第3章光纖通信器件

第3章光纖通信器件3.1連接器連接器是光纖通信中應(yīng)用 最廣泛最基本的光無源器件；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；對(duì)這種器件的基本要求是使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度耦合到接收光纖；連接器“跳線”用于終端設(shè)備和光纜線路及各種光無源器件之間的互連。對(duì)連接器的要求連接損耗(插入損耗)??；回波損耗大；多次插撥重復(fù)性好；互換性好；環(huán)境溫度變化時(shí)，性能保持穩(wěn)定；并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；因此，需要精密的機(jī)械和光學(xué)設(shè)計(jì)和加工裝配，以保證兩個(gè)光纖端面和角度達(dá)到高精度匹配，并保特適當(dāng)?shù)拈g隙。圖3.1.1連接損耗的機(jī)理圖3.1.1連接損耗的機(jī)理連接器的基本結(jié)構(gòu)包括接口零件、光纖插針和對(duì)中三部分。光纖插針的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC,AngledPhysicalContact)。對(duì)中可以采用套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V形槽結(jié)構(gòu)或透鏡耦合結(jié)構(gòu)。插針可以是微孔結(jié)構(gòu)、三棒結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。因此,連接器的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的。采用套管結(jié)構(gòu)對(duì)中和微孔結(jié)構(gòu)插針光纖固定效果最好，又適合大批量生產(chǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，如圖3.1.2（b）所示。圖3.1.2活動(dòng)連接器結(jié)構(gòu)和特性連接器的種類兩插頭與轉(zhuǎn)接器的連接有FC型、SC型和ST型。FC：表示用螺紋連接； SC（Square/SubscriberConnector）： 表示軸向插拔矩形外殼結(jié)構(gòu)； ST（SpringTension）：表示彈簧帶鍵卡口結(jié)構(gòu)。通常我們把光纖插針端面結(jié)構(gòu)和兩插頭與轉(zhuǎn)接器的連接結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起表示光纖活動(dòng)連接器的類型，通常有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型等。表3.1.1各種單模光纖活動(dòng)連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)3.2耦合器耦合器的功能是把一個(gè)或多個(gè)光輸入分配給多個(gè)或一個(gè)光輸出。耦合器對(duì)線路的影響是附加插入損耗，可能還有一定的反射和串音。選擇耦合器的主要依據(jù)是實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。T形耦合器是一種3端耦合器或2×2耦合器，它的功能是把一根光纖輸入的光功率分配給2根光纖。這種耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率組合器，或局域網(wǎng)終端的光輸入或光輸出耦合器。星形耦合器是一種N

N耦合器，它的功能是把N根光纖輸入的光功率組合在一起，并均勻分配給N根輸出光纖。這種耦合器可以用作多端功率分路器或功率組合器。耦合器基本結(jié)構(gòu)耦合器的光學(xué)特性參數(shù)1、插入損耗（InsertionLoss，IL）

指耦合器輸出端口相對(duì)全部輸入光功率的減少值。CouplerPinPout1Pout2ILi=-10×lgPoutiPin2、分光比（CouplingRatio，CR）

指耦合器各部輸出端口的光功率相對(duì)輸出總功率的比值。CouplerPinPout1Pout2CR=∑PoutPouti×100%3.3可調(diào)諧光濾波器可調(diào)諧光濾波器是一種波長(zhǎng)（或頻率）選擇器件，它的功能是從許多不同頻率的輸入光信號(hào)中，選擇出一個(gè)特定頻率的光信號(hào)。光頻濾波根據(jù)其基理可分為干涉型、衍射型和吸收型三類，每一類根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的原理又可以分為若干種；根據(jù)其調(diào)諧的能力又可分為光頻固定濾波器和可調(diào)諧濾波器。3.3可調(diào)諧光濾波器3.3.1法布里

