第三章光无源器件

1、第三章第三章 光纤通信无源器件光纤通信无源器件 3.1 光纤光纤的连接与耦合的连接与耦合 3.2 光衰耗器光衰耗器 3.3 光开关光开关 3.4 光隔离器光隔离器 3.5 光环行器光环行器 3.6 波分复用波分复用/解复用器件解复用器件连接器连接器插头插头插座插座3.1 连接器连接器 连接器是光纤通信中应用连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件；最广泛最基本的光无源器件； 连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸光纤与光纤之间可拆卸(活动活动)连接的器件；连接的器件； 对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光对这种器件的基本要

2、求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤；能量最大限度耦合到接收光纤； 连接器连接器“跳线跳线”用于终端设备和光缆线路及各用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连。种光无源器件之间的互连。对连接器的要求对连接器的要求 连接损耗连接损耗(插入损耗插入损耗)小；小； 回波损耗大；回波损耗大； 多次插拨重复性好；多次插拨重复性好； 互换性好；互换性好； 环境温度变化时，性能保持稳定；环境温度变化时，性能保持稳定； 并有足够的机械强度；并有足够的机械强度； 因此，需要精密的机械和光学设计和加工装配，因此，需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配，以保证

3、两个光纤端面和角度达到高精度匹配，并保特适当的间隙并保特适当的间隙。图图3.1.1 连接损耗的机理连接损耗的机理纤纤芯芯尺尺寸寸失失配配数数值值孔孔径径失失配配纤纤芯芯不不同同心心折折射射率率分分布布失失配配( (a a) )固固有有损损耗耗图图3.1.1 连接损耗的机理连接损耗的机理(b)外部损耗(b)外部损耗端面间隙端面间隙轴向倾角轴向倾角 横向偏移横向偏移菲涅尔反射菲涅尔反射端面粗糙端面粗糙xd连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。光纤插针的端面有平面、球面（光纤插针的端面有平面、球面（PC）或斜面）或斜面(APC, An

4、gled Physical Contact)。对中可以采用套管结构、双锥结构、对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微孔结构、三棒结构或多层结构。孔结构、三棒结构或多层结构。因此因此, 连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的应用，如图定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的应用，如图3.1.2（b）所示。）所示。 图图3.1.2 活动连接器结构和特性活动连接器结构和特性套筒套筒插针插针粘结剂粘结剂

5、光纤光纤光纤插针与套筒连接示意图光纤插针与套筒连接示意图(b)(C) 连接器插头和插座连接器插头和插座APC8o o三种常见的物理接触三种常见的物理接触(a)芯芯包皮包皮凸球面凸球面平面平面斜面斜面PC连接器的种类连接器的种类 两插头与转接器的连接有两插头与转接器的连接有FC型、型、SC型和型和ST型。型。FC：表示用螺纹连接；：表示用螺纹连接；SC（Square/Subscriber Connector）：）：表示轴向插拔矩形外壳结构；表示轴向插拔矩形外壳结构；ST（Spring Tension）：表示弹簧带键卡口结）：表示弹簧带键卡口结构。构。 通常我们把光纤插针端面结构和两插头与转接器通

6、常我们把光纤插针端面结构和两插头与转接器的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类型，通常有型，通常有 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和和 ST/PC 型等。型等。表表3.1.1 各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标 类型类型结构和特性结构和特性FC/PCFC/APCSC/PCSC/APCST/PC插针套管插针套管(包括光纤包括光纤)端面形状端面形状凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面连接方式连接方式螺纹螺纹螺纹螺纹轴向插拔轴向插拔轴向插拔轴向插拔卡口卡口结结构

7、构特特点点连接器形状连接器形状圆形圆形圆形圆形矩形矩形矩形矩形圆形圆形平均插入损耗平均插入损耗（dB） 0.2 0.3 0.3 0.3 0.2最大插入损耗最大插入损耗（dB） 0.3 0.50.50.50.3重复性重复性（dB） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1互换性互换性（dB） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1回波损耗回波损耗（dB） 40 60 40 60 40插拔次数插拔次数 1000 1000 1000 1000 1000性性能能指指标标使用温度范围使用温度范围 40 +800C 40 +800C 40 +800C 40 +800C 40 +800C用途用途长距离干线网长

