通工專業(yè)-光纖通信技術(shù)-第五章-光無源器件

1、光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù)Modern Communication Networks西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院通信工程系通信工程系 5.1 光纖連接器光纖連接器 5.2 光纖耦合器光纖耦合器5.3 光調(diào)制器光調(diào)制器5.4 光開關(guān)光開關(guān)5.5 光纖光柵光纖光柵5.6 光衰減器光衰減器5.7 光隔離器光隔離器5.8 光環(huán)形器光環(huán)形器第五章第五章 光纖通信中的光無源器件光纖通信中的光無源器件 本章簡(jiǎn)介本章簡(jiǎn)介 構(gòu)成一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除了要有光源、光電檢測(cè)器和光纜外，還需要配置必要的光無源器件，如光纖（纜）連接器、光纖耦合器、光調(diào)制器、光開關(guān)、光衰減器、光隔離器等

2、。它們主要用于光纖與光纖或光纖與其它器件的光學(xué)連接、光功率分配、光波分復(fù)用及光信號(hào)的隔離等。 本章主要介紹了光纖（纜）連接器、光纖耦合器、光調(diào)制器、光開關(guān)、光衰減器、光隔離器等幾種光無源器件的原理、結(jié)構(gòu)、分類、性能等相關(guān)問題，這些問題都直接影響著光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。5.1光纖連接器光纖連接器 光纖連接器是把兩個(gè)光纖端面結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸（活動(dòng)）連接的器件，它是光纖通信中是必不可少的器件。為施工方便，光纜須分段敷設(shè)，一般光纜長(zhǎng)度為1.22km，在兩端光纖（光纜）之間就要進(jìn)行連接。這種連接是固定的、永久的，常用光纖固定接頭來進(jìn)行連接。在光發(fā)送機(jī)、接收機(jī)或儀表與光纖之間也

3、要進(jìn)行連接，這種連接必須是活動(dòng)的、可拆裝的，要通過光纖活動(dòng)連接器來完成。光纖活動(dòng)連接器因而成了光纖通信中需求量最大的光無源器件。 圖5.1示出套筒結(jié)構(gòu)的光纖連接器簡(jiǎn)圖，包括用于對(duì)中的套筒、帶有微孔的插針和端面的形狀（圖中畫出平面的端面）。光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套筒對(duì)中實(shí)現(xiàn)連接。以下文中提到的光纖連接器都指的是光纖活動(dòng)連接器。圖5.1 套筒結(jié)構(gòu)光纖連接器簡(jiǎn)圖 對(duì)光纖連接器的基本要求是使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度地耦合進(jìn)接收光纖。光纖連接器是光纖通信中應(yīng)用最廣泛、最基本的光無源器件。光纖連接器的“尾纖”（即一端有活動(dòng)的連接器光纖）用于和光源或檢測(cè)器耦合，以構(gòu)成發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的

4、輸出/輸入接口，或構(gòu)成光纜線路及各種光無源器件兩端的接口。光纖連接器跳線（即兩端都有光纖活動(dòng)連接器的一小段光纖）用于終端設(shè)備與光纜線路及各種光無源器件之間的互連，以構(gòu)成光纖傳輸系統(tǒng)。5.1.1 光纖連接器的組成光纖連接器的組成 光纖活動(dòng)連接器在結(jié)構(gòu)上差別很大，品種也很多，但按功能可分成如下幾部分： (1) 連接器插頭(Plug Connector)：使光纖在轉(zhuǎn)換器或變換器中完成插拔功能的部件稱為插頭，由插針體和若干外部零件組成。 圖5.2是幾種常見的光纖活動(dòng)連接器插頭，為使光纖不受到外界損害，插頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)必須具有對(duì)光纖進(jìn)行有效保護(hù)的功能。圖5.2 幾種常見的光纖活動(dòng)連接器插頭 (2) 轉(zhuǎn)換器

5、或適配器(Adapter)：即插座（琺瑯盤），將光纖插頭連接在一起使光纖接通的器件。轉(zhuǎn)換器可以連接同型號(hào)插頭，也可以連接不同型號(hào)插頭，可以連接一對(duì)插頭，也可以連接幾對(duì)插頭或多芯插頭。 圖5.3 示出琺瑯盤在光纖連接器中的位置。圖5.3 琺瑯盤在光纖連接器中的位置 (3) 變換器(Converter)：將某一型號(hào)的插頭變換成另一型號(hào)插頭的器件，使用時(shí)將某一型號(hào)的插頭插入同型號(hào)的轉(zhuǎn)換器中，就變成其他型號(hào)的插頭了。 (4) 光纜跳線(Cable Jumper)：一根光纜兩端面裝上插頭，稱為跳線。兩個(gè)插頭的型號(hào)可以不同，可以是單芯的，也可以是多芯的。連接器插頭是跳線的特殊情況，即只在光纖（纜）的一端裝

6、有插頭，也將其稱為尾纖。圖5.4示出了兩種常用的光纜跳線。圖5.4 光纜跳線 (5) 裸光纖轉(zhuǎn)換器(Bare Fiber Adapter): 將裸光纖與光源、探測(cè)器及各種光儀表連接的器件，如圖5.5所示。將裸光纖穿入轉(zhuǎn)換器，處理好光纖端面，形成一個(gè)插頭，就可以進(jìn)行其他連接了。用完后，可將裸光纖從轉(zhuǎn)接器中抽出。裸光纖轉(zhuǎn)換器在光纖測(cè)試、光儀表以及光纖之間的臨時(shí)連接中具有廣泛的用途。圖5.5裸光纖轉(zhuǎn)換器5.1.2 光纖連接器的性能光纖連接器的性能 評(píng)價(jià)光纖（纜）連接器的主要指標(biāo)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配方便、插入損耗低、具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性、對(duì)環(huán)境因素穩(wěn)定、串?dāng)_價(jià)格低廉以及低串?dāng)_等。其中最重要的是插入損

7、耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性。1. 插入損耗插入損耗 插入損耗是指光纖中的光信號(hào)通過連接器之后，其輸出光功率與輸入光功率的分貝數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為0110lg()iPLdBP （5.1） 對(duì)于多模光纖連接器來講，注入的光功率應(yīng)當(dāng)經(jīng)過穩(wěn)模器，濾去高次模，使光纖中的模式為穩(wěn)態(tài)分布，這樣才能準(zhǔn)確地衡量連接器的插入損耗。 光纖連接時(shí)，如圖5.6所示，由于光纖纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差異以及橫向錯(cuò)位、角度傾斜、端面形狀以及端面光潔度等因素的影響，都會(huì)產(chǎn)生連接損耗，影響插入損耗。對(duì)于用戶來說，插入損耗越小越好。圖5.6 引起插入損耗的各種情況2. 回波損耗回波損耗 回波損耗又稱后向反射損耗。它是指在光

