第三章 光無源器件

1、第三章第三章 光纖通信無源器件光纖通信無源器件 3.1 光纖光纖的連接與耦合的連接與耦合 3.2 光衰耗器光衰耗器 3.3 光開關(guān)光開關(guān) 3.4 光隔離器光隔離器 3.5 光環(huán)行器光環(huán)行器 3.6 波分復(fù)用波分復(fù)用/解復(fù)用器件解復(fù)用器件連接器連接器插頭插頭插座插座3.1 連接器連接器 連接器是光纖通信中應(yīng)用連接器是光纖通信中應(yīng)用最廣泛最基本的光無源器件；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)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光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng)活動(dòng))連接的器件；連接的器件； 對這種器件的基本要求是使發(fā)射光纖輸出的光對這種器件的基本要

2、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；能量最大限度耦合到接收光纖； 連接器連接器“跳線跳線”用于終端設(shè)備和光纜線路及各用于終端設(shè)備和光纜線路及各種光無源器件之間的互連。種光無源器件之間的互連。對連接器的要求對連接器的要求 連接損耗連接損耗(插入損耗插入損耗)??；??； 回波損耗大；回波損耗大； 多次插撥重復(fù)性好；多次插撥重復(fù)性好； 互換性好；互換性好； 環(huán)境溫度變化時(shí)，性能保持穩(wěn)定；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；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，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，以保證

3、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隙并保特適當(dāng)?shù)拈g隙。圖圖3.1.1 連接損耗的機(jī)理連接損耗的機(jī)理纖纖芯芯尺尺寸寸失失配配數(shù)數(shù)值值孔孔徑徑失失配配纖纖芯芯不不同同心心折折射射率率分分布布失失配配( (a a) )固固有有損損耗耗圖圖3.1.1 連接損耗的機(jī)理連接損耗的機(jī)理(b)外部損耗(b)外部損耗端面間隙端面間隙軸向傾角軸向傾角 橫向偏移橫向偏移菲涅爾反射菲涅爾反射端面粗糙端面粗糙xd連接器的基本結(jié)構(gòu)包括接口零件、光纖插針和對中三部分。連接器的基本結(jié)構(gòu)包括接口零件、光纖插針和對中三部分。光纖插針的端面有平面、球面（光纖插針的端面有平面、球面（PC）或斜面）或斜面(APC, An

4、gled Physical Contact)。對中可以采用套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、對中可以采用套管結(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)?？捉Y(jié)構(gòu)、三棒結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。因此因此, 連接器的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的。采用套管結(jié)構(gòu)對中和微孔結(jié)構(gòu)插針光纖固連接器的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的。采用套管結(jié)構(gòu)對中和微孔結(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。）所示。 圖圖3.1.2 活動(dòng)連接器結(jié)構(gòu)和特性活動(dòng)連接器結(jié)構(gòu)和特性套筒套筒插針插針粘結(jié)劑粘結(jié)劑

5、光纖光纖光纖插針與套筒連接示意圖光纖插針與套筒連接示意圖(b)(C) 連接器插頭和插座連接器插頭和插座APC8o o三種常見的物理接觸三種常見的物理接觸(a)芯芯包皮包皮凸球面凸球面平面平面斜面斜面PC連接器的種類連接器的種類 兩插頭與轉(zhuǎn)接器的連接有兩插頭與轉(zhuǎn)接器的連接有FC型、型、SC型和型和ST型。型。FC：表示用螺紋連接；：表示用螺紋連接；SC（Square/Subscriber Connector）：）：表示軸向插拔矩形外殼結(jié)構(gòu)；表示軸向插拔矩形外殼結(jié)構(gòu)；ST（Spring Tension）：表示彈簧帶鍵卡口結(jié)）：表示彈簧帶鍵卡口結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 通常我們把光纖插針端面結(jié)構(gòu)和兩插頭與轉(zhuǎn)接器通

6、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，通常有型，通常有 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和和 ST/PC 型等。型等。表表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)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) 類型類型結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性FC/PCFC/APCSC/PCSC/APCST/PC插針套管插針套管(包括光纖包括光纖)端面形狀端面形狀凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面連接方式連接方式螺紋螺紋螺紋螺紋軸向插拔軸向插拔軸向插拔軸向插拔卡口卡口結(jié)結(jié)構(gòu)

