光纖技術(shù)及應用---第五章

1、第五章第五章光光 纖纖 器器 件件2021-7-252為實現(xiàn)光波的傳輸：傳統(tǒng)方法：采用分立光學元件分立光學元件構(gòu)成光學系統(tǒng)缺點：體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)松散、可靠性差、與光纖不兼容光纖技術(shù)的發(fā)展：以光纖為基質(zhì)構(gòu)成光纖器件光纖為基質(zhì)構(gòu)成光纖器件，彌補不足光纖器件是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)不可缺少的部件。按照能量的產(chǎn)生和消耗按照能量的產(chǎn)生和消耗可分為光纖無源器件光纖無源器件和光纖有源器件光纖有源器件：(a)光纖無源器件光纖無源器件：指用光纖構(gòu)成的一種能量消耗型器件能量消耗型器件；如：光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復用器、光纖隔離光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復用器、光纖隔離器和環(huán)形器、光

2、纖濾波器、光纖衰減器器和環(huán)形器、光纖濾波器、光纖衰減器等，功能功能：對信號或能量進行連接、合成、分叉、轉(zhuǎn)換及衰減等(b)光纖有源器件光纖有源器件：用光纖構(gòu)成的一種能量產(chǎn)生型器件能量產(chǎn)生型器件如：光纖放大器、光纖激光器：光纖放大器、光纖激光器等功能功能：主要是擴大通信容量、增大中繼距離、提高傳感效能等。本章主要講： 光纖無源器件（光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復用器、光纖隔離器和環(huán)形器、光纖濾波器、光纖光柵、光開關(guān)、光纖衰減器等）n光無源器件是光無源器件是光路的重要組成部分光路的重要組成部分。n光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件

3、如插頭、開關(guān)、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部插頭、開關(guān)、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部分。分。常見的光無源器件有常見的光無源器件有光纖連接器、光耦合器、光波分光纖連接器、光耦合器、光波分復用器、光隔離器、光衰減器、光開關(guān)復用器、光隔離器、光衰減器、光開關(guān)等。等。n光無源器件遵守光學的基本理論，即光線理論和電磁場理光無源器件遵守光學的基本理論，即光線理論和電磁場理論。論。5.1 光纖無源器件光纖無源器件1、光纖無源器件的主要性能參數(shù)主要性能參數(shù) 廣義講：光纖無源器件可以看成一個多端口耦合器一個多端口耦合器，每一個端口對應一條信號通道（簡稱“信道”），光信號由耦合器的一個端口或幾個

4、端口輸入，經(jīng)過某種變換或處理之后，從另一個或幾個端口輸出。（1）信道插入損耗信道插入損耗：表示由輸入信道(j)至指定輸出信道(i)的功率傳輸損耗，即：)/lg(10jiijPP其中：jP-是第j信道的輸入功率iP-是第i信道的輸出功率2021-7-256（2）信道隔離比信道隔離比：表示由輸入信道(j)至非指定輸出信道非指定輸出信道(k)的功率傳輸損耗，即：)/lg(10jkkjPPI（3）過剩損耗過剩損耗：表示當由第 j 信道輸入功率 時，由器件所引起的總附加功率傳輸損耗 ，即：jP)/lg(10jiiTPP（4）回波損耗：回波損耗：表示由輸入端口返回輸入信道的功率損耗，即：)/lg(10jj

5、jjPP回波損耗又稱為后向反射損耗，是指回波損耗又稱為后向反射損耗，是指光纖連接處，后向反射光功率相對入光纖連接處，后向反射光功率相對入射光功率的分貝數(shù)，射光功率的分貝數(shù)，回波損耗越大越回波損耗越大越好好。2021-7-257（5）信道工作波長信道工作波長：表示相應于最低插入損耗值的光信號波長，在波分復用器中這一參數(shù)尤為重要。（6）信道帶寬信道帶寬 ：表示相應于標定插入損耗值的光信號波長范圍，如：0.5dB帶寬或3dB帶寬等。iB 此外：各種不同的無源器件還具有一些特定的性能參數(shù)，如：隔離器的隔離器的“反向隔離比反向隔離比”、波分復用器的、波分復用器的“信道間信道間隔隔”、以及光開關(guān)的、以及光

