1、无源器件：无源器件：光纤与光波导型光纤与光波导型光学型光学型波分复用解复用器、波分复用解复用器、光开关光开关5.1 5.1 无源光器件的几个常用性能参数无源光器件的几个常用性能参数1 1插入损耗插入损耗插入损耗指的是无源光器件的输入和输出端口之间的光功率之比，一般以分贝为单插入损耗指的是无源光器件的输入和输出端口之间的光功率之比，一般以分贝为单位：位：P P0 0:发送到输入端口的光功率，发送到输入端口的光功率，P P1 1:从输出端口接收到的光功率。从输出端口接收到的光功率。2.2.回波损耗回波损耗回波损耗指的是从无源光器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比例：回波损耗指的是从无源光器件
2、的输入端口返回的光功率与输入光功率的比例：P Pr r：从同一个输入端口接收到的返回的光功率。从同一个输入端口接收到的返回的光功率。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术1 101log10ppIL010logrpRLp 3.3.反射系数反射系数反射系数指的是对于给定的光谱组成、偏振和几何分布，在器件的给定端口的反射反射系数指的是对于给定的光谱组成、偏振和几何分布，在器件的给定端口的反射光功率光功率P Pr r 与入射光功率与入射光功率P P0 0 之比，通常用之比，通常用dB dB 表示：表示：4 4 工作波长范围工作波长范围器件能够按照规定的性能
3、工作的从最小波长（器件能够按照规定的性能工作的从最小波长（minmin ）到最大波长（）到最大波长（maxmax ）的范围，是）的范围，是标称工作波长范围。标称工作波长范围。5 5 偏振相关损耗（偏振相关损耗（PDL)PDL)偏振相关损耗指的是对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大偏振相关损耗指的是对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值变化值6 6 隔离度隔离度隔离度表示的是由应该被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比，通常用隔离度表示的是由应该被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比，通常用dB dB 表示：表示：第第 5 5 章章 无无 源源 光
4、光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术2 20,10logrPpRp010logblockpISp5.2 5.2 光纤和波导型无源光器件光纤和波导型无源光器件光纤型无源光器件光纤型无源光器件体积小，容易与传输光纤连接体积小，容易与传输光纤连接在光通信中是最受欢迎的。波导型在光通信中是最受欢迎的。波导型无源光器件是在硅或其它半导体材料的平面衬底上用半导体工艺制造的，容易集成无源光器件是在硅或其它半导体材料的平面衬底上用半导体工艺制造的，容易集成形成较大规模的光器件。形成较大规模的光器件。5.2.1 5.2.1 光连接器和光耦合器光连接器和光耦合器1 1光连接器光连接器 光连接器的功能是
5、将两根光纤连接起来，与高温熔融连接两根光纤不同，这是一种光连接器的功能是将两根光纤连接起来，与高温熔融连接两根光纤不同，这是一种可以拆装式连接。光连接器可以有多种安装结构，如可以拆装式连接。光连接器可以有多种安装结构，如FC/PC FC/PC 型、型、APC APC 型、型、ST ST 型、型、SC SC 型等。光连接器基本都是由插头和插座组成，在插头内精密安装一个插针，光纤就型等。光连接器基本都是由插头和插座组成，在插头内精密安装一个插针，光纤就固定在插针中。固定在插针中。光纤连接器的主要指标：插入损耗，回波损耗，偏振相关损耗。影响光连接器的插光纤连接器的主要指标：插入损耗，回波损耗，偏振相
6、关损耗。影响光连接器的插入损耗的因素有两个方面：一方面是被连接的两根光纤是否匹配，即入损耗的因素有两个方面：一方面是被连接的两根光纤是否匹配，即两根单模光纤两根单模光纤的模场分布是否匹配，或两根多模光纤的芯径和折射率分布是否相同，被连接的两的模场分布是否匹配，或两根多模光纤的芯径和折射率分布是否相同，被连接的两根光纤性能参数的离散性必然会导致插入损耗的增加；另一方面的因素是安装的精根光纤性能参数的离散性必然会导致插入损耗的增加；另一方面的因素是安装的精度：度：两根光纤横向的错位、两根光纤横向的错位、纵向的分离（两根光纤中间具有间隙）纵向的分离（两根光纤中间具有间隙）光纤的倾斜光纤的倾斜增加插入
