通工专业-光纤通信技术-第五章-光无源器件

通工专业-光纤通信技术-第五章-光无源器件第一页，共210页。5.1光纤连接器

5.2光纤耦合器5.3光调制器5.4光开关5.5光纤光栅5.6光衰减器5.7光隔离器5.8光环形器第五章光纤通信中的光无源器件

第二页，共210页。本章简介构成一个完整的光纤通信系统，除了要有光源、光电检测器和光缆外，还需要配置必要的光无源器件，如光纤（缆）连接器、光纤耦合器、光调制器、光开关、光衰减器、光隔离器等。它们主要用于光纤与光纤或光纤与其它器件的光学连接、光功率分配、光波分复用及光信号的隔离等。第三页，共210页。本章主要介绍了光纤（缆）连接器、光纤耦合器、光调制器、光开关、光衰减器、光隔离器等几种光无源器件的原理、结构、分类、性能等相关问题，这些问题都直接影响着光纤通信系统的质量和可靠性。第四页，共210页。5.1光纤连接器光纤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（活动）连接的器件，它是光纤通信中是必不可少的器件。为施工方便，光缆须分段敷设，一般光缆长度为1.2~2km，在两端光纤（光缆）之间就要进行连接。这种连接是固定的、永久的，常用光纤固定接头来进行连接。在光发送机、接收机或仪表与光纤之间也要进行连接，这种连接必须是活动的、可拆装的，要通过光纤活动连接器来完成。光纤活动连接器因而成了光纤通信中需求量最大的光无源器件。第五页，共210页。

图5.1示出套筒结构的光纤连接器简图，包括用于对中的套筒、带有微孔的插针和端面的形状（图中画出平面的端面）。光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套筒对中实现连接。以下文中提到的光纤连接器都指的是光纤活动连接器。图5.1套筒结构光纤连接器简图

第六页，共210页。对光纤连接器的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤。光纤连接器是光纤通信中应用最广泛、最基本的光无源器件。光纤连接器的“尾纤”（即一端有活动的连接器光纤）用于和光源或检测器耦合，以构成发射机或接收机的输出/输入接口，或构成光缆线路及各种光无源器件两端的接口。光纤连接器跳线（即两端都有光纤活动连接器的一小段光纤）用于终端设备与光缆线路及各种光无源器件之间的互连，以构成光纤传输系统。第七页，共210页。5.1.1光纤连接器的组成光纤活动连接器在结构上差别很大，品种也很多，但按功能可分成如下几部分：(1)连接器插头(PlugConnector)：使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，由插针体和若干外部零件组成。第八页，共210页。图5.2是几种常见的光纤活动连接器插头，为使光纤不受到外界损害，插头的机械结构必须具有对光纤进行有效保护的功能。图5.2几种常见的光纤活动连接器插头第九页，共210页。(2)转换器或适配器(Adapter)：即插座（珐琅盘），将光纤插头连接在一起使光纤接通的器件。转换器可以连接同型号插头，也可以连接不同型号插头，可以连接一对插头，也可以连接几对插头或多芯插头。第十页，共210页。图5.3示出珐琅盘在光纤连接器中的位置。图5.3珐琅盘在光纤连接器中的位置第十一页，共210页。(3)变换器(Converter)：将某一型号的插头变换成另一型号插头的器件，使用时将某一型号的插头插入同型号的转换器中，就变成其他型号的插头了。第十二页，共210页。(4)光缆跳线(CableJumper)：一根光缆两端面装上插头，称为跳线。两个插头的型号可以不同，可以是单芯的，也可以是多芯的。连接器插头是跳线的特殊情况，即只在光纤（缆）的一端装有插头，也将其称为尾纤。图5.4示出了两种常用的光缆跳线。图5.4光缆跳线第十三页，共210页。

(5)裸光纤转换器(BareFiberAdapter):将裸光纤与光源、探测器及各种光仪表连接的器件，如图5.5所示。将裸光纤穿入转换器，处理好光纤端面，形成一个插头，就可以进行其他连接了。用完后，可将裸光纤从转接器中抽出。裸光纤转换器在光纤测试、光仪表以及光纤之间的临时连接中具有广泛的用途。图5.5裸光纤转换器第十四页，共210页。5.1.2光纤连接器的性能评价光纤（缆）连接器的主要指标有：结构简单、装配方便、插入损耗低、具有良好的重复性和稳定性、对环境因素稳定、串扰价格低廉以及低串扰等。其中最重要的是插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。第十五页，共210页。1.插入损耗插入损耗是指光纤中的光信号通过连接器之后，其输出光功率与输入光功率的分贝数，数学表达式为

（5.1）第十六页，共210页。对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器，滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，这样才能准确地衡量连接器的插入损耗。第十七页，共210页。光纤连接时，如图5.6所示，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横向错位、角度倾斜、端面形状以及端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗，影响插入损耗。对于用户来说，插入损耗越小越好。图5.6引起插入损耗的各种情况第十八页，共210页。2.回波损耗回波损耗又称后向反射损耗。它是指在光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数，数学表达式为：（5.2）

