉熔融拉锥式结构是将两根或者多根光纤除去涂敷层后扭绞在一起，锥式结构是将两根或者多根光纤除去涂敷层后扭绞在一起， 用微火炬对耦合部分进行加热，用微火炬对耦合部分进行加热， 在熔融过程中拉伸光纤，在熔融过程中拉伸光纤， 在加热区形成双锥体光波导结构，在加热区形成双锥体光波导结构， 实现光功率耦合的一种实现光功率耦合的一种方法。方法。 熔融拉锥法已成为制作光纤耦合器的主要方法，熔融拉锥法已成为制作光纤耦合器的主要方法， 因为因为此类型的光纤耦合器具有下列优势：此类型的光纤耦合器具有下列优势： 第5章无源光器件(1) 极低的附加损耗。极低的附加损耗。 (2) 方向性好。方向性好。

8、方向性指标一般都超过方向性指标一般都超过60 dB， 保证了保证了传输信号的定向性，传输信号的定向性， 并极大地减小了线路之间的串扰。并极大地减小了线路之间的串扰。 (3) 结构简单紧凑、结构简单紧凑、 环境稳定性好。环境稳定性好。 这种耦合器在经过这种耦合器在经过适当保护后，适当保护后， 受环境条件的影响可以限制到很小的程度，受环境条件的影响可以限制到很小的程度， 以保证稳定的工作性能。以保证稳定的工作性能。 (4) 控制方法简单灵活。控制方法简单灵活。 不仅可以方便地改变器件的性不仅可以方便地改变器件的性能参数，能参数， 还能制作具有不同功能的多种通信器件。还能制作具有不同功能的多种通信器

9、件。 第5章无源光器件(5) 成本低、成本低、 适合批量生产。适合批量生产。 熔融拉锥型光纤耦合器熔融拉锥型光纤耦合器的原料是一般的通信光纤，的原料是一般的通信光纤， 自动化程度越来越高的制作自动化程度越来越高的制作过程则极大地提高了产品的成品率，过程则极大地提高了产品的成品率， 这就保证了器件可这就保证了器件可靠性不断提高的同时，靠性不断提高的同时， 具有低价格的优势。具有低价格的优势。 以以22全光纤耦合器为例，全光纤耦合器为例， 说明熔融拉锥的工作原说明熔融拉锥的工作原理。理。 对于单模光纤，对于单模光纤， 传导模是两个相互正交的基模，传导模是两个相互正交的基模， 它们之间的耦合较简单，

10、它们之间的耦合较简单， 耦合系数也易求得。耦合系数也易求得。 图图5-1-3为为熔融拉锥型全光纤耦合器工作原理图，熔融拉锥型全光纤耦合器工作原理图， 如图所示，如图所示， 耦合耦合区长度是区长度是W， 设两端入端锥体和出端锥体长度相同，设两端入端锥体和出端锥体长度相同， 均均为为L， 则耦合器总的拉伸长度为则耦合器总的拉伸长度为L=W+2L。第5章无源光器件图5-1-3 熔融拉锥型全光纤耦合器工作原理第5章无源光器件图5-1-5 归一化频率与耦合区长度关系曲线第5章无源光器件5.1.4 光纤耦合器的性能指标光纤耦合器的性能指标评价光纤耦合器的性能有一套科学的评价方评价光纤耦合器的性能有一套科学

11、的评价方法和评价指标。法和评价指标。 以图以图5-1-7所示所示22星形光纤耦星形光纤耦合器为例，合器为例， Pin为从入射端为从入射端1入射的光功率，入射的光功率， Pt为光从为光从1端入射时耦合到入射端端入射时耦合到入射端2的光功率，的光功率， Pout1为从出射端为从出射端1出射的光功率，出射的光功率， Pout2为从出射为从出射端端2出射的光功率。出射的光功率。 第5章无源光器件图5-1-7 22星形光纤耦合器结构示意图第5章无源光器件1. 插入损耗插入损耗对于光纤耦合器，对于光纤耦合器， 插入损耗定义为指定输出端口的光插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减少值，功

12、率相对于全部输入光功率的减少值， 通常以分贝通常以分贝(dB)表示。表示。 outinIL10lg(dB)iiPP (5.1.3)式中，式中， ILi是第是第i个输出端口的插入损耗，个输出端口的插入损耗， Pouti是第是第i个出射个出射端口测得的光功率。端口测得的光功率。 第5章无源光器件2. 附加损耗附加损耗附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值，输入光功率的减小值， 也以分贝也以分贝(dB)为单位。为单位。 outiexcessin10lg(dB)PLP (5.1.4) 对于光纤耦合器而言，对于光纤耦合器而言，

13、附加损耗是体现器件制造工艺附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，质量的指标， 反映的是器件制作过程带来的固有损耗；反映的是器件制作过程带来的固有损耗； 而而插入损耗则表示各个输出端口的输出功率情况，插入损耗则表示各个输出端口的输出功率情况， 不仅有固不仅有固有损耗的因素，有损耗的因素， 更考虑了分光比的影响。更考虑了分光比的影响。第5章无源光器件3. 分光比分光比分光比是光纤耦合器各输出端口的输出功率比值，分光比是光纤耦合器各输出端口的输出功率比值， 常常常用某个端口的输出功率与总功率的百分比来表示。常用某个端口的输出功率与总功率的百分比来表示。 outoutCR100%iiPP(5.1.5)