7、损耗增加插入损耗第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术3 3第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术4 4插入损耗：插入损耗：PC型：型：第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术5 5回波损耗：回波损耗：尽管连接的两根光纤的端面经过研磨抛光，但连接后它们之间总会有间隙，光在尽管连接的两根光纤的端面经过研磨抛光，但连接后它们之间总会有间隙，光在端面处会发生反射。反射不仅增加了连接器的损耗，而且若反射光回馈到激光器，会严端面处会发生反射。反射不仅增加了连接器的损耗，而且若
8、反射光回馈到激光器，会严重扰乱激光器谐振腔的正常工作。为了减少光的反射，可以采用斜面结构，倾斜重扰乱激光器谐振腔的正常工作。为了减少光的反射，可以采用斜面结构，倾斜8度。如度。如图图5.2 所示。所示。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术6 62.光耦合器（光耦合器（Couplers，Splitter）光通信中经常需要把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦光通信中经常需要把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合器可以实现这些功能。图合器可以实现这些功能。图5.3 所示是简单的所示是简单的2x2 和和1x2 光耦合器（
9、光耦合器（Y 型分路器）。型分路器）。工作原理：工作原理：以以2x2 耦合器为例，端口耦合器为例，端口1（或端口（或端口4）输入的光信号可以按原设计的功率分）输入的光信号可以按原设计的功率分配比例耦合到端口配比例耦合到端口2 和端口和端口3 输出，端口输出，端口1 和端口和端口4 输入的光还可以耦合在一起，并按一定输入的光还可以耦合在一起，并按一定的比例从端口的比例从端口2 和端口和端口3 输出。反之，从端口输出。反之，从端口2 和端口和端口3 输入的光信号也可以从端口输入的光信号也可以从端口1 和端和端口口4 输出。输出。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM
10、 技技 术术7 7耦合方式：耦合方式：常用的制造光耦合器的方法有常用的制造光耦合器的方法有研磨抛光法研磨抛光法、熔融拉锥法熔融拉锥法和和平面波导法平面波导法。研磨抛光法：研磨抛光法：用研磨抛光法制造耦合器时，先将去除包层的裸光纤埋入带有特定用研磨抛光法制造耦合器时，先将去除包层的裸光纤埋入带有特定弧形槽的石英玻璃中，再进行光学研磨、抛光，去除一部分包层，然后将两根经过研磨弧形槽的石英玻璃中，再进行光学研磨、抛光，去除一部分包层，然后将两根经过研磨的光纤拼接在一起（见图的光纤拼接在一起（见图5.4(a)，利用被研磨部分的光场相互耦合，从而构成光耦合，利用被研磨部分的光场相互耦合，从而构成光耦合器
11、。耦合强度与研磨的深度有关，若研磨没有触及到纤芯，属于弱耦合，主要靠纤芯和器。耦合强度与研磨的深度有关，若研磨没有触及到纤芯，属于弱耦合，主要靠纤芯和包层界面上的消逝波发生耦合：若研磨进入纤芯中，纤芯中的光场将发生强耦合。包层界面上的消逝波发生耦合：若研磨进入纤芯中，纤芯中的光场将发生强耦合。熔融拉锥法：熔融拉锥法：用熔融拉锥法制造光耦合器时，先将两根或多根光纤扭绞在一起，用熔融拉锥法制造光耦合器时，先将两根或多根光纤扭绞在一起，用高温火焰对扭绞区局部加热使之熔融，并在熔融过程中拉伸，形成双锥形耦合区，如用高温火焰对扭绞区局部加热使之熔融，并在熔融过程中拉伸，形成双锥形耦合区，如图图5.4(b
12、）所示。由于被拉伸的部分光纤芯径变细，使更多的光场在纤芯外传输而耦合）所示。由于被拉伸的部分光纤芯径变细，使更多的光场在纤芯外传输而耦合进另一光纤中。进另一光纤中。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术8 8耦合原理：耦合原理：假设耦合器是无附加损耗的，输入到一根光纤中的光功率是假设耦合器是无附加损耗的，输入到一根光纤中的光功率是P0，根据耦合模，根据耦合模理论，耦合到另一根光纤中的功率为：理论，耦合到另一根光纤中的功率为：根据功率守恒，第一根光纤中的输出功率为：根据功率守恒，第一根光纤中的输出功率为：k是耦合系数，与两根光纤耦合区的长度、耦合区两根
