光纤通信技术_Chapter5课件

1、无源器件：光纤与光波导型光学型波分复用解复用器、光开关5.1 无源光器件的几个常用性能参数1插入损耗插入损耗指的是无源光器件的输入和输出端口之间的光功率之比，一般以分贝为单位： P0 :发送到输入端口的光功率，P1:从输出端口接收到的光功率。2. 回波损耗回波损耗指的是从无源光器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比例： Pr： 从同一个输入端口接收到的返回的光功率。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术13. 反射系数反射系数指的是对于给定的光谱组成、偏振和几何分布，在器件的给定端口的反射光功率Pr 与入射光功率P0 之比，通常用dB 表示：4 工作波长范围器件能够按照规定的性

2、能工作的从最小波长（min ）到最大波长（max ）的范围，是标称工作波长范围。5 偏振相关损耗（PDL)偏振相关损耗指的是对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值6 隔离度隔离度表示的是由应该被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比，通常用dB 表示：第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术25 . 2 光纤和波导型无源光器件光纤型无源光器件体积小，容易与传输光纤连接在光通信中是最受欢迎的。波导型无源光器件是在硅或其它半导体材料的平面衬底上用半导体工艺制造的，容易集成形成较大规模的光器件。5 . 2 . 1 光连接器和光耦合器1光连接器 光连接器的功能是将两根

3、光纤连接起来，与高温熔融连接两根光纤不同，这是一种可以拆装式连接。光连接器可以有多种安装结构，如FC/PC 型、APC 型、ST 型、SC 型等。光连接器基本都是由插头和插座组成，在插头内精密安装一个插针，光纤就固定在插针中。光纤连接器的主要指标：插入损耗，回波损耗，偏振相关损耗。影响光连接器的插入损耗的因素有两个方面：一方面是被连接的两根光纤是否匹配，即两根单模光纤的模场分布是否匹配，或两根多模光纤的芯径和折射率分布是否相同，被连接的两根光纤性能参数的离散性必然会导致插入损耗的增加；另一方面的因素是安装的精度：两根光纤横向的错位、 纵向的分离（两根光纤中间具有间隙）光纤的倾斜增加插入损耗第

4、5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术3第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术4插入损耗：PC型：第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术5回波损耗：尽管连接的两根光纤的端面经过研磨抛光，但连接后它们之间总会有间隙，光在端面处会发生反射。反射不仅增加了连接器的损耗，而且若反射光回馈到激光器，会严重扰乱激光器谐振腔的正常工作。为了减少光的反射，可以采用斜面结构，倾斜8度。如图5 . 2 所示。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术62. 光耦合器（Couplers，Splitter）光通信中经常需要把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合

5、器可以实现这些功能。图5.3 所示是简单的2x2 和1x2 光耦合器（Y 型分路器）。工作原理：以2x2 耦合器为例，端口1 （或端口4 ）输入的光信号可以按原设计的功率分配比例耦合到端口2 和端口3 输出，端口1 和端口4 输入的光还可以耦合在一起，并按一定的比例从端口2 和端口3 输出。反之，从端口2 和端口3 输入的光信号也可以从端口1 和端口4 输出。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术7耦合方式：常用的制造光耦合器的方法有研磨抛光法、熔融拉锥法和平面波导法。研磨抛光法：用研磨抛光法制造耦合器时，先将去除包层的裸光纤埋入带有特定弧形槽的石英玻璃中，再进行光学研磨、抛光，去

6、除一部分包层，然后将两根经过研磨的光纤拼接在一起（见图5 . 4 ( a ) ) ，利用被研磨部分的光场相互耦合，从而构成光耦合器。耦合强度与研磨的深度有关，若研磨没有触及到纤芯，属于弱耦合，主要靠纤芯和包层界面上的消逝波发生耦合：若研磨进入纤芯中，纤芯中的光场将发生强耦合。熔融拉锥法：用熔融拉锥法制造光耦合器时，先将两根或多根光纤扭绞在一起，用高温火焰对扭绞区局部加热使之熔融，并在熔融过程中拉伸，形成双锥形耦合区，如图5 . 4 ( b ）所示。由于被拉伸的部分光纤芯径变细，使更多的光场在纤芯外传输而耦合进另一光纤中。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术8耦合原理：假设耦合器是

