光纤的制造工艺和光器件

光纤的制造工艺和光器件第1页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件2光纤的制造工艺原料(SiO2和掺杂物质)制作预制棒对检验合格的预制棒进行拉丝原料检验成品预制棒检验第2页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件3光纤预制棒的制作

光纤预制棒简称光棒，是一种在横截面上有一定折射率分布和芯/包比的的透明的石英玻璃棒。根据折射率的不同光棒可从结构上分为芯层和包层两个部分，其芯层的折射率较高，是由高纯SiO2材料掺杂折射率较高的高纯GeO2材料构成的，包层由高纯SiO2材料构成。

光纤预制棒制造技术是光纤制作工艺的核心，光纤的制作方法取名于预制棒的制造方法。第3页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件4光纤预制棒的制作制作方法四十年来，发展出很多种光纤制造工艺，经淘汰选择，目前比较流行且保持批量生产的有四种。

OVDVADMCVDPCVD外部气相沉积法；

气相轴相沉积法；

改进的化学气相沉积法；

等离子化学气相沉积法。

外包技术。第4页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件5拉丝第5页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件6拉丝

拉伸炉使预制棒在高温下(2000~22000C)熔融，在重力的作用下往下垂，并形成细丝，经直径监控设备检测达到标准后，(最初的一滴熔融热玻璃从预制棒的底部拉出，延展成光纤的起点，一般情况这一起始段都是废品)，就可以穿过涂覆器，这样光纤表面就涂上了保护层。再经过紫外固化炉的固化，涂层就紧密结合在光纤表面，涂覆后的光纤由牵引轮牵引收到线轴上。

正确地控制拉丝温度、收丝速度是至关重要的。

第6页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件7成品光纤的测试：性能测试：带宽、损耗、拉力强度等。光纤的外径为125±1μm，涂覆后的直径为250±10μm。单模光纤的波段划分(单位：nm)O(原始)波段:1260-1360E(扩展)波段:1360-1460S(短)波段:1460-1530C(常规)波段:1530-1560L(长)波段:1560-1625U(超长)波段:1625-1675第7页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件8其他材料制作的光纤(1)多组分玻璃光纤：特点是纤芯-包层折射率变化范围大，NA大，但材料损耗大；(2)塑料光纤：成本低，但损耗很大，温度性能差；(3)中红外光纤：大于1.55um散射损耗低；(4)液芯光纤：纤芯为液体，可以满足特殊需要；(5)晶体光纤：纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源光器件。第8页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件9***自聚焦透镜（GradeindexLens）

渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜。具有准直、聚焦和成像功能。光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。自聚焦透镜同普通透镜(球透镜)的区别在于，自聚焦透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。第9页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件101、均匀折射率分布材料2、依靠弯曲的光学界面实现光学成像3、通过非球面来克服像差，提高成像质量1、渐变折射率分布材料2、依靠光线轨迹的弯曲实现光学成像3、通过优化折射率分布，提高成像质量第10页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件11自聚焦光纤：折射率按平方分布的光纤－光纤的传播轨迹为正弦曲线－经一周期后又会聚到另一点。自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤。不同点：芯径大(2mm或更大)，长度短(仅1~2个周期)，数值孔径大(0.2~0.6，可由长短决定大小)；制作工艺也不同，采用离子交换工艺。第11页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件12优点：1、直径小，体积微型化，焦距超短；

2、端面平面，便于光学加工、系统调节；

3、长度和折射率改变可引起透镜焦距和成像特性的变化，可以起几个普通透镜的作用；

4、像差可通过改变透镜材料组分和离子交换工艺来控制；

5、还可用于弯曲传像;6、光线轨迹为sin或cos曲线，可形成“自聚焦”。主要应用：光纤通信中的光无源器件、复印传真机、摄影物镜、显微物镜和医用内窥镜等。第12页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件13自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，其折射率变化由下式表述。N0——表示自聚焦透镜的中心折射率A——表示自聚焦透镜的折射率沿径向分布的常数(聚焦参数)，可以是A或。

折射率分布的简化表示：第13页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件14自聚焦透镜的重要特性：重要性能参数：焦距：f=-1/[n0A1/2sin(A1/2L)]聚焦参数：A=2D/a2数值孔径：NA=n0(2D)1/2自聚焦透镜的直径：D节距：P=2p/A1/2，沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为一个截距P；长度Z——自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离

。

成像特性：与透镜长度有关：1/4节距透镜1/2节距透镜0.23节距透镜0.29节距透镜第14页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件150.25Plens:onaxis第15页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件160.25Plens：offaxis双光纤准直器,波分复用器件第16页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件170.23Plens：anglecompress第17页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件180.29Plens：faculacompress第18页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件19自聚焦透镜的应用：(1)聚焦与准直透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点，但自聚焦透镜在聚焦时克服了这些缺点。根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=1/4P节距的自聚焦透镜，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦透镜聚焦点光斑的尺寸公式为：R为焦点处光斑的半径,NA为数值孔径,f为焦距,N0为轴上的折射率。准直是聚焦功能的逆向运用，根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=1/4P节距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平行光线。第19页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件20(2)光耦合

