光纤技术及应用---第五章

1、第五章第五章光光 纤纤 器器 件件2022-6-272为实现光波的传输：传统方法：采用分立光学元件分立光学元件构成光学系统缺点：体积大、质量大、结构松散、可靠性差、与光纤不兼容光纤技术的发展：以光纤为基质构成光纤器件光纤为基质构成光纤器件，弥补不足光纤器件是构成光纤通信系统和光纤传感系统不可缺少的部件。按照能量的产生和消耗按照能量的产生和消耗可分为光纤无源器件光纤无源器件和光纤有源器件光纤有源器件：(a)光纤无源器件光纤无源器件：指用光纤构成的一种能量消耗型器件能量消耗型器件；如：光纤连接器、光纤定向耦合器、光波分复用器、光纤隔离光纤连接器、光纤定向耦合器、光波分复用器、光纤隔离器和环形器、光

2、纤滤波器、光纤衰减器器和环形器、光纤滤波器、光纤衰减器等，功能功能：对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换及衰减等(b)光纤有源器件光纤有源器件：用光纤构成的一种能量产生型器件能量产生型器件如：光纤放大器、光纤激光器：光纤放大器、光纤激光器等功能功能：主要是扩大通信容量、增大中继距离、提高传感效能等。本章主要讲： 光纤无源器件（光纤连接器、光纤定向耦合器、光波分复用器、光纤隔离器和环形器、光纤滤波器、光纤光栅、光开关、光纤衰减器等）n光无源器件是光无源器件是光路的重要组成部分光路的重要组成部分。n光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件如光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件

3、如插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部分。分。常见的光无源器件有常见的光无源器件有光纤连接器、光耦合器、光波分光纤连接器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光衰减器、光开关复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。等。n光无源器件遵守光学的基本理论，即光线理论和电磁场理光无源器件遵守光学的基本理论，即光线理论和电磁场理论。论。5.1 光纤无源器件光纤无源器件1、光纤无源器件的主要性能参数主要性能参数 广义讲：光纤无源器件可以看成一个多端口耦合器一个多端口耦合器，每一个端口对应一条信号通道（简称“信道”），光信号由耦合器的一个端口或几个

4、端口输入，经过某种变换或处理之后，从另一个或几个端口输出。（1）信道插入损耗信道插入损耗：表示由输入信道(j)至指定输出信道(i)的功率传输损耗，即：)/lg(10jiijPP其中：jP-是第j信道的输入功率iP-是第i信道的输出功率2022-6-276（2）信道隔离比信道隔离比：表示由输入信道(j)至非指定输出信道非指定输出信道(k)的功率传输损耗，即：)/lg(10jkkjPPI（3）过剩损耗过剩损耗：表示当由第 j 信道输入功率 时，由器件所引起的总附加功率传输损耗 ，即：jP)/lg(10jiiTPP（4）回波损耗：回波损耗：表示由输入端口返回输入信道的功率损耗，即：)/lg(10jj

5、jjPP回波损耗又称为后向反射损耗，是指回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数，射光功率的分贝数，回波损耗越大越回波损耗越大越好好。2022-6-277（5）信道工作波长信道工作波长：表示相应于最低插入损耗值的光信号波长，在波分复用器中这一参数尤为重要。（6）信道带宽信道带宽 ：表示相应于标定插入损耗值的光信号波长范围，如：0.5dB带宽或3dB带宽等。iB 此外：各种不同的无源器件还具有一些特定的性能参数，如：隔离器的隔离器的“反向隔离比反向隔离比”、波分复用器的、波分复用器的“信道间信道间隔隔”、以及光开关的、以及光

6、开关的“开关速度开关速度”等2022-6-2782、光纤连接器光纤连接器 （1）光纤连接器光纤连接器-是光纤与光纤之间的活动接头，把光纤的两个端面精密对接起来。是一种可拆卸的光纤接插件，用于反复地连接或断开光纤。（2）光纤连接器的主要技术要求光纤连接器的主要技术要求：(a) 插入损耗小；(b)重复插拔损耗变化小；(c ) 一致性（互换性）好。此外，要求安装方便、性能稳定、可靠性高、价格低廉。在距离光源较近处的光纤连接器还必须具有较大的回波损耗，以消除端面反馈光对光源的不利影响。（3）光纤连接器的分类光纤连接器的分类：端面对接式连接器、透镜扩束式连接器、阵列光纤连接器n光纤活动连接器基本上是采用

