光纖技術與應用-第五章

光纖技術與應用---第五章第一頁，共81頁。為實現(xiàn)光波的傳輸：傳統(tǒng)方法：采用分立光學元件構成光學系統(tǒng)缺點：體積大、質(zhì)量大、結構松散、可靠性差、與光纖不兼容光纖技術的發(fā)展：以光纖為基質(zhì)構成光纖器件，彌補不足光纖器件是構成光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)不可缺少的部件。按照能量的產(chǎn)生和消耗可分為光纖無源器件和光纖有源器件：(a)光纖無源器件：指用光纖構成的一種能量消耗型器件；如：光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復用器、光纖隔離器和環(huán)形器、光纖濾波器、光纖衰減器等，功能：對信號或能量進行連接、合成、分叉、轉換及衰減等2023/4/182第二頁，共81頁。(b)光纖有源器件：用光纖構成的一種能量產(chǎn)生型器件如：光纖放大器、光纖激光器等功能：主要是擴大通信容量、增大中繼距離、提高傳感效能等。本章主要講：光纖無源器件（光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復用器、光纖隔離器和環(huán)形器、光纖濾波器、光纖光柵、光開關、光纖衰減器等）第三頁，共81頁。光無源器件是光路的重要組成部分。光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如插頭、開關、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部分。常見的光無源器件有光纖連接器、光耦合器、光波分復用器、光隔離器、光衰減器、光開關等。光無源器件遵守光學的基本理論，即光線理論和電磁場理論。第四頁，共81頁。5.1光纖無源器件1、光纖無源器件的主要性能參數(shù)廣義講：光纖無源器件可以看成一個多端口耦合器，每一個端口對應一條信號通道（簡稱“信道”），光信號由耦合器的一個端口或幾個端口輸入，經(jīng)過某種變換或處理之后，從另一個或幾個端口輸出。（1）信道插入損耗：表示由輸入信道(j)至指定輸出信道(i)的功率傳輸損耗，即：其中：---是第j信道的輸入功率---是第i信道的輸出功率第五頁，共81頁。（2）信道隔離比：表示由輸入信道(j)至非指定輸出信道(k)的功率傳輸損耗，即：（3）過剩損耗：表示當由第j信道輸入功率時，由器件所引起的總附加功率傳輸損耗，即：（4）回波損耗：表示由輸入端口返回輸入信道的功率損耗，即：回波損耗又稱為后向反射損耗，是指光纖連接處，后向反射光功率相對入射光功率的分貝數(shù)，回波損耗越大越好。2023/4/186第六頁，共81頁。（5）信道工作波長：表示相應于最低插入損耗值的光信號波長，在波分復用器中這一參數(shù)尤為重要。（6）信道帶寬：表示相應于標定插入損耗值的光信號波長范圍，如：0.5dB帶寬或3dB帶寬等。此外：各種不同的無源器件還具有一些特定的性能參數(shù)，如：隔離器的“反向隔離比”、波分復用器的“信道間隔”、以及光開關的“開關速度”等2023/4/187第七頁，共81頁。2、光纖連接器（1）光纖連接器-----是光纖與光纖之間的活動接頭，把光纖的兩個端面精密對接起來。是一種可拆卸的光纖接插件，用于反復地連接或斷開光纖。（2）光纖連接器的主要技術要求：插入損耗??；(b)重復插拔損耗變化??；(c)一致性（互換性）好。此外，要求安裝方便、性能穩(wěn)定、可靠性高、價格低廉。在距離光源較近處的光纖連接器還必須具有較大的回波損耗，以消除端面反饋光對光源的不利影響。（3）光纖連接器的分類：端面對接式連接器、透鏡擴束式連接器、陣列光纖連接器2023/4/188第八頁，共81頁。光纖活動連接器基本上是采用某種機械和光學結構，使兩根光纖的纖心對接，保證95％以上的光能通過連接器。目前，活動連接器有代表性且正在使用的結構有以下幾種。

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套管結構結構圖分為：直插（ST)型、雙錐(BC)型；書上P83頁第九頁，共81頁。