8、纖連接處，后向反射光功率相對(duì)入射光功率的分貝數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：10 lg()rriPLdBP （5.2） 回波損耗越大越好，以減少反射光對(duì)光源和系統(tǒng)的影響，其典型值應(yīng)不小于25dB。在高速系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)等領(lǐng)域，為了減小回波損耗對(duì)光源的影響，要求回波損耗達(dá)到40dB、50dB甚至60dB以上。 滿足這一要求的有效途徑是將光纖端面加工成球面或斜球面，如圖5.7（a）和（b）所示。（a）球面接觸（b）斜球面接觸 將裝有光纖的插針體端面加工成球面，這種研磨方式稱為PC研磨方式，球面曲率半徑一般為2560mm。球面接觸的優(yōu)點(diǎn)是可以保證兩個(gè)插針體中的光纖充分接觸，達(dá)到“物理接觸”。因此回

9、波損耗可顯著增大，可達(dá)到50dB以上。 在斜球面接觸中，先將插針體端面研磨成左右的傾角，再按球面加工的方法拋磨成球面，這種研磨方式稱為APC研磨方式。在連接時(shí)，嚴(yán)格按照預(yù)定的方位使插針體對(duì)準(zhǔn)。這種方法除了實(shí)現(xiàn)光纖端面的物理接觸外，還可以將微弱的后向反射光偏斜，使其難以入射進(jìn)光纖中。斜球面接觸可是回波損耗達(dá)到60dB以上。3. 重復(fù)性和互換性重復(fù)性和互換性 重復(fù)性是指光纖（纜）活動(dòng)連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指連接器各部件互換時(shí)插入損耗的變化，也用dB表示。 這兩項(xiàng)指標(biāo)可以考核連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝的合理性，也是表明連接器實(shí)用化的重要標(biāo)志。影響插入損耗的各項(xiàng)因素，也同時(shí)

10、影響著連接器的重復(fù)性和互換性，因而這些因素的改善也會(huì)有效地提高重復(fù)性和互換性的性能指標(biāo)。5.1.3 常用的光纖連接器常用的光纖連接器 光纖（纜）連接器的品種、型號(hào)很多。按結(jié)構(gòu)的不同可分為調(diào)心型和非調(diào)心型；按連接方式的不同可分為對(duì)接耦合式和透鏡耦合式；按光纖相互接觸關(guān)系的不同可分為平面接觸式和球面接觸式等。目前具有代表性的產(chǎn)品主要有FC、ST、SC、D4、雙錐、VFO（球面定心）和F-SMA等。 在我國(guó)用得最多的是FC系列的連接器，它是干線系統(tǒng)中采用的主要型號(hào)，在今后一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍是主要使用的產(chǎn)品。SC型連接器是光纖局域網(wǎng)、CATV和用戶網(wǎng)的主要品種。除此之外，ST型連接器也有一定數(shù)量的應(yīng)用。

11、（1）FC型連接器型連接器 FC型連接器是一種螺紋連接，外部零件采用金屬材料制作，是我國(guó)電信網(wǎng)采用的主要產(chǎn)品，我國(guó)已制定了FC型連接器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。（2）SC型連接器型連接器 SC型連接器的插針、套筒與FC型完全一樣。它的外殼采用工程塑料制作成矩形結(jié)構(gòu)，便于密集安裝。它沒有采用螺紋連接，可以直接插拔，使用方便，操作空間小，可以密集安裝，可做成多芯連接器，應(yīng)用前景廣闊。（3）ST型連接器型連接器 ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)，確保連接時(shí)準(zhǔn)確對(duì)中。 上述FC、SC和ST三種型號(hào)的連接器只能對(duì)同型號(hào)的插頭進(jìn)行連接，對(duì)不同型號(hào)的插頭進(jìn)行連接就需要下面三種轉(zhuǎn)換器：lFC/SC型轉(zhuǎn)換器用于FC與SC

12、型插頭互連；lFC/ST型轉(zhuǎn)換器用于FC與ST型插頭互連；lSC/ST型轉(zhuǎn)換器用于SC與ST型插頭互連； 光纖連接器是光學(xué)器件中的一種基礎(chǔ)原件，它必將根據(jù)光通信、光傳感技術(shù)提出的要求去發(fā)展和提高，在進(jìn)一步提高光纖連接器性能的基礎(chǔ)上，使其走上集成化、小型化的發(fā)展方向。5.2 光纖耦合器光纖耦合器 光纖耦合器的功能是一個(gè)或多個(gè)輸入光分配給多個(gè)或一個(gè)光輸出，實(shí)現(xiàn)了輸入光功率在不同輸入端口的再分配。簡(jiǎn)單地講，光纖耦合器就是一類能使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行再分配的器件。它的主要用途包括：對(duì)光中繼接口噪聲評(píng)價(jià)，插入噪聲測(cè)量；監(jiān)視傳輸線上的信號(hào)，并從中取出一定功率的光信號(hào)作檢測(cè)使用；

13、提取反射信號(hào)等。 目前，光耦合器已經(jīng)形成一個(gè)多功能、多用途的產(chǎn)品系列。隨著光纖通信、光纖接入網(wǎng)、光纖CATV、無源光網(wǎng)絡(luò)PON、光纖傳感技術(shù)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，光耦合器的應(yīng)用越來越廣泛。5.2.1 光纖耦合器的類型光纖耦合器的類型 圖5.8示出了四種常用耦合器的類型：T型、星型、定向型和波分型，它們具有不同的功能和用途。圖5.8 常見的耦合器類型（1）T型耦合器型耦合器 這是一種22的3端耦合器，如圖5.8（a）所示，它的功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起輸入一根光纖。這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。（2）星型耦合器）星

14、型耦合器 這是一種nm耦合器，如圖5.8（b）所示，它的功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。這種耦合器常用作多端功率分配器。（3）定向耦合器）定向耦合器 這是一種22的3端或4端耦合器，它的功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)，如圖5.8（c）所示，光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。這種耦合器可用作分路器，不能用作合路器。（4）波分復(fù)用器）波分復(fù)用器/解波分復(fù)用器解波分復(fù)用器 這是一種與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器（也稱合波器/分波器），如圖5.8（d）所示，它的功能是把多個(gè)不同波長(zhǎng)

15、的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖分配的給不同的接收機(jī)。5.2.2 光纖耦合器的結(jié)構(gòu)光纖耦合器的結(jié)構(gòu) 耦合器的結(jié)構(gòu)有許多類型，其中比較實(shí)用、發(fā)展?jié)摿玫挠泄饫w型、微器件型和平面波導(dǎo)型。1. 光纖型耦合器光纖型耦合器 光纖型耦合器是把兩根或多根光纖排列，用熔融拉錐法制作出來的器件。熔融拉錐法就是將兩根或兩根以上除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法，這種方法的系統(tǒng)框圖如圖5.9所示。圖5.9 熔融拉錐系統(tǒng)示意圖 利用熔融拉錐法可以制成T型耦

16、合器、星型耦合器、定向型耦合器和波分/解波分復(fù)用器。圖5.10（a）和（b）示出單模22定向耦合器和多模nn星型耦合器的結(jié)構(gòu)。單模星型耦合器的端數(shù)受到一定限制，通常可用22耦合器組成。圖5.10 光纖型耦合器（a）定向耦合器 （b）88星型耦合器 熔融拉錐法已成為當(dāng)今制作光纖耦合器最主要的方法，這是因?yàn)檫@種方法制作的光纖耦合器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）極低地附加損耗。目前這種方法制作的耦合器附加損耗可低于0.05dB，這是其它方法難以達(dá)到的。（2）方向性好。其指標(biāo)一般都超過60dB，能夠很好的保證傳輸信號(hào)的方向性以及減小線路之間的串?dāng)_。（3）良好的環(huán)境穩(wěn)定性。在經(jīng)過適當(dāng)保護(hù)后，受環(huán)境條件的影響可以先