14、分光比是光纤耦合器最重要的技术参数，分光比是光纤耦合器最重要的技术参数， 它反映光纤它反映光纤耦合器的性能。耦合器的性能。 4. 方向性方向性方向性是光纤耦合所特有的一个技术指标，方向性是光纤耦合所特有的一个技术指标， 它是衡量它是衡量光纤耦合器定向传输特性的参数。光纤耦合器定向传输特性的参数。第5章无源光器件方向性定义为在耦合器正常工作时，方向性定义为在耦合器正常工作时， 输入一侧非注入输入一侧非注入光的一端的输出光功率与全部注入光功率的比值，光的一端的输出光功率与全部注入光功率的比值， 以分贝以分贝(dB)为单位。为单位。 tin10lg(dB)PDP (5.1.6)5. 均匀性均匀性对于

15、要求均匀分光的光纤耦合器，对于要求均匀分光的光纤耦合器， 由于实际制作时工由于实际制作时工艺的局限，艺的局限， 往往不能做到绝对均匀。往往不能做到绝对均匀。 均匀性就是衡量均均匀性就是衡量均分器件不均匀程度的参数。分器件不均匀程度的参数。 它定义为在器件的工作带宽范它定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口输出的光功率的最大变化量。围内各输出端口输出的光功率的最大变化量。 第5章无源光器件outoutmin10lg(dB)maxPUP (5.1.7)6. 偏振相关损耗偏振相关损耗偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态敏感程度的参数，态敏感程

16、度的参数， 也称偏振灵敏度。也称偏振灵敏度。 它是指传输光信号它是指传输光信号的偏振态发生的偏振态发生360变化时，变化时， 器件各输出端口输出光功率器件各输出端口输出光功率的最大变化量。的最大变化量。 第5章无源光器件outoutminPDL10lg(dB)maxiiiPP 在实际使用中，在实际使用中， 光信号的偏振态经常发生变化，光信号的偏振态经常发生变化， 因因此，此， 要求器件有足够小的偏振相关损耗，要求器件有足够小的偏振相关损耗， 否则将直接影否则将直接影响器件的使用效果，响器件的使用效果， 好的耦合器不仅要有所要求的分光好的耦合器不仅要有所要求的分光比，比， 而且要有低的损耗。而且

17、要有低的损耗。 第5章无源光器件5.2 光波分复用器和解复用器光波分复用器和解复用器波分复用波分复用/解复用器解复用器(WDM/DWDM)是一种特殊是一种特殊的耦合器，的耦合器， 是构成波分复用多信道光波系统的关是构成波分复用多信道光波系统的关键器件，键器件， 其功能是将若干路不同波长的光信号复其功能是将若干路不同波长的光信号复合后送入同一根光纤中传送合后送入同一根光纤中传送(复用器复用器)， 或将在同或将在同一根光纤中传送的多波长光信号分解后分送给不同一根光纤中传送的多波长光信号分解后分送给不同的接收机的接收机(解复用器解复用器)。 在高速光通信系统、在高速光通信系统、 接入接入网和全光网络

18、等领域中，网和全光网络等领域中， 光波分复用和解复用有光波分复用和解复用有着广阔的应用前景。着广阔的应用前景。 第5章无源光器件波分复用器与解复用器的共同要求是：波分复用器与解复用器的共同要求是： 复用复用信道数量要很多、信道数量要很多、 插入损耗小、插入损耗小、 串音衰减大和通串音衰减大和通带范围宽。带范围宽。 它们的不同点在于：它们的不同点在于： 解复用器的输出解复用器的输出光纤直接与光检测器相连，光纤直接与光检测器相连， 芯径与数值孔径可以芯径与数值孔径可以做的大一些，做的大一些， 因此它的插入损耗可以为很小值；因此它的插入损耗可以为很小值； 而复用器的输出光纤必须为传输光纤，而复用器的

19、输出光纤必须为传输光纤， 不能任意不能任意加大芯径和数值孔径，加大芯径和数值孔径， 所以复用器的插入损耗一所以复用器的插入损耗一般比较大。般比较大。 第5章无源光器件5.2.1 结构原理结构原理光波分复用器光波分复用器/解复用器是对光波长进行合成解复用器是对光波长进行合成/分离的光分离的光无源器件。无源器件。 光波分复用器的一个端口，光波分复用器的一个端口， 作为器件的输入作为器件的输入/输出端，输出端， N个端口作为器件的输出个端口作为器件的输出/输入端，输入端， 如图如图5-2-1所所示。示。图5-2-1 WDM结构原理图第5章无源光器件当器件作为解复用器时，当器件作为解复用器时， 注入到

20、入射端（单端注入到入射端（单端口）的各种光波信号分别按波长传输到对应的出射口）的各种光波信号分别按波长传输到对应的出射端（端（N个端口之一）。个端口之一）。 对于不同的工作波长其输出对于不同的工作波长其输出端口是不同的。端口是不同的。 在给定的工作波长的光信号从输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，入单端口传输到对应的输出端口时， 器件具有最器件具有最低的插入损耗，低的插入损耗， 而其他输出端口对该输入光信号而其他输出端口对该输入光信号具有理想的隔离。具有理想的隔离。 第5章无源光器件5.2.2 解复用器的类型解复用器的类型1. 熔锥光纤型熔锥光纤型由耦合器的波长依赖性