珀羅（FP）濾波器3.3.2馬赫-曾德爾（MZ）濾波器3.3.3布拉格（Bragg）光柵濾波器3.3.4陣列波導(dǎo)光柵（AWG）濾波器3.3.5調(diào)諧濾波器性能比較3.3.1法布里

珀羅

（FP）濾波器基本法布里-珀羅干涉儀（F-PI）（見圖3.3.2）由兩塊平行鏡面組成的諧振腔構(gòu)成，一塊鏡面固定，另一塊可移動(dòng)，以改變諧振腔的長(zhǎng)度。鏡面是經(jīng)過精細(xì)加工并鍍有金屬反射膜或多層介質(zhì)膜的玻璃板，圖中略去輸入和輸出光纖及透鏡系統(tǒng)，而集中討論腔體本身。由光纖輸入的光經(jīng)過諧振腔反射一次后，聚焦在輸出光纖端面上，借助改變諧振腔的長(zhǎng)度達(dá)到從波分復(fù)用信道中選取所需信道的目的。圖3.3.1可調(diào)諧光濾波器的基本功能基本法布里-珀羅干涉儀（F-PI）由兩塊平行鏡面組成的諧振腔構(gòu)成，一塊鏡面固定，另一塊可移動(dòng)，以改變諧振腔的長(zhǎng)度。圖3.3.2基本F-P干涉儀圖3.3.3光纖F-P濾波器光纖法布里-珀羅(FF-P)干涉儀濾波器光纖法布里-珀羅（FF-P）干涉濾波器，如圖3.3.3所示，光纖端面本身就充當(dāng)兩塊平行的鏡面。如果將光纖（即F-P的反射鏡面）固定在壓電陶瓷上，通過外加電壓使壓電陶瓷產(chǎn)生電致伸縮作用來改變諧振腔的長(zhǎng)度，同樣可以從復(fù)用信道中選取所需要的信道。這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)小型化。光纖法布里-珀羅（FF-P）干涉濾波器間隙型FF-P濾波器

內(nèi)波導(dǎo)型FF-P濾波器

光纖FF-P調(diào)諧濾波器的基本物理機(jī)理與1.3.3節(jié)討論過的光多次干涉和諧振特性類似。對(duì)于無源F-P濾波器，因?yàn)闉V波器只能允許滿足諧振腔單縱模傳輸?shù)南辔粭l件的頻率信號(hào)通過，所以傳輸特性與波長(zhǎng)有關(guān)。

圖3.3.5F-P濾波器的傳輸特性它具有多個(gè)諧振峰，每?jī)蓚€(gè)諧振峰間的頻率間距為自由光譜區(qū)FSR

光纖FF-P調(diào)諧濾波器每?jī)蓚€(gè)諧振峰間的頻率間距FSR為：式中，n是構(gòu)成F-P濾波器的材料折射率，L是諧振腔長(zhǎng)度。FSR就是濾波器的自由光譜區(qū)。假如濾波器設(shè)計(jì)成只允許復(fù)用信道中的一個(gè)信道通過，如圖3.3.5（c）中的信道的頻率正好對(duì)準(zhǔn)傳輸特性的諧振峰，所以只有fj=f1的信道才能通過濾波器，而其它信道被抑制了。

F-P濾波器的精細(xì)度F

它決定濾波器的選擇性，即能分辯的最小頻率差，從而也決定所能選擇出的最大信道數(shù)。精細(xì)度的概念與F-P干涉儀理論中的相同。假如諧振腔內(nèi)部損耗忽略不計(jì)，則精細(xì)度由鏡面反射率R決定假設(shè)兩個(gè)鏡面的R相等，此時(shí):3.3.2馬赫-曾德爾（MZ）濾波器馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉濾波器由兩個(gè)3dB耦合器串聯(lián)組成一個(gè)馬赫-曾德爾干涉儀，干涉儀的兩臂長(zhǎng)度不等，光程差為

