1、第第6 6章章 无源与有源光器件无源与有源光器件 本章以光纤技术最有代表性、最大量的应用领域光纤通信为背景，介绍无源光器件和有源光器件。在一般的光纤通信系统中，除了采用光发射机(含调制器、载波光源、信道耦合器)、传输信道光纤光缆、中继器和光接收机(含检测器、放大器、信号处理器)等基本设备外，还需要一系列配套的功能部件，以实现系统各部分之间光路的连接转换、信道的互通、分路/合路、交换、隔离、复用/解复用、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、偏振选择控制以及光开关、光放大等功能。光纤通信中所用的上述全部光器件可分为两大类：无源光器件(Passive Optical Device)和有源光器件(Ac
2、tive Optical Device)。两类光器件的本质区别在于，在实现器件自身功能过程中，有源光器件一般需从外部吸取能量(即需外界电源驱动)，并具有以不同方式改变信号的功能；而无源光器件则无须外界电源驱动，且对信号的作用总是相同的，即只是衰减、合并和分离信号。有源光器件按其功能性质也可以分为两类：一类是具有光电能量信号转换的功能，如光源(将电转换为光)、光检测器(将光转换为电)；另一类则是具有控制光信号、从而可实现控制系统行为的功能，如光开关、光放大器(放大光信号)、光调制器(利用电光效应等实现调制控制等功能)、波长变换器等。上述内容中有关光源和光检测器部分内容将在第9章光纤通信技术中详细
3、介绍。无源光器件是光通信系统中一类重要的基础性光器件，其功能有许多是和相应的电子器件类似的。若按功能分类，比较重要的无源光器件包括：光纤连接器、光纤耦合器(光分路/合路器)、波分复用/解复用器、光滤波器、光衰减器、光隔离器、光环行器、光偏振选择控制器等。图6.1表示了部分无源光器件在光纤通信线路中的功能与作用。当前，无源光器件门类齐全，性能得到很大提高，标准口益完善，新型器件不断出现。图图6.1 6.1 光纤通信线路中的部分无源光器件的布局光纤通信线路中的部分无源光器件的布局 本章将依次概要介绍上述各类重要的无源光器件以及光开关、光放大器、光调制器等有源光器件的工作原理与结构特性，为学习光纤通
4、信与光纤传感系统等应用奠定必要的器件基础。6.6 6.6 光波分复用器光波分复用器6.6.1 6.6.1 光波分复用技术光波分复用技术 光波分复用(Wavelength Division Multiplexer，WDM)的概念是指在一根光纤中能同时传输多波长的光信号。其基本原理是在发射端复用器将不同波长的光信号组合起来(复用)，并通过一根光纤传输，在接收端解复用器又将组合的光信号分离开(解复用)并送入不同的终端。因此，称此项技术为光波长分割复用，简称光波分复用(WDM)技术。其中，复用器合并光信道；解复用器分离光信道。光WDM技术对充分挖掘光纤带宽潜力，网络的扩容升级，发展宽带新业务(如CAT
5、V，HDTV和BIP-ISDN等)，实现超高速通信等具有十分重要的意义。尤其是WDM加上EDFA对现代光通信技术的发展更是具有强大的推动力。光波分复用(分离与复合不同波长的光信号)技术的几种典型应用包括：光多路复用单纤传输、光双向单纤传输、光多路复用分插传输、掺铒光纤放大器中泵浦光与放大信号光的分离等。具体功能实现的光路如下。1.光多路复用单纤传输 如图6.46所示，在发射端将载有各种信息的、具有不同波长的已调制光信号1，2，n通过复用器(M)组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同光波长携带的，所以彼此之间不会混淆；在接收端通过解复用器(D)将不同光波长的信号分离，完成多路信
6、号传输的任务。图图6.46 6.46 光多路复用单纤传输光多路复用单纤传输2.光双向单纤传输 如图6.47所示，在一根光纤中实现两个方向、两种不同波长信号的同时传输，如终端向终端发送信号，由1携带；终端向终端发送信号，由2携带，实现彼此双向的通信联络，这种结构也称为单纤全双工通信系统。光纤制导中下行的观测信号与上行指令控制信号的单纤双向传输，即是这种典型的传输方式。图图6.47 6.47 光双向单纤传输光双向单纤传输3.光多路复用分插传输 如图6.48所示，在发射端将来自独立发射机的8个不同波长的光信号，经复用器复合后通过单纤传输；在中间站分插复用器将波长4信号路由到本地接收机下载，与此同时上