21、，由耦合器的波长依赖性， 可以制作成光波分解复用器。可以制作成光波分解复用器。 由于耦合系数随波长而改变，由于耦合系数随波长而改变， 因此耦合长度亦随波长而变因此耦合长度亦随波长而变化，化， 从而使耦合具有一定的选择性。从而使耦合具有一定的选择性。 如图如图5-2-2所示的解所示的解复用器，复用器， 通过设计熔融区的锥度，通过设计熔融区的锥度， 控制拉锥速度，控制拉锥速度， 使直使直通臂对波长通臂对波长1的光有接近的光有接近100%的输出，的输出， 而对波长为而对波长为2的的光输出接近为零；光输出接近为零； 使耦合臂对波长为使耦合臂对波长为2的光有接近的光有接近100%的的输出，输出， 而对波

22、长为而对波长为1的光输出接近为零。的光输出接近为零。 这样，这样， 当输入当输入端有端有1和和2两个波长的光信号同时输入时，两个波长的光信号同时输入时，1和和2的光信号的光信号则分别从直通臂和耦合臂输出。则分别从直通臂和耦合臂输出。第5章无源光器件图5-2-2 熔锥光纤型结构原理图第5章无源光器件图5-2-3 棱镜型结构原理图第5章无源光器件3. 薄膜干涉滤波型薄膜干涉滤波型介质薄膜干涉滤波型解复用器是利用光的干介质薄膜干涉滤波型解复用器是利用光的干涉效应选择波长，涉效应选择波长， 使某一波长的光通过，使某一波长的光通过， 而其而其他波长的光被阻止。他波长的光被阻止。 将每层厚度为将每层厚度为

23、1/4波长，波长， 高、高、 低折射率材料相间组成的多层介质薄膜用做干涉低折射率材料相间组成的多层介质薄膜用做干涉滤波器，滤波器， 如图如图5-2-4所示。所示。 第5章无源光器件图5-2-4 介质薄膜滤波器原理图第5章无源光器件当光入射到高折射率层时，当光入射到高折射率层时， 反射光不产生相移，反射光不产生相移， 当当入射到低折射率层时，入射到低折射率层时， 反射光相位改变反射光相位改变180。 由于层厚由于层厚为波长的为波长的1/4， 因而经低折射率层反射的光经历因而经低折射率层反射的光经历360相移，相移， 与经高折射率层的反射光同相叠加，与经高折射率层的反射光同相叠加， 这样在中心波长

24、附近，这样在中心波长附近， 各层反射光叠加，各层反射光叠加， 在滤波器输入端面形成很强的反射光。在滤波器输入端面形成很强的反射光。 在偏离高反射波长两侧，在偏离高反射波长两侧， 反射光陡然降低，反射光陡然降低， 大部分光成大部分光成为透射光。为透射光。 因此可使某一波长范围呈带通，因此可使某一波长范围呈带通， 而对其他波长而对其他波长范围呈带阻，范围呈带阻， 从而形成所要求的滤波特性，从而形成所要求的滤波特性， 起到解复用起到解复用的作用。的作用。 第5章无源光器件图5-2-5 薄膜干涉滤波型原理图第5章无源光器件4. 衍射光栅型衍射光栅型衍射光栅型解复用器是利用色散原理，衍射光栅型解复用器是

25、利用色散原理， 使入射多波使入射多波长复合光在空间分散为各个波长分量的光，长复合光在空间分散为各个波长分量的光， 原理图如图原理图如图5-2-6所示。所示。 输入的多波长复合光信号聚焦在反射光栅上，输入的多波长复合光信号聚焦在反射光栅上， 光栅光栅对不同波长光的衍射角不一样，对不同波长光的衍射角不一样， 从而把复合信号分解为从而把复合信号分解为不同波长的分量，不同波长的分量， 然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。 如用凹面光栅，如用凹面光栅， 可以省去聚焦透镜，可以省去聚焦透镜， 并可集成在硅片并可集成在硅片波导上。波导上。第5章无源光器件图5-2-6 衍射光栅型结

26、构原理图(a) 普通透镜型； (b) 渐变折射率透镜型第5章无源光器件5. 光纤光栅型光纤光栅型光纤光栅是利用紫外激光诱导光纤纤芯折射率分布呈光纤光栅是利用紫外激光诱导光纤纤芯折射率分布呈周期性变化的机制形成的折射率光栅，周期性变化的机制形成的折射率光栅， 利用这种光栅，利用这种光栅， 让特定波长的光通过反射和衰减来实现波长选择，让特定波长的光通过反射和衰减来实现波长选择， 便可便可制作成波分复用器件。制作成波分复用器件。 当折射率变化满足布拉格光栅条件时，当折射率变化满足布拉格光栅条件时， 该光栅相应该光栅相应波长的光就会产生全反射而其他波长的光顺利通过，波长的光就会产生全反射而其他波长的光