由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦透镜的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，从而改善普通透镜的光耦合效果。第20页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件21为了达到更好的聚焦效果，会在平端面透镜一端面加工一个1~3mm的曲面，此曲面与使得透镜弥散斑小，因此球面自聚焦透镜可减小聚焦光斑尺寸。第21页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件22

L1为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离，Z为自聚焦透镜的长度，L2为自聚焦透镜端面到光纤的距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1和L2的距离来达到最佳耦合效率。

第22页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件23准直透镜：

许多应用中需要将光纤发出的发散光束变换为平行光束，可通过在光纤输出端加一准直透镜来实现。

准直透镜是将光纤置于自聚焦透镜的焦点上。经自聚焦透镜后，输出端光束的半径和发散角为其中为光纤纤芯半径，为数值孔径；Z为自聚焦透镜的长度，称为透镜的聚焦常数。第23页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件24上式中，若透镜长度Z取为节距的1/4时，，上式成为这表明，光束的束宽(半径)正比于光纤的数值孔径，而发散角正比于光纤纤芯半径。单模光纤(芯径10μm,数值孔径0.1)：光束直径为0.67mm，光束发散角为1.5mrad,是很好的平行光束。多模光纤(芯径50μm,数值孔径0.2)：光束直径为1.33mm，光束发散角为7.5mrad,光束平行度稍差些。第24页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件25耦合透镜：

将光源(LD或另一光纤输出光)的功率有效地耦合进入光纤时，可利用自聚焦透镜作为耦合透镜，将光纤置于自聚焦透镜端面上，也可将多个自聚焦透镜级联。这时有式中，l是光源到透镜前端面的距离；是经透镜输出光光斑最大半径；是经透镜输出光束的张角；是光源半径；是光源输出光张角对应的数值孔径。可以看到，选择合适的物距l值与透镜长度Z，与接收光纤参数匹配，可以使与尽可能地小，可取得最良好的耦合效果。第25页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件26(3)自聚焦透镜成像自聚焦透镜除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。对于P/2及1P截距的自聚焦透镜其端面成像机理如图2.5所示。P/2截距的自聚焦透镜其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦透镜其端面成等大正像。对于P/4截距的自聚焦透镜物在无穷远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远）。第26页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件27等高成像透镜：

在复印机、传真机、印刷机等成像光学系统中需要采用1：1成像系统。这时采用自聚焦透镜最为简便，因为一根自聚焦透镜可满足正立、等倍、实像的条件。而普通透镜至少需要三块透镜组合成复合透镜。实际使用时，将物置于自聚焦透镜物方主平面上，在像方主平面上就会成一个物等高的实像。透镜长度应在半倍节距和一倍节距之间。采用自聚焦透镜可使物象变换系统大大缩短物像共轭长度。同时，它在整条直线上成像分辩率相同，可使整个视场的传递函数值比较均匀，从而提高成像质量。第27页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件28光纤准直器：

利用自聚焦透镜构成体积小巧的准直器。或者逆向传输，实现聚焦功能，把平行光束聚焦到光纤传输。第28页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件292.光环行器光环行器的基本工作原理:通过一系列端口沿一个方向传送光信号。即:在端口1输入的光信号只会在端口2输出；在端口2输入的光信号只会在端口3输出；在端口3输入的光信号只会在端口1输出。方向性一般大于50dB。端口1端口2端口3第29页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件30-450+450-450+450+450+450+450+450端口1(只有输入)端口2(输出/输入)端口3(输出/输入)端口4(只有输出)+450+450+450+450-450+450-450+450+450+450-450+450+450+450:光束位移器:波片:法拉第旋转片:垂直偏振:水平偏振第30页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件31光束位移器:

由强双折射材料(晶体)制成，它将不同偏振的光沿有微小差别的方向偏折。输入光是非偏振的，但是进入晶体后分成两束，一束垂直偏振，另一束水平偏振；垂直偏振的一束向上偏折而水平偏振的一束直线通过。法拉第旋转片:

对光的偏振面的旋转具有非互异性，设计成正向通过时偏振面被旋转+450角，反向通过时依然被旋转+450角。波片片:

对光的偏振面的旋转具有互异性，设计成正向通过时偏振面被旋转+450角，反向通过时被旋转-450角。第31页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件32第32页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件33光环行器的主要应用光纤光栅型WDM；OADM以及其他波长路由器件；双向传输系统；光发射机1光发射机2光接收机1光接收机2122331第33页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件34光环行器的主要应用反射镜。第34页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件353.光衰减器光衰减器是随着光纤通信的发展出现的一种光器件，实现对光信号能量进行预期地衰减，可用于光通信线路/系统的评估、研究以及调整、校正等。分类位移型光衰减器直接镀膜型光衰减器(吸收膜或反射膜型光衰减器)衰减片型光衰减器液晶型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器第35页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件36(1)位移型光衰减器横向位移型光衰减器单模光纤的模场分布:光纤轴线横向错位d后传输到第二根单模光纤的端面时，模场分布变化为:第36页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件37相对于第二根光纤纤芯，入射光束的模场分布发生了变化，带来了由于模场失配产生的能量损失。忽略光纤的轴向间隙，横向位移引起的光能量损耗为:因此，可以设计出相应于不同损耗的横向位移参数，并通过一定的机械定位方式予以实现，得到所需要的光衰减器。通常，横向位移参数的数量级在微米量级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器类型。第37页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件38轴向位移型光衰减器光纤端面的间隙s同样也会带来光能量的损失，也可以通过高斯光束失配的方法，求得由于光纤端面间的轴向间隙引起的光能量损失:在设计横向位移型光衰减器时，只要用机械的方式将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的。这种类型的固定光衰减器可以看成是损耗大的光纤连接器，设计时通常与连接器的结构结合起来考虑，外形也酷似光纤连接器。第38页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件39(2)直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器通常的做法是直接在光纤端面镀制金属吸收膜或反射膜，利用吸收膜或反射膜来衰减光能量。(3)衰减片型光衰减器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，从而达到衰减光信号的目的。这种方法可以用来制作固定光衰减器，也可以用来制作可变光衰减器。第39页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件40衰减片型光衰减器的具体做法是通过机械装置，将衰减片直接固定在准直光路中，当光信号经过第一个光纤准直器准直后，通过衰减片时光能量被衰减，再经过第二个光纤准直器聚焦耦合到输出光纤。使用不同衰减量的衰减片，就可以得到相应衰减值的光衰减器。衰减片常用的材料主要有:红外有色光学玻璃、晶体、光学薄膜和滤光片等。第40页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件41衰减片型可变光衰减器衰减片型可变光衰减器可以分为三种:a双轮式可变光衰减器(a)步进式双轮可变光衰减器盘1盘2衰减片第41页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件42这种结构的光路采用平行光路，在光路中插入两个具有固定衰减量的圆盘，不同衰减量的衰减片分别装在两个圆盘上，通过旋转两个这两个圆盘，使两个圆盘上的不同衰减片相互组合，即可获得不同档位的衰减量。衰减片可采用镀膜或吸收型玻璃片制作。(b)连续可变双轮式光衰减器步进圆盘连续可变衰减片衰减片第42页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件43连续可变光衰减器的总体结构和工作原理同双轮式可变光衰减器相似。不同的是在衰减元件上做了相应的设计变化，它由一个步进圆盘和一片连续变化的衰减片组合而成。步进圆盘有相应的衰减档位，这样通过步进圆盘的粗档和连续变化衰减片的细档共同作用即可达到连续衰减光能量的目的。连续衰减片:采用真空镀膜的方法，在圆形光学玻璃片上镀制金属吸收膜而制成；镀膜时，采用特殊的专用扇形装置(可连续均匀地改变其张角)来覆盖玻璃基片，使得所镀的膜层厚度逐渐均匀变化，从而使衰减量连续变化。第43页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件44b平移式光衰减器这种光衰减器的衰减元件改用全量程连续变化的虑光片，虑光片的制作方法同扇形连续变化衰减片相似，使所镀膜的光学密度随虑光片平移的方向呈线性变化；其他元件与双轮式结构一样。连续可变衰减片光纤准直器1光纤准直器1第44页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件45连续变化虑光片的透过率:式中，k是常数，由虑光片吸收系数和虑光片的几何尺寸决定；s是虑光片垂直于光路的位移量；T0是虑光片起始处的透射率。这种光学结构的衰减器，其连续变化的衰减量的线性度依赖于吸收膜的均匀性、虑光片位移面的平整性。第45页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件46c智能型机械式光衰减器前面所讲的几种光衰减器都采用了机械定位或机械调节调节衰减量、刻度盘读数等方法，不可避免地或多或少带来一定的精度误差。智能型光衰减器通过电路控制电动齿轮，驱动可调衰减元件按预定的衰减量变化，同时将检测到的实际衰减量作为反馈信号，反馈到电路中对衰减量进行修正，从而达到自动驱动、自动检测和显示光衰减量的目的。光衰减部件驱动电路监控电路显示电路计算机远端控制第46页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件47(4)液晶型光衰减器液晶型光衰减器利用分子轴扭向排列的液晶。:光束位移器:玻璃基片:透明电极:液晶层第47页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件48工作原理:光纤入射的光信号被光束位移器分成两束线偏振光，经过液晶层时，如果液晶层没有加电压，则两束线偏振光的振动面同时被旋转450角，旋转后的偏振光再经过第二个光束位移器合为一束平行光出射，然后耦合进光纤。当液晶层加相应的电压以后，液晶晶向旋转θ角，两束偏振方向互相垂直的线偏振光经过此时的液晶时同时被旋转(450+θ)角度，经过第二个光束位移器时合为一束平行光时造成光能量的损耗。液晶晶向旋转角θ随外加电压的变化而变化。第48页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件49光衰减器基于功能的分类光衰减器的特性参数:固定光衰减器可变光衰减器a衰减量和插入损耗；b衰减精度；c回波损耗。第49页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件504光开关光开关是光纤通信中作为光路切换之用的，实现光通道的通断和转换。比如主用光纤和备用光纤之间的切换，或者光交换机中的光路切换，实现全光层的路由选择、光交叉连接、自愈保护等功能。光开关是实现全光网络的核心技术之一。光开关的性能参数:a插入损耗:输出端口相对于输入端口光能量的损耗，以分贝表示。光开关是以光为核心实现光的通断的系统部件，不存在光电转换。