17、知道很小的程度。（4）控制方法簡(jiǎn)單、靈活。（5）制作成本低、適于批量生產(chǎn)。2. 微器件型耦合器微器件型耦合器 利用自聚焦透鏡和分光片（光部分投射、部分反射）、濾光片（一個(gè)波長(zhǎng)的透射，其它波長(zhǎng)的光反射）或光柵（不同波長(zhǎng)的光有不同的反射方向）等微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分/解波分復(fù)用器，如圖5.11所示。 圖5.11 微器件型耦合器（a）T型耦合器；（b）定向耦合器；（c）濾光式解復(fù)用器；（d）光柵式解復(fù)用器 用22的耦合器作為基本單元同樣可以構(gòu)成nn星型耦合器。自聚焦透鏡在光無源器件中起著非常重要的作用，它是利用自聚焦效應(yīng)而制成的，自聚焦效應(yīng)是這樣描述的：不同入射角相應(yīng)的光纖，

18、雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最后都會(huì)聚焦在一點(diǎn)上。3. 平面波導(dǎo)型耦合器平面波導(dǎo)型耦合器 平面波導(dǎo)型耦合器是指利用平面介質(zhì)光波導(dǎo)工藝制作的一類光耦和器件，其關(guān)鍵技術(shù)包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作和器件與傳輸線路的耦合。目前廣泛采用的制作介質(zhì)光波導(dǎo)的方法主要是在鈮酸鋰（LiNbO3）等襯底材料上，以薄膜沉積、光刻、擴(kuò)散等工藝形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖5.12示出了矩形波導(dǎo)的簡(jiǎn)圖。圖5.12 矩形波導(dǎo)簡(jiǎn)圖 光波導(dǎo)耦合器的基本單元有分支波導(dǎo)和定向耦合器，其基本結(jié)構(gòu)如圖5.13所示。將多個(gè)12分支波導(dǎo)、22定向耦合器級(jí)聯(lián)可以構(gòu)成樹形耦合器。圖5.13（a）所示為7個(gè)12分支波導(dǎo)級(jí)聯(lián)構(gòu)成的18樹形耦合器，圖5.13（b）所示為一

19、個(gè)22定向耦合器與6個(gè)12分支波導(dǎo)級(jí)聯(lián)構(gòu)成的28樹形耦合器.(a) 12分支波導(dǎo)（b）22定向耦合器圖5.13 波導(dǎo)基本單元波導(dǎo)型耦合器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）體積小、重量輕、易于集成。制作光波導(dǎo)采用的是與集成電路相似的工藝，可以方便地與其他元件集成在一起，符合光學(xué)元件的發(fā)展趨勢(shì)。（2）耦合比易于精確控制，可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。（3）機(jī)械及環(huán)境穩(wěn)定性好，可以用于一些特殊場(chǎng)合。（4）易于制成小型化的寬帶耦合器。5.2.3 光纖耦合器的特性參數(shù)光纖耦合器的特性參數(shù)l1. 插入損耗插入損耗l 插入損耗定義為指定輸出端口插入損耗定義為指定輸出端口i的光功率與的光功率與全部輸入光功率比值的對(duì)數(shù)

20、，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：全部輸入光功率比值的對(duì)數(shù)，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：l 式中，式中， 為第為第i個(gè)輸出端口的插入損耗；個(gè)輸出端口的插入損耗； 為為第第i個(gè)輸出端口的光功率；個(gè)輸出端口的光功率； 為輸入的總光功率。為輸入的總光功率。 （5.3）iILoutiPinP2. 附加損耗附加損耗 附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率的減少值，該值以分貝表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中，EL為附加損耗； 為第i個(gè)輸出端口的光功率； 為輸入的總光功率。 outin10lg (dB)iiPELP （5.4）outiPinP 光纖耦合器的附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的指標(biāo)，反映的是器件制作過程帶來

21、的固有損耗；而插入損耗則表示各個(gè)輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，而且也有分光比的影響。因此，不同類型光纖耦合器之間的插入損耗差異并不能反映器件制作質(zhì)量的優(yōu)劣。3. 分光比分光比 分光比是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對(duì)輸出總功率的百分比，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：outout100%iiiPCRP（5.5）4. 方向性方向性 方向性是光纖耦合器特有的技術(shù)指標(biāo), 是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以X形耦合器為例，方向性定義為耦合器正常工作時(shí)，輸入一側(cè)非注入光一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值的對(duì)數(shù)。 2 ()110 lgINoutINPD LP （5.6）

22、 如圖5.14所示，方向性就定義為由2端輸出的光功率 與全部注入的光功率(由1 端注入的光功率) 之比。 2()INoutP1INP圖5.14 X型耦合器示意圖5. 均勻性均勻性 對(duì)于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），由于工藝局限，往往不可能做到絕對(duì)的均勻，均勻性就是用來衡量其不均勻程度的。均勻性被定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：()10lg()()outoutMIN PFLdBMAX P （5.7）6. 偏振相關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗是衡量器件性能對(duì)于傳輸光信號(hào)偏振態(tài)的敏感程度。他指的是當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生 變化時(shí)，器件各

23、輸出端口輸出光功率的最大變化量。在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化經(jīng)常發(fā)生，因此，器件具有足夠小的偏振損耗才能不影響使用效果。3607. 隔離度隔離度 隔離度是指某一光路對(duì)其他光路中的信號(hào)的隔離能力。隔離度高說明各線路之間的“傳音”小。在實(shí)際工程中，隔離度可直接放映WDM器件對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的分離能力。對(duì)于分波耦合器來說，隔離度往往需達(dá)到40dB以上，而合波耦合器的隔離度只需20dB左右即可。隔離度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：10lg()tinPIdBP （5.8）tPinP某一光路輸出端測(cè)得的其他光路信號(hào)的功率值；是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。5.3光調(diào)制器光調(diào)制器 在通信系統(tǒng)中要產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制光信號(hào)最直接的

24、方法是直接調(diào)制電流來驅(qū)動(dòng)激光二極管，但是，這種直接調(diào)制會(huì)引起光波長(zhǎng)的開通延遲、弛豫振蕩、頻率啁啾等有害影響。如果把激光的產(chǎn)生和調(diào)制過程分開，就完全可以避免這些有害影響因此，常用的一種替代方法是使激光器以一個(gè)連續(xù)工作方式工作且要在激光器之后安放一個(gè)調(diào)制器。這個(gè)調(diào)制器能夠接通或斷開激光器激光而不會(huì)影響到激光器本身。 調(diào)制器可直接對(duì)接耦合到激光器上，也可安放在激光器芯片外殼內(nèi)和用微透鏡進(jìn)行光學(xué)耦合，或者在激光器和調(diào)制器之間用一根光纖尾纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離連接，這種調(diào)制方法也稱作外調(diào)制。也就是說，外調(diào)制方式是讓激光器連續(xù)工作，將外調(diào)制器放在激光器輸出端之后，用承載信息的信號(hào)通過調(diào)制器對(duì)激光器的連續(xù)輸出進(jìn)行調(diào)制