L

。圖3.3.7馬赫-曾德爾干涉濾波器

馬赫-曾德爾干涉濾波器的原理是基于兩個(gè)相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。

為兩臂長(zhǎng)度差產(chǎn)生的相位差式中n是波導(dǎo)折射率指數(shù)復(fù)合后每個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)光在滿足一定的相位條件下，在兩個(gè)輸出光纖中的一個(gè)相長(zhǎng)干涉，而在另一個(gè)相消干涉。如果在輸出端口3，滿足相長(zhǎng)條件，滿足相消條件，則輸出光；如果在輸出端口4，滿足相消條件，滿足相長(zhǎng)條件，則輸出光。

圖3.3.7M-Z干涉濾波器

3.3.3布拉格（Bragg）光柵濾波器布拉格（Bragg）光柵由間距為

的一列平行半反射鏡組成，

稱為布拉格間距，如圖3.3.9所示。如果半反射鏡數(shù)量N（布拉格周期）足夠大，那么對(duì)于某個(gè)特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，從第一個(gè)反射鏡反射出來的總能量約為入射的能量，即使功率反射系數(shù)R很小。圖3.3.9布拉格光柵如果半反射鏡數(shù)量N（布拉格周期）足夠大，那么對(duì)于某個(gè)特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，從第一個(gè)反射鏡反射出來的總能量約為入射的能量，即使功率反射系數(shù)R很小。該特定波長(zhǎng)強(qiáng)反射的條件是:布拉格光柵的基本特性就是以共振波長(zhǎng)為中心的一個(gè)窄帶光學(xué)濾波器該共振波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)圖3.3.10光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵是一小段光纖，其纖芯折射率經(jīng)兩束相互干涉的紫外光照射后產(chǎn)生周期性地調(diào)制，干涉條紋周期由兩光束之間的夾角決定。大多數(shù)光纖的纖芯對(duì)于紫外光來說是光敏的，將纖芯直接曝光于紫外光下將導(dǎo)致纖芯折射率永久性變化。

布拉格光柵

圖3.3.10光纖布拉格光柵強(qiáng)激光輻照摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(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。如用特定波長(zhǎng)的激光干涉條紋（全息照相）從側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會(huì)使其內(nèi)部折射率呈現(xiàn)周期性變化，就象一個(gè)布拉格光柵，成為光纖光柵圖3.3.11光纖光柵帶通濾波器利用光纖布拉格光柵反射布拉格共振波長(zhǎng)附近光的特性，可以做成波長(zhǎng)選擇分布式反射鏡或帶阻濾光器如果在一個(gè)2

2光纖耦合器輸出側(cè)的兩根光纖上寫入同樣的布拉格光柵，則還可以構(gòu)成帶通濾波器

3.4.1棱鏡波分復(fù)用/解復(fù)用器件波分復(fù)用器(WDM)的功能是把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)復(fù)合在一起,并注入到一根光纖。解復(fù)用器的功能與波分復(fù)用器正好相反。棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射角，當(dāng)這些分開的光從棱鏡進(jìn)入空氣時(shí)，又一次發(fā)生折射，從而進(jìn)一步把復(fù)用光束分開，完成解復(fù)用。3.4.2衍射光柵解復(fù)用器輸入的多波長(zhǎng)復(fù)合信號(hào)聚焦在反射光柵上；光柵對(duì)不同波長(zhǎng)光的衍射角不一樣，從而把復(fù)合信號(hào)分解為不同波長(zhǎng)的分量；然后由透鏡聚焦在每根輸出光纖上。圖3.4.2光柵型解復(fù)用器（a）透射光柵 （b）普通透鏡反射光柵（c）漸變折射率透鏡反射光柵3.4.3陣列波導(dǎo)光柵（AWG）

復(fù)用/解復(fù)用器陣列波導(dǎo)光柵（AWG）復(fù)用/解復(fù)用器工作原理這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長(zhǎng)度差