7、无附加损耗的，输入到一根光纤中的光功率是P0 ，根据耦合模理论，耦合到另一根光纤中的功率为： 根据功率守恒，第一根光纤中的输出功率为：k是耦合系数，与两根光纤耦合区的长度、耦合区两根光纤的半径比及光波长有关。通常用分光比表示耦合器输出端口之间光功率分配比例，表示为若在两根输出光纤中光功率相等，则称这种耦合器为3dB 耦合器。3dB 耦合器的分光比为50 : 50 ，但两个输出端口的光有/2 的相对相位差，即耦合到另一光纤中的输出光与沿直通输出方向的光相比存在/2 的相位滞后。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术9波分复用原理：。利用式p2和式p1给出的关系，可以通过适当的设计将耦

8、合器结构用于两路波分解复用。假设从端口1 输入1 和2的信号光，由于耦合系数与光波长有关，而1 和2的波长间隔又较大，适当地设计耦合情况可以实现对1波长，满足对2波长，满足则此耦合器将对波长有选择作用，波长为1 的光信号全部直通过去从端口2 输出，波长为2 的光信号全部耦合到另一光纤中，从端口3 输出，起到波分解复用的作用。由于熔融拉锥型耦合器中锥形变化缓慢，反射光可以忽略，所以也称为方向耦合器。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术10星型耦合器：将多根光纤熔融拉锥制成的耦合器称为星形耦合器，如图5 . 5 所示。用熔融拉锥法制作耦合器成本低，器件的性能稳定，插入损耗小，在实际系

9、统中得到广泛的应用。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术113 波导耦合器波导耦合器也是一种应用广泛的耦合器，其基本结构和基本原理与光耦合器类似。图5 . 6 ( a ）所示为一个2x2 波导耦合器结构的示意图，波导是由不同折射率的介质构成，如图5 . 6 ( b ）所示，它是由折射率较高的薄层夹在折射率较低的介质中间形成，在相互作用区中两个波导相互靠近产生光场的相互耦合，耦合强度与作用区的长度、波导的宽度、波导间隙、折射率及光波长等因素有关。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术12 可以采用多个3dB 耦合器连接的方式设计多端口星形波导耦合器，图5 . 7 所示为

10、8x8 和1 x8 波导耦合器的结构图。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术13 5 . 2 . 2 偏振控制器在光纤通信中，有些器件是对偏振敏感的，如LiNbO3 电光调制器、半导体光放大器、非线性环路镜等，只有在一定的光偏振态下才能获得最佳的结果；有些系统是与偏振相关的，如相干光通信，只有在两束光的偏振态一致时才能获得最佳的干涉效果。解决偏振匹配问题有两种方法，一种是采用偏振保持光纤，另一种是对输入光进行偏振控制。偏振控制器的类型有波片型、电光晶体型和光纤型，其中光纤型偏振控制器因其具有抗干扰能力强、插入损耗小、易与光纤耦合等特点而得到广泛的应用。1 可转动光纤线圈型偏振控制

11、器当光纤被缠绕在圆盘上弯曲成小圆圈时，光纤外面被拉伸，里面被压缩，如图5 . 8 ( b ）所示。这种应力引起光纤的感生双折射，使输入光在两个偏振方向上产生相移，从而起到控制偏振的作用。当光纤线圈被转动时，光纤中的快轴和慢轴也发生旋转，因此，通过调整线圈的方向可以获得所需要的任意的偏振方向。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术14 2 挤压型偏振控制器与可转动光纤线圈型偏振控制器的原理类似，挤压型偏振控制器利用电磁挤压使光纤产生附加的双折射，达到控制偏振状态的目的。一种挤压型偏振控制器的结构如图5 . 9 所示，光纤和压电晶体被固定在一起，当晶体上外加电压时，晶体的长度发生变化，

12、压挤光纤，使光纤产生附加双折射，压力的大小可以通过外加电压精细控制。4 个挤压器连接使用可以达到良好的控制效果。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术155 . 2 . 3 光纤布拉格光栅在光通信中光纤光栅有多种应用，如作为反射型光滤波器，用作色散补偿器，制作光分插复用器，用于光纤激光器等。1 光纤光栅滤波器光纤光栅是利用光纤材料的光敏性质制作的。所谓光敏性质，是指紫外光通过光纤时，光纤的折射率会随光强的空间分布发生相应的变化，并在紫外光撤销后这种变化可以永久保存下来。如果利用掩模使紫外光在纤芯中的分布是周期性的，就可在纤芯中形成折射率周期性分布的结构，如图5 . 10 所示。第