7、载中间站本地发射机发射的另一波长信号记为4*，并通过分插复用器与其他1，2，3，5，6，7，8信号会合，经单纤传输进入解复用器；解复用器将8个信号分离，并路由到8个独立的接收机上，每个接收机接收一个波长信号。这种多波长复用分插的传输方式还可有多个中间站点分插。总之，位于系统中间的分插复用器，既可以在中间点下载已有信道，也可以上载携带WDM信号的新信道到光纤中，上载的信号可以代替下载的信号。光WDM技术充分利用光纤的低损耗波段及其较宽的波长带宽，在一根光纤中同时传输多个不同波长光源(信道)的光信号，从而大大提高了光纤和光通信系统的传输容量与通信效率；并将其应用领域大大扩展，例如实现了多媒体信号(
8、音频、视频、数据、文字、图像等)的混合传输，扩展了网络应用的形式，并对已建成的光纤通信系统的扩容带来了很大的方便。WDM(DWDM)技术经过近十年的发展和不断完善，如今在光通信系统中获得了大量而广泛的应用，已经高度实用化。有关波分复用(WDM)技术应该说明的几个重要问题是：在应用光WDM技术的系统中，实现预期功能与质量最核心的关键器件就是光波分复用器与解复用器。复用器和解复用器可以视为同一装置的镜像，从原理上说两者是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此，复用器和解复用器可以认为原则上是相同的。然而，两者的要求仍是有差别的，各有侧重：复用器必须有低插入
9、损耗且要避免任何散射光返回发射机；而解复用器则必须可靠地分离光信道并要求从一个信道向相邻信道的泄漏要低，即要求低串扰高隔离度(隔离度应达到2040dB)。信道密度是WDM系统中的重要变量。光器件的结构与机理为光信道提供了均匀分布的间隔(尽管这些间隔不一定会全部使用)，这些间隔的分布决定了信道密度。国际电信联盟定义了一组间隔为100GHz的标准中心频率，这一频率间隔大约对应于掺铒光纤放大器带宽中的0.8nm。另外，也有入在研究信道间隔为50GHz，甚至25GHz。这样，根据信道间隔的大小可以概略划分光复用技术中的频分复用(FDM)技术与波分复用WDM)技术；而在WDM中可以进一步地划分：密集波分
10、复用(DWDM)与宽(粗)波分复用(WWDM)。光频分复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)技术与光波分复用技术在概念本质上是一回事，但光频分复用比光波分复用的信道间隔要窄很多。FDM是以频率的单位GHz来描述间隔的，而WDM是以波长的单位nm来描述间隔的。一般认为，当波长间隔大于1nm时的复用技术称为光波分复用技术(WDM)；而把波长间隔小于1nm极窄信道间隔的复用技术称为光频分复用技术(FDM)，其对应的频率波长关系参见图6.49。图图6.49 6.49 光波复用频段划分光波复用频段划分 另外，在WDM技术中，一般定义信道间隔200GHz、波长间隔为
11、110nm的波分复用为密集波分复用(DWDM），已实用化的密集波分复用标准信道间隔有200、100和50GHz；而对间隔很宽的、波分间隔为10100nm(例如1000GHz)的系统则定义为宽(粗)波分复用(WWDM）。实际系统中2025nm的宽信道间隔在一些系统中得到应用。图6.50给出了在C带铒光纤放大器的15301565 nm范围内，密集波分复用紧密间隔系统(40信道，每信道100 GHz)与粗波分复用宽间隔系统(4信道，每信道1000GHz)两种WDM系统的示意图，后者的信道间隔约为8nm。显然，信道间隔越宽，复用器与解复用器的制作及成本就越简单低廉。分插复用器。一般解复用器可以分离光纤
12、中传输的所有信道，但在很多情况下需要从所有信道中只分离出一或两个信道，这就是分插复用器应有的功能。分插复用器可以下载一个或多个信道，也可以在该信道上载新的信号。利用前述的光纤光栅等波长选择性滤波器，即可实现分插复用器的功能。图6.51给出了反射一个信道而透射其他信道的分插复用器的示意图。图图6.50 WDM6.50 WDM系统中的两种信道间系统中的两种信道间隔对比隔对比图图6.51 6.51 反射一个信道并透过其他信反射一个信道并透过其他信道的分插复用器道的分插复用器 光波分复用器(Wavelength division multiplexer)是一种用来合成不同波长光信号或分离不同波长光信号