第十九页，共210页。回波损耗越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响，其典型值应不小于25dB。在高速系统、有线电视系统和光纤通信系统等领域，为了减小回波损耗对光源的影响，要求回波损耗达到40dB、50dB甚至60dB以上。第二十页，共210页。满足这一要求的有效途径是将光纤端面加工成球面或斜球面，如图5.7（a）和（b）所示。（a）球面接触

图5.7改进回波损耗的方法

（b）斜球面接触

第二十一页，共210页。将装有光纤的插针体端面加工成球面，这种研磨方式称为PC研磨方式，球面曲率半径一般为25~60mm。球面接触的优点是可以保证两个插针体中的光纤充分接触，达到“物理接触”。因此回波损耗可显著增大，可达到50dB以上。第二十二页，共210页。在斜球面接触中，先将插针体端面研磨成左右的倾角，再按球面加工的方法抛磨成球面，这种研磨方式称为APC研磨方式。在连接时，严格按照预定的方位使插针体对准。这种方法除了实现光纤端面的物理接触外，还可以将微弱的后向反射光偏斜，使其难以入射进光纤中。斜球面接触可是回波损耗达到60dB以上。第二十三页，共210页。3.重复性和互换性重复性是指光纤（缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。影响插入损耗的各项因素，也同时影响着连接器的重复性和互换性，因而这些因素的改善也会有效地提高重复性和互换性的性能指标。第二十四页，共210页。5.1.3常用的光纤连接器光纤（缆）连接器的品种、型号很多。按结构的不同可分为调心型和非调心型；按连接方式的不同可分为对接耦合式和透镜耦合式；按光纤相互接触关系的不同可分为平面接触式和球面接触式等。目前具有代表性的产品主要有FC、ST、SC、D4、双锥、VFO（球面定心）和F-SMA等。第二十五页，共210页。在我国用得最多的是FC系列的连接器，它是干线系统中采用的主要型号，在今后一段较长时间内仍是主要使用的产品。SC型连接器是光纤局域网、CATV和用户网的主要品种。除此之外，ST型连接器也有一定数量的应用。第二十六页，共210页。（1）FC型连接器FC型连接器是一种螺纹连接，外部零件采用金属材料制作，是我国电信网采用的主要产品，我国已制定了FC型连接器的国家标准。第二十七页，共210页。（2）SC型连接器SC型连接器的插针、套筒与FC型完全一样。它的外壳采用工程塑料制作成矩形结构，便于密集安装。它没有采用螺纹连接，可以直接插拔，使用方便，操作空间小，可以密集安装，可做成多芯连接器，应用前景广阔。第二十八页，共210页。（3）ST型连接器ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。第二十九页，共210页。上述FC、SC和ST三种型号的连接器只能对同型号的插头进行连接，对不同型号的插头进行连接就需要下面三种转换器：FC/SC型转换器—用于FC与SC型插头互连；FC/ST型转换器—用于FC与ST型插头互连；SC/ST型转换器—用于SC与ST型插头互连；第三十页，共210页。光纤连接器是光学器件中的一种基础原件，它必将根据光通信、光传感技术提出的要求去发展和提高，在进一步提高光纤连接器性能的基础上，使其走上集成化、小型化的发展方向。第三十一页，共210页。5.2光纤耦合器光纤耦合器的功能是一个或多个输入光分配给多个或一个光输出，实现了输入光功率在不同输入端口的再分配。简单地讲，光纤耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。它的主要用途包括：对光中继接口噪声评价，插入噪声测量；监视传输线上的信号，并从中取出一定功率的光信号作检测使用；提取反射信号等。第三十二页，共210页。目前，光耦合器已经形成一个多功能、多用途的产品系列。随着光纤通信、光纤接入网、光纤CATV、无源光网络PON、光纤传感技术等领域的迅猛发展，光耦合器的应用越来越广泛。第三十三页，共210页。5.2.1光纤耦合器的类型图5.8示出了四种常用耦合器的类型：T型、星型、定向型和波分型，它们具有不同的功能和用途。图5.8常见的耦合器类型第三十四页，共210页。（1）T型耦合器这是一种2×2的3端耦合器，如图5.8（a）所示，它的功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起输入一根光纤。这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器。第三十五页，共210页。（2）星型耦合器这是一种n×m耦合器，如图5.8（b）所示，它的功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器常用作多端功率分配器。第三十六页，共210页。（3）定向耦合器这是一种2×2的3端或4端耦合器，它的功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号，如图5.8（c）所示，光信号从端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。这种耦合器可用作分路器，不能用作合路器。第三十七页，共210页。（4）波分复用器/解波分复用器这是一种与波长有关的耦合器（也称合波器/分波器），如图5.8（d）所示，它的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光纤分配的给不同的接收机。第三十八页，共210页。5.2.2光纤耦合器的结构耦合器的结构有许多类型，其中比较实用、发展潜力好的有光纤型、微器件型和平面波导型。第三十九页，共210页。1.光纤型耦合器光纤型耦合器是把两根或多根光纤排列，用熔融拉锥法制作出来的器件。熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法，这种方法的系统框图如图5.9所示。第四十页，共210页。图5.9熔融拉锥系统示意图第四十一页，共210页。利用熔融拉锥法可以制成T型耦合器、星型耦合器、定向型耦合器和波分/解波分复用器。图5.10（a）和（b）示出单模2×2定向耦合器和多模n×n星型耦合器的结构。单模星型耦合器的端数受到一定限制，通常可用2×2耦合器组成。第四十二页，共210页。图5.10光纤型耦合器（a）定向耦合器（b）8×8星型耦合器第四十三页，共210页。熔融拉锥法已成为当今制作光纤耦合器最主要的方法，这是因为这种方法制作的光纤耦合器具有以下优点：（1）极低地附加损耗。目前这种方法制作的耦合器附加损耗可低于0.05dB，这是其它方法难以达到的。（2）方向性好。其指标一般都超过60dB，能够很好的保证传输信号的方向性以及减小线路之间的串扰。第四十四页，共210页。（3）良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以先知道很小的程度。（4）控制方法简单、灵活。（5）制作成本低、适于批量生产。第四十五页，共210页。2.微器件型耦合器利用自聚焦透镜和分光片（光部分投射、部分反射）、滤光片（一个波长的透射，其它波长的光反射）或光栅（不同波长的光有不同的反射方向）等微光学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和波分/解波分复用器，如图5.11所示。第四十六页，共210页。图5.11微器件型耦合器（a）T型耦合器；（b）定向耦合器；（c）滤光式解复用器；（d）光栅式解复用器第四十七页，共210页。用2×2的耦合器作为基本单元同样可以构成n×n星型耦合器。自聚焦透镜在光无源器件中起着非常重要的作用，它是利用自聚焦效应而制成的，自聚焦效应是这样描述的：不同入射角相应的光纤，虽然经历的路程不同，但是最后都会聚焦在一点上。第四十八页，共210页。3.平面波导型耦合器平面波导型耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光耦和器件，其关键技术包括波导结构的制作和器件与传输线路的耦合。目前广泛采用的制作介质光波导的方法主要是在铌酸锂（LiNbO3）等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成波导结构。图5.12示出了矩形波导的简图。图5.12矩形波导简图第四十九页，共210页。光波导耦合器的基本单元有分支波导和定向耦合器，其基本结构如图5.13所示。将多个1×2分支波导、2×2定向耦合器级联可以构成树形耦合器。图5.13（a）所示为7个1×2分支波导级联构成的1×8树形耦合器，图5.13（b）所示为一个2×2定向耦合器与6个1×2分支波导级联构成的2×8树形耦合器.第五十页，共210页。(a)1×2分支波导（b）2×2定向耦合器图5.13波导基本单元第五十一页，共210页。波导型耦合器的优点主要表现在以下四个方面：（1）体积小、重量轻、易于集成。制作光波导采用的是与集成电路相似的工艺，可以方便地与其他元件集成在一起，符合光学元件的发展趋势。（2）耦合比易于精确控制，可以进行大批量生产。（3）机械及环境稳定性好，可以用于一些特殊场合。（4）易于制成小型化的宽带耦合器。第五十二页，共210页。5.2.3光纤耦合器的特性参数1.插入损耗插入损耗定义为指定输出端口i的光功率与全部输入光功率比值的对数，它的数学表达式为：式中，为第i个输出端口的插入损耗；为第i个输出端口的光功率；为输入的总光功率。