7、某种机械和光学结构，使两光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根根光纤的纤心对接光纤的纤心对接，保证，保证9595以上的光能通过连接器。以上的光能通过连接器。n目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种目前，活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种。 图图 套管结构套管结构结构图结构图分为：直插（ST)型、双锥(BC)型；书上P83页n 图图 双锥结构双锥结构 图图 球面定心结构球面定心结构n 图图 V V形槽结构形槽结构 图图 透镜耦合结构透镜耦合结构图 常用光纤连接器的对准方案示意图(a) 直套筒； (b) 锥形套筒； (c) 扩展光束接收光纤引导环套管光纤共轴调整

8、套筒引导环套管发射光纤扩展光束准直聚焦透镜(a)(b)(c)常用连接器类型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type2022-6-27133、光纤定向耦合器（简称光纤耦合器）光纤定向耦合器（简称光纤耦合器） 在光纤通信和光纤测量中， 有时需要把光信号在光路上由一路向两路或多路传送， 有时需把N路光信号合路再向M路或N路分配， 能完成上述功能的器件就是光耦合器器件就是光耦合器。 光耦合器按制作方法按制作方法分为微镜片耦合器、 波导耦合器和光纤耦合器等。 通常，光信号功率由耦合器的一个端口输入一个端口输入，然后按照一定的按照一定的比例分配至几个指定端口输出比例分配至几个指定端口输

9、出，称为分路分路；光信号功率由几个端口输入，经耦合器进入同一个端口输出由几个端口输入，经耦合器进入同一个端口输出，称为分路分路。光纤定向耦合器特点：特点：器件的主体是光纤，不含其它光学元件； 光的耦合功能是通过光纤中传输模式的耦合实现的；(a) 光信号的传送方向是固定的。光纤定向耦合器是一种用于传送和分配光信号用于传送和分配光信号的无源器件。 在各种光纤通信网中，要用到大量的光纤定向耦合器，作为光纤线路的分路、合路以及节点互联耦合器件。 由于制作时只需要光纤， 不需要其他光学元件， 具有与传输光纤容易连接且损耗较低容易连接且损耗较低、 耦合过程无需离开光纤，耦合过程无需离开光纤， 不存在任何不

10、存在任何反射端面引起的回波损耗反射端面引起的回波损耗等优点优点， 因而更适合光纤通信， 有时也称为全光纤元件全光纤元件2022-6-27151、光纤耦合器类型光纤耦合器类型：根据光纤耦合器的工作原理分(a)部分反射式光纤耦合器部分反射式光纤耦合器：利用光学部分反射原理来实现的。端口输出分配比取决于反射模反射率的大小输出分配比取决于反射模反射率的大小；图5.1-5(b) 波前分割式光纤耦合器波前分割式光纤耦合器：是对输入光束进行空间分割，使其分成几束光束输出，达到分光的目的；图5.1-7(c )模场耦合式光纤耦合器模场耦合式光纤耦合器：依据光纤中传输模式场分布相互耦合来实现光信号的分路和合路。当

11、两光纤相距很近时，在一根光当两光纤相距很近时，在一根光纤中传输的模式场分布会扩展到另一根光纤之中，从而在其中激纤中传输的模式场分布会扩展到另一根光纤之中，从而在其中激励起传导模励起传导模，因此就使得导模场所携带功率由一根光纤耦合到另一根光纤中传输。图5.1-8（X形拼接式耦合器）,5.1-9（双锥形光纤耦合）图5.1-8（X形拼接式耦合器）,-输出分配比取决于两纤芯间距以及拼接长度。图5.1-9（双锥形光纤耦合）-可控制耦合区的长度和双锥耦合区的长度和双锥体的腰径体的腰径来达到预定要求P1输入端口P2P1P2输出端口拉锥区耦合区拉锥区n光耦合器光耦合器( (Coupler) )是是能使光信号能

