第4章 無(wú)源光器件

1、第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.1 光纖連接器光纖連接器 4.2 光纖耦合器光纖耦合器 4.3 光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān) 4.4 光纖光柵光纖光柵 4.5 光濾波器光濾波器 4.6 WDM合波合波/分波器分波器 4.7 光隔離器與光環(huán)形器光隔離器與光環(huán)形器 4.8 光鎖相環(huán)與非線性光環(huán)鏡光鎖相環(huán)與非線性光環(huán)鏡NOLM 習(xí)題四習(xí)題四 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4

2、 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.1 光光 纖纖 連連 接接 器器 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， 光纖與光纖以及光纖與光檢測(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還是可拆卸的連接。 一個(gè)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。 接頭一般常見(jiàn)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)。 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

3、、 波導(dǎo)特性、 光纖端面的質(zhì)量以及它們之間的相對(duì)位置等.第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.1.1 光纖連接損耗 連接損耗可分為外部損耗和內(nèi)部損耗。 外部損耗又稱為機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差或連接錯(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)部損耗又稱為與光纖相關(guān)的損耗， 這主要是由于光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性差異導(dǎo)致的損耗。 連接錯(cuò)位一般有以下幾種情況： 軸向位移、 連接間隔、 傾斜位移、 截面不平整。 這些損耗如圖4.1所示。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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

4、軸向位移(a)輸入損耗間隔(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)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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)分貝之間， 若錯(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(kāi)， 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。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 傾斜錯(cuò)位有時(shí)稱為角錯(cuò)位。 若角錯(cuò)位小于2， 則耦合損耗不會(huì)超過(guò)0.5 dB。 截面不平整。 光纖連接的兩個(gè)截面必

5、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。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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徑、 纖芯區(qū)域的橢圓度、 光纖的數(shù)值孔徑、 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、 數(shù)值孔徑和模場(chǎng)直徑失配所引起的損耗的示意圖。 第第4 4章章 無(wú)源光器

6、件無(wú)源光器件 圖4.2 內(nèi)部連接損耗(a) D21; (b) NA1NA2; (c) MFD1MFD2D2(a)2(b)(c)D11第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.1.2 光纖連接方法 光纖連接是指兩根光纖之間的永久或半永久連接， 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(kāi)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。 光纖連接方法包括光纖熔接法、 V型槽機(jī)械連接和彈性管連接。 第一種方法可產(chǎn)生永久性的連接，

7、而后兩種連接方法在需要時(shí)可以將已連接的光纖拆開(kāi)。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 圖4.3 光纖的熔接 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， 使光纖頭尾端被熔化， 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)。 但是， 在采用這種連接方法時(shí)必須注意到， 由于用手接觸時(shí)產(chǎn)生的光纖表面損傷、 加熱時(shí)引起的表面損傷加深、 光纖連接處附近的殘余應(yīng)力等都會(huì)

8、在光纖介質(zhì)熔化時(shí)導(dǎo)致化學(xué)成分的變化， 從而產(chǎn)生不牢固的連接。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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 在V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接在一起或先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)。第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 圖4.5所示為彈性管連接裝置的剖面

9、圖。 這是一種可以自動(dòng)進(jìn)行橫向、 縱向、 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， 于是塑料材料對(duì)光纖施加均勻的力。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)管尺寸小于光纖

10、半徑錐型開(kāi)口彈性材料軸向?qū)?zhǔn)插入光纖第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.1.3 常用的幾種連接器 光纖連接器常采用螺絲卡口、 卡銷固定、 推拉式三種結(jié)構(gòu)。 這三種結(jié)構(gòu)都包括單通道連接器和既可應(yīng)用于光纜對(duì)光纜， 也可用于光纜對(duì)線路卡連接的多通道器。 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。 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(shù)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。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 圖4.6給出了用于單

11、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和錐形(雙錐形)套筒結(jié)構(gòu)。 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)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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

