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1、第六章 无源光器件和WDM技术,6.1 无源器件的几个常用性能参数 6.2 光纤和波导型无源光器件 6.3 光学无源器件 6.4 波分复用、解复用器件 6.5 光 开 关 6.6 WDM光纤传输系统,6.1 无源器件的几个常用性能参数,1插入损耗 插入损耗指的是无源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，定义为（6-1）其中,P0指的是发送到输入端口的光功率，P1指的是从输出端口接收到的光功率。,2回波损耗 回波损耗指的是从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比例，定义为（6-2）其中，P0是发送进输入端口的光功率，Pr指的是从同一个输入端口接收到的返回的光功率。,3反
2、射系数 反射系数指的是对于给定的光谱组成、偏振的几何分布，在器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率P0之比，通常用dB表示：（6-3）,4工作波长范围 器件能够按照规定的性能工作的从最小波长（min）到最大波长（max）的范围，是标称工作波长范围。5偏振相关损耗（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变化值。,6隔离度 在无源器件中，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表示：（6-4）,6.2 光纤和波导型无源光器件,6.2.1 光连接器和光耦合器 1光连接器 光连接器的功能是将两根光纤连接起来，与高温熔融连接
3、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FC/PC型、APC型、ST型、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，光纤就固定在插针中。,影响光连接器的插入损耗的因素:被连接的两根光纤是否匹配，即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，被连接的两根光纤性能参数的离散性必然导致插入损耗的增加；安装的精度，如下图6.1所示，两根光纤横向的错位、纵向的分离（两根光纤中间有间隙）和光纤的倾斜都会增加插入损耗。,图6.1 光连接器插入损耗的产生,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
4、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。如图6.2所示。,图6.2 斜面型光连接器（APC型）,（1）光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。这些损耗如图6.3所示。,图6.3 光纤错位连接损耗(a)轴向位移；(b)连接间隔；(c)倾斜错位;(d)截
5、面不平整,轴向位移即两根光纤连接处有轴向错位。其耦合损耗在零点几分贝到几个分贝之间，若错位距离小于光纤直径的5%，则损耗一般可以忽略不计。连接间隔有时又称端分离。如果两根光纤直接对接，则必须接触在一起，光纤分得越开，光的损耗越大。如果两根光纤通过连接器相连，则不必接触，因为在连接器接触产生的相互摩擦会损坏光纤。倾斜错位有时称为角错位。若角错位小于2，则耦合损耗不会超过0.5 dB。截面不平整。光纤连接的两个截面必须经过高精度抛光和正面粘合。如果截面与垂直面的夹角小于3，则耦合损耗不会超过0.5 dB。,除了错位连接之外，任何相连的光纤的几何特性和波导特性的差异对光纤间的耦合损耗都有大的影响。这
6、些特性包括纤芯的直径、纤芯区域的椭圆度、光纤的数值孔径、折射率剖面等。由于这些参数与生产厂家相关，因而使用者不能控制特性的变化。理论结果表明，与折射率剖面、纤芯区域的椭圆度相比，纤芯的直径和数值孔径的差异对连接损耗的影响更大。图6.4（a）、（b）、（c）给出了由纤芯直径、数值孔径和模场直径失配所引起的损耗的示意图。,图6.4 内部连接损耗(a)D21;(b)NA1NA2;(c)MFD1MFD2,（2）光纤连接方法 光纤连接是指两根光纤之间的永久或半永久连接，它的典型应用在于建立一个很长的光链路，或者用在不需要经常连接和断开光纤的情况中。为了实施和计算这样的连接，必须考虑的因素有两根光纤的几何