12、使光信号在特殊结构的耦合区在特殊结构的耦合区发发生生耦合，耦合，并进行并进行光功率再分配光功率再分配的器件。的器件。n从功能上，从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合可分为光功率分配器和光波长分配（合/ /分波分波）耦合器。）耦合器。n从端口形式上，从端口形式上，可分为可分为X 形形( )、Y 形形( )( )、星形星形 ( N N, N2 ) 以及以及树形树形 ( 1 N, N2）耦合耦合器。如书上：器。如书上：P86 P86 图图5.1-10 5.1-10 星形耦合器星形耦合器2212n（1 1）插入损耗）插入损耗(Insertion Loss):(Insertion Loss):定

13、义为指定输出端口的光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小值功率相对于全部输入光功率的减小值 式中，式中， 为第为第i i个输出端口的插入损耗；个输出端口的插入损耗； 为第为第i i个输出端口个输出端口的光功率；的光功率； 为输入端的光功率。为输入端的光功率。n（2 2）附加损耗）附加损耗(Excess Loss)(Excess Loss)：定义为输出端口的光功率总：定义为输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值和相对于全部输入光功率的减小值 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

14、关系。，而且与分光比有很大的关系。outin10lg/(dB)iiILPPiILoutiPinPoutin10lg (dB)iiPELP 2、光纤耦合器的性能指标光纤耦合器的性能指标n（3 3）分光比）分光比(Coupling Ration)(Coupling Ration)：定义为耦合器各输出端：定义为耦合器各输出端输出功率的比值输出功率的比值 它是光耦合器特有的技术指标。它是光耦合器特有的技术指标。n（4 4）方向性）方向性(Directivity)(Directivity)n方向性是光耦合器特有的技术指标方向性是光耦合器特有的技术指标, , 是衡量器件定向传输是衡量器件定向传输特性的参数

15、。以特性的参数。以X X形耦合器为例，形耦合器为例，方向性定义方向性定义为耦合器正为耦合器正常工作时，常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部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。注入的光功率的比值。%100)()()(iiinioutiPPCRn由由 2 端输出的光功率端输出的光功率 与全部注入的光功率与全部注入的光功率( (即图即图中中 1 端注入的光功率端注入的光功率 ) )之比为之比为 图图 X X形耦合器的方向性形耦合器的方向性IN2(out)PIN1PIN2(out)IN110lg (dB)PDLP n（5 5）均匀性）均匀性(Uniformity)

16、(Uniformity)：是指各端口输出功率偏离平是指各端口输出功率偏离平均值的程度均值的程度n对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树形），对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树形），由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性来衡量其不均匀程度：来衡量其不均匀程度： N N为为 相应输出端口总数相应输出端口总数 n（6 6）偏振相关损耗）偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)(Polarization Dependent Loss)n衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，衡量器件对于传输光信

17、号的偏振态的敏感程度的参量，也称为也称为偏振灵敏度偏振灵敏度。iioutioutiNPPU/)()(lg10n指当传输光信号的偏振态变化指当传输光信号的偏振态变化 时，器件各输出端输时，器件各输出端输出功率的最大变化量：出功率的最大变化量： n （7 7）隔离度）隔离度(Isolation)(Isolation)：指光纤耦合器的某一光路对：指光纤耦合器的某一光路对其他光路中光信号的隔离能力其他光路中光信号的隔离能力 n式中，式中， 是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；值； 为被检测光信号的输入功率值。为被检测光信号的输入功率值。n隔离度高，意味着

18、线路之间的隔离度高，意味着线路之间的“串话串话”小。小。outoutMin()10lg(dB)Max()iiPPDLP 360inlPPIlg10lPinP2022-6-27234 4 光波分复用器光波分复用器( (WDM) ) 光波分复用器属于波长选择性耦合器，是一种用来合成不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源器件。用于合成合成不同波长的称为复用器复用器，用于分离分离不同波长的称为解复用解复用器器。如图5.1-12在复用器复用器中，由各个信道输入波长为 的单色光信号被耦合进同一根光纤中传输耦合进同一根光纤中传输；在解复用器解复用器中，则是将传输光纤中波长为 的复色光复色光信号分解成

19、信号分解成波长为 的单色光信号，并输入单色光信号，并输入相应的输出信道相应的输出信道。N,.,21N,.,21N1(Wavelength Division Multiplexing)2022-6-2724如图5.1-12 光复用器和光解复用器示意图在复用器复用器中，由各个信道输入波长为 的单色光信号被耦合进同一根耦合进同一根光纤中传输光纤中传输；在解复用器解复用器中，则是将传输光纤中波长为 的复色光信号分解成复色光信号分解成波长为 的单单色光信号，并输入相应的色光信号，并输入相应的输出信道输出信道N,.,21N,.,21N11、光波分复用器的类型 按照光波分复用器的分元件及工作原理，可将其分为