第50页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件51b回波损耗:从输出端口返回到输入端口的光功率与输入端输入的光功率的比值，以分贝表示。c隔离度:两个相隔离输出端口之间，非输出端口的光功率与输出端口光功率之间的比值，也以分贝表示。d开关时间:指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，测量开关时间时从施加或撤去转换能量的时刻开始。第51页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件52输出光纤输出光纤各种类型的光开关光开关可以分为机械式和非机械式光开关。(1)机械光开关机械光开关通过移动光纤或其他光学器件从而达到改变光信号方向的目的。机械装置控制光纤或其他光器件切换光路第52页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件53光开关器件中，准直和会聚光器件分别在输入端和输出端将光束进行准直以便控制以及会聚聚焦到输出光纤。机械光开关的共同点是它们运作都涉及到光器件的移动，精确的移动设计要求非常严格。机械光开关是最简单最便宜的光开关，在光通信领域得到了广泛的应用；主要应用于保护交换、以及必要时能够交换信号但又不经常发生光路切换的场合。机械装置使输入光纤的一小段长度发生弯曲，或通过机械触发/电触发的方式改变光路方向。第53页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件54(2)电光/磁光/声光光开关利用晶体在外加电压/磁场，或者声波通过晶体材料时光学特性会相应的发生变化，最终导致光信号之间的相位变化或者偏振态发生预期的变化。第54页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件55(3)热光光开关热光光开关技术主要是用来制造小型光开关，通过集成多个1×2光开关也可组成较大的阵列。热光光开关产生开关效应的机理是热光效应。热光效应通过加热的方法，使光传输的介质的温度发生变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生变化。折射率随温度的变化关系:式中，n0为温度变化之前的折射率，ΔT为温度的变化，α为热光系数，单位是/0C。第55页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件56温度变化最终导致相位的变化:a干涉式热光光开关(M-Z干涉型)1243在Si或NiLiO3基底上生成3dB耦合器构成的对称M-Z干涉仪，其中一个干涉臂上镀有金属加热器，形成相位延迟器。多采用Si基底，因为散热比较好。金属膜加热器NiLiO3基底第56页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件57设定温度为T0时，两条干涉臂产生的相位差为0，对于3端口来说，光信号产生干涉加强输出，而4端口干涉相消没有光能量输出；当温度为(T0+ΔT)时，3端口和4端口正好反过来，4端口产生干涉加强输出光信号，而3端口没有光能量输出，达到3端口和4端口切换光路的目的。干涉式热光光开关结构紧凑，但是对光波长敏感，而且需要进行精密温度控制。b数字式热光光开关(DOS)第57页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件58数字式热光光开关的原理和结构比较简单，一般是通过模式重组来实现光路切换的动作，通过加热光路分支的折射率，从而控制光路的改变。最简单的数字式是1×2的Y型光纤耦合器分支结构:金属膜加热器式中，T0为设定室温，TC为光通路改变的临界温度，α为热光系数。第58页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件59为了实现模式选择的绝热状态，要求分支角很小，一般在零点几度或者零点零几度。通常采用热光系数高的聚合物制作波导。不加热时，n上大于n下，光信号从1端口输出，加热到一定温度时，

n上小于于n下，光信号切换到2端口输出。数字式热光光开关结构简单，制作容差大、当输入电压控制温度变化时光强呈阶跃特性。(4)喷墨气泡光开关第59页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件60气泡光开关技术是利用气泡和波导之间的全反射来达到光路切换的目的。安捷伦(Agilent