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雙錐結構

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球面定心結構

圖V形槽結構

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透鏡耦合結構第十頁，共81頁。圖

常用光纖連接器的對準方案示意圖(a)直套筒；(b)錐形套筒；(c)擴展光束第十一頁，共81頁。常用連接器類型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType第十二頁，共81頁。3、光纖定向耦合器（簡稱光纖耦合器）在光纖通信和光纖測量中，有時需要把光信號在光路上由一路向兩路或多路傳送，有時需把N路光信號合路再向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、波導耦合器和光纖耦合器等。通常，光信號功率由耦合器的一個端口輸入，然后按照一定的比例分配至幾個指定端口輸出，稱為分路；光信號功率由幾個端口輸入，經(jīng)耦合器進入同一個端口輸出，稱為分路。2023/4/1813第十三頁，共81頁。光纖定向耦合器特點：器件的主體是光纖，不含其它光學元件；

光的耦合功能是通過光纖中傳輸模式的耦合實現(xiàn)的；

光信號的傳送方向是固定的。光纖定向耦合器是一種用于傳送和分配光信號的無源器件。在各種光纖通信網(wǎng)中，要用到大量的光纖定向耦合器，作為光纖線路的分路、合路以及節(jié)點互聯(lián)耦合器件。由于制作時只需要光纖，不需要其他光學元件，具有與傳輸光纖容易連接且損耗較低、耦合過程無需離開光纖，不存在任何反射端面引起的回波損耗等優(yōu)點，因而更適合光纖通信，有時也稱為全光纖元件第十四頁，共81頁。1、光纖耦合器類型：根據(jù)光纖耦合器的工作原理分(a)部分反射式光纖耦合器：利用光學部分反射原理來實現(xiàn)的。端口輸出分配比取決于反射模反射率的大??；圖5.1-5(b)波前分割式光纖耦合器：是對輸入光束進行空間分割，使其分成幾束光束輸出，達到分光的目的；圖5.1-7(c)模場耦合式光纖耦合器：依據(jù)光纖中傳輸模式場分布相互耦合來實現(xiàn)光信號的分路和合路。當兩光纖相距很近時，在一根光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綀龇植紩U展到另一根光纖之中，從而在其中激勵起傳導模，因此就使得導模場所攜帶功率由一根光纖耦合到另一根光纖中傳輸。圖5.1-8（X形拼接式耦合器）,5.1-9（雙錐形光纖耦合）2023/4/1815第十五頁，共81頁。圖5.1-8（X形拼接式耦合器）,-----輸出分配比取決于兩纖芯間距以及拼接長度。圖5.1-9（雙錐形光纖耦合）------可控制耦合區(qū)的長度和雙錐體的腰徑來達到預定要求第十六頁，共81頁。光耦合器(Coupler)是能使光信號在特殊結構的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行光功率再分配的器件。從功能上，可分為光功率分配器和光波長分配（合/分波）耦合器。從端口形式上，可分為X形()、Y形()、星形(N×N,N＞2)以及樹形

(1

×N,N＞2）耦合器。如書上：P86圖5.1-10星形耦合器第十七頁，共81頁。（1）插入損耗(InsertionLoss):定義為指定輸出端口的光功率相對于全部輸入光功率的減小值

式中，為第i個輸出端口的插入損耗；為第i個輸出端口的光功率；為輸入端的光功率。（2）附加損耗(ExcessLoss)：定義為輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值

插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關，而且與分光比有很大的關系。2、光纖耦合器的性能指標第十八頁，共81頁。（3）分光比(CouplingRation)：定義為耦合器各輸出端輸出功率的比值

它是光耦合器特有的技術指標。（4）方向性(Directivity)方向性是光耦合器特有的技術指標,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，輸入一側非注入光的一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。第十九頁，共81頁。由2端輸出的光功率與全部注入的光功率(即圖中1端注入的光功率)之比為

圖X形耦合器的方向性第二十頁，共81頁。（5）均勻性(Uniformity)：是指各端口輸出功率偏離平均值的程度對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的均勻，用均勻性來衡量其不均勻程度：N為相應輸出端口總數(shù) （6）偏振相關損耗(PolarizationDependentLoss)衡量器件對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為偏振靈敏度。第二十一頁，共81頁。指當傳輸光信號的偏振態(tài)變化時，器件各輸出端輸出功率的最大變化量：