7、構(gòu)特特點(diǎn)點(diǎn)連接器形狀連接器形狀圓形圓形圓形圓形矩形矩形矩形矩形圓形圓形平均插入損耗平均插入損耗（dB） 0.2 0.3 0.3 0.3 0.2最大插入損耗最大插入損耗（dB） 0.3 0.50.50.50.3重復(fù)性重復(fù)性（dB） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1互換性互換性（dB） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1回波損耗回波損耗（dB） 40 60 40 60 40插拔次數(shù)插拔次數(shù) 1000 1000 1000 1000 1000性性能能指指標(biāo)標(biāo)使用溫度范圍使用溫度范圍 40 +800C 40 +800C 40 +800C 40 +800C 40 +800C用途用途長距離干線網(wǎng)長

8、距離干線網(wǎng),用戶網(wǎng)或局域網(wǎng)用戶網(wǎng)或局域網(wǎng)長距離干線網(wǎng)長距離干線網(wǎng),高速率數(shù)字系統(tǒng)高速率數(shù)字系統(tǒng)或模擬視頻系統(tǒng)或模擬視頻系統(tǒng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)或局域網(wǎng)或局域網(wǎng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)或局域網(wǎng)或局域網(wǎng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)或局域網(wǎng)或局域網(wǎng)接接 頭頭 接頭是把兩個(gè)光纖端面結(jié)合在一起，以接頭是把兩個(gè)光纖端面結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定固定)連接。連接。接頭用于相鄰兩根光纜接頭用于相鄰兩根光纜(纖纖)之間的連接，之間的連接，以形成長距離光纜線路。永久性連接一以形成長距離光纜線路。永久性連接一般在現(xiàn)場實(shí)施，這種連接是光纜線路建般在現(xiàn)場實(shí)施，這種連接是光纜線路建造中的重要技術(shù)。造中的重要技術(shù)

9、。 對接頭的要求主要是連接對接頭的要求主要是連接(接頭接頭)損耗小，損耗小，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，長期的可靠性和穩(wěn)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，長期的可靠性和穩(wěn)定性，以及價(jià)格便宜等。定性，以及價(jià)格便宜等。光纖1光纖1光纖2光纖2接頭制作方法-熱熔連接熱熔連接 把端面切割良好的兩根光纖放在把端面切割良好的兩根光纖放在V形槽內(nèi)，用形槽內(nèi)，用微調(diào)器使纖芯精確對中；微調(diào)器使纖芯精確對中； 用高壓電弧加熱把兩個(gè)光纖端面熔合在一起；用高壓電弧加熱把兩個(gè)光纖端面熔合在一起； 用熱縮套管和鋼絲加固形成接頭；用熱縮套管和鋼絲加固形成接頭； 接頭的質(zhì)量不僅受光纖公差而且受電弧電流和接頭的質(zhì)量不僅受光纖公差而且受電弧電流和加熱時(shí)間

10、的影響。熱熔連接方法在世界范圍得加熱時(shí)間的影響。熱熔連接方法在世界范圍得到廣泛應(yīng)用。市場上有多種規(guī)格的自動(dòng)控制熔到廣泛應(yīng)用。市場上有多種規(guī)格的自動(dòng)控制熔接機(jī)，使用方便。接機(jī)，使用方便。V 形 槽形 槽接頭制作方法接頭制作方法-機(jī)械連接機(jī)械連接 用用V形槽、準(zhǔn)直棒或彈性夾頭等機(jī)械夾具，使形槽、準(zhǔn)直棒或彈性夾頭等機(jī)械夾具，使兩根端面良好的光纖保持外表面準(zhǔn)直；兩根端面良好的光纖保持外表面準(zhǔn)直； 用熱固化或紫外固化，并用光學(xué)兼容環(huán)氧樹用熱固化或紫外固化，并用光學(xué)兼容環(huán)氧樹脂粘結(jié)加固。脂粘結(jié)加固。 這種連接方法接頭損耗大，因?yàn)槔w芯對中的這種連接方法接頭損耗大，因?yàn)槔w芯對中的程度完全取決于光纖外徑公差和機(jī)