)公司的喷墨气泡光开关第60页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件61每个沟道中填充有与波导相同折射率的匹配液，中部有一个微电阻，HP的喷墨技术控制微电阻，使其发热产生气泡，并使气泡移动到交叉点，光信号在气泡界面发生全反射，此时光信号处于关的状态，切换到另一条光路传输，否则光路处于开的状态。气泡尽管在移动，但是气泡光开关不存在机械移动部分，开关时间(气泡产生消失时间)在ms量级。第61页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件62:波导:沟道第62页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件63(5)液晶光开关液晶光开关技术利用液晶晶向在外电场的作用下会发生改变，晶向又影响在液晶中传输的偏振光的偏振态。一般情况，设计液晶光开关时，液晶在未加电压时对偏振光的偏振态不会施加影响，保持原来的的偏振态在液晶中传播，当给施加一定电压后，液晶晶向的变化导致偏振态发生改变，使其旋转900，从而改变光信号的传输方向。第63页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件64端口1端口2输入端端口1端口2输入端:水平偏振:垂直偏振:光束位移器:液晶第64页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件65(6)全息光开关全息光开关利用布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息技术在晶体内部生成布拉格光栅，当没有外加电压时，光能直接通过晶体，从输出端口输出；反之，给晶体施加电压改变布拉格光栅的结构参数，此时布拉格光栅把光信号反射到另一个输出端口，达到切换光路的目的。

(7)微机电系统(MEMS)光开关MEMS(或MOEMS:微光学电子机械系统)光开关被认为是全光网络中最有应用前景的一项光开关技术。第65页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件66MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。而MOEMS(Micro-Opto-Electro-MechanicalSystem)

把微光学应用到微机电系统中，这是微机电系统在光纤通信中的重要应用。

微光学电机械芯片是包含一个或一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用遍及光纤通信、光显示、及光学传感等多个方面。

第66页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件67MEMS光开关的控制原理MEMS光开关是利用机械开关的原理，同时利用平面波导技术，将微机械系统集成在单片硅基底上；实用化的MEMS光开关原理十分简单，其结构实质上是微镜片阵列，当进行光交换时，通过移动或改变镜片角度，把光信号直接送到或反射到光开关阵列的不同输出端。

镜片的移动、镜片角度的改变多采用静电法驱动或磁感应法驱动、光功率驱动、热驱动、电致伸缩法驱动。不同的驱动方式决定了MEMS光开关的控制和驱动电路的形式不同，由于MEMS对光器件的改变精度要求很高，因此对相关的控制和驱动电路很严格。

第67页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件685光分插复用器(OADM)OADM的作用是在通信网络节点处分下和插入一个或多个波长的光信号，它以光信号为操作对象，直接在光层上实现中间局站业务的分出和插入，抛弃了SDH的相关电设备；SDH的分插复用速率为155Mb/s，最大是2.5Gb/s，而OADM分插光信道，每个光信道的速率可以是2.5Gb/s或者是10Gb/s甚至更大，这也是OADM的分插复用速率，有效地克服了SDH终端设备的电子瓶颈问题。第68页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件69OADM的实现方法(1)光纤光栅+环行器型OADM环行器1环行器2123123n个波长输入n个波长输出控制部分固定多波长OADM波长可调谐OADM…DEMUXdrop…MUXadd…DEMUXdrop…MUXadd第69页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件70(2)