25、。只要調(diào)制器的反射足夠小，激光器的線寬就不會(huì)增加。為此，通常要插入光隔離器。 直接調(diào)制和外調(diào)制方式如圖5.15所示。（a）直接調(diào)制 （b）外調(diào)制圖5.15 光的兩種調(diào)制方式5.3.1 電光效應(yīng)電光效應(yīng) 材料的折射率隨外加電場(chǎng)變化稱為電光效應(yīng)。常用的電光晶體有電光系數(shù)較大而且在空氣中穩(wěn)定的鈮酸鋰（LiNbO3）。鈮酸鋰調(diào)制已經(jīng)變成高速調(diào)制連續(xù)波二極管激光器所用的主要技術(shù)之一，它是利用鈮酸鋰為材料來制作調(diào)制器的，特別適用于要求非常嚴(yán)格的線性調(diào)制或必須要避免啁啾的各種應(yīng)用場(chǎng)合（例如有線電視）。這些調(diào)制器是借助電光效應(yīng)（即用施加的電場(chǎng)來改變折射率）而工作的。 電光效應(yīng)是在一個(gè)施加電場(chǎng)存在的情況下，在一

26、個(gè)非中心對(duì)稱晶體中所發(fā)生的折射率變化。線性電光效應(yīng)可用一個(gè)第三秩張量來表示。然而，使用對(duì)稱規(guī)則足以定義一個(gè)簡(jiǎn)化的張量 ，這里的 ， ，可以表示為1,2,3。那么，線性電光效應(yīng)通?？梢员硎緸榕c折射率平方成反比的線性變化：ijr16i , ,jx y z21(),iijjjr Ejx y zn（5.9） 式中， 是第j個(gè)方向所施加的電場(chǎng)分量。所加電場(chǎng)將公式（5.9）表示的各向異性晶體的折射率橢球變化成一個(gè)以公式（5.10）為基礎(chǔ)的新形式：jE2221234562221a xa ya za yza xza xy（5.10）可有下式求出對(duì)角線成分：112211()xann222211()yann332

27、211()yann而交叉項(xiàng)則由下式求得4421()an 5521()an 6621()an 交叉項(xiàng)的出現(xiàn)說明橢球旋轉(zhuǎn)和主介質(zhì)軸的長(zhǎng)度已發(fā)生改變。 重新整理公式（5.10）的橢球?qū)?huì)給出新的軸和新的數(shù)值。在鈮酸鋰（選擇作為電光調(diào)制器的材料）中可以簡(jiǎn)化上述的各公式，其中，非零分量的大小為：123331 10/rm V1213238.610/rrm V12514228 10/rrm V122212613.4 10/rrrm V 為了獲得最大的電光效應(yīng)，一般要選定晶體的方向。這意味著如果是沿著Z軸施加的電場(chǎng)，那么沿著Z軸的偏振光可以看成是最大電場(chǎng)引起的折射率變化。 由于 ，那么所完成的差別是：2233

28、3(1/)(1/)zznnr E 33 32zzznnrE （5.11） 我們已用包括了一個(gè)填充因子（也稱作光電場(chǎng)重疊參數(shù)）來概括當(dāng)施加電場(chǎng)重疊波導(dǎo)時(shí)，施加場(chǎng)可能是不均勻的事實(shí)，從而產(chǎn)生一個(gè)有效電場(chǎng)，它比最大電場(chǎng)略小。 對(duì)于沿著Z軸施加電場(chǎng)的一般情況，只有折射率橢球中的各項(xiàng)成為 ， 且 。這就意味著折射率橢球已不旋轉(zhuǎn)，橢球軸在長(zhǎng)度上幾乎不發(fā)生變化。沿著這些軸的任何軸的偏振光將看到一個(gè)純的相位調(diào)制。 22113223(1/)(1/)zznr Enr E 2333(1/)znr E 因?yàn)?最大，沿著Z軸的偏振光和沿著Z軸提供的施加電場(chǎng)將提供最大的相位調(diào)制。沿X軸或Y軸的偏振光將具有相同（雖然比較小

29、）的折射率變化。如果所需要的是偏振無關(guān)調(diào)制，利用偏振光應(yīng)該是一個(gè)比較好的方向。盡管這將要求光沿著Z軸（Z軸是所施加的場(chǎng)的方向）進(jìn)入（即施加電場(chǎng)的方向），但是并不實(shí)用。33r 考慮沿著Y軸施加電場(chǎng)，在這種情況下，非零項(xiàng)是：11221()yr En2221221()yyr Er En44221()yr En（5.12） 從公式（5.12）可以看出，現(xiàn)在有一個(gè)YZ項(xiàng)（來自），只需圍繞Z軸稍微旋轉(zhuǎn)，從擾動(dòng)折射率橢球的重新轉(zhuǎn)動(dòng)找出新的主軸。因此，主要的折射率變化基本上是沿著X和Y軸的變化，它們具有如公式（5.12）所示的相同值 和 。如果光沿著沒有施加電場(chǎng)的Z軸進(jìn)入，從兩個(gè)偏振軸（X和Y）看到的是一個(gè)普

30、通的折射率。在一個(gè)施加電場(chǎng)作用下，兩個(gè)偏振態(tài)經(jīng)歷了相同的相位變化（但符號(hào)相反）。21(1 /)n22(1/)n 圖5.16 （a）相位調(diào)制的幾何形狀，在鈮酸鋰中用電極跨越通道波導(dǎo)；（b） 圖（a）的端面圖，它表示了通道中的電場(chǎng)是怎樣與表面平行分布的；（c）一個(gè)將一個(gè)電極放在通道上的相位調(diào)制的幾何形狀的端面圖，它表明了在通道中的電場(chǎng)是怎樣與表面垂直分布的。（a）（b）（c） 圖5.16給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的相位調(diào)制示意圖。由于鈮酸鋰是一種絕緣體，向這種材料施加電場(chǎng)的方向與所用的什么樣的電極有關(guān)?？缭秸{(diào)制器的電極提供了一個(gè)電場(chǎng)電力線與波導(dǎo)相交的平面電場(chǎng)，如圖5.16（b）所示。這要求調(diào)制器沿Y軸切鈮酸鋰

31、（Y軸與晶片平面垂直），所具有的電場(chǎng)電力線是沿著Z軸方向的。沿著X軸方向切鈮酸鋰的情況是類似的。 圖5.16（c）示出了一個(gè)沿Z軸切的鈮酸鋰，在這種情況下，電極被安放在波導(dǎo)上，讓電場(chǎng)向下擴(kuò)展通過波導(dǎo)（沿著Z軸方向）。電場(chǎng)電力線將從更遠(yuǎn)距離的第二個(gè)電極上來。在上述的任一情況下，電場(chǎng)會(huì)是條紋和不均勻的，這就是為什么要引入填充因子 的原因。5.3.2 MZ干涉型光調(diào)制器干涉型光調(diào)制器 最常用的幅度調(diào)制器是在鈮酸鋰晶體表面用鈦擴(kuò)散波導(dǎo)構(gòu)成的馬赫-曾德爾（MZ）干涉型調(diào)制器，如圖5.17所示。使用兩個(gè)頻率相同但相位不同的偏振光進(jìn)行干涉的干涉儀，通過外加電壓引入相位的變化來改變幅度的變化。（b）（a）（a