11、械夾具對程度完全取決于光纖外徑公差和機(jī)械夾具對光纖的控制能力。光纖的控制能力。毛細(xì)管粘結(jié)連接毛細(xì)管粘結(jié)連接 把光纖插入精制的玻璃毛細(xì)管中，用紫外把光纖插入精制的玻璃毛細(xì)管中，用紫外固化粘結(jié)劑固定，對端面進(jìn)行拋光；固化粘結(jié)劑固定，對端面進(jìn)行拋光； 在支架上用壓縮彈簧把毛細(xì)管擠壓在一起。在支架上用壓縮彈簧把毛細(xì)管擠壓在一起。 調(diào)節(jié)光纖位置，使輸出功率達(dá)到最大，從調(diào)節(jié)光纖位置，使輸出功率達(dá)到最大，從而實(shí)現(xiàn)對中，用光學(xué)兼容環(huán)氧樹脂粘結(jié)形而實(shí)現(xiàn)對中，用光學(xué)兼容環(huán)氧樹脂粘結(jié)形成接頭。成接頭。 這種連接方法接頭損耗很低。這種連接方法接頭損耗很低。圖圖3.1.2 把端面切割良好的兩根光纖放在把端面切割良好的兩

12、根光纖放在V形槽內(nèi)，形槽內(nèi)，微調(diào)架對中，用高壓電弧加熱熔合在一起微調(diào)架對中，用高壓電弧加熱熔合在一起光纖1光纖1光纖2光纖2鉺光纖鉺光纖普通光纖普通光纖鉺光纖鉺光纖普通光纖普通光纖(a) V 形槽形槽(b) 熱熔連接熱熔連接(c) 普通光纖和鉺光纖熱熔連接普通光纖和鉺光纖熱熔連接T T形形 星星形形耦耦 合合 器器 耦合器的功能是把一個(gè)或多個(gè)光輸入分配給多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。個(gè)或一個(gè)光輸出。 耦合器對線路的影響是附加插入損耗，可能還耦合器對線路的影響是附加插入損耗，可能還有一定的反射和串音。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)用場合。選擇耦合器

13、的主要依據(jù)是實(shí)際應(yīng)用場合。T形耦合器是一種形耦合器是一種 3 端耦合器或端耦合器或 22 耦合器，它的功能是把一根光纖輸耦合器，它的功能是把一根光纖輸入的光功率分配給入的光功率分配給 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。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。星形耦合器是一種星形耦合器是一種 N N 耦合器，它的功能是把耦合器，它的功能是把 N 根光纖輸入的光功率根光纖輸入的光功率組合在一起，并均勻分配給組合在一起，并均勻分配給 N 根輸出光纖。這種耦合器可以用作多端功根

14、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。率分路器或功率組合器。耦合器基本結(jié)構(gòu)耦合器基本結(jié)構(gòu)T形T形 星形星形方向方向波分波分 1 N 1 + + NN N 星形耦合器可以由幾個(gè)星形耦合器可以由幾個(gè) 2 2 耦合器組合而成。這種組合星形耦合器耦合器組合而成。這種組合星形耦合器的缺點(diǎn)是元件多、體積大。的缺點(diǎn)是元件多、體積大。熔拉雙錐星形耦合器是一種緊湊的單體星形耦合器。這種耦合器的制造熔拉雙錐星形耦合器是一種緊湊的單體星形耦合器。這種耦合器的制造技術(shù)是把許多光纖部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成雙錐形結(jié)構(gòu)。技術(shù)是把許多光纖部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成雙錐形結(jié)構(gòu)。錐形部分的

15、作用是把每根光纖輸入的信號混合在一起，并近似相等地分錐形部分的作用是把每根光纖輸入的信號混合在一起，并近似相等地分配給每個(gè)輸出端。配給每個(gè)輸出端。圖圖3.2.2 用熔拉雙錐方法制造的星形耦合用熔拉雙錐方法制造的星形耦合器器(a)(a)(b)(b)5 56 67 78 81 12 23 34 49 9101011111212傳輸型傳輸型反射型反射型 (c) 由由 12 個(gè)單模光纖耦合器組合的個(gè)單模光纖耦合器組合的88 星形耦合器星形耦合器另一種制造單模光纖星形耦合器的方法是新穎的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，即在扇形的另一種制造單模光纖星形耦合器的方法是新穎的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，即在扇形的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一