13、光纤的半径比及光波长有关。通常是耦合系数，与两根光纤耦合区的长度、耦合区两根光纤的半径比及光波长有关。通常用分光比表示耦合器输出端口之间光功率分配比例，表示为用分光比表示耦合器输出端口之间光功率分配比例，表示为若在两根输出光纤中光功率相等，则称这种耦合器为若在两根输出光纤中光功率相等，则称这种耦合器为3dB 耦合器。耦合器。3dB 耦合器的分光比为耦合器的分光比为50:50，但两个输出端口的光有，但两个输出端口的光有/2 的相对相位差，即耦合到另一光纤中的输出光与沿直的相对相位差，即耦合到另一光纤中的输出光与沿直通输出方向的光相比存在通输出方向的光相比存在/2 的相位滞后。的相位滞后。kzpp
14、202sin210cosppkz00100212ppp分光比第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术9 9波分复用原理：波分复用原理：。利用式利用式p2和式和式p1给出的关系，可以通过适当的设计将耦合器结构用于两路波分解复用。给出的关系，可以通过适当的设计将耦合器结构用于两路波分解复用。假设从端口假设从端口1 输入输入1 和和2的信号光，由于耦合系数与光波长有关，而的信号光，由于耦合系数与光波长有关，而1 和和2的波的波长间隔又较大，适当地设计耦合情况可以实现对长间隔又较大，适当地设计耦合情况可以实现对1波长，满足波长，满足对对2波长，满足波长，满足则
15、此耦合器将对波长有选择作用，波长为则此耦合器将对波长有选择作用，波长为1 的光信号全部直通过去从端口的光信号全部直通过去从端口2 输出，波长输出，波长为为2 的光信号全部耦合到另一光纤中，从端口的光信号全部耦合到另一光纤中，从端口3 输出，起到波分解复用的作用。输出，起到波分解复用的作用。由于熔融拉锥型耦合器中锥形变化缓慢，反射光可以忽略，所以也称为方向耦合由于熔融拉锥型耦合器中锥形变化缓慢，反射光可以忽略，所以也称为方向耦合器。器。,3,2,1,mmkz21,1,2,3,2kzmm第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术1010星型耦合器：星型耦合器
16、：将多根光纤熔融拉锥制成的耦合器称为星形耦合器，如图将多根光纤熔融拉锥制成的耦合器称为星形耦合器，如图5.5 所示。用熔融拉锥所示。用熔融拉锥法制作耦合器成本低，器件的性能稳定，插入损耗小，在实际系统中得到广泛的应用。法制作耦合器成本低，器件的性能稳定，插入损耗小，在实际系统中得到广泛的应用。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术11113 波导耦合器波导耦合器波导耦合器也是一种应用广泛的耦合器，其基本结构和基本原理与光耦合器类似。图波导耦合器也是一种应用广泛的耦合器，其基本结构和基本原理与光耦合器类似。图5.6(a）所示为一个）所示为一个2x2 波
17、导耦合器结构的示意图，波导是由不同折射率的介质构成，如图波导耦合器结构的示意图，波导是由不同折射率的介质构成，如图5.6(b）所示，它是由折射率较高的薄层夹在折射率较低的介质中间形成，在相互作用区）所示，它是由折射率较高的薄层夹在折射率较低的介质中间形成，在相互作用区中两个波导相互靠近产生光场的相互耦合，耦合强度与作用区的长度、波导的宽度、波中两个波导相互靠近产生光场的相互耦合，耦合强度与作用区的长度、波导的宽度、波导间隙、折射率及光波长等因素有关。导间隙、折射率及光波长等因素有关。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术1212 可以采用多个可以采用
18、多个3dB 耦合器连接的方式设计多端口星形波导耦合器，图耦合器连接的方式设计多端口星形波导耦合器，图5.7 所示为所示为8x8 和和1 x8 波导耦合器的结构图。波导耦合器的结构图。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术1313 5.2.2 5.2.2 偏振控制器偏振控制器在光纤通信中，有些器件是对偏振敏感的，如在光纤通信中，有些器件是对偏振敏感的，如LiNbO3 电光调制器、半导体光放电光调制器、半导体光放大器、非线性环路镜等，只有在一定的光偏振态下才能获得最佳的结果；有些系统是与大器、非线性环路镜等，只有在一定的光偏振态下才能获得最佳的结果；有些
19、系统是与偏振相关的，如相干光通信，只有在两束光的偏振态一致时才能获得最佳的干涉效果。偏振相关的，如相干光通信，只有在两束光的偏振态一致时才能获得最佳的干涉效果。解决偏振匹配问题有两种方法，一种是采用解决偏振匹配问题有两种方法，一种是采用偏振保持光纤偏振保持光纤，另一种是对输入光进，另一种是对输入光进行行偏振控制偏振控制。偏振控制器的类型有波片型、电光晶体型和光纤型，其中光纤型偏振控制。偏振控制器的类型有波片型、电光晶体型和光纤型，其中光纤型偏振控制器因其具有抗干扰能力强、插入损耗小、易与光纤耦合等特点而得到广泛的应用。器因其具有抗干扰能力强、插入损耗小、易与光纤耦合等特点而得到广泛的应用。1