（7）隔離度(Isolation)：指光纖耦合器的某一光路對其他光路中光信號的隔離能力

式中，是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值；為被檢測光信號的輸入功率值。隔離度高，意味著線路之間的“串話”小。第二十二頁，共81頁。4光波分復用器(WDM)光波分復用器屬于波長選擇性耦合器，是一種用來合成不同波長的光信號或者分離不同波長的光信號的無源器件。用于合成不同波長的稱為復用器，用于分離不同波長的稱為解復用器。如圖5.1-12在復用器中，由各個信道輸入波長為的單色光信號被耦合進同一根光纖中傳輸；在解復用器中，則是將傳輸光纖中波長為的復色光信號分解成波長為的單色光信號，并輸入相應的輸出信道。(WavelengthDivisionMultiplexing)2023/4/1823第二十三頁，共81頁。如圖5.1-12光復用器和光解復用器示意圖在復用器中，由各個信道輸入波長為的單色光信號被耦合進同一根光纖中傳輸；在解復用器中，則是將傳輸光纖中波長為的復色光信號分解成波長為的單色光信號，并輸入相應的輸出信道2023/4/1824第二十四頁，共81頁。1、光波分復用器的類型按照光波分復用器的分元件及工作原理，可將其分為棱鏡分光型、干涉膜濾光型、光纖定向耦合器、光纖光柵型、以及波導陣列光柵型。棱鏡分光型波分復用器：圖5.1-13--------利用棱鏡的色散作用實現(xiàn)波長分離的；(b)衍射光柵型波分復用器：圖5.1-14-------利用衍射光柵的色散作用實現(xiàn)分光的；(c)干涉膜濾光型波分復用器：圖5.1-15------利用多層光學薄膜干涉原理來分光的；第二十五頁，共81頁。(d)光纖定向耦合型波分復用器：-----由一根光纖向另一根光纖耦合功率的耦合效率是光波長的函數(shù)，當波長滿足耦合效率=1時，光信號功率發(fā)生完全轉移，當波長滿足耦合效率=0時，光信號功率不發(fā)生轉移。(e)光纖光柵型波分復用器：圖5.1-17(f)波導陣列光柵型波分復用器：圖5.1-18-----波導陣列光柵型波分復用器由輸入和輸出波導、空間耦合器和波導陣列光柵構成。2023/4/1826第二十六頁，共81頁。2、光波分復用器的技術指標（1）信道插入損耗：表征與光波長相對應的信道功率損耗；（2）信道隔離比（串擾損耗）：表征串入與光波長不相對應的信道的功率大?。唬?）信道間隔：表征兩相鄰信道之間中心波長的差值。2023/4/1827第二十七頁，共81頁。光波分（解）復用器是按光波波長進行功率分離與合成的光無源器件，結構如圖所示。圖

WDM光傳輸原理圖第二十八頁，共81頁。利用色散、偏振、干涉等物理現(xiàn)象都可以制作WDM器件。以下是幾種常見的WDM器件類型。

1．介質(zhì)膜型利用窄帶干涉濾光膜（帶通型）進行波長的選擇，通道數(shù)目4~8個，其結構如圖所示。

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窄帶介質(zhì)膜帶通濾光片構成的4通道WDM器件第二十九頁，共81頁。光柵型利用光柵的衍射效應，不同波長的光衍射角度不同，實現(xiàn)空間的分離，通道數(shù)目64個，其結構如圖所示。圖

由反射光柵構成的解復用器第三十頁，共81頁。波導陣列光柵型波導陣列光柵型波分復用器由輸入和輸出波導、空間耦合器和波導陣列光柵構成。輸入和輸出波導用于與單模光纖連接，空間耦合器將各種波長光信號耦合進波導陣列光柵，波導陣列光柵由幾百條光程差為的波導組成。第三十一頁，共81頁。根據(jù)衍射理論，在輸出端光按波長大小順序排列輸出，通過空間耦合器傳輸?shù)较鄳妮敵霾▽Ф丝?，其結構如圖所示。

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波導陣列光柵型D波分復用器第三十二頁，共81頁。5光纖隔離器和環(huán)行器光纖隔離器和環(huán)行器是一種非互易傳輸耦合器。在光纖隔離器中，當光信號沿正向傳輸時，具有很低的損耗，光路被接通；當光信號沿反向傳輸時，損耗很大，光路被阻斷。在光環(huán)行器中，光信號只能沿規(guī)定的路徑環(huán)行，否則就具有很大的損耗。光隔離器是只允許光線沿光路單向傳輸?shù)臒o源器件，用于解決光纖通信中光路中光反射的問題。