27、顺利通过， 相相当于一个带阻滤波器，当于一个带阻滤波器， 其滤光原理如图其滤光原理如图5-2-7所示。所示。 第5章无源光器件图5-2-7 光纤光栅滤波原理第5章无源光器件由于光纤光栅是直接采用紫外激光写入在光由于光纤光栅是直接采用紫外激光写入在光纤纤芯上，纤纤芯上， 并且其反射波长的反射率几乎可以并且其反射波长的反射率几乎可以达达100%， 因此，因此， 可以利用光纤光栅来构成解可以利用光纤光栅来构成解复用器。复用器。 如果如果N个波长复用在一个光纤上，个波长复用在一个光纤上， 则则需要串联需要串联N1个相应波长的反射型光栅将每个个相应波长的反射型光栅将每个波长分离出来。波长分离出来。 图图

28、5-2-8所示为利用光纤光栅构所示为利用光纤光栅构成的两种不同结构原理图。成的两种不同结构原理图。第5章无源光器件图5-2-8 利用光纤光栅构成两种不同结构原理图第5章无源光器件光纤光栅型解复用器的特点有：光纤光栅型解复用器的特点有： （1） 光栅型器件是并联工作的，光栅型器件是并联工作的， 插入损插入损耗不会随复用信道增加而增大，耗不会随复用信道增加而增大， 因而可获得很因而可获得很多复用信道，多复用信道， 以实现几十个波长复用；以实现几十个波长复用； （2） 插入损耗大，插入损耗大， 约几个约几个dB； （3） 对光源和对光源和WDM器件的波长容差要求器件的波长容差要求高；高； （4） 信

29、道带宽信道带宽/信道间隔不理想，信道间隔不理想， 使光使光谱利用率不够高。谱利用率不够高。 第5章无源光器件5.2.3 光波分复用器光波分复用器/解复用器的光学特性解复用器的光学特性为了保证器件的正常工作，为了保证器件的正常工作， 要求复用器在给要求复用器在给定工作波长的光信号从对应输入端口被传送到单定工作波长的光信号从对应输入端口被传送到单端口时，端口时， 具有最低的插入损耗，具有最低的插入损耗， 同时又被其他同时又被其他输入端口所隔离；输入端口所隔离； 要求解复用器具有最低的插入要求解复用器具有最低的插入损耗，损耗， 同时该光信号被其他端口所隔离。同时该光信号被其他端口所隔离。 第5章无源

30、光器件N #端口为输入端口，端口为输入端口， 0 #端口为输出端口端口为输出端口)的的插入损耗和波长的关系曲线表示。插入损耗和波长的关系曲线表示。 例如，例如， 由由N个个端口之一的端口之一的2 #输入端口注入光信号，输入端口注入光信号， 传输到单端传输到单端口时，口时， 其插入损耗和波长关系如图其插入损耗和波长关系如图5-2-9 所示，所示， 从从图中可以看出，图中可以看出， 在在2处插入损耗最小，处插入损耗最小， 这样这样2 #端口注入的光信号可以很好地传送到单端口。端口注入的光信号可以很好地传送到单端口。 解复用器的光学特性，解复用器的光学特性， 可以用输入端到可以用输入端到N个输个输出

31、端口的各信道的波长和插入损耗的关系曲线来表出端口的各信道的波长和插入损耗的关系曲线来表达，达， 如图如图5-2-10所示。所示。 从曲线中可以看出，从曲线中可以看出， 每一每一个从输入端到输出端的工作通道都有一个最小损耗个从输入端到输出端的工作通道都有一个最小损耗分布。分布。 第5章无源光器件图5-2-9 复用器插入损耗与波长关系曲线第5章无源光器件图5-2-10 解复用器波长与插入损耗关系曲线第5章无源光器件1. 中心波长中心波长1、 2不同工作通道的中心波长的选取是由设计者根据相应不同工作通道的中心波长的选取是由设计者根据相应的国际、的国际、 国家标准以及实际应用要求而确定的。国家标准以及

32、实际应用要求而确定的。 例如，例如， 在在ITU-T中对于中对于1550 nm区域，区域， 1552.52 nm作为标准波长，作为标准波长， 其他波长规定间隔其他波长规定间隔100 GHz(0.8 nm)或为其整数倍。或为其整数倍。2. 中心波长工作范围中心波长工作范围对于每一工作通道，对于每一工作通道， 器件必须给出一个适应于光源器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围，谱宽的范围， 该参数限定了所选用的光源的谱宽及中心该参数限定了所选用的光源的谱宽及中心波长位置。波长位置。 中心波长的工作范围以中心波长的工作范围以1.0 nm表示，表示， 或者以或者以平均信道之间间隔的平均信道之间间隔的10%

33、表示。表示。 第5章无源光器件3. 中心波长对应的最小插入损耗中心波长对应的最小插入损耗L1、 L2 插入损耗是由于系统中使用了光波分复用插入损耗是由于系统中使用了光波分复用/解复用器给解复用器给系统引入的附加损耗，系统引入的附加损耗， 设计时一般希望此值越小越好，设计时一般希望此值越小越好， 一般较好的商用产品均低于一般较好的商用产品均低于0.5 dB。 4. 相邻信道间串音耦合最大值相邻信道间串音耦合最大值L12、 L23串音是指其他信道的信号被耦合进入某一信道，串音是指其他信道的信号被耦合进入某一信道， 从而从而引起传输质量的下降。引起传输质量的下降。 在数字通信系统中，在数字通信系统中