16、塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即自由空間區(qū)，該區(qū)可輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即自由空間區(qū)，該區(qū)可用硅平面波導(dǎo)電路技術(shù)制成，它的作用是將輸入光功率均勻地分配到每個(gè)輸用硅平面波導(dǎo)電路技術(shù)制成，它的作用是將輸入光功率均勻地分配到每個(gè)輸出端，如圖出端，如圖3.2.3所示。所示。這種結(jié)構(gòu)的星形耦合器適合構(gòu)成大規(guī)模的這種結(jié)構(gòu)的星形耦合器適合構(gòu)成大規(guī)模的N N星形耦合器，利用這種技術(shù)已星形耦合器，利用這種技術(shù)已制成用于制成用于 1.55 m 波段的波段的 64 64 和和 144 144 星形耦合器。星形耦合器。圖圖3.2.3 采用硅平面波導(dǎo)技術(shù)制成的多端星形耦合器采用硅平面波導(dǎo)技術(shù)制成的多端星形耦

17、合器(b)(b)輸入輸入陣列陣列輸出輸出陣列陣列平面波導(dǎo)區(qū)平面波導(dǎo)區(qū)o oo o Rs（a）N N 星形耦合器外形圖星形耦合器外形圖 （b）中心耦合區(qū)）中心耦合區(qū)3.2 光衰耗器光衰耗器光衰減器是用來穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號光功率的無源光器件。光衰減器主要用于調(diào)整中繼段的線路衰減，測量光系統(tǒng)的靈敏度及校正光功率計(jì)等。光衰減器分固定衰減器和可變衰減器兩種。（1）固定衰減器，其造成的功率衰減值是固定不變的，一般用于調(diào)節(jié)傳輸線路中某一區(qū)間的損耗。（2）可變衰減器，它所造成的功率衰減值可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)?？勺兯p器又分為連續(xù)可變和分擋可變兩種。3.3 光開關(guān)光開關(guān) 光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光信號光開

18、關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光信號的交換。的交換。 對光開關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、對光開關(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、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。方便。光開關(guān)分類光開關(guān)分類 機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)包括微機(jī)械光開關(guān)包括微機(jī)械光開關(guān) 波導(dǎo)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)機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)移動(dòng)臂移動(dòng)臂光纖光纖準(zhǔn)直頭準(zhǔn)直頭固固定定輸輸出出光光纖纖1234NN光纖光纖旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸反射鏡反射鏡輸入輸入光纖光纖-1（a）1 N移動(dòng)光纖開關(guān)移動(dòng)光纖開關(guān)（b）1 2移動(dòng)反射鏡開關(guān)移動(dòng)

19、反射鏡開關(guān)機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)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；性方面具有良好的性能； 但開關(guān)時(shí)間較長（幾十毫秒到毫秒量級）；但開關(guān)時(shí)間較長（幾十毫秒到毫秒量級）； 開關(guān)尺寸較大，而且不易集成。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) 微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為DWDM網(wǎng)中網(wǎng)中大容量光交換技術(shù)的主流。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)體它是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，

20、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，對輸入光信號反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對輸入光信號可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng)?？汕袚Q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通常微反射鏡的尺寸只有140 m 150 m，驅(qū)動(dòng)力，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?？梢岳脽崃π?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、消光比大這種器件的特點(diǎn)是體積小、消光比大(60dB左右左右)、對偏振不敏感、成本低，其開關(guān)速度適中對偏振不敏感、成本低，其開關(guān)速度適中(約約5ms)，插入損

21、耗小于插入損耗小于1 dB。圖圖3.6.2 可升降微反射鏡可升降微反射鏡 MEMS 光開光開關(guān)關(guān)入射光入射光溝渠溝渠可升降懸臂可升降懸臂微反射鏡微反射鏡波導(dǎo)波導(dǎo)波導(dǎo)波導(dǎo)硅襯底硅襯底通過光通過光（a）平行連接狀態(tài)（a）平行連接狀態(tài)電極電極頂視圖頂視圖側(cè)面圖側(cè)面圖V=0=0PLC圖圖3.6.2 可升降微反射鏡可升降微反射鏡 MEMS光開關(guān)光開關(guān)入射光入射光溝渠溝渠微反射鏡微反射鏡波導(dǎo)波導(dǎo)波導(dǎo)波導(dǎo)硅襯底硅襯底反射光反射光（a）交叉連接狀態(tài)（a）交叉連接狀態(tài)靜電力靜電力電極電極頂視圖頂視圖側(cè)面圖側(cè)面圖V VPLC圖圖3.6.3 可旋轉(zhuǎn)微反射鏡可旋轉(zhuǎn)微反射鏡 MEMS 光開關(guān)光開關(guān)微反微反射鏡射鏡輸出輸