20、1 可转动光纤线圈型偏振控制器可转动光纤线圈型偏振控制器当光纤被缠绕在圆盘上弯曲成小圆圈时，光纤外面被拉伸，里面被压缩，如图当光纤被缠绕在圆盘上弯曲成小圆圈时，光纤外面被拉伸，里面被压缩，如图5.8(b）所示。这种应力引起光纤的感生）所示。这种应力引起光纤的感生双折射，使输入光在两个偏振方向上产双折射，使输入光在两个偏振方向上产生相移，从而起到控制偏振的作用。当生相移，从而起到控制偏振的作用。当光纤线圈被转动时，光纤中的快轴和慢光纤线圈被转动时，光纤中的快轴和慢轴也发生旋转，因此，通过调整线圈的轴也发生旋转，因此，通过调整线圈的方向可以获得所需要的任意的偏振方向。方向可以获得所需要的任意的偏振
21、方向。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术1414 2 2 挤压型偏振控制器挤压型偏振控制器与可转动光纤线圈型偏振控制器的原理类似，挤压型偏振控制器利用电磁挤压使与可转动光纤线圈型偏振控制器的原理类似，挤压型偏振控制器利用电磁挤压使光纤产生附加的双折射，达到控制偏振状态的目的。一种挤压型偏振控制器的结构如图光纤产生附加的双折射，达到控制偏振状态的目的。一种挤压型偏振控制器的结构如图5.9 所示，光纤和压电晶体被固定在一起，当晶体上外加电压时，晶体的长度发生变化，压所示，光纤和压电晶体被固定在一起，当晶体上外加电压时，晶体的长度发生变化，压挤光纤，使
22、光纤产生附加双折射，压力的大小可以通过外加电压精细控制。挤光纤，使光纤产生附加双折射，压力的大小可以通过外加电压精细控制。4 个挤压器连个挤压器连接使用可以达到良好的控制效果。接使用可以达到良好的控制效果。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术15155.2.3 5.2.3 光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅在光通信中光纤光栅有多种应用，如作为反射型光滤波器，用作色散补偿器，制在光通信中光纤光栅有多种应用，如作为反射型光滤波器，用作色散补偿器，制作光分插复用器，用于光纤激光器等。作光分插复用器，用于光纤激光器等。1 1 光纤光栅滤波器光纤光栅滤波器光纤光栅
23、是利用光纤材料的光敏性质制作的。所谓光敏性质，是指紫外光通过光光纤光栅是利用光纤材料的光敏性质制作的。所谓光敏性质，是指紫外光通过光纤时，光纤的折射率会随光强的空间分布发生相应的变化，并在紫外光撤销后这种变化纤时，光纤的折射率会随光强的空间分布发生相应的变化，并在紫外光撤销后这种变化可以永久保存下来。如果利用掩模使紫外光在纤芯中的分布是周期性的，就可在纤芯中可以永久保存下来。如果利用掩模使紫外光在纤芯中的分布是周期性的，就可在纤芯中形成折射率周期性分布的结构，如图形成折射率周期性分布的结构，如图5.10 所示。所示。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技
24、术术1616光纤光栅原理：光纤光栅原理：纤芯中折射率的周期性分布实际上构成布拉格衍射的结构，称为光纤布纤芯中折射率的周期性分布实际上构成布拉格衍射的结构，称为光纤布拉格光栅（拉格光栅（FBG）。这种结构和）。这种结构和DFB 激光器周期性波纹结构的作用一样，提供周期性的激光器周期性波纹结构的作用一样，提供周期性的耦合点，使单模光纤中入射的基模根据光栅和不同传输常数决定的相位条件，既可以耦耦合点，使单模光纤中入射的基模根据光栅和不同传输常数决定的相位条件，既可以耦合成前向传输模式，也可以耦合成后向传输模式。短周期的均匀光纤光栅的基本特性表合成前向传输模式，也可以耦合成后向传输模式。短周期的均匀光
25、纤光栅的基本特性表现为一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为布拉格波长，记为现为一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为布拉格波长，记为B，满足下列方程式：，满足下列方程式：neff 是纤芯的等效折射率，是纤芯的等效折射率，是光栅周期。是光栅周期。effBn2第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术1717光纤光栅作为滤波器应用的一个示例光纤光栅作为滤波器应用的一个示例:若若FBG 的反射波长是的反射波长是1，输入信号中波长为，输入信号中波长为1 的的光信号被光信号被FBG 反射回来，从环形器的反射回来，从环形器的3 端口输出，而其它端口输出，而其它3