34、， 一般用信道隔一般用信道隔离度表示，离度表示， 应大于应大于30 dB， 在模拟通信中则应大于在模拟通信中则应大于50 dB。 第5章无源光器件5.3光光 衰衰 减减 器器能够使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为能够使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为光衰减器。光衰减器。 它是随着光纤通信的发展出现的一种非常重要它是随着光纤通信的发展出现的一种非常重要的光学无源器件，的光学无源器件， 通过对光信号的衰减来实现光功率的控通过对光信号的衰减来实现光功率的控制，制， 在光纤通信、在光纤通信、 光信息处理、光信息处理、 光学测量和光计算机中光学测量和光计算机中有着极为广泛的应用。有着极为

35、广泛的应用。 对光衰减器的要求主要有：对光衰减器的要求主要有： 衰减量衰减量的重复性好、的重复性好、 精度高、精度高、 可靠性好、可靠性好、 重量轻、重量轻、 体积小等。体积小等。 目前，目前， 光衰减器的市场越来越大，光衰减器的市场越来越大， 在无源器件中其产量在无源器件中其产量仅次于连接器和耦合器。仅次于连接器和耦合器。 第5章无源光器件5.3.1 光衰减器的分类光衰减器的分类机械式光衰减器包括横向机械式光衰减器包括横向/纵向位移型、纵向位移型、 插入衰减片插入衰减片型等；型等； 非机械光衰减器也有多种类型，非机械光衰减器也有多种类型， 如声光效应型、如声光效应型、 电光效应型、电光效应型

36、、 热光效应型、热光效应型、 磁光效应型和液晶型等，磁光效应型和液晶型等， 不不同类型的光衰减器有着不同的工作原理。同类型的光衰减器有着不同的工作原理。 根据操作特点，根据操作特点， 光衰减器又可分为固定光衰减器光衰减器又可分为固定光衰减器(FOA)和可变光衰减器和可变光衰减器(VOA)两大类，两大类， FOA只能对光功率进行预定量的衰减，只能对光功率进行预定量的衰减， 而而VOA既能对光功率进行预定量的衰减也能对光功率进行既能对光功率进行预定量的衰减也能对光功率进行实时控制，实时控制， 但后者要比前者复杂得多。但后者要比前者复杂得多。第5章无源光器件1. 机械型光衰减器机械型光衰减器当两段光

37、纤进行连接时， 必须达到相当高的对准精度， 才能使光信号以较小的损耗传输过去。 反过来， 如果将光纤的对准精度做适当地调整， 就可以控制其衰减量。 位移型光衰减器就是利用这个原理， 有意让光纤在对接时， 发生一定的错位， 使光能量损失一些， 从而达到控制衰减器的目的， 此种光衰减器的最大优点在于回波损耗高。 图5-3-1和图5-3-2分别是利用移动光纤原理的纵向位移型和横向位移型光衰减器的原理图以及它们的光束耦合示意图。 第5章无源光器件图5-3-1 纵向位移光衰减器原理图第5章无源光器件图5-3-2 横向位移光衰减器原理图第5章无源光器件图5-3-3 直接镀膜型光衰减器结构图第5章无源光器件

38、衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，定在光纤的端面上或光路中， 达到衰减光信号的目的。达到衰减光信号的目的。 具体制作方法是通过机械装置，具体制作方法是通过机械装置， 将衰减片直接固定于准将衰减片直接固定于准直光路中，直光路中， 当光信号经过自聚焦透镜准直后，当光信号经过自聚焦透镜准直后， 通过衰通过衰减片时，减片时， 光能量被衰减，光能量被衰减， 再被第二个自聚焦透镜聚焦再被第二个自聚焦透镜聚焦耦合进光纤中。耦合进光纤中。 使用不同衰减量的衰减片，使用不同衰减量的衰减片， 就可以得到就可以得到相应衰减值的光衰减器，

39、相应衰减值的光衰减器， 结构如图结构如图5-3-4所示。所示。 第5章无源光器件图5-3-4 衰减片型光衰减器结构示意图第5章无源光器件2. 热光型光衰减器热光型光衰减器热光型光衰减器是利用热光效应原理对光功率进行衰热光型光衰减器是利用热光效应原理对光功率进行衰减。减。 热光效应是指通过电流加热的方法，热光效应是指通过电流加热的方法， 使介质的温度发使介质的温度发生变化，生变化， 导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。物理效应。 如图如图5-3-5所示的波导热光型光衰减器，所示的波导热光型光衰减器， 无需无需对器件尺寸严格要求，对器件尺寸

40、严格要求， 单模波导加入弯曲和楔形过渡区，单模波导加入弯曲和楔形过渡区， 弯曲波导上加上电极，弯曲波导上加上电极， 当没有外加电压作用时，当没有外加电压作用时， 大部分大部分输入光低损耗通过弯曲部分，输入光低损耗通过弯曲部分， 具有最大透光率。具有最大透光率。 当加上电当加上电压后，压后， 模式非对称地向下扭曲，模式非对称地向下扭曲， 而波导自身的弯曲又使而波导自身的弯曲又使其水平扭曲，其水平扭曲， 产生辐射损耗，产生辐射损耗， 从而实现对光的衰减。从而实现对光的衰减。 第5章无源光器件图5-3-5 热光型光衰减器原理图第5章无源光器件4. 基于基于MEMS技术的光衰减器技术的光衰减器基本原理