光纤光栅+M-Z干涉仪型OADM

FBGλdropλaddn个输入MZI3dB耦合器3dB耦合器n个输出M-Z干涉仪的其中一个臂可以由PZT(压电陶瓷)控制，从而控制输出耦合器的相位。

第70页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件71环行器11111111222233333332222多个波长输入多个波长输出滤波器2滤波器环行器光开关可变光衰减器(3)薄膜滤波器+光开关型OADMAddλ1Addλ2Addλ3Addλ4Dropλ1Dropλ2Dropλ3Dropλ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ433第71页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件72(4)波分复用器+光开关型OADM………………λaddλdropn个输入信号n个输出信号光开关DEMUXMUX…………第72页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件73任意波长的业务都可以分插的OADM利用波长变换器对上下路波长业务进行变换。n个输入信号n个输出信号DEMUXMUX…………波长变换器adddrop光开关阵列第73页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件74波长变换器波长变换器:顾名思义，就是改变信号光的波长，同时又保持信号光所承载的信息不变。对早期铺设的1310nm窗口的通信光纤不适合采用WDM系统进行升级扩容，因此在复用和解复用处就需要波长变换器对波长进行变换。不同的网络管理可能没有协调一致的波长分配，此时也需要波长变换器。波长变换有光/电/光的方法和全光方法。前者首先将光信号解复用后转换为电信号，电信号再调制所需波长的激光器；后者还不成熟，正在研究中。第74页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件75光分插复用可以在光码分多址组网技术构成的全光网络开放结构中按需要在光交叉连接设备的节点或光交换网络节点之间自由分接和复用。第75页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件766光交叉连接器(OXC)光交叉连接技术和光分插复用技术一样，都是是全光网络的核心技术。对于无波长变换能力的OXC构成的光网络，路由选择受到波长连续性限制，即一条光通道的各复用段必须采用相同的波长。这样的光通道称为波长通道。光交叉连接设备中的路由/波长分配对于具有(或部分具有)波长变换能力的OXC构成的光网络，路由选择有更多的自由度。这样的光通道称为虚波长通道。第76页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件77波长通道必须在光通道层找到一条链路，在这条链路的所有复用段中，有一个共同的波长是空闲的，如果找不到这样的链路，这个传送请求被阻塞，采用集中控制方式；而虚波长通道因为采用了波长变换器使得业务在不同的复用段可以占用不同的波长，大大降低了业务的阻塞，采用分布式控制。从光交叉连接器的功能和内部结构角度出发，其实现形式可以分为三类:(1)光纤交叉连接(FXC)1122MM……输入光纤输出光纤第77页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件78光纤交叉连接将任意一根输入光纤中的所有波长业务一次性地交叉连接到任意一根输出光纤，交换的基本单位是一路光纤，并不对多波长业务进行解复用，可以看成是自动光纤配线架。FXC结构简单，交叉连接的颗粒度最大，可提供最简单的配置和网络恢复能力,对于光纤切断的大故障，FXC是一种较好的解决方案。但是这种交叉连接器在WDM光网络中不能实现多波长通道的灵活性，无法实现波长路由，即端到端的波长业务。第78页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件79(2)波长选择交叉连接(WSXC)光纤1光开关DEMUXMUX光纤2光纤n光纤1光纤2光纤n………………………………λ1λ2λnλ1λ2λnλ1λ2λn第79页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件80波长选择交叉连接，又称波长固定交叉连接，将输入光纤中任意波长交叉连接到使用相同波长的输出光纤，不同光纤中的相同波长之间进行交换。即多路光纤中的光信号分别由各自的解复用器解复用，然后相同波长的业务进行交换，交换后的各路相同波长的业务各自输出端的复用器，复用后最后耦合进各输出光纤。显然，WSXC实现了单波长粒度的业务交换，具有提供端到端的波长业务能力和波长级业务量的疏导能力，可以实现复杂网络波长路由的保护和恢复。但这种结构存在波长阻塞问题，即无法处理不同光纤中的相同波长业务进入同一条输出光纤。第80页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件81(3)波长交换交叉连接(WIXC)DEMUXMUX……波长变换器光开关阵列…………光纤1光纤2光纤m…光纤1光纤2光纤m…第81页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件82波长交换交叉连接，或者叫波长可变交叉连接，即采用了波长变换器，具有波长变换的能力，能够将任意一根输入光纤中的任意波长交叉连接到使用不同波长的任意一根输出光纤上。因此各波长光信号可以实现完全灵活的交叉连接，在组网、业务提供和恢复方面有很大的灵活性。不会产生波长阻塞。这种实现方法又分为专用波长变换器和共用波长变换器。前者是每一个波长经过交换后都配有波长变换器，而后者是所有输入波长共用一组波长变换器，经过变换后的波长业务再次由光开关交换到所需要的输出光纤，提高了波长变换器的利用率。第82页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件83DEMUXMUX……:波长变换器光开关阵列……光纤1光纤2光纤m…光纤1光纤2光纤m…………第83页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件84光交叉连接器的功能:(1)路由选择以及交叉连接功能。为不同的光通道业务进行选路，对输入输出业务按照不同交换粒度的要求建立交叉连接。(2)对业务的疏导。OXC都是处于网络之间的节点处，可能是主干网或城域网之间，或者不同网络之间，在这些网络节点要求OXC对不同速率、不同波长业务的信息进行灵活的交换。(3)网络的保护和恢复。通过动态的网络重构网络，在网络的光层直接进行重新配置，抛弃O/E/O转换，比电层更快、更高效，满足超大容量的网络重构，保证数据不丢失。第84页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件85多粒度交换:(4)模块化升级功能。包括波长模块化和链路模块化。波长模块化是指OXC添加新波长时的升级能力；链路模块化是指OXC添加链路时的升级能力。(5)无阻塞的全光网络交换功能。由于未来的全光网络通信是超大容量的通信，阻塞对系统的性能影响非常大。路由的选路算法和虚波长通道。按照交换粒度的大小分，可以分为单波长粒度、波带粒度和光纤粒度交换，这就是所谓的多粒度交换，有静态疏导和动态疏导两种方案。第85页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件86静态疏导将输入业务直接送到需要交换的端口处，即:将需要进行光纤粒度交换的业务汇聚到光纤交叉连接(FXC)端口、将需要波带粒度交换的业务汇聚到波带交叉连接(BXC)端口、将需要波长粒度交换的业务汇聚到波长交叉连接端口(WXC)分别进行交换并将交换的业务送到输出端。动态疏导首先让所有的业务都通过FXC。其中需要较小粒度交换的业务将通过FXC交换到BXC输入口，同时将需要更小粒度交换的业务交换到WXC输入端口，然后交叉连接到对应的输出端。第86页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件87OXC的故障恢复功能:一般情况，实现OXC的故障恢复可分为两个功能块:路由功能块和旁路功能块。路由功能块由分波器、光开关和波长变换器等构成，主要完成:(1)、波长交换，将输入端任意链路的任意波长倒换到任意输出端；(2)、链路出现故障时，将故障链路的工作波长倒换到备份波长并重新选择正常的链路；(3)、由备份波长返回到工作波长并选择其需要的链路。旁路功能块由分波器、合波器等构成，将备份波长分配给所需要的链路而不经过波长变换。第87页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件887光波长转换器光波长转换器（WavelengthConverter）是一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向光网络演变的一个关键性器件。它可以在光通信网络中广泛地用于光交换、波长路由以及光信号的全光再生等。光/电/光式光波长转换器全光波长转换器第88页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件89波长变换器的光通信网络中的作用：