26、个波长的信号透射过去，从个波长的信号透射过去，从FBG 的输出端输出，从而实现从多波长信号中选择某波长下路。理论分析可知，光纤光的输出端输出，从而实现从多波长信号中选择某波长下路。理论分析可知，光纤光栅的长度越长，对光谱的选择性越好，栅的长度越长，对光谱的选择性越好，3dB 带宽越窄。带宽越窄。光纤光栅具有体积小，插损低，与普通光纤匹配良好等优点。在光纤通信和光纤光纤光栅具有体积小，插损低，与普通光纤匹配良好等优点。在光纤通信和光纤传感领域有广泛的应用，如在光纤激光器、波长复用解复用器、光分插复用器及光纤传感领域有广泛的应用，如在光纤激光器、波长复用解复用器、光分插复用器及光纤传感设备中都有重
27、要的应用。传感设备中都有重要的应用。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术18182 2 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅啁啁啾光纤光栅啾光纤光栅是指光纤的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴线变化的光栅，是指光纤的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴线变化的光栅，其制作方法是在光纤上刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成是一个其制作方法是在光纤上刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成是一个本地布拉格光栅的通带和阻带滤波器，其周期沿传输方向本地布拉格光栅的通带和阻带滤波器，其周期沿传输方向z 的变化可以表示为的变化可以表示为式中式中c 是
28、周期的线性变化斜率，数值可以取正值，也可以取负值。是周期的线性变化斜率，数值可以取正值，也可以取负值。由于光栅周期的变化，使输入光波中不同的波长在光栅的不同深度位置处被反射，由于光栅周期的变化，使输入光波中不同的波长在光栅的不同深度位置处被反射，造成不同波长的光在光栅中渡越时间不同，这一特性适合用于作为群速度色散补偿器，造成不同波长的光在光栅中渡越时间不同，这一特性适合用于作为群速度色散补偿器，也可以构成宽带滤波器。也可以构成宽带滤波器。czz1第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术1919啁啾光纤光栅补偿色散的原理：啁啾光纤光栅补偿色散的原理：光信
29、号在光纤中传输时，由于群速度色散，入射光脉冲光信号在光纤中传输时，由于群速度色散，入射光脉冲中的短波长分量（高频分量）群速度高，经过光纤传输以后位于脉冲的前沿，而长波长中的短波长分量（高频分量）群速度高，经过光纤传输以后位于脉冲的前沿，而长波长分量位于脉冲的后沿，结果造成脉冲的展宽。这种被展宽的光信号进入啁啾光纤光栅后，分量位于脉冲的后沿，结果造成脉冲的展宽。这种被展宽的光信号进入啁啾光纤光栅后，不同波长的信号在与光栅周期对应的位置被反射，即短波长的信号在光栅的末端才被反不同波长的信号在与光栅周期对应的位置被反射，即短波长的信号在光栅的末端才被反射，长波长的信号在脉冲的起始端就被反射，于是就补
30、偿了群速度色散效应，使脉冲宽射，长波长的信号在脉冲的起始端就被反射，于是就补偿了群速度色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原。度被压缩甚至还原。用啁啾光纤光栅作为色散补偿器的优点是器件的体积小，补偿效率高，其缺点是用啁啾光纤光栅作为色散补偿器的优点是器件的体积小，补偿效率高，其缺点是补偿带宽较窄，目前人们正在研制宽带惆啾光纤光栅以适应补偿带宽较窄，目前人们正在研制宽带惆啾光纤光栅以适应WDM系统的需要。系统的需要。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术20205.2.4 Mach 5.2.4 Mach 一一Zahnder Zahnder 滤波器滤波器马克
31、詹德（马克詹德（Mach-Zahnder,M-Z）干涉结构可用作光调制器，也可用作光滤）干涉结构可用作光调制器，也可用作光滤波器，在光通信中有广泛的应用，其结构如图波器，在光通信中有广泛的应用，其结构如图5.14(a）所示，由两个）所示，由两个3dB耦合器和两段耦合器和两段长度不等的波导臂组成。输入光功率长度不等的波导臂组成。输入光功率Pi 经第一个经第一个3dB 耦合器后等分为耦合器后等分为Pi1 和和Pi2两部分，分两部分，分别在长度为别在长度为L1 和和L2 的光波导中传输。由于两波导的长度不同，传输时延不同，到达第二的光波导中传输。由于两波导的长度不同，传输时延不同，到达第二个个3dB