20、棱镜棱镜分光型、干涉膜滤光型、光纤定向耦合器、光纤光栅型、以及分光型、干涉膜滤光型、光纤定向耦合器、光纤光栅型、以及波导阵列光栅型波导阵列光栅型。棱镜分光型棱镜分光型波分复用器：图5.1-13 -利用棱镜的色散作用实现波长分离棱镜的色散作用实现波长分离的；(b) 衍射光栅型衍射光栅型波分复用器：图5.1-14-利用衍射光栅的色散衍射光栅的色散作用实现分光的；(c )干涉膜滤光型干涉膜滤光型波分复用器：图5.1-15-利用多层光学薄膜干涉原理多层光学薄膜干涉原理来分光的；2022-6-2726(d) 光纤定向耦合型光纤定向耦合型波分复用器：-由一根光纤向另一根光纤耦合功率的耦合效率一根光纤向另一

21、根光纤耦合功率的耦合效率是光波长的函数，当波长满足耦合效率耦合效率=1时，光信号功率发生完全转完全转移移，当波长满足耦合效率耦合效率=0时时，光信号功率不发生转移不发生转移。(e) 光纤光栅型光纤光栅型波分复用器：图5.1-17(f) 波导阵列光栅型波导阵列光栅型波分复用器：图5.1-18-波导阵列光栅型波分复用器由波导阵列光栅型波分复用器由输入和输出波导、空间耦合输入和输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅器和波导阵列光栅构成。构成。2022-6-27272、光波分复用器的技术指标技术指标（1）信道插入损耗：表征与光波长相对应的信道功率损耗；（2）信道隔离比（串扰损耗）：表征串入与光波长不相对应

22、的信道的功率大小；（3）信道间隔：表征两相邻信道之间中心波长的差值。n光波分（解）复用器是按光波波长进行功率分离与合成光波分（解）复用器是按光波波长进行功率分离与合成的光无源器件，结构如图所示。的光无源器件，结构如图所示。图图 WDM 光传输原理图光传输原理图n利用利用色散、偏振、干涉色散、偏振、干涉等物理现象都可以制作等物理现象都可以制作WDM 器件。器件。以下是几种常见的以下是几种常见的WDM 器件类型。器件类型。n 1 1介质膜型介质膜型n利用窄带利用窄带干涉滤光膜干涉滤光膜（带通型）进行波长的选择，通道数目（带通型）进行波长的选择，通道数目48个，其结构如图所示。个，其结构如图所示。n

23、 图图 窄带介质膜带通滤光片构成的窄带介质膜带通滤光片构成的4 4通道通道WDM器件器件光栅型光栅型n利用利用光栅的衍射效应，不同波长的光衍射角度不同光栅的衍射效应，不同波长的光衍射角度不同，实现，实现空间的分离，通道数目空间的分离，通道数目6464个，其结构如图所示。个，其结构如图所示。 图图 由反射光栅构成的解复用器由反射光栅构成的解复用器波导阵列光栅型波导阵列光栅型n波导阵列光栅型波分复用器由波导阵列光栅型波分复用器由输入和输出波导、空间耦合器输入和输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅和波导阵列光栅构成。构成。n输入和输出波导用于与单模光纤连接，空间耦合器将各种波输入和输出波导用于与单模光

24、纤连接，空间耦合器将各种波长光信号耦合进波导阵列光栅，长光信号耦合进波导阵列光栅，波导阵列光栅由几百条光程波导阵列光栅由几百条光程差为差为 的波导的波导组成。组成。12Ln n根据衍射理论，在根据衍射理论，在输出端光按波长大小顺序排列输出端光按波长大小顺序排列输出，通输出，通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，其结构如图所过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，其结构如图所示。示。 n 图图 波导阵列光栅型波导阵列光栅型D D波分复用器波分复用器5 5 光纤隔离器和环行器光纤隔离器和环行器 光纤隔离器和环行器是一种非互易传输耦合器非互易传输耦合器。在光纤隔离器中，当光信号沿正向传输时，具有很低