（5.3）第五十三页，共210页。2.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输入光功率的减少值，该值以分贝表示的数学表达式为：式中，EL为附加损耗；为第i个输出端口的光功率；为输入的总光功率。（5.4）

第五十四页，共210页。光纤耦合器的附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，而且也有分光比的影响。因此，不同类型光纤耦合器之间的插入损耗差异并不能反映器件制作质量的优劣。第五十五页，共210页。3.分光比分光比是光耦合器所特有的技术术语，定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，它的数学表达式为：（5.5）

第五十六页，共210页。4.方向性方向性是光纤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，输入一侧非注入光一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值的对数。

（5.6）第五十七页，共210页。如图5.14所示，方向性就定义为由2端输出的光功率与全部注入的光功率(由1端注入的光功率)之比。图5.14X型耦合器示意图第五十八页，共210页。5.均匀性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，均匀性就是用来衡量其不均匀程度的。均匀性被定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量，它的数学表达式为：

（5.7）

第五十九页，共210页。6.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偏振态的敏感程度。他指的是当传输光信号的偏振态发生变化时，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经常发生，因此，器件具有足够小的偏振损耗才能不影响使用效果。第六十页，共210页。7.隔离度隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高说明各线路之间的“传音”小。在实际工程中，隔离度可直接放映WDM器件对不同波长光信号的分离能力。对于分波耦合器来说，隔离度往往需达到40dB以上，而合波耦合器的隔离度只需20dB左右即可。第六十一页，共210页。隔离度的数学表达式为：

