第五章-光纤的制作工艺和光器件课件.ppt

1、第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件11.光纤的制造工艺光纤的制造工艺光纤的制作要求光纤的制作要求n（1）透明；n（2）能将其拉制成沿长度方向均匀分布的具有纤芯-包层结构的细小纤维；n（3）能经受住所需要的工作环境。n 所以，简单地说，光纤是将透明材料拉伸为细丝制成的。制造光纤的材料应满足第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件2光纤的制造工艺光纤的制造工艺原料(SiO2和掺杂物质)制作预制棒对检验合格的预制棒进行拉丝原料检

2、验成品预制棒检验第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件3光纤预制棒的制作光纤预制棒的制作 光纤预制棒简称光棒，是一种在横截面上有一定折射率分布和芯/包比的的透明的石英玻璃棒。根据折射率的不同光棒可从结构上分为芯层和包层两个部分，其芯层的折射率较高，是由高纯SiO2材料掺杂折射率较高的高纯GeO2材料构成的，包层由高纯SiO2材料构成。光纤预制棒制造技术是光纤制作工艺的核心，光纤的制作方法取名于预制棒的制造方法。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日

3、光纤通信器件光纤通信器件4光纤预制棒的制作光纤预制棒的制作制作方法 四十年来，发展出很多种光纤制造工艺，经淘汰选择，目前比较流行且保持批量生产的有四种。OVD VADMCVD PCVD外部气相沉积法；气相轴相沉积法；改进的化学气相沉积法；等离子化学气相沉积法。外包技术。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件5拉丝拉丝第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件6拉丝拉丝 拉伸炉使预制棒在高温下(200022000C)熔融，在重力的

4、作用下往下垂，并形成细丝，经直径监控设备检测达到标准后，(最初的一滴熔融热玻璃从预制棒的底部拉出，延展成光纤的起点，一般情况这一起始段都是废品)，就可以穿过涂覆器，这样光纤表面就涂上了保护层。再经过紫外固化炉的固化，涂层就紧密结合在光纤表面，涂覆后的光纤由牵引轮牵引收到线轴上。正确地控制拉丝温度、收丝速度是至关重要的。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件7成品光纤的测试：成品光纤的测试：n性能测试：带宽、损耗、拉力强度等。n 光纤的外径为1251m，涂覆后的直径为25010m。n单模光纤的波段划分(单位：n

5、m)nO(原始)波段:1260-1360nE(扩展)波段:1360-1460nS(短)波段:1460-1530nC(常规)波段:1530-1560nL(长)波段:1560-1625nU(超长)波段:1625-1675第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件8其他材料制作的光纤其他材料制作的光纤n(1)多组分玻璃光纤：特点是纤芯-包层折射率变化范围大，NA大，但材料损耗大；n(2)塑料光纤：成本低，但损耗很大，温度性能差；n(3)中红外光纤：大于1.55um散射损耗低；n(4)液芯光纤：纤芯为液体，可以满足特殊需

6、要；n(5)晶体光纤：纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源光器件。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件9n*自聚焦透镜（Grade index Lens）n 渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜。具有准直、聚焦和成像功能。n 光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。n 自聚焦透镜同普通透镜(球透镜)的区别在于，自聚焦透

7、镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件101、均匀折射率分布材料2、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像3、通过非球面来克服像差，提高成像质量1、渐变折射率分布材料2、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像3、通过优化折射率分布，提高成像质量第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件11自聚焦光纤：折射率按平方分布的光纤光纤

8、的传播轨迹为正弦曲线经一周期后又会聚到另一点。自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤。不同点：芯径大(2mm或更大)，长度短(仅12个周期)，数值孔径大(0.20.6，可由长短决定大小)；制作工艺也不同，采用离子交换工艺。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件12优点：1、直径小，体积微型化，焦距超短；2、端面平面，便于光学加工、系统调节；3、长度和折射率改变可引起透镜焦距和成像特 性的变化，可以起几个普通透镜的作用；4、像差可通过改变透镜材料组分和离子交换工 艺来控制；5、还可用于弯曲传像;6、光线轨迹为sin

