光纖通信_(tái)第4章 無(wú)源光器件

1、第4章 無(wú)源光器件 v4.1 光纖連接器光纖連接器 v4.2 光纖耦合器光纖耦合器 v4.3 光開關(guān)光開關(guān) v4.4 光纖光柵光纖光柵 v4.5 光濾波器光濾波器 v4.6 WDM合波合波/分波器分波器 v4.7 光隔離器與光環(huán)形器光隔離器與光環(huán)形器 v習(xí)題四習(xí)題四 4.1 光 纖 連 接 器 v 對(duì)于任何一個(gè)光纖線路， 必須考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是光纖之間的低損耗連接方法。 這些連接存在于光源與光纖，光源與光纖， 光纖與光纖以光纖與光纖以及光纖與光檢測(cè)器之間及光纖與光檢測(cè)器之間。 光纖連接需要采用何種技術(shù)，取決于光纖是永久連接永久連接還是可拆可拆卸的連接卸的連接。v 一個(gè)永久性的連接通常指的是一

2、個(gè)接頭永久性的連接通常指的是一個(gè)接頭， 而一個(gè)易拆卸的連接則稱為連接器易拆卸的連接則稱為連接器。 接頭一般常見于線路中間兩根光纜中的光纖之間的連接， 連接器常位于光纜終端處， 用于將光源或光檢測(cè)器與光纜中的光纖連接起來(lái)。 v 每種連接方法都受限于一些特定的條件， 它們?cè)诮宇^處都將導(dǎo)致不同程度接頭處都將導(dǎo)致不同程度的光功率損耗的光功率損耗。 這些損耗取決于一定參數(shù)， 如兩根光纖的幾何特性、兩根光纖的幾何特性、 波導(dǎo)特性、波導(dǎo)特性、 光纖端面的質(zhì)量以及它們之間的相對(duì)位光纖端面的質(zhì)量以及它們之間的相對(duì)位置置等。 v 4.1.1 光纖連接損耗v 連接損耗可分為外部損耗和內(nèi)部損外部損耗和內(nèi)部損耗耗。 外

3、部損耗外部損耗又稱為機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差或連機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差或連接錯(cuò)位損耗接錯(cuò)位損耗， 它顧名思義是由于光纖之間的連接錯(cuò)位引起的損耗。 內(nèi)部損耗又內(nèi)部損耗又稱為與光纖相關(guān)的損耗稱為與光纖相關(guān)的損耗， 這主要是由于是由于光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性差異導(dǎo)致的光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性差異導(dǎo)致的損耗損耗。 連接錯(cuò)位一般有以下幾種情況： 軸向位移、軸向位移、 連接間隔、連接間隔、 傾斜位移、傾斜位移、 截截面不平整。面不平整。 這些損耗如圖4.1所示。 圖4.1 光纖錯(cuò)位連接損耗(a) 軸向位移； (b) 連接間隔； (c) 傾斜錯(cuò)位; (d) 截面不平整輸 入損 耗輸 出輸 出軸 向 位 移(a)輸 入損 耗間 隔

4、(b)輸 出輸 入傾 斜 錯(cuò) 位損 耗(c)輸 入截 面 不 平 整損 耗輸 出(d)v 軸向位移軸向位移即兩根光纖連接處有軸向錯(cuò)位。 其耦合損耗在零點(diǎn)幾分貝到幾個(gè)零點(diǎn)幾分貝到幾個(gè)分貝之間分貝之間， 若錯(cuò)位距離小于光纖直徑的錯(cuò)位距離小于光纖直徑的5%， 則損耗一般可以忽略不計(jì)。 連接間隔有時(shí)又稱端分離。 如果兩根光纖直接對(duì)接， 則必須接觸在一起， 光纖分得越開， 光的損耗越大。 如果兩根光纖通過(guò)連接器相連， 則不必接觸， 因?yàn)樵谶B接器接觸產(chǎn)生的相互摩擦?xí)p壞光纖。 v 傾斜錯(cuò)位傾斜錯(cuò)位有時(shí)稱為角錯(cuò)位角錯(cuò)位。 若角錯(cuò)位小于2， 則耦合損耗不會(huì)超過(guò)0.5 dB。 v 截面不平整。 光纖連接的兩個(gè)截

5、面必須經(jīng)過(guò)高精度拋光和正面粘合。 如果截面與垂直面的夾角小于3， 則耦合損耗不會(huì)超過(guò)0.5 dB。 v 除了錯(cuò)位連接之外， 任何相連的光纖的幾何特性和波導(dǎo)特性的差異對(duì)光纖間的耦合損耗都有大的影響。 這些特性包括纖芯的直纖芯的直徑徑、 纖芯區(qū)域的橢圓度纖芯區(qū)域的橢圓度、 光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑、 折射率剖面折射率剖面等。 由于這些參數(shù)與生產(chǎn)廠家相關(guān)， 因而使用者不能控制特性的變化。 理論結(jié)果表明， 與折射率剖面、 纖芯區(qū)域的橢圓度相比， 纖芯的直徑和數(shù)值孔徑的差異纖芯的直徑和數(shù)值孔徑的差異對(duì)連接損耗的影響更大。 圖4.2（a）、 （b）、 （c）給出了由纖芯直徑、纖芯直徑、 數(shù)值孔徑和模場(chǎng)