13、5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术16光纤光栅原理：纤芯中折射率的周期性分布实际上构成布拉格衍射的结构，称为光纤布拉格光栅（FBG ）。这种结构和DFB 激光器周期性波纹结构的作用一样，提供周期性的耦合点，使单模光纤中入射的基模根据光栅和不同传输常数决定的相位条件，既可以耦合成前向传输模式，也可以耦合成后向传输模式。短周期的均匀光纤光栅的基本特性表现为一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为布拉格波长，记为B，满足下列方程式：neff 是纤芯的等效折射率， 是光栅周期。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术17光纤光栅作为滤波器应用的一个示例: 若FBG 的反射波长是1

14、，输入信号中波长为1 的光信号被FBG 反射回来，从环形器的3 端口输出，而其它3 个波长的信号透射过去，从FBG 的输出端输出，从而实现从多波长信号中选择某波长下路。理论分析可知，光纤光栅的长度越长，对光谱的选择性越好，3dB 带宽越窄。光纤光栅具有体积小，插损低，与普通光纤匹配良好等优点。在光纤通信和光纤传感领域有广泛的应用，如在光纤激光器、波长复用解复用器、光分插复用器及光纤传感设备中都有重要的应用。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术182 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅是指光纤的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴线变化的光栅，其制作方法是在光纤上刻出一系列不等间距的光栅，光栅

15、上的每一点都可以看成是一个本地布拉格光栅的通带和阻带滤波器，其周期沿传输方向z 的变化可以表示为式中c 是周期的线性变化斜率，数值可以取正值，也可以取负值。由于光栅周期的变化，使输入光波中不同的波长在光栅的不同深度位置处被反射，造成不同波长的光在光栅中渡越时间不同，这一特性适合用于作为群速度色散补偿器，也可以构成宽带滤波器。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术19啁啾光纤光栅补偿色散的原理：光信号在光纤中传输时，由于群速度色散，入射光脉冲中的短波长分量（高频分量）群速度高，经过光纤传输以后位于脉冲的前沿，而长波长分量位于脉冲的后沿，结果造成脉冲的展宽。这种被展宽的光信号进入啁啾光

16、纤光栅后，不同波长的信号在与光栅周期对应的位置被反射，即短波长的信号在光栅的末端才被反射，长波长的信号在脉冲的起始端就被反射，于是就补偿了群速度色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原。用啁啾光纤光栅作为色散补偿器的优点是器件的体积小，补偿效率高，其缺点是补偿带宽较窄，目前人们正在研制宽带惆啾光纤光栅以适应WDM系统的需要。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术205 . 2 . 4 Mach 一Zahnder 滤波器马克詹德（Mach -Zahnder , M - Z ）干涉结构可用作光调制器，也可用作光滤波器，在光通信中有广泛的应用，其结构如图5 . 14 ( a ）所示，由两个3d

17、B耦合器和两段长度不等的波导臂组成。输入光功率Pi 经第一个3dB 耦合器后等分为Pi1 和Pi2两部分，分别在长度为L1 和L2 的光波导中传输。由于两波导的长度不同，传输时延不同，到达第二个3dB耦合器时，两束光波在第二个3dB 耦合器中线性叠加，两束光的相位差决定了合成后输出光的强度，合成光波的电场强度和输出光功率得到相干加强或相消，构成调制器。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术21设输入光功率Pi 经第一个3dB 耦合器后等分为Pi1 和Pi2两部分，光功率可以表示为：经L1 和L2 的光波导中传输，到达第二个3dB耦合器线性合成后：合成光波的输出光功率：第 5 章 无

18、 源 光 器 件 和 WDM 技 术225.2.5 非线性环路镜非线性环路镜（Non-Linear Optical Loop Mirror, NOLM）是一个可以具有多种用途的快速开关器件，在消除脉冲序列的背景噪声、光时分复用（OTDM ）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的应用。1. 结构：由2x2 光纤耦合器（分光比不为50 : 50 ）和光纤构成，光纤与耦合器的两个臂相连形成闭合环路。当光信号输入到耦合器时，被按一定比例分成两束，在光纤环路中沿不同方向传输，然后在耦合器中再次相遇，输出光功率的大小取决于两束光在线性叠加时的相位差，其基本分析方法与M-Z 干涉结构类似。第 5 章 无 源 光