12、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)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(kāi)關(guān)等， 也能很容易地插入到光纖端面間的擴(kuò)展光束中。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 1. 插入損耗 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。 為了減小插入損耗， 可使用三種方法。 第一種方法是使用保護(hù)套來(lái)最小化連接和拆開(kāi)光纜時(shí)產(chǎn)生的彎曲損耗。第二種方法是將加固件

13、(例如芳香族聚酰胺線)與連接器連接在一起，這樣就釋放了光纖自身的張力。第三種方法就是用插針體來(lái)保護(hù)裸光纖。 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)。 最大損耗大約為0.5 dB， 變化范圍在0.31.5 dB之間。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 2. 回波損耗(簡(jiǎn)稱回?fù)p) 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。 回射發(fā)生在纖芯之間空氣的交界面上， 為此安裝人員提

14、出了有效的解決方法： 將兩個(gè)連接器通過(guò)物理接觸(PC)來(lái)減小它們之間的空氣縫隙。 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。 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的質(zhì)量可以更加有效地控制。 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)， 也將平均插入損耗限制在可接受的0.2 dB以內(nèi)。第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 3. 可重復(fù)性（耐用性） 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

15、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次插拔之后增加量應(yīng)小于0.2 dB。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.2 光光 纖纖 耦耦 合合 器器 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路傳送， 有時(shí)需把N路光信號(hào)合路再向M路或N路分配， 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、 波導(dǎo)耦合器和光纖耦合器等。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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， 具有與傳輸光纖容易連接且損耗較低、 耦合過(guò)程無(wú)需離開(kāi)光纖， 不存在任何

16、反射端面引起的回波損耗等優(yōu)點(diǎn)， 因而更適合光纖通信， 有時(shí)也稱為全光纖元件。 下面主要介紹光纖耦合器的原理和性能參數(shù)。 22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。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 1. 22的耦合器 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)將兩根光纖并行放置， 然后熔化和拉伸， 產(chǎn)生一個(gè)耦合區(qū)， 直至得到所期望的耦

17、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輸出端口拉錐區(qū)耦合區(qū)拉錐區(qū)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 理想的耦合器是一個(gè)無(wú)源的且無(wú)插損的器件， 有固定的分光比， 其功率傳輸函數(shù)由耦合波方程求得： )(cos)(sin)(sin)(cos2222CLCLCLCLT(4.1)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 其中， C為耦合系數(shù)， L為耦合區(qū)的長(zhǎng)度。 由于實(shí)際的器件不可能無(wú)損耗， 因而功率傳輸矩陣函數(shù)為22211211aaaaT(4.2)且滿足 a11+a121, a21+a221 其中, a11、 a12和a21、 a22分別為輸入端口1和2到輸出端口1和

18、2的功率傳輸因子。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 1） 附加損耗(excess loss) 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） 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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)際情況和理想狀態(tài)的差別， 因此附加損耗應(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，

19、 分子的 P1是輸出端。)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 2) 插入損耗(IL) 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。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 3) 耦合比 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

20、可以用絕對(duì)值或百分比給出， 在后一種情況下:100(%)jjjPPCR（4.8） 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 2. NN的耦合器 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。一個(gè)NN的耦合器所需22的耦合器的數(shù)目為： 2lglg2log22NNNNM圖4.8 4個(gè)22的耦合器構(gòu)成的44的星型耦合器 12341234第第4 4章章

21、 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 1.光纖的連接損耗有哪些？如何降低連接損耗？光纖的連接損耗有哪些？如何降低連接損耗？解解：連接損耗可分為外部損耗和內(nèi)部損耗。 外部損耗主要有軸向位移、連接間隔、傾斜位移、截面不平整。內(nèi)部損耗主要是由于光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性差異導(dǎo)致的損耗，包括纖芯的直徑、纖芯區(qū)域的橢圓度、光纖的數(shù)值孔徑、折射率剖面等。 采用較好的連接方法，改善連接器的性能。第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 2. 試用試用22耦合器構(gòu)成一個(gè)耦合器構(gòu)成一個(gè)88空分開(kāi)關(guān)陣列，畫出連空分開(kāi)關(guān)陣列，畫出連接圖和輸入輸出端口信號(hào)間流向，計(jì)算所需開(kāi)關(guān)數(shù)。接圖和輸入輸出端口信號(hào)間流向，計(jì)算所需開(kāi)關(guān)數(shù)。112345