（1）光纖隔離器和環(huán)行器的工作原理------法拉第磁光效應；即當光波通過置于磁場中的法拉第旋光片時，光波的偏振方向總是沿與磁場方向構成右手螺旋的方向旋轉，而與光波的傳播方向無關。第三十三頁，共81頁。法拉第磁光效應1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。當線偏振光（見光的偏振）在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應或磁致旋光效應。這樣，當光波沿正向和反向兩次通過法拉第旋光片時，其偏振方向旋轉角將疊加，而不是如互易性旋光片中的抵消，這種現(xiàn)象稱為非互易旋光性。2023/4/1834第三十四頁，共81頁。（3）光纖隔離器和環(huán)行器的性能參數(shù)正向插入損耗：------定義為正向傳輸時輸出光功率與輸入光功率之比；(b)反向（逆向）隔離比：-----定義為反向（逆向）傳輸時輸出光功率與輸入光功率之比(c)回波損耗：------定義為輸入端口自身返回功率與輸入功率之比。（2）光纖隔離器的類型-----與偏振有關光纖隔離器；與偏振無關光纖隔離器第三十五頁，共81頁。6窄帶光學濾波器-----也是一種波長選擇性耦合器。當光信號進入這種器件時，只有光頻率與濾波器中心頻率一致的成分才能通過，其他頻率成分的光將被濾掉。-------大多采用法布里-珀羅干涉儀（F-P腔）的結構，當光信號通過這種F-P腔時，由于在兩腔面之間多次反射產(chǎn)生多光束干涉，使得透射光譜形成具有尖銳峰的光譜圖。2023/4/1836第三十六頁，共81頁。F-P腔濾波器的結構：

法布里—珀羅（F-P）腔型濾波器的主體是F-P諧振腔，它是由一對高度平行的高反射率鏡面構成的腔體，當入射光波的波長為腔長的整數(shù)倍時，光波可形成穩(wěn)定振蕩，輸出光波之間會產(chǎn)生多光束干涉，最后輸出等間隔的梳狀波形（對應的濾波曲線為梳狀），見圖。F-P腔型可調(diào)諧濾光器2023/4/1837第三十七頁，共81頁。

而且，F(xiàn)-P固定濾波器的中心波長由公式λ=2nL/N決定，其中N為正整數(shù)。如改變腔長L或腔內(nèi)的折射率n，就能調(diào)諧濾波波長。

光纖F-P腔型可調(diào)諧濾波器的腔長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，彼此之間留有適當空隙。

在電信號的驅(qū)動下，PZT（壓電陶瓷）可進行伸縮，造成空氣間隙變化，引起腔長的改變，從而實現(xiàn)波長的調(diào)諧。

改變光纖的長度同樣可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)腔長的目的。其結構如圖所示。第三十八頁，共81頁。圖5.1-25光纖F-P可調(diào)諧濾波器的結構目前，世界上已研制出了多種結構的波長可調(diào)諧濾波器，其基本原理都是通過改變腔長、材料折射率或入射角度來達到波長可調(diào)諧的目的。第三十九頁，共81頁。

用來描述F-P腔傳輸特性的性能參數(shù)有：

(1)自由譜域FSR(FreeSpectrumRange)：相鄰波長(頻率)之間的距離。

(2)帶寬BW(BandWide)：諧振峰50％處的光譜寬度。

(3)精細度F(Fineness)：自由譜域與譜寬的比值。

F-P腔濾波器的帶寬取決于腔面反射率R1，R2精細常數(shù)帶寬：第四十頁，共81頁。圖F-P腔型濾波器的譜寬、線寬和線間距的定義第四十一頁，共81頁。窄帶光學濾波器的主要技術指標：濾波器帶寬、插入損耗、自由光譜區(qū)（透射譜線不重疊的區(qū)域）以及可調(diào)諧波長范圍。第四十二頁，共81頁。7、光纖光柵折射率型光柵-----指折射率周期性變化的光學介質(zhì)。光纖光柵----其纖芯折射率沿軸向呈周期性分布，從而對特定波長的光產(chǎn)生衍射.圖5.1-26圖