22、出波導(dǎo)1波導(dǎo)1輸入輸入波導(dǎo)波導(dǎo)襯底襯底控制控制信號信號V V入射光入射光出射光出射光出射光出射光輸出輸出波導(dǎo)2波導(dǎo)2取向1取向1取向2取向2圖圖3.6.4 可立臥微反射鏡可立臥微反射鏡 MEMS 光開關(guān)光開關(guān)微反射鏡微反射鏡輸出輸出光纖1光纖1硅襯底PLC硅襯底PLC控制控制信號信號入射光入射光出射光出射光輸出輸出光纖2光纖2鏡面鏡面旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸光纖光纖微機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)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)，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)；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

23、在單片硅基上；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)鏡基于圍繞微機(jī)械中樞轉(zhuǎn)動(dòng)的自由移動(dòng)鏡面。面。 主要開發(fā)商有美國主要開發(fā)商有美國Lucent、德克薩斯儀、德克薩斯儀表公司和康寧等公司。表公司和康寧等公司。微機(jī)械光開關(guān)進(jìn)展微機(jī)械光開關(guān)進(jìn)展 用貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的 MEMs 技術(shù)（微透微透鏡），已實(shí)現(xiàn)鏡），已實(shí)現(xiàn) 256 256 的光交叉連接（交的光交叉連接（交換能力換能力 10 萬億比特萬億比特/s），是世界上第一），是世界上第一個(gè)個(gè)10 G 全光交叉連接系統(tǒng)；全光交叉連接系統(tǒng)； 2001年已達(dá)到年已達(dá)到 1024 1024； 它 可 以 運(yùn) 行 在 任

24、 何 光 層 速 率 ， 包 括它 可 以 運(yùn) 行 在 任 何 光 層 速 率 ， 包 括 40Gb/s以及更高的速率。以及更高的速率。波導(dǎo)開關(guān)波導(dǎo)開關(guān) 開關(guān)時(shí)間短（毫秒到亞毫秒量級）；開關(guān)時(shí)間短（毫秒到亞毫秒量級）； 體積非常小，而且易于大規(guī)模集成；體積非常小，而且易于大規(guī)模集成； 但插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感但插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標(biāo)都比較差。性指標(biāo)都比較差。圖圖3.6.5 馬赫馬赫-曾德爾曾德爾1 1光開關(guān)光開關(guān)LiNbO3 tV共平面共平面條形電極條形電極偏振光輸入偏振光輸入波導(dǎo)波導(dǎo)3LiNbO-Ti輸出輸出DCEa+ +- - -A AB B控制信號控制信號控

25、制信號控制信號t tt t輸出光輸出光 tV波導(dǎo)波導(dǎo)光開光開關(guān)關(guān)原理原理利利用用電電光光效效應(yīng)應(yīng)原原理理也也可可以以構(gòu)構(gòu)成成波波導(dǎo)導(dǎo)光光開開關(guān)關(guān)。由由兩兩個(gè)個(gè) Y 形形LiNbO3波波導(dǎo)導(dǎo)構(gòu)構(gòu)成成的的馬馬赫赫-曾曾德德爾爾 1 1 光光開開關(guān)關(guān)，與與幅幅度度調(diào)調(diào)制制器器類類似似，在在理理想想的的情情況況下下，輸輸入入光光功功率率在在 C 點(diǎn)點(diǎn)平平均均分分配配到到兩兩個(gè)個(gè)分分支支傳傳輸輸，在在輸輸出出端端 D 干干涉涉，其其輸輸出出幅幅度度與與兩兩個(gè)個(gè)分分支支光光通通道道的的相相位位差差有有關(guān)關(guān)。當(dāng)當(dāng) A、B 分分支支的的相相位位差差0時(shí)時(shí)輸輸出出功功率率最最大大，當(dāng)當(dāng)2時(shí)時(shí)，兩兩個(gè)個(gè)分分支支中