19、器 件 和 WDM 技 术23 2. 基本原理：NOLM 中两束光经过相同的距离会产生相位差，其原因是耦合器的分光比不是等分的，例如40 : 60 ，两束光的功率不等，引起的非线性光学效应的强弱不同。光强度引起光纤折射率的变化，使传输的相位延迟随光强度变化，光功率高的那一路光脉冲传输的群速度比另一路快，产生相位差而影响到输出光功率。 光强度引起的光纤折射率的变化与输入光功率有关，相位差的大小也与输入功率有关，从而使相位差随输入光功率的增强而加大，输出光功率随输入功率的变化如图5 . 16 所示。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术24 3. 改进的非线性环路镜：采用50 : 50

20、 耦合器，并在光纤环的一端（靠近耦合器，而不是在环的中间）配制双向光放大器，所以称这种结构为非线性放大环路镜（Non-Linear Amplifying optical Loop Mirror , NALM ）。尽管耦合器将输入光等分成两束，但沿顺时针方向传输的光先经过光放大器，以高功率通过光纤环路；而沿逆时针方向传输的光在环的末端才被放大，主要以低功率通过环路。两束光回到耦合器时有相同的功率电平，但由于折射率被光强的非线性调制效应，两束光具有不同的相位差，出现与图5 15所示结构同样的结果。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术25 4. 非线性环路镜的应用：光与门：图5 . 1

21、8 所示的NOLM 可以作为一个光逻辑与门，在光时分复用（OTDM ）系统中实现解复用的功能。 在光纤环的一端配置有WDM 耦合器，通过它将帧同步信号（也称为控制信号）耦合进来； 当帧同步信号与某一路数字信号同步，并一起沿顺时针方向传输时，强的控制信号使折射率发生变化，群速度也发生相应的变化，而逆时针方向传输的光信号不受影响； 适当地调整帧同步脉冲的强度和光纤环的长度，可以使与帧同步脉冲同步传输的一路信号在输出端被选择出来，实现光时分复用信号的解复用功能。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术265.3 光学无源器件介绍光通信中，采用微光学方法制作的无源光器件。5.3.1 偏振分束

22、器先将大量路数的波分复用信号分成奇偶两组，然后对这两组信号进行偏振复用是超大容量的光纤通信系统的一种解决方案，在这种系统中需要偏振分束器。除此之外，偏振分束器在波长变换等领域也有很多应用。基本结构和原理：图5 . 19 所示为一个较典型的偏振分束器，它是由两个双折射材料制成的棱镜粘合在一起构成的。双折射材料的特征是：不同偏振方向的光场分量在经过双折射材料时有不同的折射率。若输入光中含有垂直偏振和水平偏振分量，它们在双折射材料中将被分开，传输时将产生相位差。当一束光入射到图5 . 19 所示的双折射棱镜的外表面上时，由于双折射而分成寻常光和异常光，若入射角为布儒斯特角，则异常光全透射过去，寻常光

23、从两个棱镜的分界面上反射回来，从而起到偏振分束的作用。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术275.3.2 光隔离器光隔离器是光单向传输器，可以防止光反射的发生，在光通信中有广泛的应用。例如，高速光发射机需要用光隔离器防止反射光干扰激光器谐振腔的正常工作，掺饵光纤放大器中常用光隔离器防止ASE 噪声反复被放大。光隔离器应允许正向输入光以最小的损耗通过，并能最大地阻止反向光通过，对正向光和反向光的损耗分别用插入衰减和隔离度表示。性能良好的隔离器的插入损耗可以降到0.2dB 以下，隔离度可以达到70dB 以上。基本原理：采用法拉第电磁旋转效应，将某些晶体（如YIG）放入强磁场中时，晶体

24、中传输的光的偏振面会发生旋转，旋转的角度与磁场的强度和晶体的长度成正比，表示为：是材料的费尔德常数，H 是沿光传输方向的磁场强度，L 是光和磁场相互作用的长度。法拉第电磁旋转效应是非可逆的。对于在某方向上传输的光由于法拉第电磁旋转效应向右旋转了450 （沿光传输的方向看），而沿相反方向传输的光会旋转同样的角度（沿光传输的方向看是向左旋转）。这意味着光偏振面的旋转方向由磁场方向决定，而与光传输方向无关。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术28基本结构原理：这种结构主要由两个偏振滤光片和一个法拉第旋转器构成，两个偏振滤光片的偏振方向相差450。正向输入光进入第一个偏振滤光片后形成垂直