7、差异、光纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。这里介绍光纤通信中常用的连接方法。光纤连接方法包括光纤熔接法、V型槽机械连接和弹性管连接。第一种方法可产生永久性的连接，而后两种连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。,光纤熔接是通过加热的方法使已制备好的光纤端面连接在一起，如图6.5所示。这种方法首先将光纤端面对齐，并且对接在一起，该过程是在一个槽状光纤固定器里、在带有微型控制器的显微镜之下完成的。然后在两根光纤的连接处，使用电弧或激光脉冲加热，使光纤头尾端被熔化，进而连接在一起。这种技术产生非常小的连接损耗（典型的平均值小于0.06 dB）。但是，在采用这种连接方法时必须注意到，由于用手接触时
8、产生的光纤表面损伤、加热时引起的表面损伤加深、光纤连接处附近的残余应力等都会在光纤介质熔化时导致化学成分的变化，从而产生不牢固的连接。,图6.5 光纤的熔接,在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的光纤端面紧靠在一起，如图6.6所示。然后将两根光纤使用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成槽状。这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤的尺寸（外尺寸和纤芯直径）变化和偏心度（纤芯相对于光纤中心的位置）。,图6.6 V型槽机械连接,图6.7所示为弹性管连接装置的剖面图。这是一种可以自动进行横向、纵向、角度对准的独特器件。使用它连接多模光
9、纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗，但它所需要的设备和技巧却要少得多。这种连接器件基本上就是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小于待连接的光纤。在孔的两端做成圆锥形以便于光纤插入。当插入光纤时，光纤使孔膨胀，于是塑料材料对光纤施加均匀的力。,这种对称特征让两根待连接光纤的轴自动准确地对齐。尺寸范围较宽的光纤都能够插入弹性管中。由于每一根光纤在插入到弹性管中时，其各自位置与弹性管管轴相关，因此两根待连接的光纤在尺寸上并不一定要相等。,图6.7 弹性管连接,（3）常用的几种连接器 光纤连接器常采用螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结构。这三种结构都包括单通道连接器和既可应用于光缆对
10、光缆，也可用于光缆对线路卡连接的多通道器。这些连接器利用的基本耦合机理既可以是对接类型，也可以是扩展光束类型。对接类型的连接器采用金属、陶瓷或模制塑料的套圈，这些套圈可以很好地适配每根光纤和精密套管。将光纤涂上环氧树脂后插入套圈内的精密孔中。套圈连接器对机械结构的要求包括小孔直径尺寸以及小孔相对于套圈外表面的位置。,图6.8给出了用于单模光纤和多模光纤系统中的两种常用对接类型的对准设计，它们分别采用直套筒和锥形（双锥形）套筒结构。在直套筒连接器中，套圈中的套管和引导环的长度决定了光纤的端面间距。而双锥形的连接器使用了锥形套筒以便接纳和引导锥形套管。类似地，筒中的套管和引导环的长度同样也使光纤的
11、端面保持给定的间距。,图6.8 常用光纤连接器的对准方案示意图(a)直套筒；(b)锥形套筒；(c)扩展光束,扩展光束类型的连接器在光纤的端面之间加进透镜，如图6.8（c）所示。这些透镜既可以准直从传输光纤出射的光，也可以将扩展光束聚焦到接收光纤的纤芯处，光纤到透镜的距离等于透镜的焦距。这种结构的优点是由于准直了光束，因此在连接器的光纤端面间就可以保持一定的距离，这样连接器的精度将较少地受横向对准误差的影响。而且，一些光处理元件，诸如分束器和光开关等，也能很容易地插入到光纤端面间的扩展光束中。,连接器的主要特性如下：1）插入损耗 连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。正如前面所讨论的，存在各种
12、可能的原因引起光的损耗。为了减小插入损耗，可使用三种方法。第一种方法是使用保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。第二种方法是将加固件（例如芳香族聚酰胺）与连接器连接在一起，浙样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就是用插针体来保护裸光纤。,插入损耗是由制造商以如下的两个数值提供的：平均值和最大值。一般的连接器平均损耗大约为0.25 dB，这个数值可以在0.11 dB之间浮动。最大损耗大约为0.5 dB，变化范围在0.31.5 dB之间。2）回波损耗（简称回损）对连接器来说，回波损耗的问题起源于一个简单的矛盾现象：为了最小化插入损耗，需要尽可能地将光纤端面抛光，而抛光的端面对光的反射增强，