26、中的的光光場場相相互互抵抵消消，使使輸輸出出功功率率最最小小，在在理理想想的的情情況況下下為為零零。相相位位差差的的改改變變由由外外加加電電場場控控制制。LiNbO3 tV共平面共平面條形電極條形電極偏振光輸入偏振光輸入波導(dǎo)波導(dǎo)3LiNbO-Ti輸出輸出DCEa+ +- - -A AB B控制信號控制信號控制信號控制信號t tt t輸出光輸出光 tVtAEcoscos2output互易器件和非互易器件互易器件和非互易器件 連接器、耦合器等大多數(shù)無源器件的輸入和輸出端連接器、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。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

27、易器件，如光隔離器。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。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，對于從連接某些光器件特別是激光器和光放大器，對于從連接器、接頭、調(diào)制器或?yàn)V波器反射回來的光非常敏感。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。離器，以消除反射光的影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 對光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和對光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和磁場低和價(jià)格

28、便宜。磁場低和價(jià)格便宜。3.4 光隔離器光隔離器自聚焦透鏡自聚焦透鏡（起偏振器）（起偏振器）（檢偏振器）（檢偏振器） 法拉 法拉第旋轉(zhuǎn)器第旋轉(zhuǎn)器45450 0C C永磁鐵永磁鐵方解石方解石方解石方解石Gd：YIG膜Gd：YIG膜GRINGRIN透鏡透鏡GRINGRIN透鏡透鏡起偏振器起偏振器檢偏振器檢偏振器法拉第法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)器磁場磁場0 0o oo o45459090o o入射光入射光反射光反射光出射光出射光反射光反射光PA隔離器隔離器用法拉第磁光效應(yīng)原理制成用法拉第磁光效應(yīng)原理制成光通信用的隔離器幾乎都用法拉第磁光效應(yīng)原理制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

29、磁場方向入射到非旋光材料時(shí)成。當(dāng)平面偏振光沿著磁場方向入射到非旋光材料時(shí)，光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度 ，如果反射光再一次通過法拉第，如果反射光再一次通過法拉第介質(zhì)，則旋轉(zhuǎn)角度增加到介質(zhì)，則旋轉(zhuǎn)角度增加到 2 。角度。角度 可用下式表示可用下式表示HL(3.5.1)式中式中是材料的是材料的 Verdet 常數(shù)，表示單位磁場強(qiáng)度使光常數(shù)，表示單位磁場強(qiáng)度使光偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。GRINGRIN透鏡透鏡GRINGRIN透鏡透鏡起偏振器起偏振器檢偏振器檢偏振器法拉第法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)器磁場磁場0 0o oo o45459090o o入射光入射光反射光反射光出射光出射光反射光反射

30、光PAPA隔離器隔離器工作原理工作原理 起偏器起偏器 P 使入射光的垂直偏振分量通過使入射光的垂直偏振分量通過 調(diào)整加在法拉第介質(zhì)的磁場強(qiáng)度，使偏振面旋轉(zhuǎn)調(diào)整加在法拉第介質(zhì)的磁場強(qiáng)度，使偏振面旋轉(zhuǎn)45o，然后通過檢偏器，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)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，因此不會使入射光受正好和入射光偏振面正交，因此不會使入射光受到影響，等于把入射光和反射光相互隔離開來。到影響，等于把入射光和反射光相互隔離開來。光光隔隔離離器器光環(huán)行器用途和原理光環(huán)行器用途和原理 光環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理光環(huán)行器除了有多

31、個(gè)端口外，其工作原理與光隔離器類似，也是一種單向傳輸器件；與光隔離器類似，也是一種單向傳輸器件； 主要用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)和光分插復(fù)用主要用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)和光分插復(fù)用器中；器中； 方向性一般大于方向性一般大于 50dB。端口端口 1 輸入的光信號只有在端口輸入的光信號只有在端口 2 輸出，端口輸出，端口 2 輸入的光信號只輸入的光信號只有在端口有在端口 3 輸出。在所謂輸出。在所謂“理想理想”的環(huán)行器中的環(huán)行器中, 在端口在端口 3 輸入的信輸入的信號只會在端口號只會在端口1輸出。但是在許多應(yīng)用中，這最后一種狀態(tài)是不必輸出。但是在許多應(yīng)用中，這最后一種狀態(tài)是不必要的。因此，大多數(shù)商用環(huán)行器