尽管DWDM的传输带宽可以满足每个用户的要求，但是目前的可用波长数目却大大少于实际所需的数量，因为光通信网络中的波长数量决定了具有独立地址的节点数或可选路由数。可用波长数的匮乏使DWDM通信网络的阻塞率大大提高，同时两个或两个以上波长信号向相同的路由连接时，就会造成波长竞争。如果没有波长变换器，要在两个节点间建立光的连接，光路上所有光路的连接必须采用同一波长。第89页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件90

有了波长路由器，只要各链路有未被占用的空闲波长，就可通过波长变换器建立通信路由，从而把路由的全局分配变为本地分配，并实现波长的再利用，大大提高波长利用率，有效解决波长阻塞/波长竞争，动态路由选择。另外，波长变换器的使用，有利于网络的运行、管理、控制和通道的保护倒换。波长变换器使得光通信网络变得更加灵活，可以使用非标准波长进行本地通信。

OADM和OXC也能实现在不同波长间进行交换功能，但是其结构复杂且成本高，有时候必须经过电/光、光/电转换，存在着“电子瓶颈效应”。第90页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件91光/电/光波长转换器结构原理图

功能定义：

首先利用光探测器将光信号转化为电信号，再将此信号存储于电存储器中，然后用此电信号驱动可调谐激光器，变成另一波长的光信号。特点：

(1)信噪比高、偏振无关、转换速率可达10Gbit/s、可实现消光比增强及信号再生、技术成熟；

(2)透明性受影响、光电转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制。(1)光/电/光式光波长转换器：第91页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件92(2)全光波长转换器(WC--WavelengthConerter):

全光波长转换器是将信号从一个波长变为另一个波长而不需要变换到电域，因此具有高速、宽带、透明(与信号格式无关)的特点。利用SOA中的交叉增益调制(SOA-XGM)利用SOA中的交叉相位调制(SOA-XPM)利用SOA中的四波混频效应(SOA-FWM)第92页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件93SOA-XGM型全光波长转换器结构原理图

a.基于SOA-XGM的WC工作原理：随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOA中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导致SOA增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如果把一束波长为λS（与目标波长相同）的连续探测光注入SOA，当信号光处于高功率（逻辑1）时，由于SOA的增益饱和效应，探测光不能得到放大（逻辑0）；相反，当信号光处于逻辑0时，探测光被放大（逻辑1）。此即为交叉增益调制效应（XGM）。于是，强度调制信息就从信号光λC加载到了探测光λS上，实现了波长变换，只是输出信号在逻辑上与原信号相反。CSFilterSSOACW第93页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件94SOA-XGM的特点优点：可以达到较高的转换速率，可到10Gb/s；输出光与原信号光反相；转换效率高；偏振无关（要求使用的SOA偏振无关）；结构简单。缺点：比特流倒置；信号的消光比恶化。第94页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件95b.基于SOA-FWM的WCSOASignalSPumpPFiltercSPcc=2p-sSOA-FWM型全光波长转换器结构原理图

第95页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件96优点：与信号格式无关，可实现透明的波长变换，信号比特率大于40Gbit/s，是目前唯一能对输入信号光的调制方式和传输速率进行透明变换的方法；对偏振敏感小；变换后的码型不反转。缺点：转换效率低、偏振相关、输入信号动态范围小、转换效率与波长有关（即当输入信号波长与转换波长间隔增大时，转换效率随之降低）。SOA-FWM的特点第96页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件97c.基于SOA-XPM的WC（MZI型）SOA-XPM型全光波长转换器结构原理图

第97页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件98波长为λc的CW激光信号经3dB光纤耦合器引入到MZI中，并沿MZI两个臂传输。由于两个臂中的SOA对称，因此增益调制是相等的，不会引入附加相位差，λc光在MZI的出口端相干加强，维持原状态输出，只是经MZI中的SOA单程光放大，使输出光强度增强而已。如果此刻将波长为λs的信号光（与目标波长相同）耦合到MZI一个臂上的SOA（上）中，那么SOA（上）的光增益将同时受到波长为λs