13、这样回波损耗就产生了。,回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为此安装人员提出了有效的解决方法：将两个连接器通过物理接触（PC）来减小它们之间的空气缝隙。现在多数连接器都是利用这种方法安装的。由于制造完美的平面来实现理想的物理接触是不可能的，因此制造商将插针体的端面做成不同的形状，如圆弧形等。,为了提高物理接触的效果就必须减少接触面积，因为小面积的质量可以更加有效地控制。抛光方法的提高使得制造商可以将PC连接器的回波损耗从几年前的-40 dB减小到如今的-55 dB，同时，也将平均插入损耗限制在可接受的0.2 dB以内。3）可重复性（耐用性）连接器是作为临时连接使用的，应在多次插拔之后仍保持它们的
14、特性。所以可重复性是连接器的一个重要特性。资料表明，连接器在多次插拔之后其插入损耗将增加，通常5000次插拔之后增加量应小于0.2 dB。,2光耦合器（Couplers）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6.9所示是简单的22和1 2光耦合器（Y型分路器）。以22耦合器为例，端口1（或端口4）输入的光信号可以按原设计的功率分配比例耦合到端口2和端口3输出，端口1和端口4输入的光还可以耦合在一起，并按一定的比例从端口2和端口3输出。反之，从端口2和端口3输入的光信号也可以从端口1和端口4输出。,图6.9简单的耦合器 常用的制造光耦合器的
15、方法有研磨抛光法、熔融拉锥法和平面波导法。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弧形槽的石英玻璃中，在进行光学研磨、抛光，去除一部分包层，然后将两根经过研磨的光线拼接在一起（见图6.10（a），利用被研磨部分的光场相互耦合，从而构成光耦合器。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。图6.10 研磨抛光制作法,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，用高温火焰对扭绞区局部加热使其熔融，并在熔融过程中使其拉伸，形成双锥形耦合区，如图6.10（b）所示。由于
16、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。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，根据耦合模理论，耦合到另一根光纤中的功率为（6-5）,根据功率守恒，第一根光纤中的输出功率为：（6-6）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（6-7）,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。3dB耦合器的分光比为50:50，但两个输出端口的光有的相对相位差，即耦合到另一光纤的输出光与沿直通输出方向的光相比存在的相位滞后。利用式（6-5）、（6-6）给出的关
17、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1输入1和2的信号光，由于耦合系数与光波长有关，而1和2的波长间隔又较大，适当的设计耦合情况可以实现对1波长，满足,对于2波长，满足（6-8）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2输出，波长为2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。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。将多根光纤熔融拉锥制成的耦合器称为星形耦合器，如图6.11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。,图6.11 熔融拉锥法
18、制作4 4耦合器,耦合器的特性可以用一下几个性能参数来描述。,1）附加损耗(excess loss)附加损耗的定义为,（6-9）,其中，Pj 是在端口 j 的输出功率，Pi是端口 i 的输入功率。如果光功率从端口1输入，则附加损耗等于：,（6-10）,在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率。附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别，因此附加损耗应尽可能小。对于正在讨论的耦合器，依赖于其类型，典型附加损耗在 0.060.15 dB 之间变化。（注：公式(4.4)中分母的 P1 是输入端，分子的 P1 是输出端。）,2)插入损耗(IL)插入损耗是指输入端口i和输出端口j之间产生的损耗，为输出