13、的无源器件，前者称为“复用器”，后者称为“解复用器”。光波分复用器属于波长选择性耦合器，其主要性能指标如下：6.6.2 6.6.2 光波分复用器光波分复用器 插入损耗：是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，系统设计时一般容许几个分贝的插入损耗，但一般较好的商用产品均低于0.5dB。串扰：是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离度来表示这一程度。信道宽度：是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。光波分复用器的种类很多，根据所采用的分光元件及工作原理，可将其分为如下几种类型(参见图6.52)。以下介绍几种类型的光波分复用器。1.棱镜分光式波
14、分复用器 利用折射棱镜的角色散功能可以实现将复色光信号中的各波长光分离。如图6.53所示，一束复色光射入棱镜经两次折射，由于棱镜材料的折射率随波长而异，因此经棱镜出射的光将发生角色散，按波长展开，从而使不同波长光信号相互分离，实现解复用功能。它属于角色散型器件。图图6.52 6.52 光波分复用器的分类光波分复用器的分类图图6.53 6.53 棱镜光波分复用器结构示意图棱镜光波分复用器结构示意图棱镜型复用器和解复用器结构简单，容易制造，但材料色散系数(即偏折程度)较小，插入损耗较大，难以达到所需要的特性要求，因此不常应用。2.衍射光栅型波分复用器 所谓光栅是指在一块能够透射或反射的平面上刻划多
15、条平行且等距的槽痕，形成许多具有相同间隔的狭缝。当一束含有多波长的复色光信号入射衍射光栅时，将产生衍射。由于不同波长具有不同的衍射角，因而不同波长成分的光信号将以不同的角度出射，从而实现不同波长的光信号分离。因此，该器件与棱镜的作用一样，均属角色散型器件。光栅种类较多，但用于WDM中主要是闪耀光栅，它的刻槽具有一定的形状如图6.52(a)中所示的小阶梯，当光纤阵列中某根输入光纤中的光信号经透镜准直以平行光束射向闪耀光栅时，由于光栅的衍射作用，不同波长的光信号以方向略有差异的各种平行光束返回透镜传输，再经透镜聚焦后，按一定规律分别注入输出光纤之中。由于闪耀光纤能使入射光方向矢量几乎垂直于光栅表面
16、上产生反射的沟槽平面，形成所谓“利特罗”(Littow)结构，因而可提高衍射效率，降低插入损耗。图图6.54 6.54 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 图6.54(b)给出了一个具有梯度折射率(GRIN)棒透镜的衍射光栅解复用器的原理结构，光路中以梯度折射率棒透镜取代图6.54(a)中的体透镜。衍射光栅型解复用器对分离几个间隔很大的波长效果很好，但它不能对紧密间隔的波长提供高的信道隔离度。另外，衍射光栅这种展开连续光谱的方式对测量类仪器很适用。3.熔融光纤型波分复用器 熔融光纤型波分复用器本质上即是熔融型光纤耦合器应用于WDM功能的实现。图6.55所示为由两根光纤
17、熔融形成的四端口X形定向耦合器，用于分离两个波长光信号。两根单模光纤的纤芯在耦合区并未相连，但由一根光纤端口(Al)入射的光(1，2)在通过耦合区段时，利用包层厚度的作用能将一部分光(2)耦合到另一根光纤中去。进一步的研究表明，两个熔融光纤之间光能量转换的程度取决于耦合区的长度(该长度用波长来衡量)和两纤芯相互靠近的程度。只要调整控制适当，则经过一段耦合长度后，信号光能量可以从一根光纤完全转移到另一根光纤中。图6.55中，从A1端口入射的1（980nm)和2（1550nm)两个不同波长的光信号，经过耦合区到F点时，将从B1端口输出1信号，从B2端口输出2信号，从而实现了解复用的功能。这表明，熔
18、融型光纤耦合器可以将光定向到不同的端口来分离波长。图中上方给出了两种波长光的能量随耦合长度变化而在光纤1和光纤2之间波动转移的过程曲线，在F点实现完全转移。图图6.55 6.55 熔融光纤型波分复用器分离两个波长示意图熔融光纤型波分复用器分离两个波长示意图 熔融光纤型波分复用器的优点是便于连接，插入损耗极小(典型值0.2dB)，结构小巧紧凑，用于间隔很大的波长分离效果很好，例如掺铒光纤放大器的泵浦光(980nm)和信号光(1550nm)。但复用波长数少，不适合用于分离密集波分复用系统中的多波长光信道；且对光源波长及温度变化的适应性较差；另外，隔离度较差(20dB左右)。4.干涉滤波器型波分复用