8、距离干线网,用户网或局域网用户网或局域网长距离干线网长距离干线网,高速率数字系统高速率数字系统或模拟视频系统或模拟视频系统用户网用户网或局域网或局域网用户网用户网或局域网或局域网用户网用户网或局域网或局域网接接 头头 接头是把两个光纤端面结合在一起，以接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性实现光纤与光纤之间的永久性(固定固定)连接。连接。接头用于相邻两根光缆接头用于相邻两根光缆(纤纤)之间的连接，之间的连接，以形成长距离光缆线路。永久性连接一以形成长距离光缆线路。永久性连接一般在现场实施，这种连接是光缆线路建般在现场实施，这种连接是光缆线路建造中的重要技术。造中的重要技术

9、。 对接头的要求主要是连接对接头的要求主要是连接(接头接头)损耗小，损耗小，有足够的机械强度，长期的可靠性和稳有足够的机械强度，长期的可靠性和稳定性，以及价格便宜等。定性，以及价格便宜等。光纤1光纤1光纤2光纤2接头制作方法-热熔连接热熔连接 把端面切割良好的两根光纤放在把端面切割良好的两根光纤放在V形槽内，用形槽内，用微调器使纤芯精确对中；微调器使纤芯精确对中； 用高压电弧加热把两个光纤端面熔合在一起；用高压电弧加热把两个光纤端面熔合在一起； 用热缩套管和钢丝加固形成接头；用热缩套管和钢丝加固形成接头； 接头的质量不仅受光纤公差而且受电弧电流和接头的质量不仅受光纤公差而且受电弧电流和加热时间

10、的影响。热熔连接方法在世界范围得加热时间的影响。热熔连接方法在世界范围得到广泛应用。市场上有多种规格的自动控制熔到广泛应用。市场上有多种规格的自动控制熔接机，使用方便。接机，使用方便。V 形 槽形 槽接头制作方法接头制作方法-机械连接机械连接 用用V形槽、准直棒或弹性夹头等机械夹具，使形槽、准直棒或弹性夹头等机械夹具，使两根端面良好的光纤保持外表面准直；两根端面良好的光纤保持外表面准直； 用热固化或紫外固化，并用光学兼容环氧树用热固化或紫外固化，并用光学兼容环氧树脂粘结加固。脂粘结加固。 这种连接方法接头损耗大，因为纤芯对中的这种连接方法接头损耗大，因为纤芯对中的程度完全取决于光纤外径公差和机

11、械夹具对程度完全取决于光纤外径公差和机械夹具对光纤的控制能力。光纤的控制能力。毛细管粘结连接毛细管粘结连接 把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固化粘结剂固定，对端面进行抛光；固化粘结剂固定，对端面进行抛光； 在支架上用压缩弹簧把毛细管挤压在一起。在支架上用压缩弹簧把毛细管挤压在一起。 调节光纤位置，使输出功率达到最大，从调节光纤位置，使输出功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容环氧树脂粘结形而实现对中，用光学兼容环氧树脂粘结形成接头。成接头。 这种连接方法接头损耗很低。这种连接方法接头损耗很低。图图3.1.2 把端面切割良好的两根光纤放在把端面切割良好的两

12、根光纤放在V形槽内，形槽内，微调架对中，用高压电弧加热熔合在一起微调架对中，用高压电弧加热熔合在一起光纤1光纤1光纤2光纤2铒光纤铒光纤普通光纤普通光纤铒光纤铒光纤普通光纤普通光纤(a) V 形槽形槽(b) 热熔连接热熔连接(c) 普通光纤和铒光纤热熔连接普通光纤和铒光纤热熔连接T T形形 星星形形耦耦 合合 器器 耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。个或一个光输出。 耦合器对线路的影响是附加插入损耗，可能还耦合器对线路的影响是附加插入损耗，可能还有一定的反射和串音。有一定的反射和串音。 选择耦合器的主要依据是实际应用场合。选择耦合器

13、的主要依据是实际应用场合。T形耦合器是一种形耦合器是一种 3 端耦合器或端耦合器或 22 耦合器，它的功能是把一根光纤输耦合器，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给入的光功率分配给 2 根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器，或局域网终端的光输入或光输出耦合器。路器或功率组合器，或局域网终端的光输入或光输出耦合器。星形耦合器是一种星形耦合器是一种 N N 耦合器，它的功能是把耦合器，它的功能是把 N 根光纤输入的光功率根光纤输入的光功率组合在一起，并均匀分配给组合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功根