22、6781213415162171821需開(kāi)關(guān)數(shù)12個(gè)。第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.3 光光 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 4.3.1 光開(kāi)關(guān)的性能參數(shù) 光開(kāi)關(guān)是光交換的關(guān)鍵器件， 它在光網(wǎng)絡(luò)中有許多應(yīng)用場(chǎng)合。 光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度或稱開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)間的要求是不一樣的， 如光通道的設(shè)置開(kāi)關(guān)時(shí)間為110 ms， 保護(hù)倒換的開(kāi)關(guān)時(shí)間為110 s， 分組交換的開(kāi)關(guān)時(shí)間為1 ns， 外調(diào)制器的開(kāi)關(guān)時(shí)間為10 ps量級(jí)。 除了開(kāi)關(guān)時(shí)間外， 還有下面一些參數(shù)用來(lái)衡量光開(kāi)關(guān)的性能。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 （1） 通斷消光比。 通斷消光比是指光開(kāi)關(guān)處于通（開(kāi)）狀態(tài)

23、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(kāi)關(guān)性能越好， 這對(duì)外調(diào)制器尤為重要。 機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷消光比大約為4050 dB。 （2） 插入損耗（簡(jiǎn)稱插損）。 插損是指由于光開(kāi)關(guān)的使用而導(dǎo)致的光路上的能量損耗， 常以dB表示。 插損越小越好。 當(dāng)開(kāi)關(guān)處于不同的輸入/輸出連接狀態(tài)時(shí)， 插入損耗有可能不一致， 即插入損耗的一致性差， 這對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用是不希望的。 （3） 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)_。 （4） 偏振依賴損耗。 偏振依賴損耗是指由于偏振引起的光功率的損耗。 第第4

24、 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 表4.1給出了主要的幾種光開(kāi)關(guān)的性能。 表4.1 各種光開(kāi)關(guān)的性能比較第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.3.2 主要的幾種光開(kāi)關(guān) 1. 微電機(jī)械光開(kāi)關(guān)MEMS 機(jī)械開(kāi)關(guān)是指開(kāi)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就可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通斷。 這種開(kāi)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, 開(kāi)關(guān)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)械開(kāi)關(guān)備受人們的重視。 MEMS采用了毫微米技術(shù)的工藝, 可以像半導(dǎo)體工藝一樣在一個(gè)基片上制造出很微小的機(jī)械， 如傳動(dòng)齒輪裝置、 步進(jìn)電機(jī)、 高度拋光的金平板（反射鏡）、 螺桿等。 第第4

25、 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 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)控制反射鏡使其運(yùn)動(dòng)， 從而改變光的方向。 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(kāi)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(kāi)關(guān)MMS(a) MEMS開(kāi)關(guān)的原理； (b) 實(shí)例第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 2. 電光開(kāi)關(guān) 22的電光開(kāi)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)材料的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 常用的一種材料是鈮酸鋰（LiNbO3）。 電光開(kāi)

26、關(guān)的開(kāi)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(kāi)關(guān)輸入1 U輸入2輸出1輸出2電極第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 3. 熱光開(kāi)關(guān) 22的熱光開(kāi)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（受溫度的影響）使兩臂上光信號(hào)之間的相差有所改變， 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(kāi)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(kāi)關(guān) 輸入輸出第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4. SOA光開(kāi)關(guān) 利用半導(dǎo)體光放大器（其原理在第5章介紹）， 通過(guò)改變SOA的偏置電壓就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。 當(dāng)偏置減