32、都設(shè)計(jì)成要的。因此，大多數(shù)商用環(huán)行器都設(shè)計(jì)成“非理想非理想”狀態(tài)，即吸收狀態(tài)，即吸收從端口從端口 3 輸入的任何信號，方向性一般大于輸入的任何信號，方向性一般大于 50 dB。3.5 光環(huán)行器光環(huán)行器-用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)光發(fā)光發(fā)射機(jī)1射機(jī)1光發(fā)光發(fā)射機(jī)2射機(jī)2光接光接收機(jī)1收機(jī)1光環(huán)光環(huán)形器形器光環(huán)光環(huán)形器形器光接光接收機(jī)2收機(jī)21 12 23 31 12 23 3光纖光纖3.6 波分復(fù)用波分復(fù)用/解復(fù)用器件解復(fù)用器件 波分復(fù)用器波分復(fù)用器(WDM)的功能是把多個(gè)不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的的功能是把多個(gè)不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號復(fù)合在一起光信號復(fù)合在一起,并注入到一根光纖。

33、解復(fù)用器的功能與并注入到一根光纖。解復(fù)用器的功能與波分復(fù)用器正好相反。波分復(fù)用器正好相反。 棱鏡對不同波長的光有不同的折射角，當(dāng)這些分開的光從棱棱鏡對不同波長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。開，完成解復(fù)用。. . . .n2n1n1n1n21nC12121n2n透射光透射光4/2 4/1 (a)對反射光相長干涉的原理(a)對反射光相長干涉的原理1550330770 o (nm)反反射射系系數(shù)數(shù)0(b) 反射系數(shù)與波長的關(guān)系(b) 反射系數(shù)與波長的關(guān)系圖圖3.4.7 用介

34、質(zhì)薄膜濾波器用介質(zhì)薄膜濾波器構(gòu)成典型的解復(fù)用器構(gòu)成典型的解復(fù)用器光光纖纖棒棒透透鏡鏡干干涉涉濾濾波波器器光光纖纖干干涉涉濾濾波波器器反反射射鏡鏡干干涉涉濾濾波波器器棒棒透透鏡鏡棒棒透透鏡鏡光光纖纖光光纖纖干干涉涉濾濾波波器器光光纖纖光光纖纖光光纖纖321, 3 2 1 布拉格光柵布拉格光柵inEoutEtotr,E半反射鏡半反射鏡 布拉格布拉格（Bragg）光柵由間距為）光柵由間距為 的一列平行半反射鏡組成，的一列平行半反射鏡組成， 稱為布拉格間距，如圖稱為布拉格間距，如圖3.3.9所示。如果半反射鏡數(shù)量所示。如果半反射鏡數(shù)量 N（布拉格周期）足夠大，那么對于某個(gè)特定波長的光信號，（布拉格周期

35、）足夠大，那么對于某個(gè)特定波長的光信號，從第一個(gè)反射鏡反射出來的總能量從第一個(gè)反射鏡反射出來的總能量totr,E約為入射的能量約為入射的能量inE，即使功率反射系數(shù)，即使功率反射系數(shù) R 很小。該很小。該特定波長特定波長B強(qiáng)反射的條件是強(qiáng)反射的條件是2/Bn(3.3.8)式中式中 n 代表布拉格光柵的階數(shù)，當(dāng)代表布拉格光柵的階數(shù)，當(dāng)1n時(shí)，表示一階布拉格光柵，此時(shí)時(shí)，表示一階布拉格光柵，此時(shí)2/B；當(dāng)；當(dāng)2n時(shí)，表示二階布拉格光柵，此時(shí)時(shí)，表示二階布拉格光柵，此時(shí)B。式。式(3.3.8)表明，布拉格間距表明，布拉格間距(或光柵周期或光柵周期)應(yīng)該是應(yīng)該是B波長一半的整數(shù)倍，負(fù)號代表是反射。波長