25、方向的偏振光，然后耦合进法拉第旋转器。适当地设计旋转器的长度和施加其上的磁场强度，使光场的偏振面在旋转器中向右旋转450，恰好与第二个偏振滤光片的偏振方向一致，从而无损耗地输出。对于反向传输光开始的偏振面与垂直方向成450，在旋转器中又旋转450 ，总共900，正好与第一个偏振滤光片的偏振方向垂直而没有输出，从而构成光的单向传输器件。这种结构的一个缺点是对输入光的偏振敏感；因此，隔离器总是设计成与偏振无关的。偏振无关的光隔离器的方法是将输入光先分成偏振正交的两束光，对这两束光分别处理，然后再合在一起。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术295.3.3 光环行器光环行器是在光通信中

26、应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是3 端口和4 端口器件，工作特点是：当光从任意端口输入时，只能在环行器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。基本的原理：利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输。图5 . 22 所示是一个3 端口光环行器的结构以及端口1 到端口2 的光路图，它的各个组成部分的配置功能如下：偏振分束器：将输入光分解成偏振正交的两束光o、 e；法拉第旋转器：偏振面旋转45 0 ；/2 波片22.50 ：将光的偏振面旋转2450 。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术30从端口1 输入的光波被偏振分束器（PBS ）分解成水平和垂直偏振光，垂直偏振光被折射，沿

27、上面的光路传输，水平偏振光沿直通的光路传输，然后进入法拉第旋转器。旋转器和/2 波片各将两束光旋转45 0 ，使原来的垂直偏振光变为水平偏振光，这两束光被另一个偏振分束器合到一起从端口2 输出。从端口2输入的光经历类似的过程，但由于法拉第旋转器的不可逆性质，两束正交的偏振光在经过 /2 平板和旋转器后保持原来的偏振方向，被偏振分束器合成后导向端口3 。从端口2入射，端口3出来。主要指标：插入损耗、隔离度、偏振敏感性、回波损耗。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术315.3.4 自聚焦透镜自聚焦透镜（GRIN），主要作用是准直光束。自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件，其折射率分布同

28、自聚焦光纤，只是直径远大于自聚焦光纤芯径，规格为零点几毫米到几十毫米不等。自聚焦透镜的折射率分布近似为：在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹如图5 . 23 所示。其中，光线的轨迹可以跟踪r的位置和斜率描述。在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹r(z)及其导数为:第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术32在自聚焦透镜中，入射光线的轨迹是一条正弦曲线，而且所有的入射光线都有相同的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示为Ln 。对于入射端面的光斑，在z = Ln 处可形成一个1 : 1 的正立的实像；在Z = Ln/2 处可形成一个1 : 1 的倒立的实像；从入射端面上某一点发出的光线，在z = Ln

29、 /2处和z = 3Ln/4 处变为平行光。即，长度为Ln/4的自聚焦透镜对入射光线有准直作用，像透镜一样，它将入射光线准直成平行光。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术335.3.5 F-P腔滤波器光滤波器有多种类型，如法布里-玻罗（F-P ）谐振腔型、声光可调谐滤波器（AOTF ) 型、光栅型等。其中F-P 谐振腔型滤波器在光通信中有广泛的应用。F-P 腔也称为法布里-玻罗干涉仪或法布里-玻罗波长标准具，其基本结构是由两个反射界面构成，可以由两个镜面作为反射面，也可以由不同的介质的分界面构成，图5 . 24 所示就是不同介质构成的F-P 腔。第 5 章 无 源 光 器 件 和

30、 WDM 技 术345.3.6 光栅在光通信中经常使用反射型平面衍射光栅，作为波长选择滤波器用于波分复用系统中。这种光栅可以用光刻的方法在很多材料（如玻璃镜面）上刻蚀出周期性结构，周期结构可以呈锯齿状、闪烁状、矩形等，如图5 . 25 所示。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术355.4 波分复用、解复用器件波分复用（WDM ）器件是波分复用系统的重要组成部分，是关系波分复用系统性能的关键器件。对波分复用器件的主要要求是：插入损耗小，隔离度大，串扰小；带内平坦，带外插入损耗变化陡峭；温度稳定性好，工作稳定、可靠；复用通路数多，各路插入损耗相差不大，尺寸小。指标：波分复用、解复用器