6、數(shù)值孔徑和模場(chǎng)直徑失配直徑失配所引起的損耗的示意圖。 圖4.2 內(nèi)部連接損耗(a) D21; (b) NA1NA2; (c) MFD1MFD2D2(a)2(b)(c)D11v 4.1.2 光纖連接方法v 光纖連接是指兩根光纖之間的永久永久或半永久連接或半永久連接， 它的典型應(yīng)用在于建立一個(gè)很長(zhǎng)的光鏈路， 或者用在不需要經(jīng)常連接和斷開光纖的情況中。 為了實(shí)施和計(jì)算這樣的連接， 必須考慮的因素有兩根光纖的幾何差異、 光纖在接點(diǎn)時(shí)的對(duì)準(zhǔn)誤差和接頭的機(jī)械強(qiáng)度。 這里介紹光纖通信中常用的連接方法。 v v 光纖連接方法包括光纖熔接法光纖熔接法、 V型槽型槽機(jī)械連接機(jī)械連接和彈性管連接彈性管連接。 第一種

7、方法可產(chǎn)生永久性的連接， 而后兩種連接方法在需要時(shí)可以將已連接的光纖拆開。 v 光纖熔接光纖熔接是通過(guò)加熱的方法使已制備好的光纖端面連接在一起， 如圖4.3所示。 這種方法首先將光纖端面對(duì)齊， 并且對(duì)接在一起， 該過(guò)程是在一個(gè)槽狀光纖固定器里、 在帶有微型控制器的顯微微型控制器的顯微鏡之下完成的鏡之下完成的。 然后在兩根光纖的連接處， 使用電弧或激光脈沖加熱，電弧或激光脈沖加熱， 使光纖使光纖頭尾端被熔化，頭尾端被熔化， 進(jìn)而連接在一起進(jìn)而連接在一起。 這種技術(shù)產(chǎn)生非常小的連接損耗(典型的平均值小于0.06 dB)。圖4.3 光纖的熔接 電 弧 或 激 光熔 化 焊 接待 連 接 光 纖能 進(jìn)

8、 行 顯 微 操 作 的 光 纖 夾 具v 在V型槽機(jī)械連接型槽機(jī)械連接方法中， 首先要將預(yù)備好的光纖端面緊靠在一起， 如圖4.4所示。 然后將兩根光纖使用粘合劑連粘合劑連接在一起接在一起或先用蓋片將兩根光纖固定用蓋片將兩根光纖固定。 V型通道既可以是槽狀石英、 塑料、 陶瓷， 也可以是金屬基片作成槽狀。 這種方法的連接損耗在很大程度上取決于光纖的尺寸(外尺寸和纖芯直徑)變化和偏心度(纖芯相對(duì)于光纖中心的位置)。圖4.4 V型槽機(jī)械連接待連接的光纖在此處使用環(huán)氧化物將光纖端面粘貼在一起或?qū)⒐饫w夾緊以定位V型槽基底v 圖4.5所示為彈性管連接裝置的剖面圖。 這是一種可以自動(dòng)進(jìn)行橫向、自動(dòng)進(jìn)行橫向

9、、 縱向、縱向、 角度對(duì)準(zhǔn)角度對(duì)準(zhǔn)的獨(dú)特器件。 使用它連接多模光纖可以得到和商用熔接機(jī)同一大小范圍的連接損耗， 但它所需要的設(shè)備和技巧卻要少得多。 這種連接器件基本上就是一根用彈性材料做成的管子。 管子中心孔的尺寸稍小于待連接的光纖。 在孔的兩端做成圓錐形以便于光纖插入。 當(dāng)插入光纖時(shí)，光纖使孔膨脹， 于是塑料塑料材料對(duì)光纖施加均勻的力材料對(duì)光纖施加均勻的力。 v 這種對(duì)稱特征讓兩根待連接光纖的軸自動(dòng)準(zhǔn)確地對(duì)齊。 尺寸范圍較寬的光纖都能夠插入彈性管中。 由于每一根光纖在插入到彈性管中時(shí)， 其各自位置與彈性管管軸相關(guān)， 因此兩根待連接的光纖在尺寸上并不一定要相等。圖4.5 彈性管連接插入光纖毛細(xì)