9、或cos曲线，可形成“自聚焦”。主要应用：光纤通信中的光无源器件、复印传真机、摄影物镜、显微物镜和医用内窥镜等。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件13n 自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，其折射率变化由下式表述。nN0 表示自聚焦透镜的中心折射率nA 表示自聚焦透镜的折射率沿径向分布的常数(聚焦参数)，可以是A或 。)21()(2rANrNOn 折射率分布的简化表示：AA第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件

10、光纤通信器件14自聚焦透镜的重要特性：自聚焦透镜的重要特性：重要性能参数：重要性能参数：q焦距：焦距：f=-1/n0A1/2sin(A1/2L)q聚焦参数：聚焦参数：A=2D/a2q数值孔径：数值孔径：NA=n0(2D)1/2q自聚焦透镜的直径：自聚焦透镜的直径：Dq节距：节距：P=2p/A1/2，沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为即成为一个截距一个截距P；q长度长度Z自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离。成像特性：与透镜长度有关：成像特性：与透镜长度有关：q1/4 节距透镜节距透镜q1/2 节距透

11、镜节距透镜q0.23节距透镜节距透镜q0.29 节距透镜节距透镜第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件150.25P lens:on axis第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件160.25P lens：off axis双光纤准直器,波分复用器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件170.23P lens：angle compress第

12、五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件180.29P lens：facula compress第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件19自聚焦透镜的应用：(1)聚焦与准直 透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点，但自聚焦透镜在聚焦时克服了这些缺点。根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=1/4P节距的自聚焦透镜，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦

13、透镜聚焦点光斑的尺寸公式为：)(1220NAfNRR为焦点处光斑的半径,NA为数值孔径,f为焦距,N0为轴上的折射率。准直是聚焦功能的逆向运用，根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=1/4P节距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平行光线。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件20(2)光耦合 由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦透镜的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，从而改善普通透镜的光

14、耦合效果。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件21 为了达到更好的聚焦效果，会在平端面透镜一端面加工一个13mm的曲面，此曲面与使得透镜弥散斑小，因此球面自聚焦透镜可减小聚焦光斑尺寸。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件22 L1为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离，Z为自聚焦透镜的长度，L2为自聚焦透镜端面到光纤的距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1 和L2的距离来达到最佳

15、耦合效率。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件23准直透镜：许多应用中需要将光纤发出的发散光束变换为平行光束，可通过在光纤输出端加一准直透镜来实现。准直透镜是将光纤置于自聚焦透镜的焦点上。经自聚焦透镜后，输出端光束的半径和发散角为00cossinarcsinsinbfbfNAAZnAAZAZ nA其中为光纤纤芯半径，为数值孔径；其中为光纤纤芯半径，为数值孔径；Z Z为自聚焦透为自聚焦透镜的长度，称为透镜的聚焦常数。镜的长度，称为透镜的聚焦常数。fNAA第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器

16、件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件24上式中，若透镜长度上式中，若透镜长度Z取为节距的取为节距的1/4时，时，上式，上式成为成为2AZ000arcsinbbffNAnAnAnA 这表明，光束的束宽(半径)正比于光纤的数值孔径，而发散角正比于光纤纤芯半径。单模光纤(芯径10m,数值孔径0.1)：光束直径为0.67mm，光束发散角为1.5mrad,是很好的平行光束。多模光纤(芯径50m,数值孔径0.2)：光束直径为1.33mm，光束发散角为7.5mrad,光束平行度稍差些。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日