31、件的性能参数除了前面介绍的插入损耗、回波损耗、反射系数、偏振相关损耗等外，还有几个重要参数。（1）中心波长和通带特性波分复用器的中心波长是指各信道的中心波长。通带特性是指波分复用器的各个信道的滤波特性，可以用-0.5dB 带宽、-3dB 带宽和-20dB 带宽来表示。在ITU-T G.692 建议中规定的复用信道的频率是基于参考频率为193.1THz 、最小间隔为100GHz 的频率系列。为了对各个信道的波长漂移有较大的容忍度，要求通带特性为边沿陡峭、通带中部有一定宽度的平顶。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术36（2）信道隔离度和串扰信道隔离度: 定义为第i 信道输出端口测得

32、的信号功率Pi(i)与第j 信道在第i 输出端口测得的串扰功率Pj(i) (ij)之比，为第j 信道对第i 信道的隔离度。以dB 表示，即隔离度和串扰是一对相关联的参数，其绝对值相等，符号相反。WDM 系统要求相邻信道的隔离度大于25dB ，非相邻信道的隔离度大于22dB 。目前，场DM 复用系统中常用的复用、解复用器主要有光栅型、干涉型、光纤方向耦合器型和光滤波器型等。干涉型复用和解复用器件有多种多样，常用的有干涉膜滤波器型和阵列波导光栅型（Arrayed Waveguide Grating , AWG）。光纤耦合器己经介绍过，在WDM 系统中主要用作多路信号的复用，或利用耦合系数与波长的关

33、系制作两路解复用器。本节着重介绍光栅型、干涉膜滤波器型和阵列波导光栅型三种在密集波分复用（DWDM ）系统中常用的复用、解复用器。5 . 4 . 1 光栅型复用、解复用器图5 . 26 所示是光栅型解复用器的三种结构，前两种都是用闪耀光栅构成的反射型器件。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术375.4.1 光栅型复用、解复用器图5 . 26 所示是光栅型解复用器的三种结构，前两种都是用闪耀光栅构成的反射型器件。当入射光被准直后，照射到光栅上，由于光栅的角色散作用，不同波长的光以不同角度出射，然后经透镜汇聚到不同的输出光纤，从而完成波分解复用功能。图5 . 26 ( a ）所示的结

34、构用传统的透镜作准直器件，图（b ）用自聚焦透镜作准直器件。为减小复用信道的串音，复用信道的波长间隔应远大于器件能够分辨的最小波长差。图（c ）是用体光栅制成的解复用器。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术38当入射光波被准直成平行光后照射到光栅上，被光栅的周期性槽沟衍射，向各个方向传播，在成像平面上，来自各个槽沟的同波长光干涉叠加形成具有最大和最小强度变化的干涉条纹，主最大强度的方向可以由下式给出：上式说明各个波长在一个确定的角度上有它的主最大，也就是说，不同波长的主最大相互分开一个角度，这就是光栅能够将多波长信号进行解复用的原因。对上式求导，我们也可以得到k = 1 时光栅的

35、角色散本领。光栅型解复用器是一种并行器件，它可以同时分开多路不同波长的信号，使各路的插入损耗都一样，具有解复用路数多，分辨率较高等优点，目前被广泛应用于DWDM 系统中。人们利用光栅，已分开数十个甚至数百个信道，其中8 路和16 路解复用器的分辨率小于1nm ,插入损耗为5dB8dB 左右。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术395.4.2 干涉膜滤波器型复用、解复用器件干涉膜滤波器型解复用、复用器的基本结构如图5 . 27 所示，它是由自聚焦透镜和滤光片组成。滤光片由多层介质薄膜构成，它可以通过介质膜系的不同选择构成长波通、短波通和带通滤光器。其基本原理，可以通过每层薄膜的界面