10、管尺寸小于光纖半徑錐型開口彈性材料軸向?qū)?zhǔn)插入光纖v 4.1.3 常用的幾種連接器v 光纖連接器常采用螺絲卡口螺絲卡口、 卡銷固卡銷固定定、 推拉式推拉式三種結(jié)構(gòu)。 這些連接器利用的基本耦合機(jī)理既可以是對(duì)接類型， 也可以是擴(kuò)展光束類型。 v 對(duì)接類型的連接器采用金屬、 陶瓷或模制塑料的套圈， 這些套圈可以很好地適配每根光纖和精密套管。 將光纖涂上環(huán)氧樹脂后插入套圈內(nèi)的精密孔中。 套圈連接器對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求包括小孔直徑尺寸以及小孔相對(duì)于套圈外表面的位置。 v 圖4.6給出了用于單模光纖和多模光纖系統(tǒng)中的兩種常用對(duì)接類型的對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 它們分別采用直套筒直套筒和錐形錐形(雙錐形雙錐形)套筒套筒結(jié)構(gòu)。

11、 在直套筒連接器中， 套圈中的套管和引導(dǎo)環(huán)的長(zhǎng)度決定了光纖的端面間距。 而雙錐形的連接器使用了錐形套筒以便接納和引導(dǎo)錐形套管。 類似地， 筒中的套管和引導(dǎo)環(huán)的長(zhǎng)度同樣也使光纖的端面保持給定的間距。 圖4.6 常用光纖連接器的對(duì)準(zhǔn)方案示意圖(a) 直套筒； (b) 錐形套筒； (c) 擴(kuò)展光束接收光纖引導(dǎo)環(huán)套管光纖共軸調(diào)整套筒引導(dǎo)環(huán)套管發(fā)射光纖擴(kuò)展光束準(zhǔn)直聚焦透鏡(a)(b)(c)v 擴(kuò)展光束類型擴(kuò)展光束類型的連接器在光纖的端面之間加進(jìn)透鏡， 如圖4.6(c)所示。 這些透鏡既可以準(zhǔn)直從傳輸光纖出射的光， 也可以將擴(kuò)展光束聚焦到接收光纖的纖芯處， 光纖到透鏡的距離等于透鏡的焦距。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

12、是由于準(zhǔn)直了光束， 因此在連接器的光纖端面間就可以保持一定的距離， 這樣連接器的精度將較少地受橫向?qū)?zhǔn)誤差的影響。 而且， 一些光處理元件， 諸如分束器和光開關(guān)等， 也能很容易地插入到光纖端面間的擴(kuò)展光束中。 v1. 插入損耗插入損耗v 連接器的一個(gè)最重要的性能參數(shù)是插入損耗。 正如前面所討論的， 存在各種可能的原因引起光的損耗,設(shè)計(jì)中要盡量減少插入損耗。 v 插入損耗是由制造商以如下的兩個(gè)數(shù)值提供的： 平均值和最大值。 一般的連接器平均損耗大約為0.25 dB， 這個(gè)數(shù)值可以在0.11 dB之間浮動(dòng)。 最最大損耗大約為大損耗大約為0.5 dB， 變化范圍在0.31.5 dB之間。 v v i

13、noutPPILlg10v 2. 回波損耗回波損耗v 對(duì)連接器來(lái)說(shuō)， 回波損耗的問(wèn)題起源于一個(gè)簡(jiǎn)單的矛盾現(xiàn)象： 為了最小化插入損耗， 需要盡可能地將光纖端面拋光， 而拋光的端面對(duì)光的反射增強(qiáng)， 這樣回波損耗就產(chǎn)生了。v v 回射發(fā)生在纖芯之間空氣的交界面上， 為此安裝人員提出了有效的解決方法： 將兩個(gè)連接端面通過(guò)物理接觸通過(guò)物理接觸(PC)來(lái)減小它們之來(lái)減小它們之間的空氣縫隙間的空氣縫隙。 現(xiàn)在多數(shù)連接器都是利用這種方法安裝的。 由于制造完美的平面來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的物理接觸是不可能的， 因此制造商將插針體的端面做成不同的形狀， 如圓弧形等。 v 為了提高物理接觸的效果就必須減少接觸面積， 因?yàn)樾∶娣e

14、的質(zhì)量可以更加有效地控制。v 拋光方法的提高使得制造商可以將PC連接器的回波損耗從幾年前的40 dB減小到如今的55 dB， 同時(shí)， 也將平均插入平均插入損耗限制在可接受的損耗限制在可接受的0.2 dB以內(nèi)以內(nèi)。inrPPILlg10v 3. 可重復(fù)性可重復(fù)性（耐用性）v 連接器是作為臨時(shí)連接使用的， 應(yīng)在多次插拔之后仍保持它們的特性。 所以可重復(fù)性是連接器的一個(gè)重要特性。 資料表明， 連接器在多次插拔之后其插入損耗將增加， 通常5000次插拔之后增次插拔之后增加量應(yīng)小于加量應(yīng)小于0.2 dB。 4.2 光 纖 耦 合 器 v 在光纖通信和光纖測(cè)量中， 有時(shí)需要把光信號(hào)在光路上由一路向兩路或多