（5.8）

某一光路输出端测得的其他光路信号的功率值；是被检测光信号的输入功率值。第六十二页，共210页。5.3光调制器在通信系统中要产生一个调制光信号最直接的方法是直接调制电流来驱动激光二极管，但是，这种直接调制会引起光波长的开通延迟、弛豫振荡、频率啁啾等有害影响。如果把激光的产生和调制过程分开，就完全可以避免这些有害影响因此，常用的一种替代方法是使激光器以一个连续工作方式工作且要在激光器之后安放一个调制器。这个调制器能够接通或断开激光器激光而不会影响到激光器本身。第六十三页，共210页。调制器可直接对接耦合到激光器上，也可安放在激光器芯片外壳内和用微透镜进行光学耦合，或者在激光器和调制器之间用一根光纤尾纤进行远距离连接，这种调制方法也称作外调制。也就是说，外调制方式是让激光器连续工作，将外调制器放在激光器输出端之后，用承载信息的信号通过调制器对激光器的连续输出进行调制。只要调制器的反射足够小，激光器的线宽就不会增加。为此，通常要插入光隔离器。第六十四页，共210页。直接调制和外调制方式如图5.15所示。（a）直接调制（b）外调制图5.15光的两种调制方式第六十五页，共210页。5.3.1电光效应材料的折射率随外加电场变化称为电光效应。常用的电光晶体有电光系数较大而且在空气中稳定的铌酸锂（LiNbO3）。铌酸锂调制已经变成高速调制连续波二极管激光器所用的主要技术之一，它是利用铌酸锂为材料来制作调制器的，特别适用于要求非常严格的线性调制或必须要避免啁啾的各种应用场合（例如有线电视）。这些调制器是借助电光效应（即用施加的电场来改变折射率）而工作的。第六十六页，共210页。电光效应是在一个施加电场存在的情况下，在一个非中心对称晶体中所发生的折射率变化。线性电光效应可用一个第三秩张量来表示。然而，使用对称规则足以定义一个简化的张量，这里的，，可以表示为1,2,3。那么，线性电光效应通常可以表示为与折射率平方成反比的线性变化：（5.9）

第六十七页，共210页。式中，是第j个方向所施加的电场分量。所加电场将公式（5.9）表示的各向异性晶体的折射率椭球变化成一个以公式（5.10）为基础的新形式：（5.10）

第六十八页，共210页。可有下式求出对角线成分：而交叉项则由下式求得交叉项的出现说明椭球旋转和主介质轴的长度已发生改变。第六十九页，共210页。重新整理公式（5.10）的椭球将会给出新的轴和新的数值。在铌酸锂（选择作为电光调制器的材料）中可以简化上述的各公式，其中，非零分量的大小为：第七十页，共210页。为了获得最大的电光效应，一般要选定晶体的方向。这意味着如果是沿着Z轴施加的电场，那么沿着Z轴的偏振光可以看成是最大电场引起的折射率变化。由于，那么所完成的差别是：（5.11）

第七十一页，共210页。我们已用包括了一个填充因子（也称作光电场重叠参数）来概括当施加电场重叠波导时，施加场可能是不均匀的事实，从而产生一个有效电场，它比最大电场略小。第七十二页，共210页。对于沿着Z轴施加电场的一般情况，只有折射率椭球中的各项成为，且。这就意味着折射率椭球已不旋转，椭球轴在长度上几乎不发生变化。沿着这些轴的任何轴的偏振光将看到一个纯的相位调制。第七十三页，共210页。因为最大，沿着Z轴的偏振光和沿着Z轴提供的施加电场将提供最大的相位调制。沿X轴或Y轴的偏振光将具有相同（虽然比较小）的折射率变化。如果所需要的是偏振无关调制，利用偏振光应该是一个比较好的方向。尽管这将要求光沿着Z轴（Z轴是所施加的场的方向）进入（即施加电场的方向），但是并不实用。第七十四页，共210页。考虑沿着Y轴施加电场，在这种情况下，非零项是：（5.12）

第七十五页，共210页。从公式（5.12）可以看出，现在有一个YZ项（来自），只需围绕Z轴稍微旋转，从扰动折射率椭球的重新转动找出新的主轴。因此，主要的折射率变化基本上是沿着X和Y轴的变化，它们具有如公式（5.12）所示的相同值和。如果光沿着没有施加电场的Z轴进入，从两个偏振轴（X和Y）看到的是一个普通的折射率。在一个施加电场作用下，两个偏振态经历了相同的相位变化（但符号相反）。第七十六页，共210页。图5.16（a）相位调制的几何形状，在铌酸锂中用电极跨越通道波导；（b）图（a）的端面图，它表示了通道中的电场是怎样与表面平行分布的；（c）一个将一个电极放在通道上的相位调制的几何形状的端面图，它表明了在通道中的电场是怎样与表面垂直分布的。（a）（b）（c）第七十七页，共210页。图5.16给出了一个简单的相位调制示意图。由于铌酸锂是一种绝缘体，向这种材料施加电场的方向与所用的什么样的电极有关。跨越调制器的电极提供了一个电场电力线与波导相交的平面电场，如图5.16（b）所示。这要求调制器沿Y轴切铌酸锂（Y轴与晶片平面垂直），所具有的电场电力线是沿着Z轴方向的。沿着X轴方向切铌酸锂的情况是类似的。第七十八页，共210页。图5.16（c）示出了一个沿Z轴切的铌酸锂，在这种情况下，电极被安放在波导上，让电场向下扩展通过波导（沿着Z轴方向）。电场电力线将从更远距离的第二个电极上来。在上述的任一情况下，电场会是条纹和不均匀的，这就是为什么要引入填充因子的原因。第七十九页，共210页。5.3.2MZ干涉型光调制器