36、上多次反射和透射光的线性叠加来解释，如同法布里-玻罗（F-P ）腔一样。在复用器件中使用自聚焦透镜对光束进行准直，长度应为四分之一节距，准直后的平行光入射到滤光片上，滤光片将1 的光几乎全透射过去，而将2的光几乎全反射回去，透射光和反射光再经过自聚焦透镜汇聚，分别耦合进输出光纤，这样通过两个自聚焦透镜和中间的干涉滤光片就可以实现两个波长的分波和合波。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术40从自聚焦透镜的成像性质，当光纤离开自聚焦棒的轴线安装时（如图5 . 27 所示），经四分之一节距的GRIN透镜准直后的平行光和透镜轴线成一定角度，即准直后的光斜入射到滤光片上。这时，根据菲涅尔反

37、射系数公式，干涉滤光片对不同极化方向的光的透射率是不同的，偏角越大，差别也越大，极化效应越明显，导致复用器件对偏振敏感，性能下降。当光纤安装在GRIN 透镜的轴上时，准直后的光束垂直于滤光片，这样就可以避免极化效应发生，所以图5 . 28 所示的结构更适合于波分复用器件。干涉膜滤波器型解复用器具有插入损耗小、隔离度高、工作稳定等优点。它是一种串行器件，当复用路数较多时，各路的插入损耗差异较大，但各信道间的串扰可以做得较小。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术415.4.2 干涉膜滤波器型复用、解复用器件图5 . 29 所示是一个商用的8 波长干涉膜滤波器型解复用器的输出光谱图，波

38、长间隔为1 . 6lun 。可以看出，此解复用器通带特性良好，顶部平顶较大，边沿较陡峭。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术425.4.3 阵列波导光栅型复用、解复用器图5 . 30 所示是用集成光学方法研制的NxN 阵列波导光栅型（Arrayed Wavequide Grating , AWG ）复用、解复用器。它是由输入波导，两个平面耦合波导，阵列波导和输出波导构成的。当多波长信号被激发进某一输入波导时，此信号将在第一个平面波导中发生衍射而耦合进阵列波导。阵列波导由很多长度依次递增的波导路径构成，光经过不同的波导路径到达第二个平面耦合波导时，产生不同的相位延迟，在第二个耦合波

39、导中相干叠加。这种阵列波导长度差所起的作用和光栅沟槽平面所起的作用相同，从而表现出光栅的功能和特性，这就是阵列波导光栅（AWG ）名称的来源。精确设计阵列波导的路径数和长度差，可以使不同波长的信号在第二个平面耦合波导输出端的不同位置形成主极强，分别耦合到不同的输出波导中，从而起到解复用的作用。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术43光波长交织器复用器（Wavelength Splitter，Interleave）：随着复用波长数的不断增加，一种称为波长交织器的复用、解复用器问世。这种器件是一种梳状滤波器，可以对信号的频谱进行梳理和交织，也称为光数字波分复用器，如图5 . 31 所

40、示。利用这种器件，可以把复用的多波长信号分解成按奇、偶波长排列的两组光束，每组光束的波长间隔为原复用光信号的二倍，从而使密集的DWDM 系统（例如：波长间隔为50nm ）可以进一步分解为两组较稀疏的DWDM 信号（例如：波长间隔为100nm ) ，或者反过来将两组较稀疏的DWDM 波长交织器信号合成为一组更密集的DWDM 信号，即通过交织对两组波长进行复用、解复用。梳状滤波器一般是利用高阶光学干涉途径实现，可以利用麦克尔逊（M . Chelson ）干涉原理、法布里拍罗（F -P ）干涉原理、马克.詹德（Mach-Zenhder ）干涉原理等制成，可以是光纤型的，也可以是晶体型的。第 5 章

41、无 源 光 器 件 和 WDM 技 术445.5 光开关光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC ）和光分插复用（OADM ）设备的核心器件，也是光网络实现保护倒换的必需器件，其主要性能除了插入损耗、隔离度、开关速度和偏振敏感性等外，还有消光比和阻塞性质。消光比是指开关on 和off 时输出功率之比（常用dB 表示），阻塞性质是指任一输入端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的性质。严格无阻塞特性指不需要任何算法，光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端。大型或级联光开关一般要求具有严格无阻塞特性。光开关可分为自由空间型和波导型两大类，每一类又可以采用不同的物理效应（如电光效应、热光效应、