17、星期日 光纤通信器件光纤通信器件25耦合透镜：将光源(LD或另一光纤输出光)的功率有效地耦合进入光纤时，可利用自聚焦透镜作为耦合透镜，将光纤置于自聚焦透镜端面上，也可将多个自聚焦透镜级联。这时有000coscossinarcsinsincossinoutssoutssAZAZNAlAZnANAlnAAZAZnAAZ式中，式中，l是光源到透镜前端面的距离；是经透镜输出光是光源到透镜前端面的距离；是经透镜输出光光斑最大半径；是经透镜输出光束的张角；是光源光斑最大半径；是经透镜输出光束的张角；是光源半径；是光源输出光张角对应的数值孔径。半径；是光源输出光张角对应的数值孔径。可以看到，选择合适的物距可

18、以看到，选择合适的物距l值与透镜长度值与透镜长度Z，与接收光，与接收光纤参数匹配，可以使与尽可能地小，可取得最纤参数匹配，可以使与尽可能地小，可取得最良好的耦合效果良好的耦合效果。outoutssNAoutout第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件26(3)自聚焦透镜成像 自聚焦透镜除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。对于P/2及1P截距的自聚焦透镜其端面成像机理如图2.5所示。P/2截距的自聚焦透镜其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦透镜其端面成等大正像。对于P/4截距的自聚焦透镜物在无穷

19、远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远）。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件27等高成像透镜：在复印机、传真机、印刷机等成像光学系统中需要采用1：1成像系统。这时采用自聚焦透镜最为简便，因为一根自聚焦透镜可满足正立、等倍、实像的条件。而普通透镜至少需要三块透镜组合成复合透镜。实际使用时，将物置于自聚焦透镜物方主平面上，在像方主平面上就会成一个物等高的实像。透镜长度应在半倍节距和一倍节距之间。采用自聚焦透镜可使物象变换系统大大缩短物像共轭长度。同时，它在整条直线上成像分辩率相同，可使整

20、个视场的传递函数值比较均匀，从而提高成像质量。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件28光纤准直器：利用自聚焦透镜构成体积小巧的准直器。或者逆向传输，实现聚焦功能，把平行光束聚焦到光纤传输。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件292.光环行器光环行器n光环行器的基本工作原理:通过一系列端口沿一个方向传送光信号。即:在端口1输入的光信号只会在端口2输出；在端口2输入的光信号只会在端口3输出；在端口3输入的光信号只会在端口1输

21、出。方向性一般大于50dB。端口端口1端口端口2端口端口3第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件30-450+450-450 +450+450 +450+450 +450端口端口1(只有输入只有输入)端口端口2(输出输出/输入输入)端口端口3(输出输出/输入输入)端口端口4(只有输出只有输出)+450 +450+450 +450-450 +450-450 +450+450 +450-450 +450+450 +450:光束位移器光束位移器:波片波片:法拉第旋转片法拉第旋转片:垂直偏振垂直偏振:水平偏振水平偏振

22、第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件31光束位移器光束位移器:由强双折射材料由强双折射材料(晶体晶体)制成，它将制成，它将不同偏振的光沿有微小差别的方向偏折。输入光是不同偏振的光沿有微小差别的方向偏折。输入光是非偏振的，但是进入晶体后分成两束，一束垂直偏非偏振的，但是进入晶体后分成两束，一束垂直偏振，另一束水平偏振；垂直偏振的一束向上偏折而振，另一束水平偏振；垂直偏振的一束向上偏折而水平偏振的一束直线通过。水平偏振的一束直线通过。n法拉第旋转片:对光的偏振面的旋转具有非互异性，设计成正向通过时偏振面被旋转+

23、450角，反向通过时依然被旋转+450角。n波片片:对光的偏振面的旋转具有互异性，设计成正向通过时偏振面被旋转+450角，反向通过时被旋转-450角。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件32第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件33光环行器的主要应用光环行器的主要应用n光纤光栅型WDM；nOADM以及其他波长路由器件；n双向传输系统；光发射机光发射机1光发射机光发射机2光接收机光接收机1光接收机光接收机2122331第五章