25、的损耗，光路被接通；当光信号沿反向传输时，损耗很大，光路被阻断。在光环行器光环行器中，光信号只能沿规定的路径环行，否则就具有很大的损耗。中，光信号只能沿规定的路径环行，否则就具有很大的损耗。 光隔离器是只光隔离器是只允许光线沿光路允许光线沿光路单向传输单向传输的无源器件，用的无源器件，用于于解决光纤通信中光路中光反射解决光纤通信中光路中光反射的问题。的问题。 （1）光纤隔离器和环行器的工作原理-法拉第磁光效应法拉第磁光效应；即当光波通过置于磁场中的法拉第旋光即当光波通过置于磁场中的法拉第旋光片时，光波的偏振方向总是沿与磁场方向构成右手螺旋的方向旋片时，光波的偏振方向总是沿与磁场方向构成右手螺旋

26、的方向旋转，而与光波的传播方向无关转，而与光波的传播方向无关。2022-6-2734 法拉第磁光效应 1845年由M.法拉第发现。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。 这样，当光波沿正向和反向两次通过法拉第旋光片时，其偏振方向旋转角将叠加，而不是如互易性旋光片中的抵消，这种现象称为非互易旋光性非互易旋光性。（3）光纤隔离器

27、和环行器的性能参数性能参数正向插入损耗：-定义为正向传输时输出光功率与输入光功率之比；(b) 反向（逆向）隔离比：-定义为反向（逆向）传输时输出光功率与输入光功率之比(c) 回波损耗：-定义为输入端口自身返回功率与输入功率之比。（2）光纤隔离器的类型类型-与偏振有关光纤隔离器；与偏振无关光纤隔离器2022-6-27366 6 窄带光学滤波器窄带光学滤波器-也是一种波长选择性耦合器波长选择性耦合器。当光信号进入这种器件时，只有光频率与滤波器中心频率一致的成分才能通过与滤波器中心频率一致的成分才能通过，其他频率成分的光将被滤掉。-大多采用法布里采用法布里-珀罗干涉仪（珀罗干涉仪（F-P腔）的结构，

28、腔）的结构，当光信号通过这种F-P腔时，由于在两腔面之间多次反射产生多光束在两腔面之间多次反射产生多光束干涉，干涉，使得透射光谱形成具有尖锐峰的光谱图。2022-6-2737F-P腔滤波器的结构：腔滤波器的结构： 法布里珀罗（F-P）腔型滤波器的主体是F-P谐振腔， 它是由一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体， 当入射光波的波入射光波的波长为腔长的整数倍长为腔长的整数倍时， 光波可形成稳定振荡， 输出光波之间会输出光波之间会产生多光束干涉，产生多光束干涉， 最后输出等间隔的梳状波形最后输出等间隔的梳状波形（对应的滤波曲线为梳状）， 见图。 输入光F-P腔反射光输出光(有相移)F-P腔型可调谐滤

29、光器 而且， F-P固定滤波器的中心波长由公式=2nL/N决定， 其中N为正整数。 如改变腔长改变腔长L或腔内的折射率或腔内的折射率n， 就能调谐滤波波长。 光纤F-P腔型可调谐滤波器的腔长由一段光纤和空气隙腔长由一段光纤和空气隙组成，组成， 在腔体光纤的一端镀上高反射膜，在腔体光纤的一端镀上高反射膜， 另一端镀上抗另一端镀上抗反射膜，反射膜， 彼此之间留有适当空隙。彼此之间留有适当空隙。 在电信号的驱动下，在电信号的驱动下， PZT（压电陶瓷）可进行伸缩，（压电陶瓷）可进行伸缩， 造成空气间隙变化，造成空气间隙变化， 引引起腔长的改变，起腔长的改变， 从而实现波长的调谐。从而实现波长的调谐。

30、 改变光纤的长度改变光纤的长度同样可以实现调节腔长的目的同样可以实现调节腔长的目的。 其结构如图所示。图 5.1-25 光纤F-P可调谐滤波器的结构 光纤压电晶体/陶瓷高反射镀膜光纤纤芯支撑结构 目前， 世界上已研制出了多种结构的波长可调谐滤波多种结构的波长可调谐滤波器器， 其基本原理都是通过改变腔长、基本原理都是通过改变腔长、 材料折射率或入射角材料折射率或入射角度度来达到波长可调谐的目的。 n 用来描述F-P腔传输特性的性能参数有： n (1) 自由谱域FSR(Free Spectrum Range)： 相邻波长(频率)之间的距离。 n (2) 带宽BW(Band Wide)： 谐振峰50