15、路傳送， 有時(shí)需把N路光信號(hào)合路再向路光信號(hào)合路再向M路或路或N路分配，路分配， 能完成上述功能的器件就是光耦合器能完成上述功能的器件就是光耦合器。 光耦合器按制作方法分為微鏡片耦合器、微鏡片耦合器、 波導(dǎo)耦波導(dǎo)耦合器和光纖耦合器合器和光纖耦合器等。 v 其中光纖耦合器由于制作時(shí)只需要光纖， 不需要其他光學(xué)元件， 具有與傳與傳輸光纖容易連接且損耗較低、輸光纖容易連接且損耗較低、 耦合過(guò)程耦合過(guò)程無(wú)需離開光纖無(wú)需離開光纖， 不存在任何反射端面引不存在任何反射端面引起的回波損耗起的回波損耗等優(yōu)點(diǎn)， 因而更適合光纖通信， 有時(shí)也稱為全光纖元件全光纖元件。 下面主要介紹光纖耦合器的原理和性能參數(shù)。 2

16、2的耦合器是最基本的耦合單元， 其他的光纖耦合器都可通過(guò)它級(jí)連而成， 所以我們重點(diǎn)討論22光纖耦合器。 v 1. 22的耦合器v 一個(gè)22的耦合器是一個(gè)4端口的光器件， 其原理如圖4.7所示， 它有兩個(gè)輸入端口P1和P2， 兩個(gè)輸出端口P1和P2， 光功率通過(guò)與輸入端口相連接的光纖進(jìn)入耦合器， 在耦合器中進(jìn)行分路和合路， 然后通過(guò)與兩個(gè)輸出端口相連的光纖輸出。 它通過(guò)將兩根光纖并行放將兩根光纖并行放置，置， 然后熔化和拉伸然后熔化和拉伸， 產(chǎn)生一個(gè)耦合區(qū)，產(chǎn)生一個(gè)耦合區(qū)， 直至得到所期望的耦合性能直至得到所期望的耦合性能。 圖4.7 熔錐技術(shù)制造光纖耦合器的原理圖P1輸入端口P2P1P2輸出端

17、口拉錐區(qū)耦合區(qū)拉錐區(qū)1） 附加損耗附加損耗v 附加損耗的定義為jijexPPdBPlg10)(（4.3) 其中， Pj是在端口j的輸出功率， Pi是端口i的輸入功率。 如果光功率從端口1輸入， 則附加損耗等于： 121lg10)(PPPdBPex（4.4） v 在理想狀態(tài)下， 輸出功率之和應(yīng)該等于輸入功率。 附加損耗定量給出了實(shí)附加損耗定量給出了實(shí)際情況和理想狀態(tài)的差別，際情況和理想狀態(tài)的差別， 因此附加損因此附加損耗應(yīng)盡可能小耗應(yīng)盡可能小。 對(duì)于正在討論的耦合器， 依賴于其類型， 典型附加損耗在0.060.15 dB之間變化。 (注： 公式(4.4)中分母的P是輸入端， 分子的 P1是輸出端

18、。)v 2) 插入損耗插入損耗(IL)v 插入損耗是指輸入端口i和輸出端口j之間產(chǎn)生的損耗， 為輸出與輸入端口光功率之比， 即ijijPPdBILlg10)(（4.5） 如從端口1輸入， 端口2輸出， 則它們之間的插入損耗為1212lg10)(PPdBIL（4.6） 一個(gè)耦合器的插入損耗是相當(dāng)高的。 22耦合器的插入損耗的典型值為3.4 dB。 v 3) 耦合比耦合比v 耦合比形式上定義為某一端口輸出的光功率與所有端口的輸出光功率之比， 即jjjPPdBCRlg10)(（4.7） 這個(gè)特性通常用來(lái)描述一個(gè)耦合器的性能。 它可以用絕對(duì)值或百分比給出， 在后一種情況下:100(%)jjjPPCR（

19、4.8） 圖4.8 4個(gè)22的耦合器構(gòu)成的44的星型耦合器 12341234v 2. NN的耦合器 v NN的耦合器是由22的耦合器級(jí)連起來(lái)的。 圖4.8給出了一個(gè)44的耦合器的例子， 它可以用22的耦合器通過(guò)熔融拉錐光纖來(lái)制成。 從圖中可以看出, 每個(gè)輸入端口注入的光功率的1/N出現(xiàn)在輸出端口， N必須為2的整數(shù)倍（即N=2n, n1）， 當(dāng)需要增加一個(gè)輸入或輸出端口時(shí)， 靈活性差限制了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。 v一個(gè)NN的耦合器所需22的耦合器的數(shù)目為： 2lglg2log22NNNNM4.3 光 開 關(guān) v 4.3.1 光開關(guān)的性能參數(shù) v 光開關(guān)是光交換的關(guān)鍵器件光交換的關(guān)鍵器件， 它在光網(wǎng)絡(luò)