42、电-机械效应等）、不同的材料( Li NbO3 、硅基、聚合物、液晶等）和不同的工艺来实现。下面介绍几种典型的、也是常用的光开关的原理和结构。5.5.1 机械光开关机械光开关是目前常用的一种光开关器件。根据工作原理的区别，机械光开关可以分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器等多种类型，图5 . 32 所示为三种采用不同技术的开关结构：移动光纤、移动棱镜和转动反射镜。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术455.5.1 机械光开关机械光开关是目前常用的一种光开关器件。根据工作原理的区别，机械光开关可以分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱

43、镜和移动耦合器等多种类型，图5 . 32 所示为三种采用不同技术的开关结构：移动光纤、移动棱镜和转动反射镜。机械型光开关的优点是插入损耗低（ 45dB ) ，与波长和偏振无关，制作技术成熟。其缺点是开关动作时间较长（毫秒量级），体积偏大，不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在重复性差的问题。机械型光开关在最近几年己得到广泛应用，但随着光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容量光传送网发展的需求。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术465.5.2 微机械光开关微机械（Micro -Electro Mechanical - Systems , MEMS）光开关是指由半导体材

44、料（如Si 等）构成的微机械电控结构。它在一块芯片上将电、机械和光合为一体，透明传送不同速率、不同协议的业务，是一种有广泛的应用前景的光开关。MEMS 器件基本原理是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。MEMS 既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有体积小、易于大规模集成等优点，非常适合于骨干网或大型交换业务的应用场合。典型的MEMS 光开关可分为二维结构和三维结构。基于镜面的二维MEMS 器件是一种受静电控制的二维微镜面阵列组成，安装在机械底座上，准直光束和旋转微镜构成多端口光开关矩阵，其原理如图5 . 33 所示。微镜两边有两个推

45、杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接平移盘铰接点。转换状态通过静电控制使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束通过该微镜，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使光束从该微镜对应的输出端口输出。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术47二维MEMs 需要N2个微镜来完成N x N 个自由空间的光交叉连接，其控制电路较简单，由TTL 驱动器和电压变换器来提供微镜所需的电压。它很容易从开发阶段转向大规模的生产，开关矩阵的规模可以允许扩展到数百个端口。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术48图5 . 34 给出一种三维MEMS 光开关的结构。三维结构

46、主要靠两个微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜能向任何方向转动，都有多个可能的位置，输入光线到达第一个阵列镜面上后，被反射到第二个阵列的预制镜面上，然后再被反射到输出端口。为确保任何时刻微镜都处于正确的位置，其控制龟路需要十分复杂的驱动方法，控制精度有时要达到百万分之一度，因此，制造工艺较为困难，较二维MEMS 复杂得多。由于MEMS 光开关是靠镜面转动来实现交换功能，所以任何机械摩擦、磨损或震动都可能损伤光开关。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM 技 术495.6 WDM光纤传输系统光纤通信发展的30 多年来，传统的电时分复用光纤通信系统的速率几乎以每10 年100倍的速

47、度稳定增长，但其发展速度最终受到电子器件速率响应瓶颈的限制，在40Gbit/s 以上很难实现。20 世纪90 年代密集波分复用（DWDM ）技术兴起并迅速发展，广泛应用到通信网中，引发了光通信系统和网络的重大变革。WDM 技术以较低的成本、较简单的结构形式成几倍、数十倍、数百倍地扩大单根光纤的传输容量，使其成为光网络中的主导技术。WDM + EDFA 也被称为20 世纪90 年代中新一代光纤通信系统。5.6.1 波分复用（WDM ）、密集波分复用（DWDM ）和光频分复用（OFDM ) 光纤具有丰富的低损耗带宽资源 ，可以采用波分复用技术扩大传输容量。第 5 章 无 源 光 器 件 和 WDM

48、 技 术50WDM简介波分复用技术是指不同波长的多个独立光信号复用在一起，在同一光纤中同时传输。这些光信号可以独立地进行路由选择和检测，其波长还可以作为源、宿或者路由的标识地址来确定通信的路径。为了允许特定波长的传输、检测和路由，必须要有具有波长选择功能的光器件来实现，即波分复用、解复用器件是实现波分复用技术的关键。波分复用技术可以有WDM 、DWDM 、OFDM 等不同的提法，实际上，WDM 、DWDM 、OFDM 本质上都是光波长分割复用（或光频率分割复用），所不同的是复用信道波长间隔不同，如CWDM, 8波。20 世纪80 年代中期，复用信道的波长间隔一般在几十到几百纳米，如1300nm 和1500nm 波分复用，当时被称为WDM 。