14、输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。率分路器或功率组合器。耦合器基本结构耦合器基本结构T形T形 星形星形方向方向波分波分 1 N 1 + + NN N 星形耦合器可以由几个星形耦合器可以由几个 2 2 耦合器组合而成。这种组合星形耦合器耦合器组合而成。这种组合星形耦合器的缺点是元件多、体积大。的缺点是元件多、体积大。熔拉双锥星形耦合器是一种紧凑的单体星形耦合器。这种耦合器的制造熔拉双锥星形耦合器是一种紧凑的单体星形耦合器。这种耦合器的制造技术是把许多光纤部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成双锥形结构。技术是把许多光纤部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成双锥形结构。锥形部分的

15、作用是把每根光纤输入的信号混合在一起，并近似相等地分锥形部分的作用是把每根光纤输入的信号混合在一起，并近似相等地分配给每个输出端。配给每个输出端。图图3.2.2 用熔拉双锥方法制造的星形耦合用熔拉双锥方法制造的星形耦合器器(a)(a)(b)(b)5 56 67 78 81 12 23 34 49 9101011111212传输型传输型反射型反射型 (c) 由由 12 个单模光纤耦合器组合的个单模光纤耦合器组合的88 星形耦合器星形耦合器另一种制造单模光纤星形耦合器的方法是新颖的集成光学结构，即在扇形的另一种制造单模光纤星形耦合器的方法是新颖的集成光学结构，即在扇形的输入和输出波导阵列之间插入一

16、块聚焦平板波导区，即自由空间区，该区可输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区，即自由空间区，该区可用硅平面波导电路技术制成，它的作用是将输入光功率均匀地分配到每个输用硅平面波导电路技术制成，它的作用是将输入光功率均匀地分配到每个输出端，如图出端，如图3.2.3所示。所示。这种结构的星形耦合器适合构成大规模的这种结构的星形耦合器适合构成大规模的N N星形耦合器，利用这种技术已星形耦合器，利用这种技术已制成用于制成用于 1.55 m 波段的波段的 64 64 和和 144 144 星形耦合器。星形耦合器。图图3.2.3 采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器采用硅平面波导技术制成的多端星形耦

17、合器(b)(b)输入输入阵列阵列输出输出阵列阵列平面波导区平面波导区o oo o Rs（a）N N 星形耦合器外形图星形耦合器外形图 （b）中心耦合区）中心耦合区3.2 光衰耗器光衰耗器光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量光系统的灵敏度及校正光功率计等。光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。（1）固定衰减器，其造成的功率衰减值是固定不变的，一般用于调节传输线路中某一区间的损耗。（2）可变衰减器，它所造成的功率衰减值可在一定范围内调节。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。3.3 光开关光开关 光开关的功能是转换光路，实现光信号光开

18、关的功能是转换光路，实现光信号的交换。的交换。 对光开关的要求是插入损耗小、串音低、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、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。方便。光开关分类光开关分类 机械光开关机械光开关包括微机械光开关包括微机械光开关 波导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移动臂移动臂光纤光纤准直头准直头固固定定输输出出光光纤纤1234NN光纤光纤旋转轴旋转轴反射镜反射镜输入输入光纤光纤-1（a）1 N移动光纤开关移动光纤开关（b）1 2移动反射镜开关移动

19、反射镜开关机械光开关优缺点机械光开关优缺点 在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；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）；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。开关尺寸较大，而且不易集成。微机电系统微机电系统 微机电系统微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)构成的微机电光开关已成为构成的微机电光开关已成为DWDM网中网中大容量光交换技术的主流。大容量光交换技术的主流。 它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体它是一种在半导体衬底材料上，

20、用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。可切换到不同输出光纤的微机电系统。 通常微反射镜的尺寸只有通常微反射镜的尺寸只有140 m 150 m，驱动力，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。 这种器件的特点是体积小、消光比大这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右左右)、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约约5ms)，插入损