20、中有許多應(yīng)用場(chǎng)合。 光開關(guān)的開關(guān)速度開關(guān)速度或稱開關(guān)時(shí)間是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。 不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)開關(guān)時(shí)間的要求是不一樣的， 如保護(hù)倒換的開關(guān)時(shí)間為保護(hù)倒換的開關(guān)時(shí)間為110 s， 分組交換分組交換的開關(guān)時(shí)間為的開關(guān)時(shí)間為1 ns， 外調(diào)制器的開關(guān)時(shí)間為外調(diào)制器的開關(guān)時(shí)間為10 ps量級(jí)量級(jí)。 除了開關(guān)時(shí)間外， 還有下面一些參數(shù)用來(lái)衡量光開關(guān)的性能。 v （1） 通斷消光比通斷消光比。 通斷消光比是指光開關(guān)處于通（開）狀態(tài)時(shí)輸出的光功率和處于斷（關(guān)）狀態(tài)時(shí)的輸出光功率之比。 通斷消光比越大, 光開關(guān)性能越光開關(guān)性能越好好， 這對(duì)外調(diào)制器尤為重要。 機(jī)械開關(guān)的通斷消光比大約為4050 dB。 v

21、（2） 插入損耗插入損耗（簡(jiǎn)稱插損）。 插損是指由于光開關(guān)的使用而導(dǎo)致的光路上的能量損耗， 常以dB表示。 插損越小插損越小越好越好。v（3） 串?dāng)_串?dāng)_。 串?dāng)_是指某輸出端口的功率除了有來(lái)自希望的輸入端口外， 還有來(lái)自不希望的輸入端口的功率， 二者的光功率之比稱為串?dāng)_。 v 4.3.2 主要的幾種光開關(guān)v 1. 微電機(jī)械光開關(guān)微電機(jī)械光開關(guān)MEMS v 機(jī)械開關(guān)是指開關(guān)的功能通過(guò)機(jī)械的方法實(shí)現(xiàn)， 如通過(guò)將鏡片移出或置入光路鏡片移出或置入光路就可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通斷。 這種開關(guān)由于采用了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和反射鏡， 因而體積大體積大, 開關(guān)速度慢速度慢。 但近來(lái)由于微電機(jī)械系統(tǒng)即MEMS的出現(xiàn)， 使得機(jī)械

22、開關(guān)備受人們的重視。v 這樣的微機(jī)械可以與電的傳動(dòng)機(jī)械相連安排在光路上， 來(lái)控制反射鏡控制反射鏡使其運(yùn)動(dòng)， 從而改變光的方向改變光的方向。 MEMS技術(shù)已發(fā)展到能在同一個(gè)芯片上集成按陣列排放的許多反射鏡， 有望獲得低損耗連接、 小型化設(shè)計(jì)及大的互連矩陣。 圖4.9（a）給出了一個(gè)MEMS開關(guān)的原理， 圖（b）給出了相應(yīng)的實(shí)例。 圖 4.9 微機(jī)械反射鏡開關(guān)MMS(a) MEMS開關(guān)的原理； (b) 實(shí)例v 2. 電光開關(guān)電光開關(guān)v 22的電光開關(guān)也可以利用耦合器實(shí)現(xiàn)， 但它不是通過(guò)改變光纖的長(zhǎng)度而是通過(guò)改變耦合區(qū)材料的折射率改變耦合區(qū)材料的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 常 用 的 一 種 材 料 是 鈮

23、 酸 鋰（LiNbO3）。 電光開關(guān)的開關(guān)速度快， 易于集成。 其結(jié)構(gòu)如圖4.10所示。圖 4.10 電光開關(guān)輸 入 1 U輸 入 2輸 出 1輸 出 2電 極v 3. 熱光開關(guān) v 22的熱光開關(guān)是一個(gè)MZI干涉儀。 它是通過(guò)改變其中一個(gè)臂的折射率通過(guò)改變其中一個(gè)臂的折射率（受溫度的影響）使兩臂上光信號(hào)之間的相使兩臂上光信號(hào)之間的相差有所改變差有所改變， 從而使光信號(hào)在輸入/輸出端之間實(shí)現(xiàn)通斷的。 MZI可以在硅或聚合物基片上集成， 但其開關(guān)速度和串?dāng)_性能不太好。 其結(jié)構(gòu)如圖4.11所示。圖4.11 熱光開關(guān) 輸 入輸 出v 4. SOA光開關(guān) v 利用半導(dǎo)體光放大器， 通過(guò)改變通過(guò)改變SO