最常用的幅度调制器是在铌酸锂晶体表面用钛扩散波导构成的马赫-曾德尔（MZ）干涉型调制器，如图5.17所示。使用两个频率相同但相位不同的偏振光进行干涉的干涉仪，通过外加电压引入相位的变化来改变幅度的变化。第八十页，共210页。（b）（a）（a）调制电压施加在两臂上；（b）调制电压施加在单臂上图5.17马赫-曾德尔幅度调制器第八十一页，共210页。图5.17（a）所示的由两个Y形波导构成的结构中，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，所以该结构扮演着干涉仪的作用，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。第八十二页，共210页。两个理想的背对背相位调制器，在外电场作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。由于加在两个分支中的电场方向相反，如图5.17（a）右上方的截面图所示，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A分支中引入的相位变化，那么在B分支则引入相位的变化，因此A、B分支将引入相位的变化。第八十三页，共210页。加入输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，其幅度为A，在输出端D的光场为：当=0时输出功率最大，当时，两个分支中的广场相互抵消干涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。（5.13）

第八十四页，共210页。于是由于外加电场控制着另个分支中干涉波的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，虽然它们并不成线性关系。

（5.14）

第八十五页，共210页。在5.17（b）所示的强度调制器中，当外调制电压为零时，MZ干涉仪A、B两臂的电场表现出完全相同的相位变化；当加上外电压后，电压引起A波导折射率变化从而破坏了该干涉仪的相长特性，因此在A臂上引起了附加相移，结果使输出光的强度减小。第八十六页，共210页。作为一个特例，当两臂间的相位差等于时，在D点出现了相消干涉，输出光强为零；当两臂的光程差为0或时，干涉仪相长干涉，输出光强最大。当调制电压引起A、B两臂的相位差在0~之间变化时，输出光强随调制电压而变化。由此，加到调制器上的电比特流在调制器的输出端产生了波形相同的光比特流。第八十七页，共210页。5.4光开关光开关是全光交换中的关键器件，它具有一个或多个可选择的传输端口，控制光路的通断（或者说信号的通断），可对光传输线路中的光信号进行相互转换或实行逻辑运算。光开关在全光网中起着重要的作用。第八十八页，共210页。在WDM传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和式中提取；在光TDM系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接设备（OXC）的关键器件，也是波长变换的重要器件。第八十九页，共210页。5.4.1光开关的分类光开关如按其工作时的介质划分，可分为

自由空间光开关波长光开关第九十页，共210页。光开关如按其工作原理划分可分为

机械式非机械式第九十一页，共210页。

机械式光开关是通过光纤和光学元件的移动或旋转，使光路断开或关闭，开关时间在毫秒量级（较长），还会有回跳抖动和重复性差等问题。

第九十二页，共210页。非机械式光开关一般是通过电光效应、热光效应、液晶、磁光效应以及声光效应等改变波导折射率使光路发生改变完成开关功能，具有开关时间短，体积小，便于集成的优点，但插入损耗大，隔离度低。第九十三页，共210页。1.机械式光开关新型机械式光开关有微机电系统光开关和金属薄膜光开关。微光机电光开关MEMS(MicroOpto-ElectroMechanicalSystems)在半导体衬底材料上制造出可以作微小移动和旋转的微反射镜(140μm×150μm)阵列。微反射镜在驱动力的作用下，将输入光信号切换到不同的输出光纤中。驱动力可利用热力效应、磁力效应或静电效应产生。第九十四页，共210页。图5.18示出了MEMS光开关的结构。当微反射镜为取向1时，输入光经输出波导1输出；当微反射镜为取向2时，输入光经输出波导2输出。微反射镜的旋转由控制电压（100~200V）完成。图5.18MEMS光开关结构