21、耗小于插入损耗小于1 dB。图图3.6.2 可升降微反射镜可升降微反射镜 MEMS 光开光开关关入射光入射光沟渠沟渠可升降悬臂可升降悬臂微反射镜微反射镜波导波导波导波导硅衬底硅衬底通过光通过光（a）平行连接状态（a）平行连接状态电极电极顶视图顶视图侧面图侧面图V=0=0PLC图图3.6.2 可升降微反射镜可升降微反射镜 MEMS光开关光开关入射光入射光沟渠沟渠微反射镜微反射镜波导波导波导波导硅衬底硅衬底反射光反射光（a）交叉连接状态（a）交叉连接状态静电力静电力电极电极顶视图顶视图侧面图侧面图V VPLC图图3.6.3 可旋转微反射镜可旋转微反射镜 MEMS 光开关光开关微反微反射镜射镜输出输

22、出波导1波导1输入输入波导波导衬底衬底控制控制信号信号V V入射光入射光出射光出射光出射光出射光输出输出波导2波导2取向1取向1取向2取向2图图3.6.4 可立卧微反射镜可立卧微反射镜 MEMS 光开关光开关微反射镜微反射镜输出输出光纤1光纤1硅衬底PLC硅衬底PLC控制控制信号信号入射光入射光出射光出射光输出输出光纤2光纤2镜面镜面旋转轴旋转轴光纤光纤微机械光开关优缺点微机械光开关优缺点 具有机械光开关和波导光开关的优点，具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了它们所固有的缺点；却克服了它们所固有的缺点； 采用了机械光开关的原理，但又能象波采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那样，集成

23、在单片硅基上；导开关那样，集成在单片硅基上； 基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。面。 主要开发商有美国主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪、德克萨斯仪表公司和康宁等公司。表公司和康宁等公司。微机械光开关进展微机械光开关进展 用贝尔实验室开发的用贝尔实验室开发的 MEMs 技术（微透微透镜），已实现镜），已实现 256 256 的光交叉连接（交的光交叉连接（交换能力换能力 10 万亿比特万亿比特/s），是世界上第一），是世界上第一个个10 G 全光交叉连接系统；全光交叉连接系统； 2001年已达到年已达到 1024 1024； 它 可 以 运 行 在 任

24、 何 光 层 速 率 ， 包 括它 可 以 运 行 在 任 何 光 层 速 率 ， 包 括 40Gb/s以及更高的速率。以及更高的速率。波导开关波导开关 开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）；开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）； 体积非常小，而且易于大规模集成；体积非常小，而且易于大规模集成； 但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。性指标都比较差。图图3.6.5 马赫马赫-曾德尔曾德尔1 1光开关光开关LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCEa+ +- - -A AB B控制信号控制信号控

25、制信号控制信号t tt t输出光输出光 tV波导波导光开光开关关原理原理利利用用电电光光效效应应原原理理也也可可以以构构成成波波导导光光开开关关。由由两两个个 Y 形形LiNbO3波波导导构构成成的的马马赫赫-曾曾德德尔尔 1 1 光光开开关关，与与幅幅度度调调制制器器类类似似，在在理理想想的的情情况况下下，输输入入光光功功率率在在 C 点点平平均均分分配配到到两两个个分分支支传传输输，在在输输出出端端 D 干干涉涉，其其输输出出幅幅度度与与两两个个分分支支光光通通道道的的相相位位差差有有关关。当当 A、B 分分支支的的相相位位差差0时时输输出出功功率率最最大大，当当2时时，两两个个分分支支中

26、中的的光光场场相相互互抵抵消消，使使输输出出功功率率最最小小，在在理理想想的的情情况况下下为为零零。相相位位差差的的改改变变由由外外加加电电场场控控制制。LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCEa+ +- - -A AB B控制信号控制信号控制信号控制信号t tt t输出光输出光 tVtAEcoscos2output互易器件和非互易器件互易器件和非互易器件 连接器、耦合器等大多数无源器件的输入和输出端连接器、耦合器等大多数无源器件的输入和输出端是可以互换的，称之为互易器件。是可以互换的，称之为互易器件。 然而光通信系统也需要非互

27、易器件，如光隔离器。然而光通信系统也需要非互易器件，如光隔离器。光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件。光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件。 某些光器件特别是激光器和光放大器，对于从连接某些光器件特别是激光器和光放大器，对于从连接器、接头、调制器或滤波器反射回来的光非常敏感。器、接头、调制器或滤波器反射回来的光非常敏感。因此通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔因此通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔离器，以消除反射光的影响，使系统工作稳定。离器，以消除反射光的影响，使系统工作稳定。 对光隔离器的要求是隔离度大、插入损耗小、饱和对光隔离器的要求是隔离度大、插入损耗小、饱和磁场低和价格