32、耦合器时，两束光波在第二个耦合器时，两束光波在第二个3dB 耦合器中线性叠加，两束光的相位差决定了合成耦合器中线性叠加，两束光的相位差决定了合成后输出光的强度，合成光波的电场强度和输出光功率得到后输出光的强度，合成光波的电场强度和输出光功率得到相干加强相干加强或或相消相消，构成调制器。，构成调制器。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术2121设输入光功率设输入光功率Pi 经第一个经第一个3dB 耦合器后等分为耦合器后等分为Pi1 和和Pi2两部分，光功率可以表示为：两部分，光功率可以表示为：经经L1 和和L2 的光波导中传输，到达第二个的光波导中传
33、输，到达第二个3dB耦合器线性合成后：耦合器线性合成后：合成光波的输出光功率：合成光波的输出光功率：22211AppiAeEEEptiiiii12112222LLititvvAAEeiEei121212LLititvvAEEEeei2*2201122121 coscos22LLApE EAn Ln Lvc 222201122coscos22pAn Ln LAnLcc第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术22225.2.5 5.2.5 非线性环路镜非线性环路镜非线性环路镜（非线性环路镜（Non-Linear Optical Loop Mirror,NO
34、LM）是一个可以具有多种）是一个可以具有多种用途的快速开关器件，在消除脉冲序列的背景噪声、光时分复用（用途的快速开关器件，在消除脉冲序列的背景噪声、光时分复用（OTDM）系统和光逻）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的应用。辑器件的研究中有广泛的应用。1.1.结构：结构：由由2x2 光纤耦合器（分光比不为光纤耦合器（分光比不为50:50）和光纤构成，光纤与耦合器的两个臂）和光纤构成，光纤与耦合器的两个臂相连形成闭合环路。当光信号输入到相连形成闭合环路。当光信号输入到耦合器时，被按一定比例分成耦合器时，被按一定比例分成两束，在光纤环路中沿不同方两束，在光纤环路中沿不同方向传输，然后在耦合器中再次向传
35、输，然后在耦合器中再次相遇，输出光功率的大小取决相遇，输出光功率的大小取决于两束光在线性叠加时的于两束光在线性叠加时的相位相位差差，其基本分析方法与，其基本分析方法与M-Z 干涉结构类似。干涉结构类似。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术2323 2.2.基本原理：基本原理：NOLM 中两束光经过相同的距离会产生相位差，其原因是耦合器的分光中两束光经过相同的距离会产生相位差，其原因是耦合器的分光比不是等分的，例如比不是等分的，例如40:60，两束光的功率不等，引起的非线性光学效应的强弱不同。，两束光的功率不等，引起的非线性光学效应的强弱不同。光强度
36、引起光纤折射率的变化，使传输的相位延迟随光强度变化，光功率高的那一路光光强度引起光纤折射率的变化，使传输的相位延迟随光强度变化，光功率高的那一路光脉冲传输的群速度比另一路快，产生相位差而影响到输出光功率。脉冲传输的群速度比另一路快，产生相位差而影响到输出光功率。光强度引起的光纤折射率的变化与输入光功率有关，相位差的大小也与输入功率有光强度引起的光纤折射率的变化与输入光功率有关，相位差的大小也与输入功率有关，从而使相位差随输入光功率的增强而加大，输出光功率随输入功率的变化如图关，从而使相位差随输入光功率的增强而加大，输出光功率随输入功率的变化如图5.16 所示。所示。第第 5 5 章章 无无 源
37、源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术2424 3.3.改进的非线性环路镜：改进的非线性环路镜：采用采用50:50 耦合器，并在光纤环的一端（靠近耦合器，而不耦合器，并在光纤环的一端（靠近耦合器，而不是在环的中间）配制双向光放大器，所以称这种结构为非线性放大环路镜（是在环的中间）配制双向光放大器，所以称这种结构为非线性放大环路镜（Non-Linear Amplifying optical Loop Mirror,NALM）。尽管耦合器将输入光等分成两束，但沿顺时）。尽管耦合器将输入光等分成两束，但沿顺时针方向传输的光先经过光放大器，以高功率通过光纤环路；而沿逆时针方向传输的光在