27、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， 開(kāi)關(guān)速度快， 但偏振敏感。 圖4.12為SOA光開(kāi)關(guān)原理圖， 圖4.13給出了一個(gè)SOA開(kāi)關(guān)陣列。 圖4.12 SOA光開(kāi)關(guān) 輸出控制電壓半導(dǎo)體光放大器輸入第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 圖4.13 SOA光開(kāi)關(guān)陣列輸入輸出輸入輸出控制電壓第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.4 光光 纖纖 光光 柵柵 光纖光柵由一段折射率沿其長(zhǎng)度周期性變化的光纖構(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)增大這一現(xiàn)象， 將光纖沿中

28、心軸線切開(kāi)， 從光纖切面照射呈空間周期性變化的紫外光， 纖芯部位就會(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)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 dsin=n第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 光纖光柵(PG)以其特有的高波長(zhǎng)選擇性能， 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， 其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展到諸如光纖激光器、 WDM合波/分波器、 超高速系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償器、 EDFA增益均衡器等光纖通信及溫度、 應(yīng)變傳感領(lǐng)域中， 而把光柵式

29、全光器件集成于同一根光纖中的應(yīng)用將有更加令人鼓舞的發(fā)展前景。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.4.1 光纖光柵的結(jié)構(gòu) 目前制作光柵的光源主要有193 nm248 nm中紫外光， 334 nm近紫外光及10.6 m CO2激光。 制作方法主要有干涉法(如雙反射鏡、 三反射鏡法)與非干涉法(如相位、 振幅掩膜法)。 干涉曝光法是指先形成紫外光周期模式(周期在1 m以下)， 再?gòu)墓饫w側(cè)面進(jìn)行照射。 干涉曝光法中的干涉條紋是將紫外激光先分成2個(gè)光路， 然后再疊加而成。 通過(guò)改變兩光束的相對(duì)角度能產(chǎn)生任意周期具有不同反射波長(zhǎng)的光柵， 如圖4.14(a)所示。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器

30、件 相位掩膜法中的相位掩膜板(本身是一種衍射光柵， 其石英基片上的凹槽周期與光柵周期成比例)臨近光纖配置， 從另一側(cè)照射紫外激光， 紫外激光被調(diào)制成1次衍射光， 兩光疊加于光纖芯部并形成干涉條紋。 采用這種方法能產(chǎn)生大量同一特性的光柵， 其穩(wěn)定性好， 應(yīng)用較普遍， 如圖4.14（b）所示。 圖4.14中的光柵是雙光束干涉（如圖(a)所示）或掩膜法(如圖(b)所示)寫入， 反射光滿足布拉格條件。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.4.2 布拉格光纖光柵BFG 如果光注入光柵FG后， 與折射率變化周期相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)的光能夠被逆向反射回去， 則稱具有這種功能的光柵為短周期(1 m以下)Br

31、agg反射式光柵(FBG)。 布拉格光纖光柵的節(jié)距或柵距是線性改變的， 稱為啁啾FBG。 在這種光柵中, 由于節(jié)距線性改變， 入射光的各個(gè)波長(zhǎng)在光柵的不同深度被反射回來(lái)， 因而補(bǔ)償了各個(gè)波長(zhǎng)在傳輸時(shí)間上的變化。 啁啾FBG補(bǔ)償了脈沖的色散展寬。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.4.3 長(zhǎng)周期光纖光柵LFG 如果注入光柵FG的光向纖芯外輻射出去， 并耦合至包層， 被光纖涂覆樹(shù)脂吸收而迅速消耗掉， 且不存在反射， 則稱具有這種功能的光柵為長(zhǎng)周期(幾十至幾百微米)光柵(LPG)。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.5 光光 濾濾 波波 器器 光濾波器全稱為光學(xué)濾波器， 與大家熟悉的