41、就是通过静电或其他控制力使可以活动的部基本原理就是通过静电或其他控制力使可以活动的部件发生机械转动，件发生机械转动， 以改变输入光的传播方向，以改变输入光的传播方向， 从而实现从而实现衰减功能。衰减功能。 MEMS型光衰减器大致分为屏光式和反射式两型光衰减器大致分为屏光式和反射式两种类型，种类型， 前者通过在输入和输出端口之间的准直光束中插前者通过在输入和输出端口之间的准直光束中插入挡光片，入挡光片， 通过控制挡光片边沿切入光束的深度来控制衰通过控制挡光片边沿切入光束的深度来控制衰减值；减值； 后者通过调整反射镜，后者通过调整反射镜， 包括反射镜反射率或反射镜包括反射镜反射率或反射镜相对于入射

42、光和出射光的夹角和距离，相对于入射光和出射光的夹角和距离， 来改变入射光和出来改变入射光和出射光的耦合效率，射光的耦合效率， 从而调整光衰减量。从而调整光衰减量。 图图5-3-7和图和图5-3-8分别为屏光式和反射式光衰减器示意图。分别为屏光式和反射式光衰减器示意图。 第5章无源光器件图5-3-7 屏光型MEMS光衰减器示意图第5章无源光器件图5-3-8 反射型MEMS光衰减器原理图及实物图第5章无源光器件5.3.2 光衰减器的应用光衰减器的应用光衰减器是随着光通信事业的发展而出现的一种重光衰减器是随着光通信事业的发展而出现的一种重要的光学无源器件。要的光学无源器件。 可用于波分复用系统中上行

43、下行节可用于波分复用系统中上行下行节点的信道功率平衡，点的信道功率平衡， 掺铒光纤放大器的增益平坦，掺铒光纤放大器的增益平坦， 光光通信线路系统的评估、通信线路系统的评估、 研究、研究、 调整和校正等方面。调整和校正等方面。 光衰光衰减器可以按照用户的要求通过吸收或反射掉部分光功率，减器可以按照用户的要求通过吸收或反射掉部分光功率， 从而将光信号能量进行预期地衰减。从而将光信号能量进行预期地衰减。 第5章无源光器件随着通信网络数据传输量的急剧增加，随着通信网络数据传输量的急剧增加， 应用波分复应用波分复用技术的全光网络应运而生。用技术的全光网络应运而生。 掺铒光纤放大器是波分复掺铒光纤放大器是

44、波分复用系统中不可缺少的器件，用系统中不可缺少的器件， 对于实现全光通信有着极其对于实现全光通信有着极其重要的作用。重要的作用。 但是，但是， 掺铒光纤放大器由于增益窗口的限掺铒光纤放大器由于增益窗口的限制，制， 使得它对不同波长有不同的增益倍数，使得它对不同波长有不同的增益倍数， 导致波分复导致波分复用系统信道间的能量不平衡，用系统信道间的能量不平衡， 这样会引起三方面的问题：这样会引起三方面的问题： 接收能量不平衡最终会超过接收器所允许的动态范围；接收能量不平衡最终会超过接收器所允许的动态范围； 累积的信噪比的不平衡会导致对于一定波长的误码率累积的信噪比的不平衡会导致对于一定波长的误码率增

45、加；增加； 由于增益的不足，由于增益的不足， 最小信道的信号强度可能会最小信道的信号强度可能会低于接收机灵敏度，低于接收机灵敏度， 无法探测到信号。无法探测到信号。 第5章无源光器件光衰减器的出现一定程度上解决了信道间功率不均衡光衰减器的出现一定程度上解决了信道间功率不均衡的问题。的问题。 通常，通常， 光网络的光功率均预算设计为较大富裕量，光网络的光功率均预算设计为较大富裕量， 减少所使用光器件的规格来降低管理和维护的工作量，减少所使用光器件的规格来降低管理和维护的工作量， 减减少备件的数量，少备件的数量， 光衰减器可以将光功率调整为某一合适值。光衰减器可以将光功率调整为某一合适值。 光网络

46、的发展往往分为几期工程，光网络的发展往往分为几期工程， 还需不断进行扩容和改还需不断进行扩容和改造，造， 导致网络运行环境在不断变化，导致网络运行环境在不断变化， 每次变动都要重新每次变动都要重新调整光功率。调整光功率。 随着系统使用时间的推移，随着系统使用时间的推移， 光器件出现老化光器件出现老化现象，现象， 需要利用光衰减器对光信号进行不断的调整才能保需要利用光衰减器对光信号进行不断的调整才能保持光接收机处于最佳工作状态。持光接收机处于最佳工作状态。 第5章无源光器件此外，此外， 光衰减器对于光通信线路、光衰减器对于光通信线路、 系统系统的检测也很重要。的检测也很重要。 光纤线路及系统在铺

47、设前要光纤线路及系统在铺设前要进行检测来确定系统或者线路的一些性能参数，进行检测来确定系统或者线路的一些性能参数， 以便对系统进行一些优化调试。以便对系统进行一些优化调试。 因此，因此， 需要需要模拟实际情况，模拟实际情况， 主要是对信号进行适当的衰主要是对信号进行适当的衰减，减， 这样就可以发现信号在长距离传输后的这样就可以发现信号在长距离传输后的实际情况。实际情况。 第5章无源光器件5.4 光光 开开 关关光开关在光纤通信系统，光开关在光纤通信系统， 尤其是在发展十分迅速的尤其是在发展十分迅速的WDM系统及全光网中有许多重要的应用。系统及全光网中有许多重要的应用。 它是一种具有它是一种具有