19、与输入端口光功率之比，即,如从端口1输入，端口2输出，则它们之间的插入损耗为,一个耦合器的插入损耗是相当高的。22耦合器的插入损耗的典型值为 3.4 dB。,（6-12）,（6-11）,3)耦合比 耦合比形式上定义为某一端口输出的光功率与所有端口的输出光功率之比，即,这个特性通常用来描述一个耦合器的性能。它可以用绝对值或百分比给出，在后一种情况下:,（6-14）,（6-13）,3波导耦合器 波导耦合器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6.12（a）所示为一个22波导耦合器结构示意图，波导是由不同折射率的介质构成，如图6.12（b）所示，它是由折射率较高的薄层夹在折射
20、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、波导间隙、折射率及光波长等因素有关。,（a）（b）图6.12 波导耦合器的结构,可以采用多个3dB耦合器连接的方式设计多端口星形波导耦合器，图6.13所示为88和18波导耦合器的结构图。图6.13 多端口耦合器,6.2.2 偏振控制器 1可转动光纤线圈型偏振控制器 最简单常用的光纤偏振控制器是可转动光纤线圈型，其结构如图6.14（a）所示。这种结构是一在底板上垂直安装一排（一般3或4个）圆盘，盘可以转动，半径比光纤芯径大得多，约为 750mm，圆盘的圆周上有槽，光线可以缠绕在盘上。当光纤
21、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6.14（b）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。,图6.14 可转动光纤线圈型偏振控制器,2挤压型偏振控制器 挤压型偏振控制器利用电磁挤压是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6.15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。,图
22、6.15 挤压型偏振控制器,6.2.3 光纤光栅 1光纤光栅的结构 光纤光栅由一段折射率沿其长度周期性变化的光纤构成。利用掺锗石英光纤受到240 nm 附近紫外光照射时纤芯折射率会增大这一现象，将光纤沿中心轴线切开，从光纤切面照射呈空间周期性变化的紫外光，纤芯部位就会出现周期性折射率变化，这就形成了光栅（FG），其结构如图6.16所示。,图6.16 光纤光栅的结构,目前制作光栅的光源主要有 193 nm/248 nm 中紫外光，334 nm 近紫外光及 10.6 m CO2 激光。制作方法主要有干涉法（如双反射镜、三反射镜法）与非干涉法（如相位、振幅掩膜法）。干涉曝光法是指先形成紫外光周期模式
23、（周期在 1 m 以下）,再从光纤侧面进行照射。干涉曝光法中的干涉条纹是将紫外激光先分成2个光路,然后再叠加而成。通过改变两光束的相对角度能产生任意周期具有不同反射波长的光栅，如图6.16（a）所示。,相位掩膜法中的相位掩膜板（本身是一种衍射光栅，其石英基片上的凹槽周期与光栅周期成比例）临近光纤配置，从另一侧照射紫外激光，紫外激光被调制成1次衍射光，两光叠加于光纤芯部并形成干涉条纹。采用这种方法能产生大量同一特性的光栅，其稳定性好，应用较普遍，如图6.16（b）所示。图6.16中的光栅是双光束干涉（如图（a）所示）或掩膜法（如图（b）所示）写入，反射光满足布拉格条件。,2光纤布拉格光栅（1）光
24、纤光栅滤波器 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布拉格光栅（FBG）。图6.17所示为光纤布拉格光栅原理示意图。图6.17 光纤布拉格光栅原理示意图,FBG 的结构和 DFB 激光器周期性波纹结构的作用一样，提供周期性的耦合点，使单模光纤中入射的基膜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，也可以偶合成后向传输模式。短周期的均匀光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，满足下列方程式（6-15）式中，neff是纤芯的等效折射率，是光栅周期。,图6.18所示是光纤光栅作为滤波器应用的一个示例。若 FBG 的反射波长是
25、1，输入信号中波长为1的光信号被 FBG 反射回来，从环形器的3端口输出，而其他3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，光纤光栅的长度越长，对光谱的选择性越好，3dB 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，在光纤通信和光纤传感领域有广泛的应用。,图6.18 FBG应用示例,（2）啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅是指光纤中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（