光纖光柵的結構2023/4/1843第四十三頁，共81頁。最初的光纖光柵：摻鍺、摻硼、摻磷等；光纖光柵的特性：帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、易與其他光纖器件融合為一體，滿足光纖通信器件集成化、光纖化、全光化的發(fā)展要求，因此光纖光柵器件成為通信網(wǎng)絡技術中的理想器件。第四十四頁，共81頁。（1）光纖光柵的基本原理根據(jù)衍射理論：且滿足布拉格衍射方程：其中：是光柵周期，n是介質(zhì)折射率，m是布拉格衍射的級數(shù)。在光纖中，只考慮一級衍射（m=1)，則可以寫成：其中：是入射模式的有效折射率，是衍射模式的有效折射率。-------透射式光纖光柵第四十五頁，共81頁。反射式光纖光柵，衍射模和入射模的傳播方向相反，如果兩模式相同，則有上式變?yōu)椋浩渲校菏瞧骄凵渎省Ｔ撌骄褪遣祭駰l件，滿足該條件的光柵就是布拉格光柵。比較:對于同一波長而言，透射式光纖光柵的周期要遠遠大于反射式光纖光柵。因此：透射式光纖光柵又稱為長周期光纖光柵；

反射式光纖光柵又稱為短周期光纖光柵。第四十六頁，共81頁。（2）光纖光柵的基本分類：(a)根據(jù)引起折射率變化的起因分類：

根據(jù)引起折射率變化起因的不同，即光纖光柵成柵機制與光敏機理的差異，從激光能量密度、曝光時間、熱穩(wěn)定性、傳輸損耗、材料構成、摻雜濃度等因素考慮，可分為：I型、II型、III型光纖光柵。(b)根據(jù)折射率的變化結構的差異分類：根據(jù)光纖光柵空間周期分布及折射率調(diào)制深度分布是否均勻，將其分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。第四十七頁，共81頁。均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向均勻且折射率調(diào)制深度為一常數(shù)光纖布拉格光柵長周期光纖光柵閃耀光纖光柵非均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向不均勻或折射率調(diào)制深度不為常數(shù)線性啁啾光纖光柵分段啁啾光纖光柵非均勻特種光纖光柵第四十八頁，共81頁。（3）光纖光柵制作技術光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制作的。所謂光敏性，就是指當材料被外部光照射時，引起該材料物理或化學特性的暫時性或永久性變化的特性。例如：當用特定波長的光照射摻鍺光纖時，它的折射率、吸收譜、內(nèi)應力密度等物理特性會發(fā)生永久性的變化。在外部光源照明時，光纖的折射率隨光強的空間分布發(fā)生相應的變化，變化的大小與光強呈線性關系，并可以被保留下來，成為光纖光柵。第四十九頁，共81頁。制備光纖光柵的方法內(nèi)部寫入法全息相干法相位掩膜法逐點寫入法色散補償器（4）光纖光柵的主要應用光學濾波器增益平坦器組合寫入法光分插復用器光纖光柵在光纖傳感器領域的應用2023/4/1850第五十頁，共81頁。光開關的開關速度或稱開關時間是一個重要的性能指標。不同的應用場合對開關時間的要求是不一樣的，如光通道的設置開關時間為1～10ms，保護倒換的開關時間為1～10μs，分組交換的開關時間為1ns，外調(diào)制器的開關時間為10ps量級。除了開關時間外，還有下面一些參數(shù)用來衡量光開關的性能。8、光開關光開關是一種光路控制器件，起著控制光路通斷和光路轉換的作用。在光通信系統(tǒng)中，光開關有著重要的應用，如：主、備光纖線路的切換、光纖或光纜的測量、光交換等。光開關的主要性能指標:開關速度、插入損耗、信道隔離比（串擾損耗）第五十一頁，共81頁。