6、開關(guān)的“開關(guān)速度開關(guān)速度”等2021-7-2582、光纖連接器光纖連接器 （1）光纖連接器光纖連接器-是光纖與光纖之間的活動接頭，把光纖的兩個端面精密對接起來。是一種可拆卸的光纖接插件，用于反復地連接或斷開光纖。（2）光纖連接器的主要技術(shù)要求光纖連接器的主要技術(shù)要求：(a) 插入損耗??；(b)重復插拔損耗變化??；(c ) 一致性（互換性）好。此外，要求安裝方便、性能穩(wěn)定、可靠性高、價格低廉。在距離光源較近處的光纖連接器還必須具有較大的回波損耗，以消除端面反饋光對光源的不利影響。（3）光纖連接器的分類光纖連接器的分類：端面對接式連接器、透鏡擴束式連接器、陣列光纖連接器n光纖活動連接器基本上是采用

7、某種機械和光學結(jié)構(gòu)，使兩光纖活動連接器基本上是采用某種機械和光學結(jié)構(gòu)，使兩根根光纖的纖心對接光纖的纖心對接，保證，保證9595以上的光能通過連接器。以上的光能通過連接器。n目前，活動連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種目前，活動連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種。 圖圖 套管結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖分為：直插（ST)型、雙錐(BC)型；書上P83頁n 圖圖 雙錐結(jié)構(gòu)雙錐結(jié)構(gòu) 圖圖 球面定心結(jié)構(gòu)球面定心結(jié)構(gòu)n 圖圖 V V形槽結(jié)構(gòu)形槽結(jié)構(gòu) 圖圖 透鏡耦合結(jié)構(gòu)透鏡耦合結(jié)構(gòu)圖 常用光纖連接器的對準方案示意圖(a) 直套筒； (b) 錐形套筒； (c) 擴展光束接收光纖引導環(huán)套管光纖共軸調(diào)整

8、套筒引導環(huán)套管發(fā)射光纖擴展光束準直聚焦透鏡(a)(b)(c)常用連接器類型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type2021-7-25133、光纖定向耦合器（簡稱光纖耦合器）光纖定向耦合器（簡稱光纖耦合器） 在光纖通信和光纖測量中， 有時需要把光信號在光路上由一路向兩路或多路傳送， 有時需把N路光信號合路再向M路或N路分配， 能完成上述功能的器件就是光耦合器器件就是光耦合器。 光耦合器按制作方法按制作方法分為微鏡片耦合器、 波導耦合器和光纖耦合器等。 通常，光信號功率由耦合器的一個端口輸入一個端口輸入，然后按照一定的按照一定的比例分配至幾個指定端口輸出比例分配至幾個指定端口輸

9、出，稱為分路分路；光信號功率由幾個端口輸入，經(jīng)耦合器進入同一個端口輸出由幾個端口輸入，經(jīng)耦合器進入同一個端口輸出，稱為分路分路。光纖定向耦合器特點：特點：(a) 器件的主體是光纖，不含其它光學元件；(b) 光的耦合功能是通過光纖中傳輸模式的耦合實現(xiàn)的；(c) 光信號的傳送方向是固定的。光纖定向耦合器是一種用于傳送和分配光信號用于傳送和分配光信號的無源器件。 在各種光纖通信網(wǎng)中，要用到大量的光纖定向耦合器，作為光纖線路的分路、合路以及節(jié)點互聯(lián)耦合器件。 由于制作時只需要光纖， 不需要其他光學元件， 具有與傳輸光纖容易連接且損耗較低容易連接且損耗較低、 耦合過程無需離開光纖，耦合過程無需離開光纖，