19、器 利用基于多层介质膜干涉效应的干涉滤波器(干涉滤光片)选择性透射(其余波长反射)的特性，采用级联的方法可以构建干涉滤波器型的波分复用器(解复用器)。特别有利的是，近些年才研发成功的极窄线宽的干涉滤波器非常适用于DWDM系统。图6.56给出了一个由5个干涉滤波器级联依次选出6个波长的解复用器原理示意图。图6.56表明，级联干涉滤波器的每一级可以为解复用器选出一个波长，如果需要分离n个波长光信号(光信道)，则需要n-1级(个)干涉滤波器。这种波分复用器适用于宽波段，插入损耗也较小，已得到广泛应用。其典型的解复用波长数为26个，在利用LD做光源时，最大的波长复用数可达810个。图6.57给出了由干
20、涉滤波器(滤光片)和1/4周期长度自聚焦透镜组合而成的波分复用器，结构为合波复用，结构为分波解复用。图中，每两个自聚焦透镜之间夹一块干涉滤光片，起到分离一种波长光信号的作用。其各信道的插入损耗分别为：0.5dB，1.0dB，1.1dB，0.7dB；信道间串扰损耗大于25dB.图图6.56 6.56 由由5 5个干涉滤波器级联依次洗出个干涉滤波器级联依次洗出6 6个波长的个波长的DWDMDWDM图图6.57 6.57 干涉滤光片与自聚焦透镜组合的波分复用器干涉滤光片与自聚焦透镜组合的波分复用器 由于多级级联的干涉滤波器其每一级都可能存在泄漏，其累积造成的损耗效应将很严重。为了减少这种泄漏，可以采
21、用将全部光信号分成若干个信道组，然后再分成单独的信道。图6.58设计给出了由4个高通和低通滤波器加上5个8信道解复用器构成的一个40信道解复用系统。系统中输入的全部40个波长光信号，首先到达高通滤波器1，它透过1740，而反射所有波长小于17(1 16)的短波长光信号至低通滤波器1；1 16在低通滤波器1处，透过短波长1 8输入至8信道解复用器1，同时反射9 16并输入至解复用器2；1740的所有波长信号被路由至低通滤波器2，其中的短波长信号1724透过低通滤波器2并输入解复用器3，2540被路由至高通滤波器2；2540中的2532被高通滤波器2反射输入至解复用器4，而3340则透过高通滤波器
22、2并输入至解复用器5。上述5组光信号在5个解复用器处分别被解复用为8信道。这种分组结构和方法的一个重要优点是可以实现多信道的解复用，且具有模块化的特性。图图6.58 6.58 通过信道分组对通过信道分组对4040个信道解复用个信道解复用5.平面光波导型(阵列波导光栅)波分复用器 平面光波导是在平面型基底材料上，采用半导体加工工艺制造的光波导结构。根据光波导之间的功率耦合与波长、间隔、材料等有关的特性即可制造出相应的光波分复用器。图6.59给出了平面波导型1X8波分复用器的结构示意图。以此为基础，近些年来又出现了一种特别适用于光纤通信的新型阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Gra
23、ting，AWU)型波分复用器，如图6.60所示。其机理可以视为是马赫一曾德尔(MZ）干涉仪的演变。图中，输入与输出端分别通过平面扇形波导和输入、输出耦合器与AWG相连。AWG是由规则排列波导组成的弯曲平面波导阵列，相邻波导的长度相差固定值L，相应产生的位相差随波长而变。基于此，长度不同的各波导，它们的输出在输出耦合器中所产生的干涉效应以及对光谱的展开，与衍射光栅的作用相同。因而当某一输入光纤中输入多波长信号时，不同的波长将以不同的角度从波导阵列出射，输出端的各光纤中将分别有各分离出的光波长信号，从而起到分离多个信道、解复用的功能。所以从实现的功能角度看，阵列波导光栅是一种可以同时分离多个光信道的单片器件，其典型的数量是1640个输出，间隔为50GHz、100GHz或200GHz(对低信道数)。这种结构由于利用了NN矩阵形式，因而可实现数十个乃至上百个波长的复用解复用。虽然其插入损耗较其他解复用器高几个分贝，但一个阵列波导可以分离多达40个光信道，其效率还是较高的。图图6.59 16.59 18 8波分复用器波分复用器图图6.60 6.60 阵列波导光栅阵列波导光栅(AWC)(AWC)波分复用器波分复用器