32、）調(diào)制電壓施加在兩臂上； （b）調(diào)制電壓施加在單臂上圖5.17 馬赫-曾德爾幅度調(diào)制器 圖5.17（a）所示的由兩個(gè)Y形波導(dǎo)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中，在理想的情況下，輸入光功率在C點(diǎn)平均分配到兩個(gè)分支傳輸，在輸出端D干涉，所以該結(jié)構(gòu)扮演著干涉儀的作用，其輸出幅度與兩個(gè)分支光通道的相位差有關(guān)。 兩個(gè)理想的背對(duì)背相位調(diào)制器，在外電場(chǎng)作用下，能夠改變兩個(gè)分支中待調(diào)制傳輸光的相位。由于加在兩個(gè)分支中的電場(chǎng)方向相反，如圖5.17（a）右上方的截面圖所示，所以在兩個(gè)分支中的折射率和相位變化也相反，例如若在A分支中引入 的相位變化，那么在B分支則引入 相位的變化，因此A、B分支將引入相位的變化。/2/2 加入輸入光功率

33、在C點(diǎn)平均分配到兩個(gè)分支傳輸，其幅度為A，在輸出端D的光場(chǎng)為： 當(dāng) =0時(shí)輸出功率最大，當(dāng) 時(shí)，兩個(gè)分支中的廣場(chǎng)相互抵消干涉，使輸出功率最小，在理想的情況下為零。 cos()cos()2 cos cos()outputEAtAtAt（5.13）/2于是 由于外加電場(chǎng)控制著另個(gè)分支中干涉波的相位差，所以外加電場(chǎng)也控制著輸出光的強(qiáng)度，雖然它們并不成線性關(guān)系。2( )cos(0)outoutPP（5.14） 在5.17（b）所示的強(qiáng)度調(diào)制器中，當(dāng)外調(diào)制電壓為零時(shí)，MZ干涉儀A、B兩臂的電場(chǎng)表現(xiàn)出完全相同的相位變化；當(dāng)加上外電壓后，電壓引起A波導(dǎo)折射率變化從而破壞了該干涉儀的相長(zhǎng)特性，因此在A臂上引起

34、了附加相移，結(jié)果使輸出光的強(qiáng)度減小。 作為一個(gè)特例，當(dāng)兩臂間的相位差等于 時(shí)，在D點(diǎn)出現(xiàn)了相消干涉，輸出光強(qiáng)為零；當(dāng)兩臂的光程差為0或 時(shí)，干涉儀相長(zhǎng)干涉，輸出光強(qiáng)最大。當(dāng)調(diào)制電壓引起A、B兩臂的相位差在0 之間變化時(shí)，輸出光強(qiáng)隨調(diào)制電壓而變化。由此，加到調(diào)制器上的電比特流在調(diào)制器的輸出端產(chǎn)生了波形相同的光比特流。25.4 光開關(guān)光開關(guān) 光開關(guān)是全光交換中的關(guān)鍵器件，它具有一個(gè)或多個(gè)可 選擇的傳輸端口，控制光路的通斷（或者說信號(hào)的通斷），可對(duì)光傳輸線路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或?qū)嵭羞壿嬤\(yùn)算。光開關(guān)在全光網(wǎng)中起著重要的作用。 在WDM傳輸系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于波長(zhǎng)適配、再生和式中提?。辉诠釺DM系統(tǒng)

35、中，光開關(guān)可用于解復(fù)用；在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是光交叉連接設(shè)備（OXC）的關(guān)鍵器件，也是波長(zhǎng)變換的重要器件。5.4.1 光開關(guān)的分類光開關(guān)的分類 光開關(guān)如按其工作時(shí)的介質(zhì)劃分，可分為 自由空間光開關(guān) 波長(zhǎng)光開關(guān) 光開關(guān)如按其工作原理劃分可分為 機(jī)械式 非機(jī)械式 機(jī)械式光開關(guān)是通過光纖和光學(xué)元件的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，使光路斷開或關(guān)閉，開關(guān)時(shí)間在毫秒量級(jí)（較長(zhǎng)），還會(huì)有回跳抖動(dòng)和重復(fù)性差等問題。 非機(jī)械式光開關(guān)一般是通過電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、液晶、磁光效應(yīng)以及聲光效應(yīng)等改變波導(dǎo)折射率使光路發(fā)生改變完成開關(guān)功能，具有開關(guān)時(shí)間短，體積小，便于集成的優(yōu)點(diǎn)，但插入損耗大，隔離度低。1. 機(jī)械式光開關(guān)機(jī)械式光開關(guān)

36、新型機(jī)械式光開關(guān)有微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)和金屬薄膜光開關(guān)。 微光機(jī)電光開關(guān)MEMS (Micro Opto-Electro Mechanical Systems)在半導(dǎo)體襯底材料上制造出可以作微小移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的微反射鏡(140m150m)陣列。微反射鏡在驅(qū)動(dòng)力的作用下，將輸入光信號(hào)切換到不同的輸出光纖中。驅(qū)動(dòng)力可利用熱力效應(yīng)、磁力效應(yīng)或靜電效應(yīng)產(chǎn)生。 圖5.18示出了MEMS光開關(guān)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)微反射鏡為取向1時(shí)，輸入光經(jīng)輸出波導(dǎo)1輸出；當(dāng)微反射鏡為取向2時(shí)，輸入光經(jīng)輸出波導(dǎo)2輸出。微反射鏡的旋轉(zhuǎn)由控制電壓（100200V）完成。圖5.18 MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu) MEMS光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，消光比大(60

37、dB），隔離度好（45dB）對(duì)偏振不敏感，成本低，開關(guān)速度適中(0.1ms1ms)，插入損耗小于2dB。 金屬薄膜光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖5.19所示。波導(dǎo)芯層下面是底包層，上面則是金屬薄膜，金屬薄膜與波導(dǎo)之間為空氣。通過施加在金屬薄膜與襯底之間的電壓使金屬薄膜獲得靜電力，在它的作用下，金屬薄膜向下移動(dòng)與波導(dǎo)接觸在一起，使波導(dǎo)的折射率發(fā)生改變，從而改變了通過波導(dǎo)光信號(hào)的相移。（a）未加電壓時(shí) （b）加電壓時(shí)圖5.19 金屬薄膜光開關(guān)結(jié)構(gòu) 圖5.20為金屬薄膜MZ型光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。如果不加電壓，金屬薄膜蹺起，MZ干涉儀兩個(gè)臂的相移相同，此時(shí)光信號(hào)從端口2輸出；如果加電壓，金屬薄膜與波導(dǎo)接觸，引起該臂

