1、无源光器件2022-4-172主要内容主要内容 一、光纤的连接与光纤连接器一、光纤的连接与光纤连接器 二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器三、光合波器、光分波器三、光合波器、光分波器四、光隔离器四、光隔离器 五、光开关五、光开关六、光可变衰减器六、光可变衰减器七、七、光纤光栅光纤光栅八、光锁相环与非线性光环镜八、光锁相环与非线性光环镜NLOM2022-4-173l概述概述 构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件，光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件，如如连接器连接器、衰减器衰减器、隔离器隔离器、滤波器滤波
2、器、分路器分路器、复用器复用器、光开关光开关和和调制器调制器等。等。 它们在系统中各起着光学连接、光功率分它们在系统中各起着光学连接、光功率分配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用的无源光器件的原理及性能。的无源光器件的原理及性能。2022-4-174一、光纤的连接与光纤连接器一、光纤的连接与光纤连接器光纤连接器光纤连接器 fiber optic connectorfiber opt
3、ic connector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用于设备与光纤之间的连接。于设备与光纤之间的连接。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的断面根或多根光纤芯线的断面对准对准、贴紧贴紧，并能多，并能多次使用。次使用。 光纤连接器在工艺上应满足的条件：光纤连接器在工艺上应满足的条件： 1 1）连接损耗要小于）连接损耗要小于 0.5dB0.5dB； 2 2）装、拆方便，重复性好；）装、拆方便，重复性好； 3 3）体积小，成本低等。）体积小，成本低等。 光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。光纤连接
4、器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。 2022-4-175 光纤与光纤的连接有两种形式，一种是光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性永久性连接连接，另一种是，另一种是活动连接活动连接。 永久性连接具有永久性连接具有粘接法粘接法和和熔接法熔接法之分，目前之分，目前多采用多采用熔接法熔接法。 l光纤连接器的基本构成光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图所示。管的作用。如图所示。2022-4-176 光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在光纤
5、很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下以下，因此熔接必须使用机器才行。，因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在良好的接续是指在接续点上没有光传输的不连续现象接续点上没有光传输的不连续现象。 下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会等等。由于这些不连续性，也会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射式返回发送端。有
6、空隙时，因玻璃纤维和空气折射率的差异，也会引起反射，此现象又称率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（菲涅耳（Fresnel）反射）反射。2022-4-177接续点上的不连续现象接续点上的不连续现象2022-4-178l 由于折射率不同引起的反射可用由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式菲涅耳公式计算。计算。设玻璃的折射率为设玻璃的折射率为n1时，时，光功率的反射系数光功率的反射系数可用下式求可用下式求出：出： r =(n1 - n2 )/(n1 + n2)2 例如例如:当当 n1 1.45， n2 1，r 3.4%时，即有时，即有14.7dB的反射损耗。的反射损耗。 在单模光纤连时接，除要
7、求纤径一致之外，更重要在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要的是要求在实质上代表分布宽度的的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径（模场直径（MFD：Mode Field Diameter）一致。）一致。 目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头附加损耗可控制在附加损耗可控制在0.1dB以下。以下。2022-4-179 使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳
8、反射等原因，对信使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射角余角调整到大于临界角余角，角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏使反射光进入包层并最终泄漏出去出去。为此把连接器的。为此把连接器的管芯端面按管芯端面按8进行倾斜研磨，就可以进行倾斜研磨，就可以实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC(Ph
9、ysical Contact) 型连接器型连接器。实际使用的实际使用的PC型连接器如图所型连接器如图所示，把套管端面研磨成球面。示，把套管端面研磨成球面。PC接续的反射很小，它的反射接续的反射很小，它的反射损耗可达损耗可达25dB以上。如果经以上。如果经过精密加工研磨，就可将反射过精密加工研磨，就可将反射损耗指标提高到损耗指标提高到40dB以上。以上。2022-4-1710 光纤连接器又分为光纤连接器又分为多模连接器多模连接器和和单模连接器单模连接器。 多模连接器用于多模光纤系统，它有多模连接器用于多模光纤系统，它有U型型环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器环路连接器、插座式连接器、现场装
10、配连接器（FA）以及）以及C型连接器等，它们的损耗在型连接器等，它们的损耗在0.4-0.5dB以下。以下。 单模光纤连接器有单模光纤连接器有PC型（直接接触型）、型（直接接触型）、FC型（平面对接型）、型（平面对接型）、SC型（矩形）、型（矩形）、ST型型等几种。等几种。2022-4-1711l FC型型(平面对接型平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成，其连接器是由连接插头、插座组成，其结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有
11、很高的精度。高的精度。2022-4-1712l SF型连接器（矩形）是室外用连接器，具有防型连接器（矩形）是室外用连接器，具有防水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管，水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管，其价格便宜，可以和其价格便宜，可以和FC型连接器进行互换。型连接器进行互换。lMF型连接器用于隧型连接器用于隧（通）道里敷设光缆（通）道里敷设光缆的缆间接续中，可以的缆间接续中，可以对带状对带状5芯光纤进行一芯光纤进行一次性连接，由于体积次性连接，由于体积小，可以装在标准接小，可以装在标准接头盒内，实现光纤的头盒内，实现光纤的高密度接续，其结构高密度接续，其结构如图所示。如图所示。
12、2022-4-1713二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器l 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个或把多个输入的光信号组合成一个输出。输出。l 这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。损耗，还有一定的反射和串扰噪声。l 耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器器专称为波分复用器/ /解复用器。解复用器。2022-4-1714二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器l 图表
13、示了图表示了波导型分支器波导型分支器的结构。它是一种的结构。它是一种Y型型分支，一根芯线一端输入的光可用它加以分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分等分。当分支器分支路的开角增大时当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光向包层中泄露的光将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在12左右，因此左右，因此分支器分支器的长度不可能太短。的长度不可能太短。2022-4-1715l光纤耦合器光纤耦合器 fiber optic coupler 将不同方向的光信号将不同方向的光信号耦合耦合送入一根光纤中传输，或送入一根光纤中传输，或者相反。结构：者相反。结构：棱镜耦合式棱