10、 不存在任何不存在任何反射端面引起的回波損耗反射端面引起的回波損耗等優(yōu)點優(yōu)點， 因而更適合光纖通信， 有時也稱為全光纖元件全光纖元件2021-7-25151、光纖耦合器類型光纖耦合器類型：根據(jù)光纖耦合器的工作原理分(a)部分反射式光纖耦合器部分反射式光纖耦合器：利用光學部分反射原理來實現(xiàn)的。端口輸出分配比取決于反射模反射率的大小輸出分配比取決于反射模反射率的大??；圖5.1-5(b) 波前分割式光纖耦合器波前分割式光纖耦合器：是對輸入光束進行空間分割，使其分成幾束光束輸出，達到分光的目的；圖5.1-7(c )模場耦合式光纖耦合器模場耦合式光纖耦合器：依據(jù)光纖中傳輸模式場分布相互耦合來實現(xiàn)光信號的

11、分路和合路。當兩光纖相距很近時，在一根光當兩光纖相距很近時，在一根光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綀龇植紩U展到另一根光纖之中，從而在其中激纖中傳輸?shù)哪Ｊ綀龇植紩U展到另一根光纖之中，從而在其中激勵起傳導模勵起傳導模，因此就使得導模場所攜帶功率由一根光纖耦合到另一根光纖中傳輸。圖5.1-8（X形拼接式耦合器）,5.1-9（雙錐形光纖耦合）圖5.1-8（X形拼接式耦合器）,-輸出分配比取決于兩纖芯間距以及拼接長度。圖5.1-9（雙錐形光纖耦合）-可控制耦合區(qū)的長度和雙錐耦合區(qū)的長度和雙錐體的腰徑體的腰徑來達到預定要求P1輸入端口P2P1P2輸出端口拉錐區(qū)耦合區(qū)拉錐區(qū)n光耦合器光耦合器( (Coupler) )是

12、是能使光信號能使光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)發(fā)生生耦合，耦合，并進行并進行光功率再分配光功率再分配的器件。的器件。n從功能上，從功能上，可分為光功率分配器和光波長分配（合可分為光功率分配器和光波長分配（合/ /分波分波）耦合器。）耦合器。n從端口形式上，從端口形式上，可分為可分為X 形形( )、Y 形形( )( )、星形星形 ( N N, N2 ) 以及以及樹形樹形 ( 1 N, N2）耦合耦合器。如書上：器。如書上：P86 P86 圖圖5.1-10 5.1-10 星形耦合器星形耦合器2212n（1 1）插入損耗）插入損耗(Insertion Loss):(Insertion

13、Loss):定義為指定輸出端口的光定義為指定輸出端口的光功率相對于全部輸入光功率的減小值功率相對于全部輸入光功率的減小值 式中，式中， 為第為第i i個輸出端口的插入損耗；個輸出端口的插入損耗； 為第為第i i個輸出端口個輸出端口的光功率；的光功率； 為輸入端的光功率。為輸入端的光功率。n（2 2）附加損耗）附加損耗(Excess Loss)(Excess Loss)：定義為輸出端口的光功率總：定義為輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值和相對于全部輸入光功率的減小值 插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關(guān)插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關(guān)，而且與

14、分光比有很大的關(guān)系。，而且與分光比有很大的關(guān)系。outin10lg/(dB)iiILPPiILoutiPinPoutin10lg (dB)iiPELP 2、光纖耦合器的性能指標光纖耦合器的性能指標n（3 3）分光比）分光比(Coupling Ration)(Coupling Ration)：定義為耦合器各輸出端：定義為耦合器各輸出端輸出功率的比值輸出功率的比值 它是光耦合器特有的技術(shù)指標。它是光耦合器特有的技術(shù)指標。n（4 4）方向性）方向性(Directivity)(Directivity)n方向性是光耦合器特有的技術(shù)指標方向性是光耦合器特有的技術(shù)指標, , 是衡量器件定向傳輸是衡量器件定向

15、傳輸特性的參數(shù)。以特性的參數(shù)。以X X形耦合器為例，形耦合器為例，方向性定義方向性定義為耦合器正為耦合器正常工作時，常工作時，輸入一側(cè)非注入光的一端輸出的光功率與全部輸入一側(cè)非注入光的一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。注入的光功率的比值。%100)()()(iiinioutiPPCRn由由 2 端輸出的光功率端輸出的光功率 與全部注入的光功率與全部注入的光功率( (即圖即圖中中 1 端注入的光功率端注入的光功率 ) )之比為之比為 圖圖 X X形耦合器的方向性形耦合器的方向性IN2(out)PIN1PIN2(out)IN110lg (dB)PDLP n（5 5）均勻性）均勻性(Unif