24、第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件34光环行器的主要应用光环行器的主要应用n反射镜。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件353.光衰减器光衰减器n光衰减器是随着光纤通信的发展出现的一种光器件，实现对光信号能量进行预期地衰减，可用于光通信线路/系统的评估、研究以及调整、校正等。分类分类位移型光衰减器直接镀膜型光衰减器(吸收膜或反射膜型光衰减器)衰减片型光衰减器液晶型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器第五章第五章 光纤

25、的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件36(1)位移型光衰减器位移型光衰减器n横向位移型光衰减器n单模光纤的模场分布:模场半径，0200 wexpwrErEn光纤轴线横向错位d后传输到第二根单模光纤的端面时，模场分布变化为:端面时的半径光束传输到第二根光纤，1210 wexpwrErE2120011wdww第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件37相对于第二根光纤纤芯，入射光束的模场分布相对于第二根光纤纤芯，入射光束的模场分布发生了变化，带来

26、了由于模场失配产生的能量损失。发生了变化，带来了由于模场失配产生的能量损失。忽略光纤的轴向间隙，横向位移引起的光能量损耗忽略光纤的轴向间隙，横向位移引起的光能量损耗为为:01422100,116:,explg10nnkkkwdALd其中反反n因此，可以设计出相应于不同损耗的横向位移参数，并通过一定的机械定位方式予以实现，得到所需要的光衰减器。n通常，横向位移参数的数量级在微米量级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器类型。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件38轴向位移型光衰减器轴向位移型光衰减器

27、n光纤端面的间隙s同样也会带来光能量的损失，也可以通过高斯光束失配的方法，求得由于光纤端面间的轴向间隙引起的光能量损失:202220ws:,214lg10其中反BLsn在设计横向位移型光衰减器时，只要用机械的方式将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的。这种类型的固定光衰减器可以看成是损耗大的光纤连接器，设计时通常与连接器的结构结合起来考虑，外形也酷似光纤连接器。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件39(2)直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器n直接镀膜型光衰减器通常的做法是直接在光纤端面镀制金属

28、吸收膜或反射膜，利用吸收膜或反射膜来衰减光能量。n(3)衰减片型光衰减器n衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，从而达到衰减光信号的目的。这种方法可以用来制作固定光衰减器，也可以用来制作可变光衰减器。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件40衰减片型光衰减器的具体做法衰减片型光衰减器的具体做法是通过机械装置，是通过机械装置，将衰减片直接固定在准直光路中，当光信号经过第将衰减片直接固定在准直光路中，当光信号经过第一个光纤准直器准直后，通过衰减片时光能量被衰一个光纤准直器准直后，通

29、过衰减片时光能量被衰减，再经过第二个光纤准直器聚焦耦合到输出光纤。减，再经过第二个光纤准直器聚焦耦合到输出光纤。n使用不同衰减量的衰减片，就可以得到相应衰减值的光衰减器。n衰减片常用的材料主要有:红外有色光学玻璃、晶体、光学薄膜和滤光片等。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件41衰减片型可变光衰减器衰减片型可变光衰减器n衰减片型可变光衰减器可以分为三种:na 双轮式可变光衰减器n(a)步进式双轮可变光衰减器盘盘1盘盘2衰减片衰减片第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月

30、25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件42这种结构的光路采用平行光路，在光路中插入这种结构的光路采用平行光路，在光路中插入两个具有固定衰减量的圆盘，不同衰减量的衰减片两个具有固定衰减量的圆盘，不同衰减量的衰减片分别装在两个圆盘上，通过旋转两个这两个圆盘，分别装在两个圆盘上，通过旋转两个这两个圆盘，使两个圆盘上的不同衰减片相互组合，即可获得不使两个圆盘上的不同衰减片相互组合，即可获得不同档位的衰减量。同档位的衰减量。n衰减片可采用镀膜或吸收型玻璃片制作。n(b)连续可变双轮式光衰减器步进圆盘步进圆盘连续可变衰减片连续可变衰减片衰减片衰减片第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺

31、和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件43连续可变光衰减器的总体结构和工作原理连续可变光衰减器的总体结构和工作原理同双同双轮式可变光衰减器相似。不同的是在衰减元件上做轮式可变光衰减器相似。不同的是在衰减元件上做了相应的设计变化，它由一个步进圆盘和一片连续了相应的设计变化，它由一个步进圆盘和一片连续变化的衰减片组合而成。步进圆盘有相应的衰减档变化的衰减片组合而成。步进圆盘有相应的衰减档位，这样通过步进圆盘的粗档和连续变化衰减片的位，这样通过步进圆盘的粗档和连续变化衰减片的细档共同作用即可达到连续衰减光能量的目的。细档共同作用即可达到连续衰减光能量的目的。n连续

32、衰减片:采用真空镀膜的方法，在圆形光学玻璃片上镀制金属吸收膜而制成；镀膜时，采用特殊的专用扇形装置(可连续均匀地改变其张角)来覆盖玻璃基片，使得所镀的膜层厚度逐渐均匀变化，从而使衰减量连续变化。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件44b 平移式光衰减器平移式光衰减器n这种光衰减器的衰减元件改用全量程连续变化的虑光片，虑光片的制作方法同扇形连续变化衰减片相似，使所镀膜的光学密度随虑光片平移的方向呈线性变化；其他元件与双轮式结构一样。连续可变衰减片连续可变衰减片光纤准直器光纤准直器1光纤准直器光纤准直器1第五章

33、第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件45连续变化虑光片的透过率连续变化虑光片的透过率:skTT0n式中，k是常数，由虑光片吸收系数和虑光片的几何尺寸决定；s是虑光片垂直于光路的位移量；T0是虑光片起始处的透射率。n这种光学结构的衰减器，其连续变化的衰减量的线性度依赖于吸收膜的均匀性、虑光片位移面的平整性。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件46c 智能型机械式光衰减器智能型机械式光衰减器n前面所讲的几种光衰减器都采用了机械定位

34、或机械调节调节衰减量、刻度盘读数等方法，不可避免地或多或少带来一定的精度误差。n智能型光衰减器通过电路控制电动齿轮，驱动可调衰减元件按预定的衰减量变化，同时将检测到的实际衰减量作为反馈信号，反馈到电路中对衰减量进行修正，从而达到自动驱动、自动检测和显示光衰减量的目的。光衰减光衰减部件部件驱动电驱动电路路监控电监控电路路显示电路显示电路计算机远端控制计算机远端控制第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件47(4)液晶型光衰减器液晶型光衰减器n液晶型光衰减器利用分子轴扭向排列的液晶。:光束位移器光束位移器:玻璃基片

35、玻璃基片:透明电极透明电极:液晶层液晶层第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件48工作原理工作原理:n光纤入射的光信号被光束位移器分成两束线偏振光，经过液晶层时，如果液晶层没有加电压，则两束线偏振光的振动面同时被旋转450角，旋转后的偏振光再经过第二个光束位移器合为一束平行光出射，然后耦合进光纤。n当液晶层加相应的电压以后，液晶晶向旋转角，两束偏振方向互相垂直的线偏振光经过此时的液晶时同时被旋转(450+)角度，经过第二个光束位移器时合为一束平行光时造成光能量的损耗。n液晶晶向旋转角随外加电压的变化而变化。第

36、五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件49光衰减器基于功能的分类光衰减器基于功能的分类n光衰减器的特性参数:n固定光衰减器n可变光衰减器na 衰减量和插入损耗；nb 衰减精度；nc 回波损耗。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件504 光开关光开关n光开关是光纤通信中作为光路切换之用的，实现光通道的通断和转换。比如主用光纤和备用光纤之间的切换，或者光交换机中的光路切换，实现全光层的路由选择、光交叉连接、自愈保护等功能。光开关