38、的相移，光信號(hào)從端口1輸出。圖5.20 金屬薄膜MZ型光開關(guān)2. 非機(jī)械式光開關(guān)非機(jī)械式光開關(guān) 非機(jī)械式光開關(guān)的類型： 液晶光開關(guān) 電光效應(yīng)光開關(guān) 熱光效應(yīng)光開關(guān) 聲光開關(guān)等 液晶光開關(guān)內(nèi)包含液晶片、偏振光束分離器(PBS)或光束調(diào)相器。當(dāng)無外加電壓時(shí)，液晶使偏振光的偏振角發(fā)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角恰好等于90度，可從檢偏器通過，即ON狀態(tài)。當(dāng)施加電壓時(shí)，液晶分子將平行于外加電場(chǎng)，雙折射效應(yīng)消失，入射光從液晶出射時(shí)依然保持垂直偏振狀態(tài)，被檢偏器阻擋，即OFF狀態(tài)。 電光效應(yīng)光開關(guān)是基于電光效應(yīng)的光開關(guān)。如果對(duì)晶體施加適當(dāng)?shù)耐怆妶?chǎng)，則晶體的雙折射性質(zhì)將發(fā)生改變，從而使通過晶體的光波產(chǎn)生相位延遲或偏振態(tài)的

39、改變。圖5.21 電光效應(yīng)示意圖 熱光開關(guān)是基于聲光效應(yīng)的光開關(guān)。熱光效應(yīng)是指通過電流加熱的方法使介質(zhì)的溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致介質(zhì)折射率的變化從而使光波相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。 聲光開關(guān)是基于聲光效應(yīng)的光開關(guān)。聲光效應(yīng)是指聲波通過聲光材料時(shí)，使其產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)或表面形變分布應(yīng)變，通過光彈性效應(yīng)，引起材料折射率周期性變化，形成布拉格光柵，衍射一定波長(zhǎng)輸入光的現(xiàn)象。聲光開關(guān)沒有機(jī)械移動(dòng)部分，消除了擁塞、破損等很多問題，但是損耗隨波長(zhǎng)變化較大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路也比較昂貴。5.4.2 光開關(guān)的特性參數(shù)光開關(guān)的特性參數(shù)1. 插入損耗（插入損耗（Insertion Loss) 插入損耗是指某一輸出端口與輸入端口光

40、插入損耗是指某一輸出端口與輸入端口光功率的比值，以分貝來表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：功率的比值，以分貝來表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：010 lgiiPILP （5.15）插入損耗與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。2. 開關(guān)時(shí)間開關(guān)時(shí)間(Switching Time) 開關(guān)時(shí)間又稱為切換時(shí)間，是指從控制信號(hào)啟動(dòng)到光信號(hào)切換（開啟為最大功率的90%或關(guān)閉為最大光功率的10%）所需的最短時(shí)間。開關(guān)時(shí)間從在開關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻開始算起。對(duì)于機(jī)械式光開關(guān)，切換時(shí)間一般在610ms左右，而上升時(shí)間和下降時(shí)間通常在2ms左右。3. 消光比消光比(Extinction Ratio) 消光比是指輸入輸出兩個(gè)端口處于導(dǎo)通（開啟）和非導(dǎo)

41、通（關(guān)閉）狀態(tài)的插入損耗之差，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：0,n mnmnmERILIL（5.16）4. 隔離度（隔離度（Isolation） 隔離度是指兩個(gè)相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,10lginn mimPIP （5.17）5. 串?dāng)_（串?dāng)_（crosstalk) 串?dāng)_是指串入相鄰端口的輸出光功率與光開關(guān)接通端口的輸出光功率的比值，以分貝表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：212110lgPCP （5.18）5.5 光纖光柵光纖光柵 光柵是WDM系統(tǒng)中用作復(fù)合和分離獨(dú)立波長(zhǎng)的重要器件。本質(zhì)上來說，光柵是材料中的一種周期性結(jié)構(gòu)或周期性擾動(dòng)。在材料中的這種變化具有一種特 性，即可以在與波長(zhǎng)有

42、關(guān)的某一特定方向上反射或傳輸光，因此光柵可以分為傳輸光柵和反射光柵。1. 光柵基礎(chǔ)知識(shí)光柵基礎(chǔ)知識(shí) 圖5.22定義了反射光纖中的各種參數(shù)。其中 是光的入射角， 是光的衍射角， 是光柵周期（材料中結(jié)構(gòu)變化的周期）。在包含一系列等間隔縫隙的傳輸光柵中，兩個(gè)相鄰縫隙的間隔稱為光柵的間距。 圖5.22 反射光柵的基本參數(shù)id 當(dāng)以角度 衍射的射線滿足式（5.19）的光柵方程時(shí)，在像平面內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生在波長(zhǎng) 上的相加干涉。 式中，m是光柵的階數(shù)，一般只考m=1的一階衍射條件。對(duì)于不同的波長(zhǎng)，可以在像平面內(nèi)的不同點(diǎn)滿足光柵方程，所以光柵可以將不同的波長(zhǎng)分離。d(sinsin)idm（5.19）2. 光纖光柵的

43、光敏性光纖光柵的光敏性 光纖光柵由一段折射率沿其長(zhǎng)度方向周期（或非周期）變化的光纖構(gòu)成，在光纖通信系統(tǒng)中是一種十分重要的基礎(chǔ)無源器件。由于光纖光柵是利用光纖材料對(duì)UV的光敏性制成的纖芯折射率呈現(xiàn)周期或非周期性變化，即只要用很強(qiáng)UV光干涉圖案曝光光纖，且圖案的周期性與要形成的光柵周期性相同，就可在光纖上形成折射率周期的變化。 這是由于光纖受到很強(qiáng)的UV曝光時(shí)，在纖芯形成結(jié)構(gòu)缺陷，從而把UV圖案同樣周期性的折射率變化永久地固定下來。圖5.23示出使用UV圖案對(duì)光纖曝光制作光纖光柵的示意圖。圖5.23 使用UV圖案對(duì)光纖曝光制作光纖光柵 正是由于光纖材料具有光敏性才能夠制作出光纖光柵。所謂光敏性是指

44、激光通過摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率雖光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系并可永久地保存下來。研究表明，光纖光敏性的峰值位于240nm的紫外（UV）區(qū)。 由于普通光纖中的UV光敏性有限，難以寫出高反射率的光柵，除非采用載氫等增敏技術(shù)，但這不僅消耗時(shí)間，還會(huì)帶來光纖熔接時(shí)的危險(xiǎn)性，同時(shí)不能在拉絲時(shí)寫入光柵，而且離線寫入方式降低了光纖強(qiáng)度。鑒于光纖光柵的重要性和未來的大批量應(yīng)用，因此需要研究專門用于寫入光柵的高光敏性光纖，例如硼摻雜的鍺石英光纖。5.5.1 光纖光柵的分類光纖光柵的分類 根據(jù)折射率沿光柵軸向分布的形式，可將紫外寫入的光纖光柵分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。 均勻光

45、纖光柵是指纖芯折射率變化幅度和折射率變化的周期(也稱光纖光柵的周期)均沿光纖軸向保持不變的光纖光柵，如均勻光纖Brag光柵(折射率變化的周期一般為0.1um量級(jí))和均勻長(zhǎng)周期光纖光柵(折射率變化的周期一般為100um量級(jí)) 非均勻光纖光柵是指纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向變化的光纖光柵，如chirped光纖光柵(其周期一般與光纖Bragg光柵周期處同一量級(jí))、切趾光纖光柵、相移光纖光柵和取樣光纖光柵等。l均勻光纖光柵均勻光纖光柵 均勻光纖Bragg光柵折射率變化的周期一般為0.1um量級(jí)。它可將入射光中某一確定波長(zhǎng)的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于