38、针方向传输的光先经过光放大器，以高功率通过光纤环路；而沿逆时针方向传输的光在环的末端才被放大，主要以低功率通过环路。两束光回到耦合器时有相同的功率电平，环的末端才被放大，主要以低功率通过环路。两束光回到耦合器时有相同的功率电平，但由于折射率被光强的非线性调制效应，两束光具有不同的相位差，出现与图但由于折射率被光强的非线性调制效应，两束光具有不同的相位差，出现与图5 15所所示示结构同样的结果。结构同样的结果。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术2525 4.4.非线性环路镜的应用：非线性环路镜的应用：光与门：光与门：图图5.18 所示的所示的NOL
39、M 可以作为一个光逻辑与门，在光时分复用可以作为一个光逻辑与门，在光时分复用（OTDM）系统中实现解复用的功能。）系统中实现解复用的功能。u在光纤环的一端配置有在光纤环的一端配置有WDM 耦合耦合器，通过它将帧同步信号（也称为控器，通过它将帧同步信号（也称为控制信号）耦合进来；制信号）耦合进来；u 当帧同步信号与某一路数字信号同当帧同步信号与某一路数字信号同步，并一起沿顺时针方向传输时，强步，并一起沿顺时针方向传输时，强的控制信号使折射率发生变化，群速的控制信号使折射率发生变化，群速度也发生相应的变化，而逆时针方向度也发生相应的变化，而逆时针方向传输的光信号不受影响；传输的光信号不受影响；u
40、适当地调整帧同步脉冲的强度和光适当地调整帧同步脉冲的强度和光纤环的长度，可以使与帧同步脉冲同纤环的长度，可以使与帧同步脉冲同步传输的一路信号在输出端被选择出步传输的一路信号在输出端被选择出来，实现光时分复用信号的解复用功来，实现光时分复用信号的解复用功能。能。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术26265.3 5.3 光学无源器件光学无源器件介绍光通信中，采用微光学方法制作的无源光器件。介绍光通信中，采用微光学方法制作的无源光器件。5.3.1 5.3.1 偏振分束器偏振分束器先将大量路数的波分复用信号分成奇偶两组，然后对这两组信号进行偏振复用是先将
41、大量路数的波分复用信号分成奇偶两组，然后对这两组信号进行偏振复用是超大容量的光纤通信系统的一种解决方案，在这种系统中需要偏振分束器。除此之外，超大容量的光纤通信系统的一种解决方案，在这种系统中需要偏振分束器。除此之外，偏振分束器在波长变换等领域也有很多应用。偏振分束器在波长变换等领域也有很多应用。基本结构和原理：基本结构和原理：图图5.19 所示为一个较典型的偏振分束器，它是由两个双折射所示为一个较典型的偏振分束器，它是由两个双折射材料制成的棱镜粘合在一起构成的。双折射材料的特征是：不同偏振方向的光场分量在材料制成的棱镜粘合在一起构成的。双折射材料的特征是：不同偏振方向的光场分量在经过双折射材
42、料时有不同的折射率。若输入光中含有垂直偏振和水平偏振分量，它们在经过双折射材料时有不同的折射率。若输入光中含有垂直偏振和水平偏振分量，它们在双折射材料中将被分开，传输时将产生相位差。双折射材料中将被分开，传输时将产生相位差。当一束光入射到图当一束光入射到图5.19 所示的双折射棱镜所示的双折射棱镜的外表面上时，由于双折射而分成寻常光和异常光，的外表面上时，由于双折射而分成寻常光和异常光，若入射角为布儒斯特角，则异常光全透射过去，寻常若入射角为布儒斯特角，则异常光全透射过去，寻常光从两个棱镜的分界面上反射回来，从而起到偏振分光从两个棱镜的分界面上反射回来，从而起到偏振分束的作用。束的作用。第第
43、5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术27275.3.2 5.3.2 光隔离器光隔离器光隔离器是光单向传输器，可以防止光反射的发生，在光通信中有广泛的应用。光隔离器是光单向传输器，可以防止光反射的发生，在光通信中有广泛的应用。例如，高速光发射机需要用光隔离器防止反射光干扰激光器谐振腔的正常工作，掺饵光例如，高速光发射机需要用光隔离器防止反射光干扰激光器谐振腔的正常工作，掺饵光纤放大器中常用光隔离器防止纤放大器中常用光隔离器防止ASE 噪声反复被放大。噪声反复被放大。光隔离器应允许正向输入光以最小的损耗通过，并能最大地阻止反向光通过，对光隔离器应允许正向输入
44、光以最小的损耗通过，并能最大地阻止反向光通过，对正向光和反向光的损耗分别用插入衰减和隔离度表示。性能良好的隔离器的插入损耗可正向光和反向光的损耗分别用插入衰减和隔离度表示。性能良好的隔离器的插入损耗可以以降到降到0.2dB 0.2dB 以下以下，隔离度可以达到隔离度可以达到70dB 70dB 以上以上。基本原理：基本原理：采用法拉第电磁旋转效应，将某些晶体（如采用法拉第电磁旋转效应，将某些晶体（如YIGYIG）放入强磁场中时，）放入强磁场中时，晶体中传输的光的偏振面会发生旋转，旋转的角度与磁场的强度和晶体的长度成正比，晶体中传输的光的偏振面会发生旋转，旋转的角度与磁场的强度和晶体的长度成正比，