26、6-16）式中 c 是周期的线性变化斜率，数值可以取正值，也可以取负值，其结构如图6.19所示。,图6.19 啁啾光纤光栅,在这种光栅中，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件，也可以构成宽带滤波器。,我们简单分析一下啁啾光栅补偿色散的原理。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
27、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，于是就补偿了群速度色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原。,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，其缺点是补偿带宽较窄，目前人们正在研制宽带啁啾光纤光栅以适应 WDM 系统的需要。,3长周期光纤光栅,如果注入光栅 FG 的光向纤芯外辐射出去，并耦合至包层，被光纤涂覆树脂吸收而迅速消耗掉，且不存在反射，则称具有这种功能的光栅为长周期（几十至几百微米）光栅(LPG)。,6.2.4 Mach-Zahnder滤波器 M-Z滤波器的结构如图6.20（a）所示，由两个3dB耦合器和两段长度不等的波导臂组成。输入光功率Pi经第
28、一个3dB耦合器后等分为Pi1和Pi2两部分,光功率可以表示为（6-17）（6-18）（6-19）,图6.20 M-Z滤波器的结构和透射谱,它们分别在长度为L1和L2的光波导中传输，为简化分析，暂不考虑耦合器对两束光带来的相移。由于两波导的长度不同，传输时延不同，到达第二个3dB耦合器时，两束光的电场强度可以表示为（6-20）（6-21）式中，为光波的角频率，是光纤中光的传输速度。,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后输出光的强度。合成光波的电场强度和输出光功率可以表示为（6-22）（6-23）定义输出光功率与输入光功率的比值为透射率，透射率的表达式为（6-24）
29、,式中，是光功率，=2。图6.20（b）给出透射率随光频率变化的曲线，可以看出它的滤波效应。,图6.20 M-Z滤波器的结构和透射谱,6.2.5 非线性环路镜 非线性环路镜（Non-Linear Optical Loop Mirror，NOLM）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（OTDM）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的应用。NOLM的典型结构如图6.21所示。,图6.21 非线性环路镜的典型结构,由22光纤耦合器和光纤构成，光纤与耦合器的两个壁相连构成闭合环路。当光信号输入到耦合器时，被按一定比例分成两束，在光纤环路中沿不同方向传输，然后再耦合器中再
30、次相遇，输出光功率的大小取决于两束光在线性叠加时的相位差。,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增大，输出光功率随输入功率的变化如图6.22所示。,图6.22 非线性环路镜的输出功率随输入功率的变化,非线性环路镜可以采用多种不同的结构，实现不同的目的，图6.23为改进的非线性环路镜，它的结构采用50:50耦合器，并在光纤环的一端配制双向光放大器，所以称这种结构为非线性放大环路镜（NALM）。,图6.23 改进的非线性环路镜,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放大器，以高功率通过光纤环路；而沿逆时针方
31、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，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6.21所示结构同样的结果。,非线性环路镜可以用于不同的系统中，实现不同的目的。图6.24所示的NOLM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。所谓OTDM，就是将几路数字光信号先变成窄脉冲，然后在光域时分复用成高速信号在光纤中传输。图6.24（a）所示的机构的基本原理与上述的NOLM类似，但有以下几点需要注意。（1）在光纤环的一端配置有WDM耦合器，通过它将帧同步信号（控制信号）耦合进来；,（2）当帧同步信