14、镜耦合式光纤耦合式光纤耦合式Port 1Port 1Port 4Port 4Port 3Port 3Port 2Port 22022-4-1716l 2x2定向耦合器及定向耦合器及1N、NN星形星形 耦合器大多数采用耦合器大多数采用熔熔融渐变双锥融渐变双锥的制造方法，即将多根的制造方法，即将多根裸裸光纤绞合在一光纤绞合在一 起，火起，火焰加热到软化温度后适当拉焰加热到软化温度后适当拉 伸，在熔融区形成渐变双锥结伸，在熔融区形成渐变双锥结构。构。 图图b是是 X型型22定向耦合器。定向耦合器。2022-4-1717图图c c为为8 8路传输型星型耦合器路传输型星型耦合器图图d d为为8 8路反射
15、型星型耦合器路反射型星型耦合器2022-4-1718l 光纤耦合器的光纤耦合器的指标指标有插入损耗、分光比与隔离度有插入损耗、分光比与隔离度（或方向性）等。例如（或方向性）等。例如22定向耦合器定向耦合器插入损耗插入损耗为：为： L1,2 =10lg(P1,2 /(P 3+P 4) (dB) 式中，式中， P1,2 为从输入端为从输入端1或或2输入的光功率，输入的光功率， P 3,P 4 为输出端为输出端3、4的输出功率。定向耦合器的的输出功率。定向耦合器的分光比为输分光比为输出端的功率分配比出端的功率分配比，即，即 = P 3/P 4 隔离度反映定向耦合器隔离度反映定向耦合器反向散射信号的大
16、小反向散射信号的大小。当从。当从1端注入光功率，端注入光功率，3、4端输出功率时，端输出功率时，2端对端对1端的端的隔离隔离度度定义为：定义为： I=10lg(P 3+P 4) / P2 ) (dB) 光纤定向耦合器的插入损耗为光纤定向耦合器的插入损耗为0.21dB,分光比分光比199（根据需要（根据需要)，隔离度可大于，隔离度可大于65dB。2022-4-1719l 星形耦合器的星形耦合器的插入损耗插入损耗为从输入端口把光功率为从输入端口把光功率耦合到所有输出口的光功率损耗，即耦合到所有输出口的光功率损耗，即 Lin=10lgPj/Pi j=1.N 式中式中Pj为从各端口输出的功率，为从各端
17、口输出的功率，Pi为从某个输为从某个输入端上输入的功率。对传输型耦合器，入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端为输出端数；对于反射型耦合器，数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数为输入端数与输出端数之和。之和。 进入星形耦合器的光功率分配是进入星形耦合器的光功率分配是等分等分到到N个输个输出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出端口输出的功率和的端口输出的功率和的1N，它称为，它称为功率分配系数功率分配系数。 另外，可用多个另外，可用多个22定向耦合器来构成定向耦合器来构成NN的的星形耦合器（见下图）。星形耦合器（见下图）。 2022
18、-4-1720由由1212个个2 22 2耦合器组成的耦合器组成的8 88 8星形耦合器星形耦合器 2022-4-1721三、光合波器、光分波器三、光合波器、光分波器 光合波器和光分波器是用于波分复用等传光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个可将不同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输，或，或者反过来说，者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为。前者称为合波器，后者称为光分波器。合波器，后者称
19、为光分波器。 如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等几种类型。几种类型。 2022-4-1722光合波器和光分波器的类型光合波器和光分波器的类型 2022-4-1723直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1 2P 0 P1 P2熔锥光纤型波分复用器结构和特性熔锥光纤型波分复用器结构和特性 公共臂公共臂2022-4-1724衍射光栅型波分复用器结构示意图衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1+ 2+ 32022-4-1725采用
20、棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+ 2+ 3 1 2 3+ + 3 1 2 32022-4-1726l 图中给出了一种利用图中给出了一种利用多层膜制成的滤光器多层膜制成的滤光器，这是一种，这是一种波导型分波滤光器。其结构是一直线形单模波导的中间开波导型分波滤光器。其结构是一直线形单模波导的中间开一斜槽，且在其中插入一多层膜滤光器。当一斜槽，且在其中插入一多层膜滤光器。当1.55um的光进的光进入时可通过该滤光器继续前进，而当入时可通过该滤光器继续前进，而当1.3um的光进入时则的光进入时则被该滤光器反射，沿另一斜置的多模波导被分离出来。这被该滤光器