46、制作溫度傳感器、應(yīng)變傳感器等傳感器;在光通信領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作帶通濾波器、分插復(fù)用器和波分復(fù)用器的解復(fù)用器等器件。l均勻長(zhǎng)周期光纖光柵均勻長(zhǎng)周期光纖光柵 均勻長(zhǎng)周期光纖光柵折射率變化的周期一般為100um量級(jí)，它能將一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)入射光前向傳播芯內(nèi)導(dǎo)模耦合到包層模并損耗掉。在傳感器領(lǐng)域，長(zhǎng)周期光纖光柵可用于制作微彎傳感器、折射率傳感器等傳感器;在光通信領(lǐng)域，長(zhǎng)周期光纖光柵可用于制作摻餌光纖放大器增益平坦器、模式轉(zhuǎn)換器、帶阻濾波器等器件。l切趾光纖光柵切趾光纖光柵 對(duì)于一定長(zhǎng)度的均勻光纖Bragg光柵，其反射譜中主峰的兩側(cè)伴隨有一系列的側(cè)峰，一般稱這些側(cè)峰為光柵的邊模。如將光

47、柵應(yīng)用于一些對(duì)邊模的抑制比要求較高的器件如密集波分復(fù)用器，這些側(cè)峰的存在是一個(gè)不良的因素，它嚴(yán)重影響器件的信道隔離度。為減小光柵邊模，人們提出了一種行之有效的辦法一切趾所謂切趾，就是用一些特定的函數(shù)對(duì)光纖光柵的折射率調(diào)制幅度進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)切趾后的光纖光柵稱為切趾光纖光柵，它反射譜中的邊模明顯降低。l相移光纖光柵相移光纖光柵 相移光纖光柵是由多段m（M2)具有不同長(zhǎng)度的均勻光纖Bragg光柵以及連接這些光柵的M-1個(gè)連接區(qū)域組成.相移光纖光柵因?yàn)樵谄浞瓷渥V中存在一透射窗口可直接用作帶通濾波器。l取樣光纖光柵取樣光纖光柵 取樣光纖光柵也稱超結(jié)構(gòu)光纖光柵，它是由多段具有相同參數(shù)的光纖光柵以相同的間距級(jí)

48、聯(lián)成。除了用作梳狀濾波器之外，取樣光纖光柵還可用WDM系統(tǒng)中的分插復(fù)用器件。與其他分插復(fù)用器件不同的是，取樣光纖光柵構(gòu)成的分插器件可同時(shí)分或插多路信道間隔相同的信號(hào)。lchirped光纖光柵光纖光柵 所謂chirped光纖光柵，是指光纖的纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向逐漸變大(小)形成的一種光纖光柵。在chirped光纖光柵軸向不同位置可反射不同波長(zhǎng)的入射光。所以chirped光纖光柵的特點(diǎn)是反射譜寬，在反射帶寬內(nèi)具有漸變的群時(shí)延，群時(shí)延曲線的斜率即光纖光柵的色散值。所以，可以利用chirped光纖光柵作為色散補(bǔ)償器。5.5.2 布拉格光纖光柵布拉格光纖光柵1.布拉格光纖光柵的

49、光學(xué)特性布拉格光纖光柵的光學(xué)特性 通常把光柵周期小于通常把光柵周期小于1的均勻周期光纖光的均勻周期光纖光柵稱為光纖布拉格光柵，簡(jiǎn)寫為柵稱為光纖布拉格光柵，簡(jiǎn)寫為FBG（Fiber Bragg Grating）。）。FBG的主要特性是它能反的主要特性是它能反射集中于布拉格波長(zhǎng)附近的窄帶光。射集中于布拉格波長(zhǎng)附近的窄帶光。布拉格波長(zhǎng)可由公式（布拉格波長(zhǎng)可由公式（5.20）求得：）求得： 式中，是周期性變化的空間周期（節(jié)式中，是周期性變化的空間周期（節(jié) 距）；距）； 是以單模（通常是單模光纖的基模）傳播時(shí)，是以單模（通常是單模光纖的基模）傳播時(shí)，光纖的有效折射率。光纖的有效折射率。2BeffN（5.

50、20）effN 由于纖芯受到紫外光（一般是雙光束干涉）的照射致使纖芯內(nèi)部折射率形成周期性調(diào)制分布，所謂調(diào)制就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。 對(duì)均勻的布拉格光柵，折射率分布可表示為： 式中， 為原光纖纖芯的折射率值； 為纖芯折射率的平均增加值； 為纖芯折射率的最大變化量； 為折射率的調(diào)制幅度； 為均勻光柵的周期。0max( )cos(2/)n znnnz （5.21）0nnmaxn 這種縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個(gè)光纖模式的功率部分或全部地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖模式中去來改變?nèi)肷涔獾念l譜。在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模即可被耦合成前向傳輸模

51、式，也可被偶合成后向傳輸模式，這取決于光柵以及不同傳播常數(shù)決定的相位條件，即：122（5.22） 如果希望將一個(gè)前向傳輸模式耦合成一個(gè)后向傳輸基模，應(yīng)滿足的相位條件是：120101012()2 （5.23） 如果希望將前向傳輸模式耦合成一個(gè)后向包層模，此時(shí)和同號(hào)，則較大，這樣所得到的光纖是長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG），一般為數(shù)百。LPG的基本特性表現(xiàn)為一個(gè)帶阻濾波器，阻帶寬度一般為十幾至幾時(shí)納米。2. 布拉格光纖光柵的應(yīng)用布拉格光纖光柵的應(yīng)用（1）FBG在激光器中的應(yīng)用在激光器中的應(yīng)用DFB光纖光柵激光纖光柵激光器光器 光纖光柵激光器是FBG在激光器中的最直接應(yīng)用，圖5.24示出分布反饋（DFB）

52、光纖光柵激光器的原理圖。DFB光纖光柵激光器利用直接在稀土摻雜的光纖（鉺摻雜光纖EDF）上寫入光柵，構(gòu)成諧振腔，且有源區(qū)與反饋區(qū)同為一體的光纖激光器。圖5.24 DFB光纖光柵激光器示意圖（2）FBG在光纖放大器中的應(yīng)用在光纖放大器中的應(yīng)用 EDFA泵浦光源980nm和1480nm大功率半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定。注入電流、工作溫度、以及器件的老化都會(huì)造成泵浦激光器的輸出模式老化（即輸出波長(zhǎng)變化），若用光纖光柵作為分布反饋的反射鏡，便可對(duì)泵浦激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波長(zhǎng)輸出。用于EDFA的增益平坦化。普通EDFA存在增益譜的不平坦性，即對(duì)于不同波長(zhǎng)信號(hào)具有不同的增益。這種增益的不平坦性會(huì)導(dǎo)致