32、号与某一路数字信号同步，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；（3）适当的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步传输的一路信号从输出端被选择出来，实现光时分复用信号的解复用功能。从上面的分析可以看出，NOLM具有光与门的功能，如图6.24（b）所示。,图6.24 NOLM应用实例,光锁相环 光锁相环（OPLL）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频同相，从而实现二者的同步。它由调谐激光器、光电二极管平衡器件和滤波器等构成，下图给出了其原理框图。,平衡二极管器件检测本地激光
33、器的频率与接收的光信号的频率，当两个频率完全相同时，二极管平衡电路处于静止状态;否则，这种静止状态将被破坏，使得二极管平衡电路有不平衡电流输出，该电流被放大后送滤波器滤除高频分量，滤波后的低频直流分量去控制本地激光器的输出频率，直至二者的频率完全相同，然后电路处于平衡状态。图中，增益控制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致。,6.3 光学无源器件,6.3.1 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服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，偏振分束器在波长变换等领域也有很多应用。图6.25所示为一个较典
34、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被分开，传输时将产生相位差。,图6.25 双折射棱镜型偏振分束,当一束光入射到图6.25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，当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，从而起到偏振分束的作用。偏振分束器有多种不同的结构，但大多数的偏振分束器的工作原理都与材料的双折射有关。,6.3.2 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，
35、在光通信中有广泛的作用。光隔离器应允许正向输入光以最小的损耗通过，并能最大的阻止反向光通过，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以降到0.2dB以下，隔离度可以达到70dB以上。,光隔离器的基本工作原理可以用法拉第电磁旋转效应来解释，即将某些晶体放入强磁场中时，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，表示为（6-25）式中，是材料的费尔德常数，H 是沿光传播方向的磁场强度，L 是光和磁场相互作用的长度。,法拉第电磁旋转效应是非可逆的，比方说，在某方向上传输的光由于法拉第电磁旋转效用向右旋转了45（沿光传输的方向看），
36、而沿相反方向传输的光辉旋转同样的角度（沿光传输方向看是向左旋转）。这意味着光片真面对饿旋转方向由磁场方向决定，而不是由光传输方向决定。图6.26所示是一种较典型的光隔离器结构和原理的示意图，这种结构主要有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45。,图6.26 光隔离器结构和原理的示意图,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，使光场的偏振面在旋转器中向右旋转45，正好匹配第二个偏振滤光片的偏振方向，从而可以几乎无损耗地输出。对于反向传输光（包括反向入射光或端面反射光）开始的偏振面与垂
37、直方向成45 角，在旋转器中又旋转45，总共 90 的旋转正好与第一个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。,这种结构的 一个缺点是对输入光的偏振敏感，输入光的偏振方向必须与输入端滤光片的偏振一致才能获得最大的耦合效率，否则将增加插入损耗。如果输入光的偏振方向是杂乱的，附加的插入损耗将达到30dB；如果输入光的偏振方向垂直于滤光片，可能会损耗掉所有输入光；如果输入光的偏振方向随时间变化，隔离器的插入损耗也将随时间变化，造成对信号的严重干扰。因此隔离器总是设计成与偏振无关。一种制造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束光，分别处理，然后再合在一起。,6.3