L，如圖3.4.3所示。輸入光從第一個(gè)星形耦合器輸入，該耦合器把光功率幾乎平均地分配到波導(dǎo)陣列輸入端中的每一個(gè)波導(dǎo)，由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長(zhǎng)度不等，相位延遲也不等，由式（1.2.8）和式（1.3.17）可知，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為:AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理（見3.3.2節(jié)），即兩個(gè)相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。所以輸出端口與波長(zhǎng)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說，由不同波長(zhǎng)組成的入射光束經(jīng)陣列波導(dǎo)光柵傳輸后，依波長(zhǎng)的不同就出現(xiàn)在不同的波導(dǎo)出口上。

3.6光開關(guān)

光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的交換。對(duì)光開關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。光開關(guān)分類機(jī)械光開關(guān) 包括微機(jī)械光開關(guān)波導(dǎo)光開關(guān) 利用電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng)圖3.6.1機(jī)械式光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)在插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能；但開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)（幾十毫秒到毫秒量級(jí)）；開關(guān)尺寸較大，而且不易集成。微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-MichanicalSystems)構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為DWDM網(wǎng)中大容量光交換技術(shù)的主流。它是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝制造出可以前傾后仰、上下移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對(duì)輸入光信號(hào)可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng)。通常微反射鏡的尺寸只有140

m

150

m，驅(qū)動(dòng)力可以利用熱力效應(yīng)、磁力效應(yīng)和靜電效應(yīng)產(chǎn)生。這種器件的特點(diǎn)是體積小、消光比大(60dB左右)、對(duì)偏振不敏感、成本低，其開關(guān)速度適中(約5ms)，插入損耗小于1dB。圖3.6.2可升降微反射鏡MEMS光開關(guān)圖3.6.2可升降微反射鏡MEMS光開關(guān)

圖3.6.3可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開關(guān)圖3.6.4可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān)微機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)具有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，卻克服了它們所固有的缺點(diǎn)；采用了機(jī)械光開關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅基上；基于圍繞微機(jī)械中樞轉(zhuǎn)動(dòng)的自由移動(dòng)鏡面。主要開發(fā)商有美國Lucent、德克薩斯儀表公司和康寧等公司。微機(jī)械光開關(guān)進(jìn)展用貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的MEMs技術(shù)（微透鏡），已實(shí)現(xiàn)256

256的光交叉連接（交換能力10萬億比特/s），是世界上第一個(gè)10G全光交叉連接系統(tǒng)；2001年已達(dá)到1024

1024；它可以運(yùn)行在任何光層速率，包括40Gb/s以及更高的速率?；ヒ灼骷头腔ヒ灼骷B接器、耦合器等大多數(shù)無源器件的輸入和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而光通信系統(tǒng)也需要非互易器件，如光隔離器。光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件。某些光器件特別是激光器和光放大器，對(duì)于從連接器、接頭、調(diào)制器或?yàn)V波器反射回來的光非常敏感。因此通常要在最靠近這種光器件的輸出端放置光隔離器，以消除反射光的影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。對(duì)光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和磁場(chǎng)低和價(jià)格便宜。3.7.1磁光塊狀光隔離器光通信用的隔離器幾乎都用法拉第磁光效應(yīng)原理制成;當(dāng)平面偏振光沿著磁場(chǎng)方向入射到非旋光材料時(shí)，光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度

;如果反射光再一次通過法拉第介質(zhì)，則旋轉(zhuǎn)角度增加到2

。隔離器

用法拉第磁光效應(yīng)原理制成

隔離器

工作原理

起偏器P使入射光的垂直偏振分量通過調(diào)整加在法拉第介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使偏振面旋轉(zhuǎn)45o，然后通過檢偏器A。反射光返回時(shí)，通過法拉第介質(zhì)又一次旋轉(zhuǎn)45o，正好和入射光偏振面正交，因此不會(huì)使入射光受到影響