45、表示为：表示为：是材料的费尔德常数，是材料的费尔德常数，H 是沿光传输方向的磁场强度，是沿光传输方向的磁场强度，L 是光和磁场相互作用的长度。是光和磁场相互作用的长度。法拉第电磁旋转效应法拉第电磁旋转效应是非可逆的是非可逆的。对于在某方向上传输的光由于法拉第电磁旋转效应向。对于在某方向上传输的光由于法拉第电磁旋转效应向右旋转了右旋转了450（沿光传输的方向看），而沿相反方向传输的光会旋转同样的角度（沿光传（沿光传输的方向看），而沿相反方向传输的光会旋转同样的角度（沿光传输的方向看是向左旋转）。输的方向看是向左旋转）。这意味着光偏振面的旋转方向由磁场方向决定，而与光传输这意味着光偏振面的旋转方向
46、由磁场方向决定，而与光传输方向无关。方向无关。HL第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术2828基本结构原理：基本结构原理：这种结构主要由两个偏振滤光片和一个法拉第旋转器构成，两个这种结构主要由两个偏振滤光片和一个法拉第旋转器构成，两个偏振滤光片的偏振方向相差偏振滤光片的偏振方向相差450。正向输入光进入第一个偏振滤光片后形成垂直方向的偏。正向输入光进入第一个偏振滤光片后形成垂直方向的偏振光，然后耦合进法拉第旋转器。适当地设计旋转器的长度和施加其上的磁场强度，使振光，然后耦合进法拉第旋转器。适当地设计旋转器的长度和施加其上的磁场强度，使光场的偏振面在
47、旋转器中向右旋转光场的偏振面在旋转器中向右旋转450，恰好与第二个偏振滤光片的偏振方向一致，恰好与第二个偏振滤光片的偏振方向一致，从而无损耗地输出。对于反向传输光开从而无损耗地输出。对于反向传输光开始的偏振面与垂直方向成始的偏振面与垂直方向成450，在旋转器，在旋转器中又旋转中又旋转450，总共，总共900，正好与第一个，正好与第一个偏振滤光片的偏振方向垂直而没有输出，偏振滤光片的偏振方向垂直而没有输出，从而构成光的单向传输器件。从而构成光的单向传输器件。这种结构的一个缺点是对输入这种结构的一个缺点是对输入光的偏振敏感；因此，隔离器总是设计光的偏振敏感；因此，隔离器总是设计成与偏振无关的。偏振
48、无关的光隔离器成与偏振无关的。偏振无关的光隔离器的方法是将输入光先分成偏振正交的两的方法是将输入光先分成偏振正交的两束光，对这两束光分别处理，然后再合束光，对这两束光分别处理，然后再合在一起。在一起。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术29295.3.3 5.3.3 光环行器光环行器光环行器是在光通信中应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是光环行器是在光通信中应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是3 端口和端口和4 端口器件，工作特点是：当光从任意端口输入时，只能在环行器中沿单一方向传端口器件，工作特点是：当光从任意端口输入时，
49、只能在环行器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。输，并在下一端口输出。基本的原理：基本的原理：利用法拉第电磁旋转利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输。图效应实现光的单向传输。图5.22 所示是一个所示是一个3 端口光环行器的结构以及端口端口光环行器的结构以及端口1 到端口到端口2 的的光路图，它的各个组成部分的配置功能如下：光路图，它的各个组成部分的配置功能如下：偏振分束器：偏振分束器：将输入光分解成偏振正交的两将输入光分解成偏振正交的两束光束光o、e；法拉第旋转器：法拉第旋转器：偏振面旋转偏振面旋转45 0；/2/2 波片波片22.522.50 0 ：将光的偏振面旋转将光的偏振面旋转245
50、0。第第 5 5 章章 无无 源源 光光 器器 件件 和和 WDM WDM 技技 术术3030从端口从端口1 输入的光波被偏振分束器（输入的光波被偏振分束器（PBS）分解成水平和垂直偏振光，垂直偏振）分解成水平和垂直偏振光，垂直偏振光被折射，沿上面的光路传输，水平偏振光沿直通的光路传输，然后进入法拉第旋转器。光被折射，沿上面的光路传输，水平偏振光沿直通的光路传输，然后进入法拉第旋转器。旋转器和旋转器和/2 波片波片各将两束光旋转各将两束光旋转45 0，使原来的垂直偏振光变为水平偏振光，这两束光，使原来的垂直偏振光变为水平偏振光，这两束光被另一个偏振分束器合到一起从端口被另一个偏振分束器合到一起