38、.3 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3端口和4端口器件，图6.27所示为一个3端口和4端口光环行器的基本结构。环行器的工作特点是：当光从任意端口输入时，只能在环行器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。,光环行器可以设计成对称结构，如图6.27（b）所示，最后一个端口输入的光传输到第一个端口输出，但在很多应用中光不需要循环回去而将光环行器设计成非对称结构，如图6.27（a）所示。,图6.27 光环行器示意图,光环行器可以有不同的结构，可以使用不同的器件构成，但其最基本的原理是利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输。图6.28所示是一个3端口光环行器
39、的结构以及端口1到端口2的光路图，它的各个组成部分的功能如下：（1）偏振分束器：将输入光分解成偏振正交的两束光；（2）法拉第旋转器：偏振面产生45 旋转，旋转方向如上节所述；（3）8平板：将光的偏振面旋转45。,图6.28 3端口光环行器中端口1到端口2的光路图,参考图6.28的光路示意，简要说明光环行器的工作原理。从端口1输入的光波被偏振分束器（PBS）分离成水平和垂直偏振光，垂直偏振光被折射，如图中沿上面的光路传输，水平偏振光沿下面的光路传输，然后进入法拉第旋转器。旋转器和8平板各将两束光旋转45，是原来的垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。这两束光被另一个偏振分束器合到一起从端口2输出。
40、,输入到端口2的光经历类似的过程，但由于法拉第旋转器的不可逆性质，两束正交的偏振光在经过8平板和旋转器后保持原来的偏振方向，被偏振分束器合成后导向端口3，而不是端口1。插入损耗、隔离度、偏振敏感性、回波损耗是反映光环行器性能的主要指标。现在环行器的插入损耗可以降到0.6dB以下，隔离度达到70dB以上，偏振敏感性低于0.05dB，回波损耗大于50dB。,6.3.4 自聚焦透镜 自聚焦透镜（GRIN）是应用广泛的无源光器件，主要作用是准直光束。自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件，其折射率分布同自聚焦光纤，只是直径远大于自聚焦光纤芯径，规格为零点几毫米到几十毫米不等。自聚焦光纤的折射率分布近似为（
41、6-26）,在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹如图6.29所示。,图6.29 自聚焦透镜中光线的轨迹,在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹r(z)及其导数为（6-27）（6-28）（6-29）其中，r0是入社端面（z=0）上射线的径向位置；r0是入射端面上入射光的斜率；Ln为节距，表示入射光线的周期。,在自聚焦透镜中，入射光线的轨迹是一条正弦曲线，而且所有的入射光线都有相同的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示为Ln。对于入射端面的光斑，在 z=Ln 处，可形成一个1:1的正立的实像；在 z=Ln/2 处可形成一个1:1的倒立的实像；从入射端面上某一点发出的光线，在 z=3Ln/4 处变为平行光。即是说，
42、长度为 Ln/4 的自聚焦透镜对入射光线有准直作用，像透镜一样，它将入射光线准直成平行光。,6.3.5 F-P腔滤波器 F-P腔也称为法布里-玻罗干涉仪或法布里-玻罗波长标准具，其基本结构是由两个反射界面构成，可以由两个镜面作为反射面，也可以由不同的介质的分界面构成，图6.30所示局势不同介质构成的F-P腔。中间介质的折射率是n，两边介质的折射率是n，当光束入射到两个介质的分界面时，会在两个界面之间反复地发生反射和折射，反射波和透射波都是无穷多束光波的线性叠加，叠加的结果与相邻波束的相位差有关。如图6.30（a）所示。,图6.30 折射率不同的介质构成的F-P腔,两束透射波A1和A2的路程差为
43、（6-30）它们的相位差为（6-31）当相位差为2的整数倍时，所有的透射波同相相长，形成强的输出光束，对应的透射波长为 m=1，2，3，（6-32）F-P腔的滤波特性液界面的反射率 R 有关，如图6.30（b）所示。,6.3.6 光栅 广义上讲，任何一个具有周期性空间结构或周期性光学性质的衍射屏都是一个光栅。在光通信中经常使用反射型平面衍射光栅，作为波长选择滤波器用于波分复用系统中。这种光栅可以用光刻的方法在很多材料上刻蚀出周期性结构，周期结构可以呈锯齿状、闪烁状、矩形等，如图6.31所示。,图6.31 光栅形状基本的光栅方程可以表示为 k=1，2，3，（6-33）式中，表示入射光的波长，b