31、处的光谱宽度。 n (3) 精细度F(Fineness)： 自由谱域与谱宽的比值。 F-P腔滤波器的带宽取决于腔面反射率R1，R2)1)(1 (42121RRRRF精细常数带宽：)1arcsin11 (0Fc图 F-P腔型滤波器的谱宽、 线宽和线间距的定义输出频谱下限频率上限频率频率或波长增益曲线增益曲线线间距线宽谱宽窄带光学滤波器的主要技术指标：滤波器带宽、插入损耗、自由光谱区（透射谱线不重叠的区域）以及可调谐波长范围。2022-6-27437、光纤光栅、光纤光栅折射率型光栅-指折射率周期性变化的光学介质。光纤光栅-其纤芯折射率纤芯折射率沿轴向呈周期性沿轴向呈周期性分布，从而对特定波长的光产

32、生衍射. 图5.1-26图 光纤光栅的结构 最初的光纤光栅：掺锗、掺硼、掺磷等；光纤光栅的特性：带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、易与其他光纤器件融合为一体，满足光纤通信器件集成化、光纤化、全光化的发展要求，因此光纤光栅器件成为通信网络技术中的理想器件。（1）光纤光栅的基本原理根据衍射理论：且满足布拉格衍射方程：mnn21sinsin其中： 是光栅周期， n是介质折射率，m是布拉格衍射的级数。在光纤中，只考虑一级衍射（m=1)，则可以写成：21effeffnn)(21effeffnn其中： 是入射模式的有效折射率， 是衍射模式的有效折射率。1effn2effn-透射式光纤光栅反射式

33、光纤光栅，反射式光纤光栅，衍射模和入射模的传播方向相反，如果两模式相同，则有12上式变为：nneff22其中： 是平均折射率。该式就是布拉格条件布拉格条件，满足该条件的光栅就是布拉格光栅。n比较: 对于同一波长而言，透射式光纤光栅的周期要远远透射式光纤光栅的周期要远远大于大于反射式光纤光栅反射式光纤光栅。因此：透射式透射式光纤光栅又称为长周期光纤光栅长周期光纤光栅； 反射式反射式光纤光栅又称为短周期短周期光纤光栅。（2）光纤光栅的基本分类光纤光栅的基本分类： (a)根据引起折射率根据引起折射率变化的起因变化的起因分类分类： 根据引起折射率变化起因的不同，即光纤光栅成栅机制与光敏机理的差异，从激

34、光能量密度、曝光时间、热稳定性、传输损耗、材料构成、掺杂浓度等因素考虑，可分为： I型、II型、III型光纤光栅。 (b)根据折射率的根据折射率的变化结构的差异变化结构的差异分类分类： 根据光纤光栅空间周期分布及折射率调制深度分布是否均匀，将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。均匀光纤光栅均匀光纤光栅：指栅格周期沿沿纤芯轴向均匀纤芯轴向均匀且折射率调制折射率调制深度为一常数深度为一常数光纤布拉格光栅长周期光纤光栅闪耀光纤光栅非均匀光纤光栅非均匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向不均匀轴向不均匀或折射率调制深度折射率调制深度不为常数不为常数线性啁啾光纤光栅分段啁啾光纤光栅非均匀特种光纤光栅（3）光纤

35、光栅制作技术 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性利用光纤材料的光敏性制作的。 所谓光敏性，就是指当材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时性或永久性变化的特性。 例如：当用特定波长的光照射掺锗光纤时，它的折射率、吸收谱、内应力密度等物理特性会发生永久性的变化。在外部光源照明时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强呈线性关系，并可以被保留下来，成为光纤光栅。2022-6-2750制备光纤光栅的方法内部写入法全息相干法相位掩膜法逐点写入法色散补偿器（4）光纤光栅的主要应用光学滤波器增益平坦器组合写入法光分插复用器光纤光栅在光纤传感器领域的应用 光开关的开关速度或称开关