（1）通斷消光比：通斷消光比是指光開關處于通（開）狀態(tài)時輸出的光功率和處于斷（關）狀態(tài)時的輸出光功率之比。通斷消光比越大,光開關性能越好，這對外調(diào)制器尤為重要。機械開關的通斷消光比大約為40～50dB。（2）插入損耗（簡稱插損）：插損是指由于光開關的使用而導致的光路上的能量損耗，常以dB表示。插損越小越好。當開關處于不同的輸入/輸出連接狀態(tài)時，插入損耗有可能不一致，即插入損耗的一致性差，這對于實際的應用是不希望的。第五十二頁，共81頁。（3）串擾:串擾是指某輸出端口的功率除了有來自希望的輸入端口外，還有來自不希望的輸入端口的功率，二者的光功率之比稱為串擾。1、光開關分類（根據(jù)驅(qū)動方式分）：（1）機械式光開關：依靠光纖或光學元件的移動，使光路發(fā)生轉換。如：移動光纖式光開關、移動套管式光開關和移動透鏡（包括反射鏡、棱鏡和自聚焦透鏡）式光開關。優(yōu)點：插入損耗小、消光比高、串擾低；缺點：速度慢、易磨損、容易受振動、沖擊影響，不太可能大規(guī)模集成；用于線路保護倒換、線路測試等第五十三頁，共81頁。（2）非機械式光開關（固體式光開關）：利用電光效應、磁光效應及聲光效應來改變波導的折射率，使光路發(fā)生變化，實現(xiàn)光開關的。如電光式開關、磁光式開關、熱光式開關優(yōu)點：重復性好、開關速度快、可靠性高、使用壽命長、尺寸小可以單片集成等；缺點：插入損耗和串擾性能不理想。（3）半導體光波導開關：基于半導體中的各種效應實現(xiàn)光開關的。優(yōu)點：損耗低、開關速度快、重復性好、能夠與其他元器件單片集成，以及能大規(guī)模集成等；在未來的大規(guī)模光交換、光計算、光邏輯處理中得到廣泛應用和發(fā)展。2023/4/1854第五十四頁，共81頁。光電開關是傳感器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的。2、幾種光開關（1）機械式光開關：是最傳統(tǒng)的光開關，分為鏡可動型和光纖可動型兩種。（2）磁光式開關：靠外磁場影響磁疇的寬度和角度，進而影響磁疇的有效光衍射和方位角來達到轉換即開關目的的，即利用外磁場作用下的法拉第旋光效應。（3）熱光開關：是利用熱量轉換達到開關目的的。第五十五頁，共81頁。5.2光纖有源器件光纖激光器和光纖放大器是潛力巨大的光纖有源器件。光纖激光器和放大器主要有三類：第一類：晶體光纖激光器與放大器，如：紅寶石單晶激光器等；第二類：利用光纖非線性光學效應制作的光纖激光器與放大器，如：受激喇曼散射和受激布里淵散射光纖激光器與放大器；第三類：摻雜光纖激光器與放大器，如：以摻稀土元素離子的光纖激光器與放大器最為重要。（因其工作波長正處于光纖通信的窗口，在光纖通信、光纖傳感領域有重要的實用價值。）2023/4/1856第五十六頁，共81頁。1、光纖放大器光信號在傳輸過程中，由于光纖損耗和光纖色散，其幅度會越來越小，光脈沖的寬度會越來越寬，從而限制了光纖通信系統(tǒng)、特別是大容量光纖通信系統(tǒng)的傳送距離。必須在每隔一定的距離就增加一個再生中繼器，以保證信號的質(zhì)量。傳統(tǒng)的再生中繼器的基本功能是進行光---電----光轉換，并在光信號轉變?yōu)殡娦盘枙r進行再生、整形和定時處理，這種處理方法很復雜且昂貴。改變上述處理過程，用光纖放大器，即直接在光路上對光信號進行放大。20世紀80年代末，出現(xiàn)摻鉺光纖放大器。第五十七頁，共81頁。（1）光纖放大器的工作原理光纖放大器的關鍵元件是摻稀土元素光纖。受激吸收：指原子吸收一個光子能量，從基態(tài)或低能態(tài)E1躍遷到激發(fā)態(tài)或高能態(tài)E2上。