44、表示光栅常数，m 是入射角，d 是输出光束与法线的夹角，k 是整数，表示光栅的衍射级数。,光栅的形状与衍射角度没有关系，但与各级衍射光束的相对强度有关。因此，我们可以通过适当的设计尽可能使大部分的光功率进入某一衍射级，而避免功率的发散和损耗。图6.31（b）所示的闪烁光栅是最常用的平面光栅，因为它能在一定的波长范围内将很高比例的光功率集中在第一级衍射光束中。色散本领和色分辨本领是角色散元件的主要性能指标。角色散本领是相距为单位波长的光波散开角度，其表达式为,（6-34）式中，和 分别为散开的角度和光波长。角色散本领只反映不同波长的谱线中心分离的程度，它不能说明两条谱线是否重叠，色分辨本领可以反
45、映器件分辨波长很接近的谱线的能力。光学元件的色分辨本领定义为（6-35）式中，min是瑞利判据所规定的角色散元件能够分辨的两谱线的最小波长差。,光栅的角色散本领为（6-36）色分辨本领为（6-37）式中，k 是光栅的衍射级数。由式（6-36）、（6-37）可知，光栅的角色散本领与光栅常数 d 成反比，与 k 成正比；光栅的色分辨本领与光栅的总槽数 N 和 k 成正比。因此，要得到性能好的光栅，总槽数 N 应尽量多，光栅常数 d 应尽量小，并尽量选用高的衍射级数。,6.4 波分复用、解复用器件,波分复用（WDM）器件是波分复用系统的重要组成部分，是关系波分复用系统性能的关键部件。对波分复用器件的
46、主要要求是：插入损耗小，隔离度大，串扰小；带内平坦，带外插入损耗变化陡峭；温度稳定性好，工作稳定、可靠；复用通路数多，各路插入损耗相差不大，尺寸小,波分复用、解复用器件的性能参数除了前面介绍的插入损耗、回波损耗、反射系数、偏振相关损耗等外，下面再介绍几个重要参数。（1）中心波长和通带特性 中心波长是指各信道的中心波长。通带特性是指波分复用器的各个信道的滤波特性，可以用0.5dB带宽、3dB带宽和20dB带宽来表示。（2）信道隔离度和串扰 信道隔离度定义为第 i 信道输出端口测得的信号功率 Pi(i)与第j信道在第 i 输出端口测得的串扰功率 Pj(i)(ij)之比，为第 j 信道对第i 信道的
47、隔离度。以dB表示，即,（6-38）隔离度和串扰是一对相关联的参数，其绝对值相等，符号相反。WDM系统要求相邻信道隔离度大于25dB，非相邻信道的隔离度大于22dB。目前，WDM复用系统中常用的复用、解复用器主要有光栅型、干涉型、光纤方向耦合器型和光滤波器型等。本节着重介绍光栅型、干涉膜滤波器型和阵列波导光栅型三种在密集波分复用系统中常用的复用、解复用器件。,6.4.1 光栅型复用、解复用器 图6.32所示是光栅型解复用器的三种结构，前两种都是用闪耀光栅都成的反射型器件。当入射光被准直后，照射到光栅上，由于光栅的角色散作用，不同波长的光以不同角度出射，然后经透镜汇聚到不同的输出光纤，从而完成波
48、分解复用功能。图6.32（a）所示的结构用传统的透镜作准直器件，图（b）用自聚焦透镜作准直器件。为减小服用信道的串音，复用信道的波长间隔应远大于器件能够分辨的最小波长差。图（c）是用体光栅制成的解复用器。,图6.32 光栅型解复用器的三种结构,当入射光被准直成平行光后照射到光栅上，被光栅的周期性槽沟衍射，向各个方向传播，在成像平面上，来自各个槽沟的同波长光干涉叠加形成具有最大和最小强度变化的干涉条纹，主最大强度的方向可以由下式给出：（6-39）取 k=1，对波长i，可以得到（6-40）,上式说明各个波长在一个确定的角度上有它的主最大，即不同波长的主最大相互分开一个角度，这就是光栅能够将多波长信
49、号进行解复用的原因。对上式求导，我们可以得到 k=1时光栅的角色散本领。光栅型解复用器是一种并行器件，它可以同时分开多路不同波长的信号，使各路的插入损耗都一样，具有解复用路数多，分辨率较高等优点，目前被广泛应用于DWDM系统中。,6.4.2 干涉膜滤波器型复用、解复用器件 干涉膜滤波器型解复用、复用器的基本结构如图6.33所示。它是由自聚焦透镜和滤光片组成。滤光片由多层介质薄膜构成，它可以通过介质膜系的不同选择构成长波通、短波通和带通滤光器。其基本原理可以通过每层薄膜的界面上多次反射和透射光的线性叠加来解释。,在复用器件中使用自聚焦透镜对光束进行准直，长度为四分之一节距，准滞后的平行光入射到滤
50、光片上，滤光片将1的光几乎全透射过去，而将2的光几乎全反射回去，透射光和反射光再经过自聚焦透镜汇聚，分别耦合进输出光纤，这样通过两个自聚焦透镜和中间的干涉滤光片就可以实现两个波长的分波和合波，如图6.33所示。,图6.33 基本的干涉膜滤波器型解复用器件的结构图6.34 安装在透镜轴上的波分复用器件,从自聚焦透镜的成像性质，我们不难发现当光纤离开自聚焦棒的轴线安装时，经四分之一节距的GRIN透镜准直后的平行光和透镜轴线成一定角度，即准直后的光斜入射到滤光片上。这时，干涉滤光片对不同极化方向的光的透射率是不同的，偏角越大，差别也越大，极化效应越明显，导致复用器件对偏振敏感，性能下降。当光纤安装在