53、各信道信號(hào)的嚴(yán)重失真，特別是對(duì)于長(zhǎng)距離的級(jí)聯(lián)EDFA，其影響將更加嚴(yán)重。EDFA的增益均衡是建立在DWDM全光網(wǎng)和進(jìn)行全光傳輸?shù)闹匾疤幔虼吮仨毥鉀QEDFA增益的不平坦性。目前，利用長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG（Long Period Fiber Grating）可以較完美地解決這個(gè)問題。這是因?yàn)長(zhǎng)PFG對(duì)特定波長(zhǎng)具有衰減作用。用于使透過的泵浦光返回?fù)姐s區(qū)，提高EDFA的泵浦效率。抑制EDFA的自發(fā)輻射噪聲。（3）FBG在光濾波器中的應(yīng)用在光濾波器中的應(yīng)用 利用FBG優(yōu)良的選頻特性，可以對(duì)光纖透射譜中的任一波長(zhǎng)進(jìn)行窄帶輸出，因此，利用FBG可以制作出各種性能優(yōu)良的光濾波器，例如各種帶通、帶阻及可調(diào)

54、諧窄帶濾波器，這些濾波器可作為DWDM網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)選擇器件。 。特別是對(duì)于DWDM接收機(jī)的信道選擇，光纖光柵制成的可調(diào)諧光濾波器具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，這種濾波器的中心波長(zhǎng)由光柵周期控制。而濾波器的帶寬可通過改變光柵調(diào)制強(qiáng)度或略微改變光柵周期的啁啾量得到調(diào)諧。（4）FBG在光波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器中的應(yīng)用 由于FBG具有很好的選頻作用，所以可被用作DWDM系統(tǒng)的波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器。圖5.25為基于MZ干涉儀（MZI）的光纖光柵復(fù)用/解復(fù)用器。假設(shè)光柵的諧振波長(zhǎng)為，復(fù)用信號(hào)從端口1輸入，由于光柵的反射作用，波長(zhǎng)的光信號(hào)將從端口2輸出，其余的波長(zhǎng)信號(hào)從端口4輸出。如果干涉儀的平衡很好，端口3不會(huì)有光出現(xiàn)。根據(jù)

55、復(fù)用/解復(fù)用器的內(nèi)在對(duì)稱性，也可從端口3出入復(fù)用光信號(hào)。 UV光調(diào)整3dB耦合器3dB耦合器1234解復(fù)用輸出完全相同的共振波長(zhǎng)為 的Bragg光柵41.71471475.25 具有MZI構(gòu)形的光纖光柵波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器示意圖 光纖光柵復(fù)用/解復(fù)用器最大的優(yōu)點(diǎn)是它與輸入光的偏振態(tài)有關(guān)，對(duì)外界溫度變化也不敏感。缺點(diǎn)是多波長(zhǎng)的解復(fù)用需要使用級(jí)聯(lián)的MZI，因而增大了設(shè)備的尺寸。5.6 光衰減器光衰減器 在通常情況下，我們都希望傳輸線路上的損耗越小越好，但在有些情況下，由于信號(hào)源及傳輸距離的不確定，線路中的信號(hào)強(qiáng)度可能過大，這就需要采取某種措施減小信號(hào)。光衰減器就是這樣一種用于消除線路中過大信號(hào)的器件

56、。5.6.1 光衰減器的分類與工作原理光衰減器的分類與工作原理 根據(jù)衰減量的變化情況，光衰減器可分為固定式衰減器、步進(jìn)可變式衰減器和連續(xù)可變式衰減器；根據(jù)不同的光信號(hào)傳輸方式，光衰減器可分為單模光衰減器和多模光衰減器；根據(jù)不同的光信號(hào)接口方式，光衰減器可分為尾纖式光衰減器和連接器端口式光衰減器。 光衰減器按照工作原理主要可以分為三類：反射型光衰減器、吸收性型光衰減器和耦合型光衰減器。1. 反射型光衰減器反射型光衰減器 反射型光衰減器在玻璃基片上鍍上一層反射膜作為衰減片，由膜層厚度的不同來改變反射量的大小，從而改變衰減量。 如圖5.26所示，兩塊衰減片必須按照一定傾斜角對(duì)稱地排列成八字形，防止光

57、纖垂直地入射到衰減片上，以避免反射光的再入射影響衰減器性能的穩(wěn)定。PoutPin圖5.26 反射型光衰減器2. 耦合型光衰減器耦合型光衰減器 耦合型光衰減器是通過輸入、輸出光束對(duì)準(zhǔn)偏差的控制來改變耦合量的大小，從而達(dá)到改變耦合衰減量的大小。3. 吸收型光衰減器吸收型光衰減器 耦合型光衰減器采用光學(xué)吸收材料制成衰減片，主要是吸收和透射光，其反射量很小，因此允許光纖垂直入射到衰減片上，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和工藝，減小了器件的體積和重量。這種衰減器具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。5.6.2 光衰減器的特性參數(shù)光衰減器的特性參數(shù)l衰減量和插入損耗衰減量和插入損耗l 固定光衰減器的衰減量實(shí)際上就是其插入損耗?？勺児馑p器除了衰

58、減量指標(biāo)外，還有單獨(dú)的插入損耗指標(biāo)要求。普通可變光衰減器的插入損耗小于3dB即可，而高質(zhì)量可變光衰減器的插入損耗要在1dB以下。 光衰減器的插入損耗主要是由光纖準(zhǔn)直器的插入損耗和衰減單元的透過率精度及耦合工藝造成的，其中的工藝重點(diǎn)在光纖準(zhǔn)直器的制作上。如果光纖和自聚焦透鏡及兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器耦合得很好的話，可以大大降低整個(gè)光衰減器的插入損耗。2. 光衰減器的衰減精度光衰減器的衰減精度 通常，機(jī)械式光衰減器的衰減精度為其衰減量的0.1倍。衰減片式衰減器的衰減量取決于金屬蒸發(fā)鍍膜層的透過率和均勻性。3. 回波損耗回波損耗 光衰減器的回波損耗是指入射到光衰減器中的光能量和衰減器中入射光路反射出的光能量之

59、比。高性能光衰減器的回波損耗一般在40dB。 回波損耗是由各元件和空氣折射率時(shí)失配造成的反射引起的。要提高回波損耗，在設(shè)計(jì)時(shí)需要將各元件的表面鍍制抗反射膜，采用斜面透鏡，并將各光學(xué)元件斜置或進(jìn)行折射率匹配。平面元件通常引起的回波損耗在14dB左右，通過足夠的抗反射膜和恰當(dāng)?shù)男泵鎾伖饧把b配工藝，整個(gè)器件的回波損耗能夠達(dá)到50dB。4. 頻譜特性頻譜特性 光衰減器在計(jì)量、定標(biāo)等場(chǎng)合需要在一定的帶寬范圍內(nèi)有較高的衰減精度，衰減譜線應(yīng)具有較好的平坦性，因此光衰減器還有頻譜特性的要求。但是此項(xiàng)指標(biāo)僅在需要時(shí)測(cè)量，而不作為衰減器的常規(guī)測(cè)試指標(biāo)。固定光衰減器的頻譜損耗在-3030nm范圍內(nèi)通常不大于0.5d

60、B。 5.7 光隔離器光隔離器 光隔離器是一種光單向傳輸?shù)姆腔ヒ灼骷鼘?duì)正向傳輸光具有較低的插入損耗，而對(duì)方向傳輸光具有很大的衰減作用。也就是說，光隔離器是一種只允許光沿一個(gè)方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件。 光隔離器常被置于光源后，用以抑制光傳輸系統(tǒng)中反射信號(hào)對(duì)光源的不良影響。它的主要作用是防止光路中的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。 光隔離器在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中具有重要的作用。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1 dB，隔離度的典型