21、反射，沿另一斜置的多模波导被分离出来。这种结构种结构可用来作为分波器可用来作为分波器，但若反向使用时却不能做合波，但若反向使用时却不能做合波器用，这是因为多模一侧损耗大的缘故器用，这是因为多模一侧损耗大的缘故。2022-4-1727l 多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近 /2或者或者 /4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重塑形成薄膜，于是介质膜交替重塑形成薄膜，于是对于特定波长表现出对于特定波长表现出较强的选择性较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜。这种波长选择性主要依赖于电介质膜
22、的层数、膜的厚度、膜的材料等。的层数、膜的厚度、膜的材料等。2022-4-1728 采用电子射束蒸镀方法，可将采用电子射束蒸镀方法，可将SiO2（低折射率材料，（低折射率材料，n=1.46）和）和 TiO2（高折射率材料，（高折射率材料，n 2.3）积层）积层 2040层，层，实现带通滤波器（实现带通滤波器（BPF）、长波长带通滤波器（）、长波长带通滤波器（LWPF）、短）、短波长带通滤波器波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。等各种滤波特性。 这种带通滤波器的实际结构如图所示。这种带通滤波器的实际结构如图所示。2022-4-1729四、光隔离器四、光隔离器l 半导体激光器及光放大器等对来
23、自连接器、熔接点、半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光通光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件过的无源光器件，其工作原理是基于，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易法拉弟旋转的非互易性性。l偏振器偏振器: :一种光学器件，偏振器中有一透光轴，一种光学器件，偏振器中有一透光轴，其输出光为某一种形式的偏振光。当光的偏振方其输出光为某一种形式的偏振光。当光的偏振方向与透光轴水平时，则光全部通过；垂直时，则向与透光轴水平时
24、，则光全部通过；垂直时，则光全部隔离。光全部隔离。2022-4-1730隔离器隔离器工作原理如下图所示。工作原理如下图所示。 这里假设入射光只是这里假设入射光只是，第一个偏振器的透振方，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，向也在垂直方向， 因此输入光能够通过第一个偏振器。因此输入光能够通过第一个偏振器。 紧接第一个偏振器的是紧接第一个偏振器的是，法拉弟旋转器由，法拉弟旋转器由旋旋光光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且，并且其其旋转方向与光传播方向无关。旋转方向与光传播方向无关。 回忆一下：回忆一下：光偏振光偏振(极化极化) 单模光纤中
25、传输的光的单模光纤中传输的光的偏振态偏振态(SOP：State of Polarization) 是在垂直于光传输方向的平面上是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量电场矢量的振动方向。的振动方向。 在任何时刻，在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。个正交分量分别称为水平模和垂直模。 2022-4-1731偏振器偏振器法拉弟法拉弟旋转器旋转器偏振器偏振器反射光反射光阻塞阻塞入射光入射光SOP隔离器工作原理隔离器工作原理2022-4-1732 法拉弟旋转器法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，后面跟着的是第二个偏振器
26、， 这个偏振器的这个偏振器的透振方向在透振方向在45方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45后的光后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件些器件(即正方向传输即正方向传输)是没有损耗的是没有损耗的(插入损耗除外插入损耗除外)。 另一方面另一方面，假定在右边存在某种反射，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射比如接头的反射)， 反反射光的偏振态也在射光的偏振态也在45方向上，当反射光通过方向上，当反射光通过时再时再继续旋转继续旋转45，此时就变成了，此时就变成了。不能通过不能通过左面偏