37、是实现全光网络的核心技术之一。n光开关的性能参数:na 插入损耗:输出端口相对于输入端口光能量的损耗，以分贝表示。inoutPPILlg10n光开关是以光为核心实现光的通断的系统部件，不存在光电转换。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件51b 回波损耗回波损耗:从输出端口返回到输入端口的光功率与从输出端口返回到输入端口的光功率与输入端输入的光功率的比值，以分贝表示。输入端输入的光功率的比值，以分贝表示。nc 隔离度:两个相隔离输出端口之间，非输出端口的光功率与输出端口光功率之间的比值，也以分贝表示。nd 开

38、关时间:指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，测量开关时间时从施加或撤去转换能量的时刻开始。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件52输出光纤输出光纤输出光纤输出光纤各种类型的光开关各种类型的光开关n光开关可以分为机械式和非机械式光开关。n(1)机械光开关n机械光开关通过移动光纤或其他光学器件从而达到改变光信号方向的目的。机械装置控制光纤或其他光器件切换光路第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件53光开关器件中，准直

39、和会聚光器件分别在输入光开关器件中，准直和会聚光器件分别在输入端和输出端将光束进行准直以便控制以及会聚聚焦端和输出端将光束进行准直以便控制以及会聚聚焦到输出光纤。到输出光纤。n机械光开关的共同点是它们运作都涉及到光器件的移动，精确的移动设计要求非常严格。n机械光开关是最简单最便宜的光开关，在光通信领域得到了广泛的应用；主要应用于保护交换、以及必要时能够交换信号但又不经常发生光路切换的场合。n机械装置使输入光纤的一小段长度发生弯曲，或通过机械触发/电触发的方式改变光路方向。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件

40、54(2)电光电光/磁光磁光/声光光开关声光光开关n利用晶体在外加电压/磁场，或者声波通过晶体材料时光学特性会相应的发生变化，最终导致光信号之间的相位变化或者偏振态发生预期的变化。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件55(3)热光光开关热光光开关n热光光开关技术主要是用来制造小型光开关，通过集成多个12光开关也可组成较大的阵列。n热光光开关产生开关效应的机理是热光效应。热光效应通过加热的方法，使光传输的介质的温度发生变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生变化。n折射率随温度的变化关系:TnTTnnTnn

41、Tn000n式中，n0为温度变化之前的折射率，T为温度的变化，为热光系数，单位是/0C。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件56n温度变化最终导致相位的变化:0022TLLnna 干涉式热光光开关(M-Z干涉型)1243n在Si或NiLiO3基底上生成3dB耦合器构成的对称M-Z干涉仪，其中一个干涉臂上镀有金属加热器，形成相位延迟器。多采用Si基底，因为散热比较好。金属膜加热器金属膜加热器NiLiO3基底基底第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日

42、光纤通信器件光纤通信器件57设定温度为设定温度为T0时，两条干涉臂产生的相位差为时，两条干涉臂产生的相位差为0，对于，对于3端口来说，光信号产生干涉加强输出，而端口来说，光信号产生干涉加强输出，而4端口干涉相消没有光能量输出；当温度为端口干涉相消没有光能量输出；当温度为(T0+T)时，时，3端口和端口和4端口正好反过来，端口正好反过来，4端口产生干涉加端口产生干涉加强输出光信号，而强输出光信号，而3端口没有光能量输出，达到端口没有光能量输出，达到3端端口和口和4端口切换光路的目的。端口切换光路的目的。n干涉式热光光开关结构紧凑，但是对光波长敏感，而且需要进行精密温度控制。nb 数字式热光光开关

43、(DOS)第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件58数字式热光光开关数字式热光光开关的原理和结构比较简单，一的原理和结构比较简单，一般是通过模式重组来实现光路切换的动作，通过加般是通过模式重组来实现光路切换的动作，通过加热光路分支的折射率，从而控制光路的改变。热光路分支的折射率，从而控制光路的改变。n最简单的数字式是12的Y型光纤耦合器分支结构:金属膜加热器金属膜加热器0000TTnTTTnnncc下n式中，T0为设定室温，TC为光通路改变的临界温度，为热光系数。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造