24、A的偏置電壓就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的偏置電壓就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。 當(dāng)偏置減少時(shí)， 沒(méi)有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 因而吸收光信號(hào); 當(dāng)偏置增加時(shí)， 放大輸入信號(hào)， 因而當(dāng)SOA處于吸收和放大態(tài)時(shí)， 通斷消光比很大， 同時(shí)易于集成易于集成。 圖4.12為SOA光開關(guān)原理圖， 圖4.13給出了一個(gè)SOA開關(guān)陣列。 圖4.12 SOA光開關(guān) 輸 出控 制 電 壓半 導(dǎo) 體 光 放 大 器輸 入圖4.13 SOA光開關(guān)陣列輸入輸出輸入輸出控制電壓4.4 光 纖 光 柵v 光纖光柵由一段折射率沿其長(zhǎng)度周期性折射率沿其長(zhǎng)度周期性變化的光纖構(gòu)成變化的光纖構(gòu)成。 利用摻鍺石英光纖受到240 nm 附近紫外光照射時(shí)纖芯折射率會(huì)增紫外

25、光照射時(shí)纖芯折射率會(huì)增大大這一現(xiàn)象， 將光纖沿中心軸線切開， 從光纖切面照射呈空間周期性變化的紫外光， 纖纖芯部位就會(huì)出現(xiàn)周期性折射率變化芯部位就會(huì)出現(xiàn)周期性折射率變化， 這就形成了光柵(FG)，其結(jié)構(gòu)如圖4.14所示。 圖 4.14 光纖光柵的結(jié)構(gòu) 柵距光柵包層纖芯光纖(a)紫外光掩膜板(b)v 光纖光柵(PG)以其特有的高波長(zhǎng)選波長(zhǎng)選擇性擇性能， 易與光纖耦合， 插入損耗低， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 體積小等優(yōu)點(diǎn)， 日益受到人們的關(guān)注。 4.5 光 濾 波 器 v 光濾波器全稱為光學(xué)濾波器， 與大家熟悉的電濾波的作用是一樣的， 只是這里濾除濾除的是特定波長(zhǎng)的光信號(hào)的是特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。 光濾波器可分為

26、固固定的和可調(diào)諧的定的和可調(diào)諧的兩種。 固定濾波器允許一個(gè)固定濾波器允許一個(gè)固定的、固定的、 預(yù)先確定的波長(zhǎng)通過(guò)預(yù)先確定的波長(zhǎng)通過(guò)， 而可調(diào)諧的可調(diào)諧的濾波器可動(dòng)態(tài)地選擇波長(zhǎng)濾波器可動(dòng)態(tài)地選擇波長(zhǎng)。 由于可調(diào)諧濾波器需要一些外部電源， 嚴(yán)格地說(shuō)它不是無(wú)源不是無(wú)源器件器件。 v 4.5.1 F-P腔型濾波器 v 法布里珀羅（F-P）腔型濾波器的主體是F-P諧振腔， 它是由一對(duì)高度平行的高反射率鏡面構(gòu)成的腔體， 當(dāng)腔腔長(zhǎng)是入射光波的波長(zhǎng)的整數(shù)倍長(zhǎng)是入射光波的波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)， 光波可形成穩(wěn)定振蕩， 輸出光波之間會(huì)產(chǎn)生多光束干涉， 最后輸出等間隔的梳狀波等間隔的梳狀波形形（對(duì)應(yīng)的濾波曲線為梳狀）， 見

27、圖4.15。 圖 4.15 F-P腔型可調(diào)諧濾光器 輸入光F-P腔反射光輸出光(有相移)v 我們注意到，對(duì)于 F-P固定濾波器， 如改變腔長(zhǎng)改變腔長(zhǎng)L或腔內(nèi)的折射率或腔內(nèi)的折射率n， 就能調(diào)就能調(diào)諧濾波波長(zhǎng)諧濾波波長(zhǎng)。 光纖F-P腔型可調(diào)諧濾波器的腔長(zhǎng)由一段光纖和空氣隙組成， 在腔體光纖的一端鍍上高反射膜高反射膜， 另一端鍍上抗抗反射膜反射膜， 彼此之間留有適當(dāng)空隙。 在電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下， PZT（壓電陶瓷）可進(jìn)行伸縮， 造成空氣間隙變化， 引起腔長(zhǎng)的改變， 從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧。 改變光纖改變光纖的長(zhǎng)度同樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)的目的的長(zhǎng)度同樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)的目的。圖 4.16 光纖F-P可調(diào)諧濾波