48、一个或多个可选择的传输端口，一个或多个可选择的传输端口， 可对光传输线路或者集可对光传输线路或者集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。 对对光开关的要求是插入损耗小、光开关的要求是插入损耗小、 串音低、串音低、 开关速度快、开关速度快、 回回波损耗小、波损耗小、 消光比大、消光比大、 寿命长、寿命长、 结构小型化和操作方便。结构小型化和操作方便。 第5章无源光器件5.4.1 光开关的应用光开关的应用根据光开关的输入、根据光开关的输入、 输出端口数，输出端口数， 可分为可分为11、 12、 1N、 MN等多种，等多种， 它们在不同场合中有不

49、同它们在不同场合中有不同用途。用途。 (1) 光纤测试中的光源控制。光纤测试中的光源控制。 用于控制光源的接通和切用于控制光源的接通和切断。断。 (2) 光网络自动保护倒换。光网络自动保护倒换。 在光纤断裂或传输发生故障在光纤断裂或传输发生故障时，时， 可通过光开关改变业务的传输路径，可通过光开关改变业务的传输路径， 实现对业务的保实现对业务的保护。护。 大多数光纤网络都有两条以上的路由连接到关键节点大多数光纤网络都有两条以上的路由连接到关键节点上，上， 一旦光纤或节点设备发生故障，一旦光纤或节点设备发生故障， 通过光开关，通过光开关， 信号信号可以避开故障，可以避开故障， 选择合适的路由到达

50、目的地，选择合适的路由到达目的地， 这在高速通这在高速通信系统中尤为重要。信系统中尤为重要。 第5章无源光器件(3) 光网络监控。光网络监控。 在远端光纤测试点通过光在远端光纤测试点通过光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪，开关把多根光纤接到一个光时域反射仪， 通过通过光开关倒换，光开关倒换， 实现对所有光纤监测，实现对所有光纤监测， 或者插入或者插入网络分析仪实现网络在线分析而不干扰正常的网网络分析仪实现网络在线分析而不干扰正常的网络信息传输。络信息传输。 (4) 光纤通信器件测试。光纤通信器件测试。 使用光开关可同时使用光开关可同时对多个器件进行测试，对多个器件进行测试， 从而简化测试，从

51、而简化测试， 提高效提高效率。率。 第5章无源光器件(5) 光交叉连接。光交叉连接。 利用光开关可以组成光开利用光开关可以组成光开关矩阵，关矩阵， 这些光开关矩阵正是光交叉连接的核这些光开关矩阵正是光交叉连接的核心部件，心部件， 而光交叉连接又是而光交叉连接又是WDM全光传送网全光传送网中设备的交换核心，中设备的交换核心， 它的功能是将一个它的功能是将一个WDM系统输出的波长插入到另一个系统输出的波长插入到另一个WDM系统中。系统中。 光光交叉连接主要应用于骨干网，交叉连接主要应用于骨干网， 对不同子网的业对不同子网的业务进行汇聚和交换。务进行汇聚和交换。 第5章无源光器件(6) 光插光插/分

52、复用。分复用。 光开关是光插光开关是光插/分复用的关分复用的关键组成部分，键组成部分， 可以通过软件控制动态上可以通过软件控制动态上/下任意下任意波长，波长， 增加网络配置的灵活性，增加网络配置的灵活性， 同时，同时， 使光使光插插/分复用节点能支持保护倒换，分复用节点能支持保护倒换， 当网络出现故当网络出现故障时，障时， 节点将故障业务切换到备用路由中，节点将故障业务切换到备用路由中， 增增强了网络的生存能力和网络的保护与恢复能力。强了网络的生存能力和网络的保护与恢复能力。 (7) 光传感系统。光传感系统。 光开关还可以应用于点传光开关还可以应用于点传感系统，感系统， 实现空分复用和时分复用

53、。实现空分复用和时分复用。 (8) 光学测试。光学测试。 光开关可以组成光学扫描镜光开关可以组成光学扫描镜阵列。阵列。 第5章无源光器件5.4.2 光开关的分类光开关的分类 光开关按照其工作原理可分为机械式光开关和非机械光开关按照其工作原理可分为机械式光开关和非机械式光开关两大类。式光开关两大类。 前者是利用光纤或光学元件的移动，前者是利用光纤或光学元件的移动， 使光路发生改变。使光路发生改变。 这类光开关技术比较成熟、这类光开关技术比较成熟、 插入损耗较插入损耗较低低(低于低于2 dB)、 隔离度高隔离度高(大于大于45 dB)、 且在消光比和偏振且在消光比和偏振敏感方面具有良好的性能。敏感