32、電濾波的作用是一樣的， 只是這里濾除的是特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。 光濾波器可分為固定的和可調(diào)諧的兩種。 固定濾波器允許一個(gè)固定的、 預(yù)先確定的波長(zhǎng)通過(guò)， 而可調(diào)諧的濾波器可動(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)源器件， 這里將具有類似特性的器件放在一起介紹。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.5.1 F-P腔型濾波器 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)入射光波的波長(zhǎng)為腔長(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形（對(duì)應(yīng)的濾波曲線為梳狀）， 見(jiàn)圖

33、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)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 我們注意到， F-P固定濾波器的中心波長(zhǎng)由公式=2nL/N決定， 其中N為正整數(shù)。 如改變腔長(zhǎng)L或腔內(nèi)的折射率n， 就能調(diào)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， 另一端鍍上抗反射膜， 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。 改變光纖的長(zhǎng)度同樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)的目的。 其結(jié)構(gòu)如圖4.16所示。 圖 4.16 光纖F-

34、P可調(diào)諧濾波器的結(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)第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 F-P標(biāo)準(zhǔn)具型可調(diào)諧濾波器的原理類似于F-P腔型可調(diào)諧濾波器。 所謂標(biāo)準(zhǔn)具是指由一塊兩側(cè)面均鍍上高反射膜的平面所形成的諧振腔， 其輸入/輸出采用光纖。 標(biāo)準(zhǔn)具成一定傾斜角， 其作用有兩個(gè)： 其一是避免菲涅爾反射光進(jìn)入輸入光纖； 其二是可調(diào)節(jié)角度以完成波長(zhǎng)調(diào)諧和選擇的功能。 這種F-P標(biāo)準(zhǔn)具型濾波器存在的一個(gè)問(wèn)題是: 當(dāng)光束穿過(guò)具有一定厚度的傾斜平面時(shí)， 會(huì)發(fā)生空間位置的平移， 因此可能影響輸入和輸出光纖的耦合效率， 增加插入損耗， 所以在工藝上要精心設(shè)計(jì)， 仔細(xì)調(diào)節(jié)， 以達(dá)到最佳配合。 這種

35、器件的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍最高可達(dá)幾十納米。 第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 用來(lái)描述F-P腔傳輸特性的性能參數(shù)有： (1) 自由譜域FSR(Free Spectrum Range)： 相鄰波長(zhǎng)(頻率)之間的距離。 (2) 帶寬BW(Band Wide)： 諧振峰50處的光譜寬度。 (3) 精細(xì)度F(Fineness)： 自由譜域與譜寬的比值。 這些概念的含義示于圖4.17。 圖 4.17 F-P腔型濾波器的譜寬、 線寬和線間距的定義輸出頻譜下限頻率上限頻率頻率或波長(zhǎng)增益曲線增益曲線線間距線寬譜寬第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.5.2 M-Z干涉濾波器 圖4.18給出了馬赫曾德?tīng)枮V波器

36、(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?tīng)柛缮鎯x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。 這可用加熱此臂或放置光電材料， 例如鈮酸鋰(LiNbO3)， 到一個(gè)臂中和加電壓到這個(gè)移相器的方法做到。 用光電相移， 調(diào)諧時(shí)間可達(dá)幾十納秒。 濾波器可用金屬印制方法制造， 這是它的主要優(yōu)點(diǎn)。 它經(jīng)常級(jí)連使用， 除了損耗增大外， 可使它的特性非常好。 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 L第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.5.3 陣列波導(dǎo)光柵(AWG) 陣列波導(dǎo)AWG是MZI（馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x）的