28、便宜。磁场低和价格便宜。3.4 光隔离器光隔离器自聚焦透镜自聚焦透镜（起偏振器）（起偏振器）（检偏振器）（检偏振器） 法拉 法拉第旋转器第旋转器45450 0C C永磁铁永磁铁方解石方解石方解石方解石Gd：YIG膜Gd：YIG膜GRINGRIN透镜透镜GRINGRIN透镜透镜起偏振器起偏振器检偏振器检偏振器法拉第法拉第旋转器旋转器磁场磁场0 0o oo o45459090o o入射光入射光反射光反射光出射光出射光反射光反射光PA隔离器隔离器用法拉第磁光效应原理制成用法拉第磁光效应原理制成光通信用的隔离器几乎都用法拉第磁光效应原理制光通信用的隔离器几乎都用法拉第磁光效应原理制成。当平面偏振光沿着

29、磁场方向入射到非旋光材料时成。当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将旋转角度光偏振面将旋转角度 ，如果反射光再一次通过法拉第，如果反射光再一次通过法拉第介质，则旋转角度增加到介质，则旋转角度增加到 2 。角度。角度 可用下式表示可用下式表示HL(3.5.1)式中式中是材料的是材料的 Verdet 常数，表示单位磁场强度使光常数，表示单位磁场强度使光偏振面旋转的角度。偏振面旋转的角度。GRINGRIN透镜透镜GRINGRIN透镜透镜起偏振器起偏振器检偏振器检偏振器法拉第法拉第旋转器旋转器磁场磁场0 0o oo o45459090o o入射光入射光反射光反射光出射光出射光反射光反射

30、光PAPA隔离器隔离器工作原理工作原理 起偏器起偏器 P 使入射光的垂直偏振分量通过使入射光的垂直偏振分量通过 调整加在法拉第介质的磁场强度，使偏振面旋转调整加在法拉第介质的磁场强度，使偏振面旋转45o，然后通过检偏器，然后通过检偏器A。 反射光返回时，通过法拉第介质又一次旋转反射光返回时，通过法拉第介质又一次旋转45o ，正好和入射光偏振面正交，因此不会使入射光受正好和入射光偏振面正交，因此不会使入射光受到影响，等于把入射光和反射光相互隔离开来。到影响，等于把入射光和反射光相互隔离开来。光光隔隔离离器器光环行器用途和原理光环行器用途和原理 光环行器除了有多个端口外，其工作原理光环行器除了有多

31、个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件；与光隔离器类似，也是一种单向传输器件； 主要用于单纤双向传输系统和光分插复用主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中；器中； 方向性一般大于方向性一般大于 50dB。端口端口 1 输入的光信号只有在端口输入的光信号只有在端口 2 输出，端口输出，端口 2 输入的光信号只输入的光信号只有在端口有在端口 3 输出。在所谓输出。在所谓“理想理想”的环行器中的环行器中, 在端口在端口 3 输入的信输入的信号只会在端口号只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用环行器

32、都设计成要的。因此，大多数商用环行器都设计成“非理想非理想”状态，即吸收状态，即吸收从端口从端口 3 输入的任何信号，方向性一般大于输入的任何信号，方向性一般大于 50 dB。3.5 光环行器光环行器-用于单纤双向传输系统用于单纤双向传输系统光发光发射机1射机1光发光发射机2射机2光接光接收机1收机1光环光环形器形器光环光环形器形器光接光接收机2收机21 12 23 31 12 23 3光纤光纤3.6 波分复用波分复用/解复用器件解复用器件 波分复用器波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长的发射机输出的的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起光信号复合在一起,并注入到一根光纤。

33、解复用器的功能与并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反。波分复用器正好相反。 棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些分开的光从棱棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些分开的光从棱镜进入空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分镜进入空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分开，完成解复用。开，完成解复用。. . . .n2n1n1n1n21nC12121n2n透射光透射光4/2 4/1 (a)对反射光相长干涉的原理(a)对反射光相长干涉的原理1550330770 o (nm)反反射射系系数数0(b) 反射系数与波长的关系(b) 反射系数与波长的关系图图3.4.7 用介