27、振器左面偏振器(第一个偏振器第一个偏振器)，于是于是就达到就达到隔离效果隔离效果。 然而在实际应用中，入射光的偏振态然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向偏振方向)是任意的，是任意的，并且随时间变化，因此必须要求并且随时间变化，因此必须要求的工作与入射光的的工作与入射光的无关，于是无关，于是的结构就变复杂了。的结构就变复杂了。 一种小型的与入射光的一种小型的与入射光的偏振态无关的偏振态无关的结构如下图所示。结构如下图所示。2022-4-1733一种与输入光的偏振态无关的隔离器一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出光纤输出SWP半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入光纤
28、输入(a)光纤输出光纤输出SWP半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋转器SWP光纤输入光纤输入(b)2022-4-1734 具有任意具有任意的入射光首先通过一的入射光首先通过一个个空间分离偏振器空间分离偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。 这个这个的作用是将入射光分解为两个的作用是将入射光分解为两个，让让垂直分量垂直分量直线通过直线通过， 水平分量水平分量偏折通过。偏折通过。 这个半波片的作用是将从左向右这个半波片的作用是将从左向右传播的光的传播的光的顺时针顺时针旋转旋转45，将从右向左传播的光的，将从右向左传播的光的逆时针旋转逆时针旋转45。 因而因而与半波
29、片的组合可以使与半波片的组合可以使变为变为，反之亦然。，反之亦然。 最后两个分最后两个分量的光在输出端由另一个量的光在输出端由另一个合在一起输出。合在一起输出。 两个分量都要通过两个分量都要通过， 其偏振态都要旋转其偏振态都要旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片 (/2 plate或或halfwave plate)。 2022-4-1735 另一方面，另一方面， 如果存在反射光在反方向上传输，半波片如果存在反射光在反方向上传输，半波片和和的旋转方向正好相反，当两个分量的光通的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，过这两个器件时， 其旋转效
30、果相互抵消，其旋转效果相互抵消，维持不变，维持不变，在输入端不能被在输入端不能被再组合在一起，如图所示，于是就起再组合在一起，如图所示，于是就起到隔离作用。到隔离作用。 除了有多个端口外，其工作原理与除了有多个端口外，其工作原理与隔离器隔离器类似。类似。 如图所示，典型的如图所示，典型的环行器环行器一般有三个或四个端口。一般有三个或四个端口。 在三端口环行器中，端口在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口输入的光信号在端口2输出，输出，端口端口2输入的光信号在端口输入的光信号在端口3输出，端口输出，端口3输入的光信号由端输入的光信号由端口口1输出。输出。 光环行器光环行器主要用于主要用于光分
31、插复用器光分插复用器中。中。2022-4-1736 光环行器光环行器 (a) 三端口；三端口； (b) 四端口四端口 132(a)(b)13242022-4-1737五、光开关五、光开关 光开关在光纤通信技术中作光开关在光纤通信技术中作光路切换光路切换之用，如为了之用，如为了提高系统可靠性用于主开关切换等。光开关大体可分提高系统可靠性用于主开关切换等。光开关大体可分为两种为两种: 一种一种是以机械方式驱动光纤和棱镜等光学器件进是以机械方式驱动光纤和棱镜等光学器件进行行光路光路的转换；的转换； 一种一种是利用光电效应和声光效应来转换电路，而没是利用光电效应和声光效应来转换电路，而没有机械动作。有
32、机械动作。 前者为前者为机械式机械式光开关，后者为光开关，后者为电子式电子式光开关。二光开关。二者相比，目前机械式光开关的光路转移速度慢，但因者相比，目前机械式光开关的光路转移速度慢，但因它具有较低的主损耗和较低的串光量优点，在实际中它具有较低的主损耗和较低的串光量优点，在实际中得到应用。一般损耗典型值为得到应用。一般损耗典型值为0.5 dB，最大，最大1.2 dB，隔，隔离度可达离度可达80 dB，响应速度约为，响应速度约为 15 ms，其结构原理示，其结构原理示意图如下图所示。意图如下图所示。2022-4-1738机械式机械式光开关光开关2022-4-1739微电机械光开关微电机械光开关M