第九十五页，共210页。MEMS光开关的优点是体积小，消光比大(>60dB），隔离度好（>45dB）对偏振不敏感，成本低，开关速度适中(0.1ms～1ms)，插入损耗小于2dB。第九十六页，共210页。金属薄膜光开关的结构如图5.19所示。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。第九十七页，共210页。（a）未加电压时（b）加电压时图5.19金属薄膜光开关结构第九十八页，共210页。图5.20为金属薄膜MZ型光开关结构示意图。如果不加电压，金属薄膜跷起，MZ干涉仪两个臂的相移相同，此时光信号从端口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。图5.20金属薄膜MZ型光开关第九十九页，共210页。2.非机械式光开关非机械式光开关的类型：液晶光开关电光效应光开关热光效应光开关声光开关等第一百页，共210页。液晶光开关内包含液晶片、偏振光束分离器(PBS)或光束调相器。当无外加电压时，液晶使偏振光的偏振角发生旋转，当旋转角恰好等于90度，可从检偏器通过，即ON状态。当施加电压时，液晶分子将平行于外加电场，双折射效应消失，入射光从液晶出射时依然保持垂直偏振状态，被检偏器阻挡，即OFF状态。第一百零一页，共210页。电光效应光开关是基于电光效应的光开关。如果对晶体施加适当的外电场，则晶体的双折射性质将发生改变，从而使通过晶体的光波产生相位延迟或偏振态的改变。第一百零二页，共210页。图5.21电光效应示意图第一百零三页，共210页。热光开关是基于声光效应的光开关。热光效应是指通过电流加热的方法使介质的温度发生变化，导致介质折射率的变化从而使光波相位发生改变的物理效应。第一百零四页，共210页。声光开关是基于声光效应的光开关。声光效应是指声波通过声光材料时，使其产生内部应力场或表面形变分布应变，通过光弹性效应，引起材料折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长输入光的现象。声光开关没有机械移动部分，消除了拥塞、破损等很多问题，但是损耗随波长变化较大，同时驱动电路也比较昂贵。第一百零五页，共210页。5.4.2光开关的特性参数1.插入损耗（InsertionLoss)插入损耗是指某一输出端口与输入端口光功率的比值，以分贝来表示的数学表达式为：

（5.15）

插入损耗与开关的状态有关。第一百零六页，共210页。2.开关时间(SwitchingTime)开关时间又称为切换时间，是指从控制信号启动到光信号切换（开启为最大功率的90%或关闭为最大光功率的10%）所需的最短时间。开关时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻开始算起。对于机械式光开关，切换时间一般在6~10ms左右，而上升时间和下降时间通常在2ms左右。第一百零七页，共210页。3.消光比(ExtinctionRatio)消光比是指输入输出两个端口处于导通（开启）和非导通（关闭）状态的插入损耗之差，它的数学表达式为：

（5.16）

第一百零八页，共210页。4.隔离度（Isolation）隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示的数学表达式为：（5.17）

第一百零九页，共210页。5.串扰（crosstalk)串扰是指串入相邻端口的输出光功率与光开关接通端口的输出光功率的比值，以分贝表示的数学表达式为：（5.18）

第一百一十页，共210页。5.5光纤光栅光栅是WDM系统中用作复合和分离独立波长的重要器件。本质上来说，光栅是材料中的一种周期性结构或周期性扰动。在材料中的这种变化具有一种特性，即可以在与波长有关的某一特定方向上反射或传输光，因此光栅可以分为传输光栅和反射光栅。第一百一十一页，共210页。1.光栅基础知识

图5.22定义了反射光纤中的各种参数。其中是光的入射角，是光的衍射角，是光栅周期（材料中结构变化的周期）。在包含一系列等间隔缝隙的传输光栅中，两个相邻缝隙的间隔称为光栅的间距。图5.22反射光栅的基本参数第一百一十二页，共210页。当以角度衍射的射线满足式（5.19）的光栅方程时，在像平面内就会产生在波长上的相加干涉。

式中，m是光栅的阶数，一般只考m=1的一阶衍射条件。对于不同的波长，可以在像平面内的不同点满足光栅方程，所以光栅可以将不同的波长分离。（5.19）

第一百一十三页，共210页。2.光纤光栅的光敏性

光纤光栅由一段折射率沿其长度方向周期（或非周期）变化的光纤构成，在光纤通信系统中是一种十分重要的基础无源器件。由于光纤光栅是利用光纤材料对UV的光敏性制成的纤芯折射率呈现周期或非周期性变化，即只要用很强UV光干涉图案曝光光纤，且图案的周期性与要形成的光栅周期性相同，就可在光纤上形成折射率周期的变化。第一百一十四页，共210页。这是由于光纤受到很强的UV曝光时，在纤芯形成结构缺陷，从而把UV图案同样周期性的折射率变化永久地固定下来。图5.23示出使用UV图案对光纤曝光制作光纤光栅的示意图。图5.23使用UV图案对光纤曝光制作光纤光栅第一百一十五页，共210页。正是由于光纤材料具有光敏性才能够制作出光纤光栅。所谓光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率虽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并可永久地保存下来。研究表明，光纤光敏性的峰值位于240nm的紫外（UV）区。第一百一十六页，共210页。由于普通光纤中的UV光敏性有限，难以写出高反射率的光栅，除非采用载氢等增敏技术，但这不仅消耗时间，还会带来光纤熔接时的危险性，同时不能在拉丝时写入光栅，而且离线写入方式降低了光纤强度。鉴于光纤光栅的重要性和未来的大批量应用，因此需要研究专门用于写入光栅的高光敏性光纤，例如硼掺杂的锗石英光纤。第一百一十七页，共210页。5.5.1光纤光栅的分类根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。第一百一十八页，共210页。均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级)第一百一十九页，共210页。非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。第一百二十页，共210页。均匀光纤光栅均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。第一百二十一页，共210页。均匀长周期光纤光栅均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。第一百二十二页，共210页。切趾光纤光栅对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾所谓切趾，就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。第一百二十三页，共210页。相移光纤光栅相移光纤光栅是由多段m（M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。第一百二十四页，共210页。取样光纤光栅取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用WDM系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件可同时分或插多路信道间隔相同的信号。第一百二十五页，共210页。chirped光纤光栅所谓chirped光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在chirped光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以chirped光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以，可以利用chirped光纤光栅作为色散补偿器。第一百二十六页，共210页。5.5.2布拉格光纤光栅1.布拉格光纤光栅的光学特性通常把光栅周期小于1的均匀周期光纤光栅称为光纤布拉格光栅，简写为FBG（FiberBraggGrating）。FBG的主要特性是它能反射集中于布拉格波长附近的窄带光。第一百二十七页，共210页。布拉格波长可由公式（5.20）求得：式中，是周期性变化的空间周期（节距）；是以单模（通常是单模光纤的基模）传播时，光纤的有效折射率。