34、质薄膜滤波器用介质薄膜滤波器构成典型的解复用器构成典型的解复用器光光纤纤棒棒透透镜镜干干涉涉滤滤波波器器光光纤纤干干涉涉滤滤波波器器反反射射镜镜干干涉涉滤滤波波器器棒棒透透镜镜棒棒透透镜镜光光纤纤光光纤纤干干涉涉滤滤波波器器光光纤纤光光纤纤光光纤纤321, 3 2 1 布拉格光栅布拉格光栅inEoutEtotr,E半反射镜半反射镜 布拉格布拉格（Bragg）光栅由间距为）光栅由间距为 的一列平行半反射镜组成，的一列平行半反射镜组成， 称为布拉格间距，如图称为布拉格间距，如图3.3.9所示。如果半反射镜数量所示。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，（布拉格周期

35、）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜反射出来的总能量从第一个反射镜反射出来的总能量totr,E约为入射的能量约为入射的能量inE，即使功率反射系数，即使功率反射系数 R 很小。该很小。该特定波长特定波长B强反射的条件是强反射的条件是2/Bn(3.3.8)式中式中 n 代表布拉格光栅的阶数，当代表布拉格光栅的阶数，当1n时，表示一阶布拉格光栅，此时时，表示一阶布拉格光栅，此时2/B；当；当2n时，表示二阶布拉格光栅，此时时，表示二阶布拉格光栅，此时B。式。式(3.3.8)表明，布拉格间距表明，布拉格间距(或光栅周期或光栅周期)应该是应该是B波长一半的整数倍，负号代表是反射。波长

36、一半的整数倍，负号代表是反射。 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布拉格波长。光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅是光纤布拉格光栅是一小段光纤，一般一小段光纤，一般几毫米长，其纤芯几毫米长，其纤芯折射率经两束相互折射率经两束相互干涉的紫外光（峰干涉的紫外光（峰值波长为值波长为240nm）照射后产生周期性照射后产生周期性地调制，干涉条纹地调制，干涉条纹周期由两光束之间周期由两光束之间的夹角决定。的夹角决定。大多数光纤的纤芯大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是对于紫外光

37、来说是光敏的，将纤芯直光敏的，将纤芯直接曝光于紫外光下接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率将导致纤芯折射率永久性变化。永久性变化。光纤光纤芯芯包层包层紫外干涉光紫外干涉光光栅光栅4321 2 43 1 用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器 这种光纤布拉格光栅的基本特性就是这种光纤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器。该共振波长称为布拉格波长，由式由式(3.3.8)可知，其值为可知，其值为n 2B光纤光栅带通滤波器光纤光栅带通滤波器 利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长

38、附近光的特性，可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。性，可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。 如果在一个如果在一个2 2光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同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。样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器。 3dB 3dB耦合器耦合器1 12 2输入输入共振波长为共振波长为完全相同的完全相同的的布拉格光栅的布拉格光栅4 4入入4 4输出输出输出输出输出输出1 14 47 7 1 17 7 1 17 7 4 4 4 4 光分插复用器光分插复用器(OADM)在在WDM网络中，网络中，需要光分插复用需要光分插复用器器(OADM)

39、，在保，在保持其它信道传输持其它信道传输不变的情况下，不变的情况下，将某些信道取出将某些信道取出而将另外一些信而将另外一些信道插入。道插入。可以认为，这样可以认为，这样的器件是一个波的器件是一个波分复用分复用/解复用对。解复用对。右图表示固定波右图表示固定波长光分插复用器。长光分插复用器。波波分分解解复复用用信号信号输出输出波波分分复复用用插入波长信道插入波长信道分出波长信道分出波长信道信号信号输入输入WDMWDM可编程分插复用器可编程分插复用器 可编程分插复用器通过对光纤光栅调谐取出所需要可编程分插复用器通过对光纤光栅调谐取出所需要的波长，而让其它波长信道通过；的波长，而让其它波长信道通过； 所以这样的分插复用器称为分插滤波器。所以这样的分插复用器称为分插滤波器。12光环形器光环形器信号信号输入输入调谐光纤光栅调谐光纤光栅分出波长信道分出波长信道WDM1 12 2光环形器光环形器信号信号输出输出插入波长信道插入波长信道WDM n3 n3 n光交叉连接光交叉连接(OXC)光交叉连接光交叉连接(OXC)具有具有传输速率高、容量大、传输速率高、容量大、抗干扰能力