28、器的結(jié)構(gòu) 光纖壓電晶體/陶瓷高反射鍍膜光纖纖芯支撐結(jié)構(gòu)v 4.5.2 M-Z干涉濾波器 v 圖4.18給出了馬赫曾德爾濾波器(MZI)的基本結(jié)構(gòu)。 為產(chǎn)生可調(diào)諧MZI， 它使用了一個(gè)馬赫曾德爾干涉儀的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。 調(diào)諧通過(guò)改變一個(gè)臂的折射率得到。圖4.18 MZI的結(jié)構(gòu)圖輸 入 端 囗 1輸 入 端 囗 23dB 耦 合 器3dB 耦 合 器輸 出 端 囗 1輸 出 端 囗 2行 程 差 Lv MZI是一種干涉器件， 它利用兩個(gè)兩個(gè)不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)區(qū)分不同的波長(zhǎng)不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)區(qū)分不同的波長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)濾波以實(shí)現(xiàn)濾波， 其結(jié)構(gòu)是利用兩個(gè)3 dB光纖耦合器將兩個(gè)路徑互連起來(lái)， 是一個(gè)4端口光器件

29、。 v 假設(shè)只有輸入端口1有光信號(hào)輸入， 光信號(hào)經(jīng)第一個(gè)3 dB耦合器后分成兩路功率相同的光信號(hào)， 但其相位相差/2， 圖中下臂滯后上臂/2; 然后光信號(hào)沿MZI的兩個(gè)不等長(zhǎng)的臂向前傳播， 由于路徑相差L， 因此下臂又滯后L相位； 下臂的信號(hào)經(jīng)第二個(gè) 3 dB耦合器從上輸出端口1輸出， 又滯后/2相位， 因而兩路信號(hào)的總相位差為/2+L+/2， 而與從下輸出端口2輸出的光信號(hào)之間的相位差為/2+L-/2=L。 v 如果L=k(k為奇數(shù))， 則兩路信號(hào)兩路信號(hào)在輸出端口在輸出端口1干涉增強(qiáng)，干涉增強(qiáng)， 在輸出端口在輸出端口2干涉干涉抵消抵消， 因此從輸入端口1輸入， 在輸出端口1輸出的光信號(hào)是那

30、些波長(zhǎng)滿足L=k（k為奇數(shù)）的光信號(hào)， 從輸入端口1輸入， 在輸出端口2輸出的光信號(hào)是那些波長(zhǎng)滿足L=k（k為偶數(shù)）的光信號(hào)， 利用 v v (neff為波導(dǎo)有效折射率)， 有： ieffikLn2v 與ki為奇數(shù)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)i從輸出端口1輸出， 與ki為偶數(shù)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)i從輸出端口2輸出。 如只有兩個(gè)波長(zhǎng)1和2， 1與k為奇數(shù)對(duì)應(yīng)， 2與k為偶數(shù)對(duì)應(yīng)， 因此1從端口1輸出， 2從端口2輸出。 MZI可用作可用作12解復(fù)用器解復(fù)用器， 要構(gòu)造一個(gè)1n的解復(fù)用器， 可將單個(gè)MZI相級(jí)聯(lián)， n為2的冪時(shí)， 需n-1個(gè)。 v MZI是一個(gè)互易光器件是一個(gè)互易光器件， 不僅可用作不僅可用作解復(fù)用器，解復(fù)用

31、器， 也可用作復(fù)用器，也可用作復(fù)用器， 還可用作調(diào)還可用作調(diào)諧濾波器，諧濾波器， 調(diào)諧可通過(guò)改變一個(gè)臂的溫度調(diào)諧可通過(guò)改變一個(gè)臂的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)溫度改變時(shí)， 臂的折射率發(fā)生改變， 反過(guò)來(lái)影響了臂的相移， 導(dǎo)致了不同的波長(zhǎng)耦合輸出， 調(diào)諧時(shí)間在毫秒（ms）量級(jí)。 v MZI雖不適合用作大規(guī)模的復(fù)用/解復(fù)用器， 但它是理解AWG（陣列波導(dǎo)光柵）的基礎(chǔ)，AWG是實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用/解復(fù)用的一種好的技術(shù)。4.6 WDM合波/分波器 v WDM合波合波/分波器是波分復(fù)用系統(tǒng)分波器是波分復(fù)用系統(tǒng)的核心部件的核心部件， 其特性好壞在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。 前面介紹的光濾波器原則上都可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)合

32、波實(shí)現(xiàn)合波/分波分波器器。 目前， WDM合波/分波器可以有多種方法來(lái)制造， 制造的器件各有特點(diǎn)。 下面就幾種常用器件作一簡(jiǎn)要介紹。 v 4.6.1 多層介質(zhì)薄膜MDTFF v 這種器件依賴于從薄層束反射的許多光波之間的干涉效應(yīng)干涉效應(yīng)， 如圖4.24所示。 如果每層的厚度是4， 那么， 當(dāng)入射角等于零即垂直入射時(shí)， 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為的光的光在通過(guò)每層后得到相位位移在通過(guò)每層后得到相位位移/2。 因此， 反射波與入射波相位相反，反射波與入射波相位相反， 它們將成相它們將成相消性干涉消性干涉， 也就是相互抵消。換句話說(shuō)， 波長(zhǎng)為的光將不被反射， 這意味著這個(gè)這個(gè)光通過(guò)，光通過(guò)， 所有其他的光將被反射