33、EMSMEMS 近来由于微电机械系统即近来由于微电机械系统即MEMSMEMS的出现，的出现， 使得机使得机械开关备受人们的重视。械开关备受人们的重视。 MEMSMEMS采用了毫微米技术的工采用了毫微米技术的工艺艺, , 可以像半导体工艺一样在一个基片上制造出很微可以像半导体工艺一样在一个基片上制造出很微小的机械，小的机械， 如传动齿轮装置、如传动齿轮装置、 步进电机、步进电机、 高度抛光高度抛光的金平板（反射镜）、的金平板（反射镜）、 螺杆等。螺杆等。 这样的微机械可以与电的传动机械相连安排在这样的微机械可以与电的传动机械相连安排在光路上，光路上， 来控制反射镜使其运动，来控制反射镜使其运动，
34、 从而改变光的方从而改变光的方向。向。 MEMSMEMS技术已发展到能在同一个芯片上集成按阵列技术已发展到能在同一个芯片上集成按阵列排放的许多反射镜，排放的许多反射镜， 有望获得低损耗连接、有望获得低损耗连接、 小型化小型化设计及大的互连矩阵。设计及大的互连矩阵。 下图给出了一个下图给出了一个MEMSMEMS开关的原开关的原理和相应的实例理和相应的实例2022-4-1740 微机械反射镜开关MEMS(a) MEMS开关的原理； (b) 实例2022-4-1741l 波导型光开关波导型光开关采用采用LiNbO3或或GaAs等半导体材料为等半导体材料为衬底，制造两条（或多条）条形光波导，形成衬底，
35、制造两条（或多条）条形光波导，形成定向耦合定向耦合器器，通过电极上的调制电压控制两个输出臂间的光功率，通过电极上的调制电压控制两个输出臂间的光功率通断。波导光开关的主要优点是开关速率高，可达几个通断。波导光开关的主要优点是开关速率高，可达几个GHz以上，开关电压以上，开关电压5 V10V，但插入损耗相对较大，但插入损耗相对较大，可达几可达几dB（分贝）。（分贝）。2022-4-1742六、光可变衰减器六、光可变衰减器l 光可变衰减器光可变衰减器是对光功率有一定衰减量的器件是对光功率有一定衰减量的器件。为了。为了衰减光的强度，衰减光的强度，一般采用使一部分光功率被物质吸收的方一般采用使一部分光功
36、率被物质吸收的方法法。这可以在玻璃基片上蒸镀透射系数（和反射系数）变。这可以在玻璃基片上蒸镀透射系数（和反射系数）变化很小的金属膜来实现。金属薄膜使用镍（化很小的金属膜来实现。金属薄膜使用镍（NiNi）、铬（）、铬（CrCr）等化合物材料，光的衰减量大小可由薄膜的）等化合物材料，光的衰减量大小可由薄膜的厚度厚度进行控进行控制。制。l 光可变衰减器可以分为：能改变光衰减量而尺寸比较光可变衰减器可以分为：能改变光衰减量而尺寸比较大的大的可变衰减器可变衰减器和衰减量为一定值的和衰减量为一定值的固定衰减器固定衰减器两种。两种。l 光可变衰减器用在测定光接收机灵敏度时，把它置于光可变衰减器用在测定光接收
37、机灵敏度时，把它置于光接收机的输入端，用来调整接收机光电平的大小。光接收机的输入端，用来调整接收机光电平的大小。2022-4-1743l 此外，可变衰减器也可以作为一个器件在光学测量此外，可变衰减器也可以作为一个器件在光学测量中使用，中使用， 下图示出了光衰减器的基本构成。对应于衰减下图示出了光衰减器的基本构成。对应于衰减元件元件A的旋转角，通过的旋转角，通过连续连续改变蒸镀薄膜的厚度，实现衰改变蒸镀薄膜的厚度，实现衰减量的连续调整。衰减元件减量的连续调整。衰减元件B对于入射的光束而言是按对于入射的光束而言是按倾倾斜状态斜状态设计的，这样可以防止反射光返回与光衰减器相设计的，这样可以防止反射光
38、返回与光衰减器相连接的光纤中。连接的光纤中。2022-4-1744l 固定衰减器主要用于固定衰减器主要用于调整光纤传输线路的光损耗调整光纤传输线路的光损耗。因为在光接收端，如果光功率过大，可能会烧坏光。因为在光接收端，如果光功率过大，可能会烧坏光电检测器件，或使其饱和。在光接收机输入端用固定电检测器件，或使其饱和。在光接收机输入端用固定衰减器给出一定的衰减量以确保接收光功率大小在衰减器给出一定的衰减量以确保接收光功率大小在合适的范围以内。合适的范围以内。2022-4-1745lWG 光可变衰减器光可变衰减器l产品名称产品名称: 光衰减器光衰减器 l型型 号号: OLA-15l生产厂家生产厂家:
39、 WG l产产 地地: 德国德国l适用范围适用范围: 邮电工程与维护邮电工程与维护 CATV 工程工程与维护与维护 综合布线系统综合布线系统 其它光纤工程其它光纤工程2022-4-1746l产品主要特点产品主要特点l1. 可对可对1310nm和和1550nm单模衰减单模衰减. l2. 可提供良好的回波抑制可提供良好的回波抑制.l 3. 衰减范围宽衰减范围宽,显示精确显示精确.l4. 低插入损耗低插入损耗,使测试更精确使测试更精确.l 5. 防水防振防水防振, 结构坚固结构坚固.l 6. 全数字显示全数字显示,方便直观方便直观. 2022-4-1747 技术指标技术指标l波长范围波长范围: 12
40、60nm- 1600nm l光纤类型光纤类型: 9/125 um l衰减范围衰减范围: 3-60 dB l插入损耗插入损耗: 40 dB l电池时间电池时间: 45 小时小时 l光接头光接头 : 可选可选2022-4-1748七七 光光 纤纤 光光 栅栅l 光纤光栅由一段折射率沿其长度周期性变化光纤光栅由一段折射率沿其长度周期性变化的光纤构成。的光纤构成。 利用掺锗石英光纤受到利用掺锗石英光纤受到240 nm 附附近紫外光照射时纤芯折射率会增大这一现象，近紫外光照射时纤芯折射率会增大这一现象， 将将光纤沿中心轴线切开，光纤沿中心轴线切开， 从光纤切面照射呈空间周从光纤切面照射呈空间周期性变化的