自發(fā)輻射：是指在沒有任何外界因素影響下的情況下，處于高能態(tài)的原子自發(fā)地躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射一個光子。

受激發(fā)射：指處于高能態(tài)的原子在受到入射光子的感應或誘導下，從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射一個與入射光子相同頻率的光子。入射光得到放大。2023/4/1858第五十八頁，共81頁。在熱平衡狀態(tài)下：光輻射以自發(fā)輻射為主；而當原子系統(tǒng)處于上、下能級粒子集居數(shù)反轉時，將以受激發(fā)射為主，光纖放大器就是利用受激發(fā)射原理來放大光信號的。摻鉺光纖放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier)----EDFA構成：摻鉺光纖、泵浦激光器、波分復用器、光學隔離器組成。如圖所示：第五十九頁，共81頁。激光二極管發(fā)出波長為980nm的泵浦光和外來波長為1550nm的信號光經(jīng)波分復用器進入摻鉺光纖中，摻鉺光纖是增益介質(zhì)，在有泵浦光照射的情況下，可將信號光放大。光纖隔離器主要是為了防止輸出光返回光纖放大器，產(chǎn)生不良的干擾。2023/4/1860第六十頁，共81頁。光纖放大器的泵浦方式有三種：前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦；前向泵浦：信號光和泵浦光沿同一方向傳輸；后向泵浦：信號光和泵浦光沿相反方向傳輸；雙向泵浦：泵浦光沿兩個方向同時進入光纖放大器，對信號光雙向泵浦放大。泵浦方式：泵浦光源：除980nm波長的光可以作為泵浦光外，還有670nm，800nm,1480nm的光也可作為摻鉺光纖放大器的泵浦光。用980nm波長的光作為泵浦光的優(yōu)點：因為摻鉺光纖在這一波段對小信號輸入的增益系數(shù)較高，且噪聲因子最低。2023/4/1861第六十一頁，共81頁。光纖放大器的應用：(a)光功率放大：將光纖放大器放在發(fā)射端光源之后，放大輸入到光纖中的光功率。優(yōu)點：可以提高光纖通信系統(tǒng)發(fā)射端實際進入光纖中的光功率，減輕了對光源輸出功率要求高的壓力，也解決了將高功率的光從光源有效地注入光纖的耦合問題。2023/4/1862第六十二頁，共81頁。(b)光中繼放大：作為在線放大器或中繼放大器應用時，將光纖放大器放在傳輸線的中間，在信號傳輸路途上對光信號進行放大。利用這類光纖在線放大器，可以取代傳統(tǒng)的光—電---光中繼器，實現(xiàn)全光光纖通信。2023/4/1863第六十三頁，共81頁。(c)光前置放大：作為光前置放大器應用時，將光纖放大器放在接收端光電檢測器的前面，在光電檢測器進行光電轉換之前先對從傳輸光纖中來的光信號進行放大。優(yōu)點：不會把光電檢測器及其后面的電子放大器的熱噪聲引入其中被放大，可以提高光纖通信系統(tǒng)接收端的信噪比。2023/4/1864第六十四頁，共81頁。光纖放大器的三種主要用途2023/4/1865第六十五頁，共81頁。5.2.2光纖激光器激光（Laser）---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“通過受激輻射光擴大.激光應用很廣泛，主要有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等.定向發(fā)光基本特性：亮度極高顏色極純能量極大2023/4/1866第六十六頁，共81頁。激光指示器，又稱為激光筆、指星筆等常見的激光指示器有紅光（λ=650～660nm,635nm）、綠光（λ=515-520nm,532nm）、藍光（λ=445～450nm）和藍紫光（λ=405nm）等2023/4/1867第六十七頁，共81頁。若把激發(fā)的物質(zhì)放置于共振腔內(nèi)，光輻射在共振腔內(nèi)沿軸線方向往復反射傳播，多次通過物質(zhì)，光輻射被放大許多倍，形成一束強度大、方向集中的光束“激光”，這就是激光振蕩器。用光、電及其他辦法對物質(zhì)進行激勵，使得其中一部分粒子激發(fā)到能量較高的狀態(tài)，當這種狀態(tài)的粒子數(shù)大于能量較低狀態(tài)的粒子數(shù)時，由于受激輻射，物質(zhì)就能對某一波長的光輻射產(chǎn)生放大作用，也就是這種波長的光輻射通過物質(zhì)時，會發(fā)射強度放大并與入射光相位、頻率和方向一致的光輻射，這種裝置稱為激光放大器。激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。2023/4/1868第六十八頁，共81頁。1960年T.H.西奧多·梅曼制成了第一臺紅寶石激光器。1961年伊朗科學家A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。2023/4/1869第六十九頁，共81頁。半導體激光器半導體激光器也稱為半導體激光二極管，或簡稱激光二極管（LaserDiode，LD）。由于半導體材料本身物質(zhì)結構的特異性以及半導體材料中電子運動規(guī)律的特殊性，使半導體激光器的工作特性具有其特殊性。

半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質(zhì)的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉，當處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射。2023/4/1870第七十頁，共81頁。光纖激光器（FiberLaser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉”，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器：光纖激光器與光纖放大器的本質(zhì)區(qū)別：光纖激光器只是對增益介質(zhì)內(nèi)的光子進行諧振放大；而光纖放大器則是對輸入信號光放大。2023/4/1871第七十一頁，共81頁。1、光纖激光器（1）結構：激光增益介質(zhì)、光學諧振腔和泵浦源三部分組成；（2）工作原理：泵浦光將摻入光纖中的稀土雜質(zhì)離子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，由于離子處在高能態(tài)