（5.20）

第一百二十八页，共210页。由于纤芯受到紫外光（一般是双光束干涉）的照射致使纤芯内部折射率形成周期性调制分布，所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。第一百二十九页，共210页。对均匀的布拉格光栅，折射率分布可表示为：式中，为原光纤纤芯的折射率值；为纤芯折射率的平均增加值；为纤芯折射率的最大变化量；为折射率的调制幅度；为均匀光栅的周期。

（5.21）

第一百三十页，共210页。

这种纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或全部地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模即可被耦合成前向传输模式，也可被偶合成后向传输模式，这取决于光栅以及不同传播常数决定的相位条件，即：（5.22）

第一百三十一页，共210页。如果希望将一个前向传输模式耦合成一个后向传输基模，应满足的相位条件是：（5.23）

第一百三十二页，共210页。如果希望将前向传输模式耦合成一个后向包层模，此时和同号，则较大，这样所得到的光纤是长周期光纤光栅（LPG），一般为数百。LPG的基本特性表现为一个带阻滤波器，阻带宽度一般为十几至几时纳米。第一百三十三页，共210页。2.布拉格光纤光栅的应用（1）FBG在激光器中的应用—DFB光纤光栅激光器光纤光栅激光器是FBG在激光器中的最直接应用，图5.24示出分布反馈（DFB）光纤光栅激光器的原理图。DFB光纤光栅激光器利用直接在稀土掺杂的光纤（铒掺杂光纤EDF）上写入光栅，构成谐振腔，且有源区与反馈区同为一体的光纤激光器。第一百三十四页，共210页。图5.24DFB光纤光栅激光器示意图第一百三十五页，共210页。（2）FBG在光纤放大器中的应用

EDFA泵浦光源980nm和1480nm大功率半导体激光器的波长稳定。注入电流、工作温度、以及器件的老化都会造成泵浦激光器的输出模式老化（即输出波长变化），若用光纤光栅作为分布反馈的反射镜，便可对泵浦激光器进行稳频，从而实现稳定的波长输出。第一百三十六页，共210页。用于EDFA的增益平坦化。普通EDFA存在增益谱的不平坦性，即对于不同波长信号具有不同的增益。这种增益的不平坦性会导致各信道信号的严重失真，特别是对于长距离的级联EDFA，其影响将更加严重。EDFA的增益均衡是建立在DWDM全光网和进行全光传输的重要前提，因此必须解决EDFA增益的不平坦性。目前，利用长周期光纤光栅LPFG（LongPeriodFiberGrating）可以较完美地解决这个问题。这是因为LPFG对特定波长具有衰减作用。第一百三十七页，共210页。用于使透过的泵浦光返回掺铒区，提高EDFA的泵浦效率。抑制EDFA的自发辐射噪声。第一百三十八页，共210页。（3）FBG在光滤波器中的应用

利用FBG优良的选频特性，可以对光纤透射谱中的任一波长进行窄带输出，因此，利用FBG可以制作出各种性能优良的光滤波器，例如各种带通、带阻及可调谐窄带滤波器，这些滤波器可作为DWDM网络中的波长选择器件。

第一百三十九页，共210页。。特别是对于DWDM接收机的信道选择，光纤光栅制成的可调谐光滤波器具有相当的优势，这种滤波器的中心波长由光栅周期控制。而滤波器的带宽可通过改变光栅调制强度或略微改变光栅周期的啁啾量得到调谐。第一百四十页，共210页。（4）FBG在光波长复用/解复用器中的应用由于FBG具有很好的选频作用，所以可被用作DWDM系统的波长复用/解复用器。图5.25为基于MZ干涉仪（MZI）的光纤光栅复用/解复用器。假设光栅的谐振波长为，复用信号从端口1输入，由于光栅的反射作用，波长的光信号将从端口2输出，其余的波长信号从端口4输出。如果干涉仪的平衡很好，端口3不会有光出现。根据复用/解复用器的内在对称性，也可从端口3出入复用光信号。第一百四十一页，共210页。5.25具有MZI构形的光纤光栅波长复用/解复用器示意图