41、紫外光，期性变化的紫外光， 纤芯部位就会出现周期性折纤芯部位就会出现周期性折射率变化，射率变化， 这就形成了光栅这就形成了光栅(FG)，其结构如下图，其结构如下图所示。所示。 2022-4-1749光纤光栅的结构图光纤光栅的结构图栅距光栅包层纤芯光纤(a)紫外光掩膜板(b)2022-4-1750l 光纤光栅光纤光栅(FG)以其特有的高波长选择性能，以其特有的高波长选择性能，易与光纤耦合，易与光纤耦合， 插入损耗低，插入损耗低， 结构简单，结构简单， 体积体积小等优点，小等优点， 日益受到人们的关注，日益受到人们的关注， 其应用范围其应用范围不断扩展到诸如光纤激光器、不断扩展到诸如光纤激光器、
42、WDM合波合波/分波分波器、器、 超高速系统中的色散补偿器、超高速系统中的色散补偿器、 EDFA增益增益均衡器等光纤通信及温度、均衡器等光纤通信及温度、 应变传感领域中，应变传感领域中， 而把光栅式全光器件集成于同一根光纤中的应用而把光栅式全光器件集成于同一根光纤中的应用将有更加令人鼓舞的发展前景。将有更加令人鼓舞的发展前景。 2022-4-1751布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅BFG 如果光注入光栅如果光注入光栅FG后，后， 与折射率变化周期与折射率变化周期相对应的特定波长的光能够被逆向反射回去，相对应的特定波长的光能够被逆向反射回去， 则称具有这种功能的光栅为短周期则称具有这种功能的光栅为短
43、周期(1 m以下以下)Bragg反射式光栅反射式光栅(FBG)。 布拉格光纤光栅的节距或栅距是线性改变布拉格光纤光栅的节距或栅距是线性改变的，的， 称为啁啾称为啁啾FBG。 在这种光栅中在这种光栅中, 由于节距由于节距线性改变，线性改变， 入射光的各个波长在光栅的不同深入射光的各个波长在光栅的不同深度被反射回来，度被反射回来， 因而补偿了各个波长在传输时因而补偿了各个波长在传输时间上的变化。间上的变化。 啁啾啁啾FBG补偿了脉冲的色散展补偿了脉冲的色散展宽。宽。 2022-4-1752八、光锁相环与非线性光环镜八、光锁相环与非线性光环镜NLOMl 光锁相环（光锁相环（OPLL）的功能与电锁相环
44、一样，）的功能与电锁相环一样， 可实现接收信号与本地振荡信号即基准信号的同可实现接收信号与本地振荡信号即基准信号的同频同相，频同相， 从而实现二者的同步。从而实现二者的同步。 它由调谐激光器它由调谐激光器、 光电二极管平衡器件和滤波器等构成，光电二极管平衡器件和滤波器等构成， 下下图给图给出了其工作原理框图。出了其工作原理框图。 2022-4-1753 光锁相环OPLL的原理框图 接收信号二极管桥路光纤放大器R放大器滤波器本 地激光器光纤2022-4-1754l 平衡二极管器件检测本地激光器的频率与平衡二极管器件检测本地激光器的频率与接收的光信号的频率，接收的光信号的频率， 当两个频率完全相同
45、时当两个频率完全相同时， 二极管平衡电路处于静止状态二极管平衡电路处于静止状态; 否则，否则， 这种这种静止状态将被破坏静止状态将被破坏, 使得二极管平衡电路有不使得二极管平衡电路有不平衡电流输出，平衡电流输出， 该电流被放大后送滤波器滤除该电流被放大后送滤波器滤除高频分量，高频分量， 滤波后的低频直流分量去控制本地滤波后的低频直流分量去控制本地激光器的输出频率，激光器的输出频率， 直至二者的频率完全相同直至二者的频率完全相同， 然后电路处于平衡状态。然后电路处于平衡状态。 图中，图中， 增益控制增益控制放大器的作用是使本地激光器和接收到的光功放大器的作用是使本地激光器和接收到的光功率电平相一
46、致。率电平相一致。2022-4-1755l 光纤非线性环镜（光纤非线性环镜（NOLM）的结构如图所示。）的结构如图所示。 光纤光纤环与传输光纤紧密相邻，环与传输光纤紧密相邻， 因而在接触处形成了一个耦合因而在接触处形成了一个耦合器。器。 当传输光纤有行进的光波时，当传输光纤有行进的光波时， 在耦合器中耦合进在耦合器中耦合进光纤环并绕环行进一周后又返回耦合器，光纤环并绕环行进一周后又返回耦合器， 这样来自传输这样来自传输光纤的光波与绕环后的光波之间将产生相移，光纤的光波与绕环后的光波之间将产生相移， 相移的大相移的大小由环的长度和光波的波长决定。小由环的长度和光波的波长决定。光纤环光纤耦合器光纤非线性环镜的结构图光纤非线性环镜的结构图2022-4-1756l 二者之间将产生相长或相消干涉，二者之间将产生相长或相消干涉， 因此因此, 光纤非光纤非线性环镜可以用来选择所需的信号，线性环镜可以用来选择所需的信号， 对于不需要的对于不需要的波长只需引入波长只需引入180 相移即可。相移即可。 光纤环光纤耦合器2022-4-1757