的信号光调制，使之处于饱和增益状态，产生相位漂移，此附加相位差决定MZI两个臂的光相干加强或相干抵消，抵消时λs便载入了λc的信息码。第98页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件99SOA-XPM的特点优点：可以克服SOA-XGM波长变换中消光比降低的缺点；具有高速、低啁啾、波长独立的特点。缺点：干涉仪的输入功率的动态范围小；干涉仪的工艺要求搞，可通过单片集成工艺解决。第99页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件100c.基于SOA-XPM的WC（MI型）λsλsSOAλcλcSOA-XPM型全光波长转换器结构原理图第100页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件101波长为λc的光信号被耦合到MI中，并被分成两束光，通过不同的SOA后在半导体的端面处反射，两个反向传输的光信号在原来的分束处重新合波，并发生干涉。MI的两臂等长，则相干加强，在下端输出λc

。如果从干涉仪右侧输入信号光λs

（同目标波长），SOA（上）的折射率随之改变，并因此改变它的有效长度和相位延迟。当两个臂的相位延迟是半波长的奇数倍时出现相干相消，输出达到最小值；当相位延迟为零时出现相干加强，输出信号光为高功率，因此，λc的信息便以反码形式复制到信号光λs上，实现了波长变换。第101页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件102光纤通信对WC器件的要求：大的转换码速（至少10Gbit/s）；低的输入功率；宽的输入/输出波长范围；对输入偏振不灵敏；快的转换速度；小的啁啾；可级联适用；应用简单、成本低。第102页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件103插入损耗的测量回波损耗的测量隔离度的测量方向性的测量偏振相关损耗的测量8光器件的测试第103页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件104光纤宽带光源BLS(Broadbandlasersource)可调激光器TLS(Tunablelasersource)偏振控制器PC(Polarizationcontroller)光功率计PM(Powermeter)光谱分析仪OSA(Opticalspectrumanalyzer)第104页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件105插入损耗的测量-截断法：截断法测量步骤：(1)测量并记录P1；(2)截断临时节点处光纤，L30cm测量并记录P0

；(3)计算插入损耗I.L.=－10lg(P1/P0)。PMTLSCACB临时接点TJPMTLSCACB临时接点TJL1P截断点JPMTLSCA临时接点TJ0P第105页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件106插入损耗的测量-替代法：替代法是一种非破坏性的方法，与截断法相比，精度稍微低了些，测量步骤如下：(1)按图(1)测试并记录P1

；(2)在P1稳定后，按图(2)（即直接将插头CA插入光功率计）测量并记录P0

；(3)按公式I.L.=－10lg(2P1/P0)计算插入损耗。PMTLSCA临时接点TJ0P(1)(2)PMTLSCACB临时接点TJ1P第106页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件107回波损耗的测量：0PTLSPMCA光耦合器CA1PTLSPM待测ISO光耦合器图(2)测量P1图(1)测量P0光隔离器回波损耗测试步骤:（1）选择一个2×2插入损耗小，分光比为1：1带连接器端口的光耦合器，按图(1)的光路测量P0

；（2）按图(2)的光路接上待测光隔离器ISO（isolater），并测量回返光功率P1

；（3）根据公式R.L.=－10lg(2P1/P0)即可计算出被测隔离器的回损。第107页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件108光隔离器反向隔离度的测量:OSABBSCA1(l)P待测ISO图(2)测量P1(λ)

OSABBS0(l)PCA图(1)测量P0(λ)

反向隔离度的测量步骤：（1）按图(1)光路记录下输入端的频谱P0(λ)；（2）按图(2)光路反向接入光隔离器，并测出输出端的频谱P1(λ)；（3）根据公式I.L.(λ)

=－10lg[P1(λ)

/P0(λ)]即可算出光隔离器的反向隔离度。第108页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件109PMTLS0,1310PCA0,1550PPM1TLSCA1,1310PPM21,1550PCAWDM1310/1550nmWDM隔离度的测量：图(1)测量P0,1310和P0,1550图(2)测量P1,1310和P1,1550WDM隔离度的测量步骤：（1）按图(1)光路分别记录下TLS在1310nm和1550nm的输入光功率P0，1310和P0，1550

；（2）按图(2)光路接上WDM，分别测出1310nm和1550nm输出臂的功率P1，1310和P1，1550

；（3）按照公式I.L.i=－10lg[P1i

/P0i]（式中i=1310,1550）分别计算出1310nm和1550nm的插入损耗。第109页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件110PMTLS0PCATLSPM光耦合器1PCA方向性的测量:图(1)测量P0

图(2)测量P1方向性的测量步骤：（1）按图(1)光路测出输入端注入功率P0；（2）按图(2)光路接上光耦合器，并测出非注入光端的输出光功率P1；（3）根据公式D.L.=－10lg(P1/P0)即可算出上述端口的方向性。第110页，课件共122页，创作于2023年2月08七月2023光纤通信器件111