44、工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件59为了实现模式选择的绝热状态，要求分支角很为了实现模式选择的绝热状态，要求分支角很小，一般在零点几度或者零点零几度。通常采用热小，一般在零点几度或者零点零几度。通常采用热光系数高的聚合物制作波导。光系数高的聚合物制作波导。n不加热时，n上大于n下，光信号从1端口输出，加热到一定温度时，n上小于于n下，光信号切换到2端口输出。n数字式热光光开关结构简单，制作容差大、当输入电压控制温度变化时光强呈阶跃特性。n(4)喷墨气泡光开关第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日

45、星期日 光纤通信器件光纤通信器件60气泡光开关技术气泡光开关技术是利用气泡和波导之间的全反是利用气泡和波导之间的全反射来达到光路切换的目的。射来达到光路切换的目的。n安捷伦(Agilent)公司的喷墨气泡光开关第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件61每个沟道中填充有与波导相同折射率的匹配液，每个沟道中填充有与波导相同折射率的匹配液，中部有一个微电阻，中部有一个微电阻，HP的喷墨技术控制微电阻，使的喷墨技术控制微电阻，使其发热产生气泡，并使气泡移动到交叉点，光信号其发热产生气泡，并使气泡移动到交叉点，光信号在

46、气泡界面发生全反射，此时光信号处于关的状态，在气泡界面发生全反射，此时光信号处于关的状态，切换到另一条光路传输，否则光路处于开的状态切换到另一条光路传输，否则光路处于开的状态。n气泡尽管在移动，但是气泡光开关不存在机械移动部分，开关时间(气泡产生消失时间)在ms量级。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件62:波导波导:沟道沟道第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件63(5)液晶光开关液晶光开关n液晶光开关技术利用液晶晶向在

47、外电场的作用下会发生改变，晶向又影响在液晶中传输的偏振光的偏振态。n一般情况，设计液晶光开关时，液晶在未加电压时对偏振光的偏振态不会施加影响，保持原来的的偏振态在液晶中传播，当给施加一定电压后，液晶晶向的变化导致偏振态发生改变，使其旋转900，从而改变光信号的传输方向。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件64端口端口1端口端口2输入端输入端端口端口1端口端口2输入端输入端:水平偏振水平偏振:垂直偏振垂直偏振:光束位移器光束位移器:液晶液晶第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年

48、12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件65(6)全息光开关全息光开关n全息光开关利用布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息技术在晶体内部生成布拉格光栅，当没有外加电压时，光能直接通过晶体，从输出端口输出；反之，给晶体施加电压改变布拉格光栅的结构参数，此时布拉格光栅把光信号反射到另一个输出端口，达到切换光路的目的。n(7)微机电系统(MEMS)光开关nMEMS(或MOEMS:微光学电子机械系统)光开关被认为是全光网络中最有应用前景的一项光开关技术。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件66ME

49、MS(Micro-Electro-Mechanical System)是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。而路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。而MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical System)把微光学应用到微机电系统中，这是微机把微光学应用到微机电系统中，这是微机电系统在光纤通信中的重要应用。电系统在光纤通信中的重要应用。n微光学电机械芯片是包含一个或一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用遍及光纤通信、光显示、及光学传感等多个方面。第五章第五章 光

50、纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022年年12月月25日星期日日星期日 光纤通信器件光纤通信器件67MEMS光开关的控制原理光开关的控制原理nMEMS光开关是利用机械开关的原理，同时利用平面波导技术，将微机械系统集成在单片硅基底上；实用化的MEMS光开关原理十分简单，其结构实质上是微镜片阵列，当进行光交换时，通过移动或改变镜片角度，把光信号直接送到或反射到光开关阵列的不同输出端。n镜片的移动、镜片角度的改变多采用静电法驱动或磁感应法驱动、光功率驱动、热驱动、电致伸缩法驱动。不同的驱动方式决定了MEMS光开关的控制和驱动电路的形式不同，由于MEMS对光器件的改变精度要求很高，因此对相