第一百四十二页，共210页。光纤光栅复用/解复用器最大的优点是它与输入光的偏振态有关，对外界温度变化也不敏感。缺点是多波长的解复用需要使用级联的MZI，因而增大了设备的尺寸。第一百四十三页，共210页。5.6光衰减器在通常情况下，我们都希望传输线路上的损耗越小越好，但在有些情况下，由于信号源及传输距离的不确定，线路中的信号强度可能过大，这就需要采取某种措施减小信号。光衰减器就是这样一种用于消除线路中过大信号的器件。第一百四十四页，共210页。5.6.1光衰减器的分类与工作原理根据衰减量的变化情况，光衰减器可分为固定式衰减器、步进可变式衰减器和连续可变式衰减器；根据不同的光信号传输方式，光衰减器可分为单模光衰减器和多模光衰减器；根据不同的光信号接口方式，光衰减器可分为尾纤式光衰减器和连接器端口式光衰减器。第一百四十五页，共210页。光衰减器按照工作原理主要可以分为三类：反射型光衰减器、吸收性型光衰减器和耦合型光衰减器。第一百四十六页，共210页。1.反射型光衰减器反射型光衰减器在玻璃基片上镀上一层反射膜作为衰减片，由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而改变衰减量。第一百四十七页，共210页。如图5.26所示，两块衰减片必须按照一定倾斜角对称地排列成八字形，防止光纤垂直地入射到衰减片上，以避免反射光的再入射影响衰减器性能的稳定。图5.26反射型光衰减器第一百四十八页，共210页。2.耦合型光衰减器耦合型光衰减器是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变耦合量的大小，从而达到改变耦合衰减量的大小。第一百四十九页，共210页。3.吸收型光衰减器耦合型光衰减器采用光学吸收材料制成衰减片，主要是吸收和透射光，其反射量很小，因此允许光纤垂直入射到衰减片上，简化了结构和工艺，减小了器件的体积和重量。这种衰减器具有长期的稳定性。第一百五十页，共210页。5.6.2光衰减器的特性参数衰减量和插入损耗

固定光衰减器的衰减量实际上就是其插入损耗。可变光衰减器除了衰减量指标外，还有单独的插入损耗指标要求。普通可变光衰减器的插入损耗小于3dB即可，而高质量可变光衰减器的插入损耗要在1dB以下。第一百五十一页，共210页。光衰减器的插入损耗主要是由光纤准直器的插入损耗和衰减单元的透过率精度及耦合工艺造成的，其中的工艺重点在光纤准直器的制作上。如果光纤和自聚焦透镜及两个光纤准直器耦合得很好的话，可以大大降低整个光衰减器的插入损耗。第一百五十二页，共210页。2.光衰减器的衰减精度通常，机械式光衰减器的衰减精度为其衰减量的±0.1倍。衰减片式衰减器的衰减量取决于金属蒸发镀膜层的透过率和均匀性。第一百五十三页，共210页。3.回波损耗光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中入射光路反射出的光能量之比。高性能光衰减器的回波损耗一般在40dB。第一百五十四页，共210页。回波损耗是由各元件和空气折射率时失配造成的反射引起的。要提高回波损耗，在设计时需要将各元件的表面镀制抗反射膜，采用斜面透镜，并将各光学元件斜置或进行折射率匹配。平面元件通常引起的回波损耗在14dB左右，通过足够的抗反射膜和恰当的斜面抛光及装配工艺，整个器件的回波损耗能够达到50dB。第一百五十五页，共210页。4.频谱特性光衰减器在计量、定标等场合需要在一定的带宽范围内有较高的衰减精度，衰减谱线应具有较好的平坦性，因此光衰减器还有频谱特性的要求。但是此项指标仅在需要时测量，而不作为衰减器的常规测试指标。固定光衰减器的频谱损耗在-30~30nm范围内通常不大于0.5dB。第一百五十六页，共210页。5.7光隔离器光隔离器是一种光单向传输的非互易器件，它对正向传输光具有较低的插入损耗，而对方向传输光具有很大的衰减作用。也就是说，光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。第一百五十七页，共210页。光隔离器常被置于光源后，用以抑制光传输系统中反射信号对光源的不良影响。它的主要作用是防止光路中的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。第一百五十八页，共210页。光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1dB，隔离度的典型值的大致范围为40～50dB。第一百五十九页，共210页。光隔离器的种类很多，按其构成材料可分为块状型、光纤型和波导型；按其外部结构可分为尾纤型、连接端口型和微型化型；按其偏振特性可分为偏振相关型和偏振无关型。第一百六十页，共210页。5.7.1偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成

图5.27偏振相关型光隔离器的组成第一百六十一页，共210页。首先介绍一下光偏振(极化)的概念。单模光纤中传输的光的偏振态(SOP，StateofPolarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。第一百六十二页，共210页。偏振相关型隔离器的工作原理如图5.28所示。图5.28偏振相关型隔离器的工作原理第一百六十三页，共210页。假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉第旋转器，法拉第旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45°，并且其旋转方向与光传播方向无关。第一百六十四页，共210页。法拉第旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45°方向上，因此经过法拉第旋转器旋转45°后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件（即正方向传输）是没有损耗的（插入损耗除外）。第一百六十五页，共210页。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45°方向上，当反射光通过法拉第旋转器时再继续旋转45°，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。第一百六十六页，共210页。5.7.2