33、，所有其他的光將被反射， 這就這就是濾波是濾波。v 利用這種特性， 在基底上鍍多層介質(zhì)膜。 多層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了效果， 使濾波特性接近理想狀態(tài)。 這個(gè)技術(shù)在光學(xué)中已應(yīng)用多年， 一個(gè)最流行的應(yīng)用是在相機(jī)、 眼鏡和類似的光學(xué)儀器中的防反射涂層AR。 在光纖通信技術(shù)中， 這樣的濾波器用微鏡片技術(shù)生產(chǎn)。 v 典型的多層介質(zhì)膜濾波器如圖4.25所示。 利用楔狀玻璃鍍1、 2、 3、 4和5濾光膜， 當(dāng)15的光從同一根光纖輸入時(shí)， 首先1通過(guò)濾波器輸出， 其余被反射， 繼而2通過(guò)濾波器輸出， 依此類推， 達(dá)到解復(fù)用的目的。 這種結(jié)構(gòu)中， 棒透鏡主要起構(gòu)成平行光路的作用。圖4.25 MDTFF復(fù)用器 透鏡透鏡光纖

34、輸出透鏡透鏡531241，2，3，4，5v 多層介質(zhì)膜型波分復(fù)用器一般用于多模光纖通信系統(tǒng)， 其插入損耗為12 dB， 波長(zhǎng)隔離度可達(dá)5060 dB。 這種波分復(fù)用器是分立元件組合型， 裝配調(diào)試較為困難， 但波長(zhǎng)間隔可按需要制造。 v 4.6.2 熔錐型 v 利用熔錐型耦合器的波長(zhǎng)依賴性可以熔錐型耦合器的波長(zhǎng)依賴性可以制作制作WDM器件器件， 其耦合長(zhǎng)度耦合長(zhǎng)度Lc隨波長(zhǎng)而隨波長(zhǎng)而異異。 對(duì)于一特定的耦合器， 不同波長(zhǎng)的理想功率耦合比(即抽頭比或相對(duì)輸出功率)呈正弦形， 從而形成對(duì)不同波長(zhǎng)具有不同通透性的濾波特性， 據(jù)此可以構(gòu)成WDM器件。 圖4.26給出了一個(gè)雙波長(zhǎng)的熔錐耦合器的耦合特性。

35、由圖可知， 隨著拉伸長(zhǎng)度的改變， 不同的波長(zhǎng)耦合比不同， 如當(dāng)耦合長(zhǎng)度為當(dāng)耦合長(zhǎng)度為4.5 cm 時(shí)，時(shí)， 兩個(gè)波長(zhǎng)就兩個(gè)波長(zhǎng)就可實(shí)現(xiàn)分離可實(shí)現(xiàn)分離。 圖4.26 雙波長(zhǎng)熔錐型波長(zhǎng)耦合器的特性1550 nm1310nm10080604020022.533.544.55拉伸長(zhǎng)度耦合比(%)v 熔錐型WDM器件的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低(單級(jí)最大小于0.5 dB， 典型值為0.2 dB)， 無(wú)需波長(zhǎng)選擇器件， 十分簡(jiǎn)單， 適于批量生產(chǎn)， 并且有較好的光通路帶寬通路間隔比和溫度穩(wěn)定性。 不足之處是尺寸很大， 復(fù)用復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)少波長(zhǎng)數(shù)少(典型應(yīng)用是雙波長(zhǎng)WDM)， 光濾波光濾波特性對(duì)溫度十分敏感特性對(duì)溫度十分敏

36、感， 隔離度較差(20 dB左右)。 采用多個(gè)熔錐型耦合器級(jí)熔錐型耦合器級(jí)聯(lián)應(yīng)用的方法可以改進(jìn)隔離度(提高到3040 dB)， 并增加復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)（小于6個(gè)）。v 4.6.3 光纖光柵型v 光纖光柵濾波器的原理在介紹光濾波器時(shí)已作了介紹， 這里給出用光柵制作WDM合波/分波器的原理示意圖。 圖4.27給出了一個(gè)采用反射光柵的三個(gè)波長(zhǎng)的WDM合波/分波器的原理示意圖。 v 圖4.28給出了一個(gè)光纖光柵WDM合波/分波器的示意圖。 光環(huán)形器的功能在下面描述。 圖4.27 光柵型WDM合波/分波器原理圖反射光柵透鏡的焦 距衍射角1, 2, 3123圖4.28 光纖光柵合波分波示意圖光 環(huán) 形 器2 分 出 的 波 長(zhǎng)可 調(diào) 諧 光 纖 光 柵光 環(huán) 形