37、推廣。 MZI可看作為一個(gè)器件， 它將一路輸入信號(hào)分成兩路輸出光信號(hào)， 然后讓它們分別經(jīng)歷不同的相移后， 又將它們合為一路信號(hào)輸出。 AWG是以光集成技術(shù)為基礎(chǔ)的平面波導(dǎo)型器件， 它將同一輸入信號(hào)分成若干路信號(hào)， 分別經(jīng)歷不同的相移后又將它們合在一起輸出， 具有一切平面波導(dǎo)技術(shù)的潛在優(yōu)點(diǎn)， 諸如適于批量生產(chǎn)，重復(fù)性好， 尺寸小， 可以在光掩膜過(guò)程中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光路， 與光纖的對(duì)準(zhǔn)容易等等， 因而代表了一種先進(jìn)的WDM技術(shù)。 圖4.19 平面波導(dǎo)選路器 輸入平板波導(dǎo)陣列光柵陣列波導(dǎo)平面星形耦合器輸出平板波導(dǎo)陣列第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.5.4 聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF) AOTF

38、是一個(gè)通用器件， 可以同時(shí)選擇幾個(gè)波長(zhǎng)， 是目前已知的唯一的可調(diào)諧的濾波器， 可以用作WDM合波器、 波長(zhǎng)路由器等。 1. AOTF的結(jié)構(gòu) AOTF是基于聲（波）與光相互作用原理制成的光器件， 圖4.21給出了它的一種結(jié)構(gòu)。 它由一個(gè)波導(dǎo)、 偏振器和聲音換能器構(gòu)成。 波導(dǎo)由雙折射材料制成， 只允許最低次模TE和TM模在其中傳播。 圖4.21 聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)的一種結(jié)構(gòu)偏振器聲波聲能轉(zhuǎn)換器TE 波輸入TM 波輸出第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 偏振器放置在波導(dǎo)的輸出端， 只讓TM模的光波通過(guò)。 聲音換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲波在波導(dǎo)中傳輸， 如果輸入光波的波長(zhǎng)為12N， 由于聲波在波

39、導(dǎo)中傳播引起的介質(zhì)折射率的周期性變化， 其作用相當(dāng)于形成了光柵， 當(dāng)光波的波長(zhǎng)滿足布拉格（Bragg）條件時(shí)， 則TE模的能量會(huì)轉(zhuǎn)移到TM模， 因而能通過(guò)偏振器輸出， 其余的被拒絕。第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 上面討論的AOTF是假設(shè)所有輸入的光能集中在TE模， 因而是與偏振有關(guān)的器件。 實(shí)際上, AOTF可以是與偏振無(wú)關(guān)的器件， 即其輸入的光能量不一定非由TE模來(lái)攜帶。 圖4.22給出了一個(gè)與偏振無(wú)關(guān)的AOTF的原理框圖。 輸入的光能量（由TE模和TM模攜帶）經(jīng)輸入偏振器分解為TE模和TM模， 然后各自通過(guò)波導(dǎo)與聲波相互作用， 最后經(jīng)輸出偏振器合成輸出。 圖4.22 與偏振無(wú)關(guān)的A

40、OTF的原理框圖輸入1輸入2輸 入偏振器TETMTETM波聲能轉(zhuǎn)換器聲波輸 出偏振器TMTMTETM波輸出1輸出2第第4 4章章 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 4.5.5 光纖光柵濾波器 光柵是傳統(tǒng)的分光器件， 有兩種類型的光柵， 即反射型和衍射型光柵， 它的調(diào)諧能力由公式 d sin=-m決定。 最實(shí)際的方法是改變它的角度。 有寬的調(diào)諧范圍是這類可調(diào)諧濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)之一， 它的所有其他特性也是令人滿意的。 在光纖纖芯上制作光柵的成功使得光柵用來(lái)制作調(diào)諧濾波器更具吸引力。 光纖布拉格光柵(FBG)已得了廣泛的應(yīng)用。 它的調(diào)諧能力由公式2neffB決定。 可以看到， 通過(guò)改變光柵周期()能調(diào)諧濾波器到不同波長(zhǎng)(B)。 通過(guò)施加拉力或加熱光柵可改變。 低損耗、 易耦合、 窄通帶和高分辨率是FBG調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)， 而窄的動(dòng)態(tài)范圍是它的主要缺點(diǎn)， 這個(gè)缺點(diǎn)可用級(jí)聯(lián)幾個(gè)