36、时间是一个重要的性能指标。 不同的应用场合对开关时间的要求是不一样的， 如光通道的设置开关时间为110 ms， 保护倒换的开关时间为110 s， 分组交换的开关时间为1 ns， 外调制器的开关时间为10 ps量级。 除了开关时间外， 还有下面一些参数用来衡量光开关的性能。 8、光开关、光开关 光开关是一种光路控制光路控制器件，起着控制光路通断和光路转控制光路通断和光路转换的换的作用。在光通信系统中，光开关有着重要的应用，如：主、备光纤线路的切换切换、光纤或光缆的测量、光交换测量、光交换等。光开关的主要性能指标主要性能指标:开关速度开关速度、插入损耗、信道隔离比（串扰损耗）（1） 通断消光比：通

37、断消光比是指光开关处于通（开）状态时输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率之比。 通断消光比越大, 光开关性能越好， 这对外调制器尤为重要。 机械开关的通断消光比大约为4050 dB。 （2） 插入损耗（简称插损）插入损耗（简称插损）：插损是指由于光开关的使用而导致的光路上的能量损耗，常以dB表示。插损越小越好。当开关处于不同的输入/输出连接状态时，插入损耗有可能不一致， 即插入损耗的一致性差， 这对于实际的应用是不希望的。 （3） 串扰: 串扰是指某输出端口的功率除了有来自希望的输入端口外， 还有来自不希望的输入端口的功率， 二者的光功率之比称为串扰。 1、光开关分类（根据驱动方式分）

38、：（1）机械式光开关：依靠光纤或光学元件的移动，使光路发生转换。如：移动光纤式光开关、移动套管式光开关和移动透镜（包括反射镜、棱镜和自聚焦透镜）式光开关。优点：插入损耗小、消光比高、串扰低；缺点：速度慢、易磨损、容易受振动、冲击影响，不太可能大规模集成； 用于线路保护倒换、线路测试等2022-6-2754（2）非机械式光开关（固体式光开关）：利用电光效应、磁光效应及声光效应来改变波导的折射率，使光路发生变化，实现光开关的。如电光式开关、磁光式开关、热光式开关优点：重复性好、开关速度快、可靠性高、使用寿命长、尺寸小可以单片集成等；缺点：插入损耗和串扰性能不理想。（3）半导体光波导开关：基于半导体

39、中的各种效应实现光开关的。优点：损耗低、开关速度快、重复性好、能够与其他元器件单片集成，以及能大规模集成等；在未来的大规模光交换、光计算、光逻辑处理中得到广泛应用和发展。光电开关是传感器的一种，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。2、几种光开关（1）机械式光开关：是最传统的光开关，分为镜可动型和光纤可动型两种。（2）磁光式开关：靠外磁场影响磁畴的宽度和角度，进而影响磁畴的有效光衍射和方位角来达到转换即开关目的的，即利用外磁场作用下的法拉第旋光效应。（3）热光开关：是利用热量转换达到开关目的的。2022-6-27565.2 光纤有源器件光纤激光器和光纤放大器是潜力

40、巨大的光纤有源器件。光纤激光器和放大器主要有三类：第一类：晶体晶体光纤激光器与放大器，如：红宝石单晶激光器等；第二类：利用光纤非线性光学效应制作的光纤激光器与放大器， 如：受激喇曼散射和受激布里渊散射光纤激光器与放大器；第三类：掺杂光纤激光器与放大器，如：以掺稀土元素离子的光纤激光器与放大器最为重要。（因其工作波长正处于光纤通信的窗口，在光纤通信、光纤传感领域有重要的实用价值。）1、光纤放大器 光信号在传输过程中，由于光纤损耗和光纤色散，其幅度会越来越小，光脉冲的宽度会越来越宽，从而限制了光纤通信系统、特别是大容量光纤通信系统的传送距离。必须在每隔一定的距离就增加一个再生中继器，以保证信号的质

41、量。传统的再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，这种处理方法很复杂且昂贵。改变上述处理过程，用光纤放大器光纤放大器，即直接在光路上对光信号进直接在光路上对光信号进行放大行放大。20世纪80年代末，出现掺铒光纤放大器。2022-6-2758（1）光纤放大器的工作原理光纤放大器的关键元件是掺稀土元素光纤掺稀土元素光纤。受激吸收：指原子吸收一个光子能量，从基态或低能态E1跃迁到激发态或高能态E2上。 自发辐射：是指在没有任何外界因素影响下的情况下，处于高能态的原子自发地跃迁到低能态，同时发射一个光子。(a) 受激发射：指处于高能态的原子在受到入射