54、方面具有良好的性能。 但是开关时间较长但是开关时间较长(毫秒量级毫秒量级)、 结构尺寸比较大且不易集成。结构尺寸比较大且不易集成。 后者是利用固体物理效应，后者是利用固体物理效应， 如电光、如电光、 磁光、磁光、 声光和热光效应等，声光和热光效应等， 来改变波导折射率，来改变波导折射率， 使光路发生改变。使光路发生改变。 这类光开关体积非常小、这类光开关体积非常小、 开关速开关速度快度快(毫秒到亚毫秒量级毫秒到亚毫秒量级)且易于大规模集成。且易于大规模集成。 但其插入损但其插入损耗、耗、 隔离度、隔离度、 消光比及偏振敏感性都比较差。消光比及偏振敏感性都比较差。 第5章无源光器件1. 机械式光

55、开关机械式光开关机械式光开关有移动光纤式、机械式光开关有移动光纤式、 移动套管式和移动套管式和移动透镜移动透镜(包括反射镜、包括反射镜、 棱镜和自聚焦透镜棱镜和自聚焦透镜)式光式光开关。开关。 在移动光纤式光开关的输入或输出端中，在移动光纤式光开关的输入或输出端中， 其其中一端的光纤是固定的，中一端的光纤是固定的， 而另一端的光纤是活动而另一端的光纤是活动的，的， 通过移动活动光纤，通过移动活动光纤， 使之与固定光纤中的使之与固定光纤中的不同端口相耦合，不同端口相耦合， 从而实现光路的切换从而实现光路的切换(见图见图5-4-1)。 这类光开关结构简单、这类光开关结构简单、 重复性好且与偏振无重

56、复性好且与偏振无关，关， 但开关速度较慢。但开关速度较慢。第5章无源光器件图5-4-1 1N移动光纤式光开关示意图第5章无源光器件2. 非机械式光开关非机械式光开关 相对于机械式光开关，相对于机械式光开关， 非机械式光开关研究和非机械式光开关研究和应用的历史要短些，应用的历史要短些， 它们是利用一些材料有电光、它们是利用一些材料有电光、 声光、声光、 磁光和热光效应，磁光和热光效应， 采用波导结构做成的。采用波导结构做成的。 这类开关具有突出的优点，这类开关具有突出的优点， 使得近年来人们加强使得近年来人们加强了这方面的研究并取得了长足的进展，了这方面的研究并取得了长足的进展， 目前已有目前已

57、有多种非机械式光开关进入实用化阶段。多种非机械式光开关进入实用化阶段。第5章无源光器件1） 电光开关电光开关电光开关是利用波导材料的电光效应实现波电光开关是利用波导材料的电光效应实现波导折射率调制，导折射率调制， 改变光的路径来达到开关的目改变光的路径来达到开关的目的。的。 在利用电光效应做成的光开关中，在利用电光效应做成的光开关中， 使用最使用最多的是马赫多的是马赫曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪(MZI)， 它的原理如它的原理如图图5-4-4所示。所示。 第5章无源光器件图5-4-4 MZI电光开关结构原理图第5章无源光器件一个一个22 MZI光开关由两个光开关由两个3 dB定向耦合器定向耦合器和

58、一个两臂长相等的波导组成，和一个两臂长相等的波导组成， 耦合器把输入耦合器把输入光一分为二进入两个臂传输。光一分为二进入两个臂传输。 光在各自臂传输光在各自臂传输时，时， 由于电调制，由于电调制， 改变波导折射率，改变波导折射率， 使两个使两个臂的传输光产生相位差。臂的传输光产生相位差。 当具有相位差的两束当具有相位差的两束光汇聚于输出耦合器处时，光汇聚于输出耦合器处时， 发生干涉，发生干涉， 通过控通过控制干涉的状态，制干涉的状态， 从而达到切换输出端口的目的。从而达到切换输出端口的目的。 第5章无源光器件2） 声光开关声光开关声光型光开关中，声光型光开关中， 其工作原理主要基于声其工作原理

59、主要基于声光效应。光效应。 声光效应是指声波通过材料时，声光效应是指声波通过材料时， 使材使材料产生机械应变，料产生机械应变， 引起材料的折射率变化，引起材料的折射率变化， 形形成周期与波长相关的布拉格光栅，成周期与波长相关的布拉格光栅， 输入光波在输入光波在沿内部有声波的波导传输时，沿内部有声波的波导传输时， 将发生衍射或散将发生衍射或散射现象。射现象。 声光开关速度较快、声光开关速度较快、 可靠性好，可靠性好， 但但插入损耗较大、插入损耗较大、 成本也较高。成本也较高。 第5章无源光器件图图5-4-5所示的声光开关通过电极施加在压电所示的声光开关通过电极施加在压电晶体上的射频调制信号，晶体

60、上的射频调制信号， 由于光弹性效应，由于光弹性效应， 在在晶体表面产生应力，晶体表面产生应力， 从而产生表面声波从而产生表面声波(SAW)， 该声波信号通过声光材料进行传输时，该声波信号通过声光材料进行传输时， 产生随产生随声波幅度周期性变化的应力，声波幅度周期性变化的应力， 使该材料折射率使该材料折射率产生周期性变化，产生周期性变化， 以至声波产生了可以对光束以至声波产生了可以对光束衍射的光栅，衍射的光栅， 由于这一光栅的衍射作用，由于这一光栅的衍射作用， 使波使波导中的光强和传输方向都发生变化，导中的光强和传输方向都发生变化， 从而实现从而实现光的开关或调制功能。光的开关或调制功能。 第5