36、一半的整數(shù)倍，負(fù)號代表是反射。 布拉格光柵的基本特性就是以共振波長為中心的一個(gè)窄帶光學(xué)濾波器。該共振波長稱為布拉格光柵的基本特性就是以共振波長為中心的一個(gè)窄帶光學(xué)濾波器。該共振波長稱為布拉格波長布拉格波長。光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵是光纖布拉格光柵是一小段光纖，一般一小段光纖，一般幾毫米長，其纖芯幾毫米長，其纖芯折射率經(jīng)兩束相互折射率經(jīng)兩束相互干涉的紫外光（峰干涉的紫外光（峰值波長為值波長為240nm）照射后產(chǎn)生周期性照射后產(chǎn)生周期性地調(diào)制，干涉條紋地調(diào)制，干涉條紋周期由兩光束之間周期由兩光束之間的夾角決定。的夾角決定。大多數(shù)光纖的纖芯大多數(shù)光纖的纖芯對于紫外光來說是對于紫外光

37、來說是光敏的，將纖芯直光敏的，將纖芯直接曝光于紫外光下接曝光于紫外光下將導(dǎo)致纖芯折射率將導(dǎo)致纖芯折射率永久性變化。永久性變化。光纖光纖芯芯包層包層紫外干涉光紫外干涉光光柵光柵4321 2 43 1 用紫外干涉光制作光纖布拉格光柵濾波器 這種光纖布拉格光柵的基本特性就是這種光纖布拉格光柵的基本特性就是以共振波長為中心的一個(gè)窄帶光學(xué)濾波以共振波長為中心的一個(gè)窄帶光學(xué)濾波器。該共振波長稱為布拉格波長器。該共振波長稱為布拉格波長，由式由式(3.3.8)可知，其值為可知，其值為n 2B光纖光柵帶通濾波器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附近光的特利用光纖布拉格光柵反射布拉格共振波長

38、附近光的特性，可以做成波長選擇分布式反射鏡或帶阻濾光器。性，可以做成波長選擇分布式反射鏡或帶阻濾光器。 如果在一個(gè)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。樣的布拉格光柵，則還可以構(gòu)成帶通濾波器。 3dB 3dB耦合器耦合器1 12 2輸入輸入共振波長為共振波長為完全相同的完全相同的的布拉格光柵的布拉格光柵4 4入入4 4輸出輸出輸出輸出輸出輸出1 14 47 7 1 17 7 1 17 7 4 4 4 4 光分插復(fù)用器光分插復(fù)用器(OADM)在在WDM網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中，需要光分插復(fù)用需要光分插復(fù)用器器(OADM)

39、，在保，在保持其它信道傳輸持其它信道傳輸不變的情況下，不變的情況下，將某些信道取出將某些信道取出而將另外一些信而將另外一些信道插入。道插入。可以認(rèn)為，這樣可以認(rèn)為，這樣的器件是一個(gè)波的器件是一個(gè)波分復(fù)用分復(fù)用/解復(fù)用對。解復(fù)用對。右圖表示固定波右圖表示固定波長光分插復(fù)用器。長光分插復(fù)用器。波波分分解解復(fù)復(fù)用用信號信號輸出輸出波波分分復(fù)復(fù)用用插入波長信道插入波長信道分出波長信道分出波長信道信號信號輸入輸入WDMWDM可編程分插復(fù)用器可編程分插復(fù)用器 可編程分插復(fù)用器通過對光纖光柵調(diào)諧取出所需要可編程分插復(fù)用器通過對光纖光柵調(diào)諧取出所需要的波長，而讓其它波長信道通過；的波長，而讓其它波長信道通過； 所以這樣的分插復(fù)用器稱為分插濾波器。所以這樣的分插復(fù)用器稱為分插濾波器。12光環(huán)形器光環(huán)形器信號信號輸入輸入調(diào)諧光纖光柵調(diào)諧光纖光柵分出波長信道分出波長信道WDM1 12 2光環(huán)形器光環(huán)形器信號信號輸出輸出插入波長信道插入波長信道WDM n3 n3 n光交叉連接光交叉連接(OXC)光交叉連接光交叉連接(OXC)具有具有傳輸速率高、容量大、傳輸速率高、容量大、抗干擾能力