42、光子的感应或诱导下，从高能态跃迁到低能态，同时发射一个与入射光子相同频率的光子。入射光得到 放大。在热平衡状态下：光辐射以自发辐射为主；而当原子系统处于上、下能级粒子集居数反转时，将以受激发射为主，光纤放大器就是利用受激发射原理来放大光信号光纤放大器就是利用受激发射原理来放大光信号的。掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)-EDFA构成：构成：掺铒光纤、泵浦激光器、波分复用器、光学隔离器组成。如图所示：2022-6-2760激光二极管发出波长为980nm的泵浦光和外来波长为1550nm 的信号光经波分复用器进入掺铒光纤中，掺铒光纤是增益介质掺铒光纤是增益介质

43、，在有泵浦光照射的情况下，可将信号光放大。光纤隔离器主要是为了防止输出光返回光纤放大器，产生不良的干扰。2022-6-2761光纤放大器的泵浦方式有三种：前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦；前向泵浦：信号光和泵浦光沿同一方向同一方向传输；后向泵浦：信号光和泵浦光沿相反方向传输；双向泵浦：泵浦光沿两个方向同时进入光纤放大器两个方向同时进入光纤放大器，对信号光双向泵浦放大。泵浦方式：泵浦方式：泵浦光源：泵浦光源：除980nm波长的光可以作为泵浦光外，还有670nm，800nm, 1480nm的光也可作为掺铒光纤放大器的泵浦光。用980nm 波长的光作为泵浦光的优点：因为掺铒光

44、纤在这一波段对小信号输入的增益系数较高掺铒光纤在这一波段对小信号输入的增益系数较高，且噪噪声因子最低。声因子最低。2022-6-2762光纤放大器的应用：(a)光功率放大：将光纤放大器光纤放大器放在发射端光源之后，放大输放在发射端光源之后，放大输入到光纤中的光功率入到光纤中的光功率。优点：可以提高光纤通信系统发射端实际进入光纤中的光功率，减轻了对光源输出功率要求高的压力，也解决了将高功率的光从光源有效地注入光纤的耦合问题。2022-6-2763(b)光中继放大：作为在线放大器或中继放大器应用时，将光纤放大器放在传输线的中间放在传输线的中间，在信号传输路途上对光信号进行放大在信号传输路途上对光信

45、号进行放大。利用这类光纤在线放大器，可以取代传统的光取代传统的光电电-光中继器光中继器，实现全光光纤通信实现全光光纤通信。2022-6-2764(c ) 光前置放大：作为光前置放大器应用时，将光纤放大器放在放在接收端光电检测器的前面接收端光电检测器的前面，在光电检测器进行光电转换之前先对从传输光纤中来的光信号进行放大。优点：不会把光电检测器及其后面的电子放大器的热噪声引入其中被放大，可以提高提高光纤通信系统接收端的信噪比接收端的信噪比。2022-6-2765光纤放大器的三种主要用途光纤放大器的三种主要用途2022-6-27665.2.2 光纤激光器激光（Laser）-Light Amplifi

46、cation by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大.激光应用很广泛，主要有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等.定向发光定向发光基本特性：亮度极高亮度极高颜色极纯颜色极纯能量极大能量极大2022-6-2767激光指示器激光指示器，又称为激光笔、指星笔等常见的激光指示器有红光（=650660nm, 635nm）、绿光（=515-520nm, 532nm）、蓝光（=445450nm）和蓝紫光（=40

47、5nm）等2022-6-2768若把激发的物质放置于共振腔内，光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过物质，光辐射被放大许多倍，形成一束强度大、方向集中的光束“激光”，这就是激光振荡器激光振荡器。用光、电及其他办法对物质进行激励，使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射，物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用，也就是这种波长的光辐射通过物质时，会发射强度放大并与入射光相位、频率和方向一致的光辐射，这种装置称为激光放大器。激光放大器。激光器激光器是利用受激辐射原理利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。202

48、2-6-27691960年T.H.西奥多梅曼制成了第一台红宝石激光器。1961年伊朗科学家A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。2022-6-2770半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器也称为半导体激光二极管，或简称激光二极管（Laser Diode，LD）。由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体激光器的工作特性具有其特殊性。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励