16、ormity)(Uniformity)：是指各端口輸出功率偏離平是指各端口輸出功率偏離平均值的程度均值的程度n對于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），對于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），由于工藝局限，往往不可能做到絕對的均勻，用均勻性由于工藝局限，往往不可能做到絕對的均勻，用均勻性來衡量其不均勻程度：來衡量其不均勻程度： N N為為 相應輸出端口總數(shù)相應輸出端口總數(shù) n（6 6）偏振相關(guān)損耗）偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss)(Polarization Dependent Loss)n衡量器件對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，衡量器

17、件對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為也稱為偏振靈敏度偏振靈敏度。iioutioutiNPPU/)()(lg10n指當傳輸光信號的偏振態(tài)變化指當傳輸光信號的偏振態(tài)變化 時，器件各輸出端輸時，器件各輸出端輸出功率的最大變化量：出功率的最大變化量： n （7 7）隔離度）隔離度(Isolation)(Isolation)：指光纖耦合器的某一光路對：指光纖耦合器的某一光路對其他光路中光信號的隔離能力其他光路中光信號的隔離能力 n式中，式中， 是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值；值； 為被檢測光信號的輸入功率值。為被檢測光信號的輸入功率值。n隔

18、離度高，意味著線路之間的隔離度高，意味著線路之間的“串話串話”小。小。outoutMin()10lg(dB)Max()iiPPDLP 360inlPPIlg10lPinP2021-7-25234 4 光波分復用器光波分復用器( (WDM) ) 光波分復用器屬于波長選擇性耦合器，是一種用來合成不同波長的光信號或者分離不同波長的光信號的無源器件。用于合成合成不同波長的稱為復用器復用器，用于分離分離不同波長的稱為解復用解復用器器。如圖5.1-12在復用器復用器中，由各個信道輸入波長為 的單色光信號被耦合進同一根光纖中傳輸耦合進同一根光纖中傳輸；在解復用器解復用器中，則是將傳輸光纖中波長為 的復色光復

19、色光信號分解成信號分解成波長為 的單色光信號，并輸入單色光信號，并輸入相應的輸出信道相應的輸出信道。N,.,21N,.,21N1(Wavelength Division Multiplexing)2021-7-2524如圖5.1-12 光復用器和光解復用器示意圖在復用器復用器中，由各個信道輸入波長為 的單色光信號被耦合進同一根耦合進同一根光纖中傳輸光纖中傳輸；在解復用器解復用器中，則是將傳輸光纖中波長為 的復色光信號分解成復色光信號分解成波長為 的單單色光信號，并輸入相應的色光信號，并輸入相應的輸出信道輸出信道N,.,21N,.,21N11、光波分復用器的類型 按照光波分復用器的分元件及工作原

20、理，可將其分為棱鏡棱鏡分光型、干涉膜濾光型、光纖定向耦合器、光纖光柵型、以及分光型、干涉膜濾光型、光纖定向耦合器、光纖光柵型、以及波導陣列光柵型波導陣列光柵型。(a)棱鏡分光型棱鏡分光型波分復用器：圖5.1-13 -利用棱鏡的色散作用實現(xiàn)波長分離棱鏡的色散作用實現(xiàn)波長分離的；(b) 衍射光柵型衍射光柵型波分復用器：圖5.1-14-利用衍射光柵的色散衍射光柵的色散作用實現(xiàn)分光的；(c )干涉膜濾光型干涉膜濾光型波分復用器：圖5.1-15-利用多層光學薄膜干涉原理多層光學薄膜干涉原理來分光的；2021-7-2526(d) 光纖定向耦合型光纖定向耦合型波分復用器：-由一根光纖向另一根光纖耦合功率的耦

21、合效率一根光纖向另一根光纖耦合功率的耦合效率是光波長的函數(shù)，當波長滿足耦合效率耦合效率=1時，光信號功率發(fā)生完全轉(zhuǎn)完全轉(zhuǎn)移移，當波長滿足耦合效率耦合效率=0時時，光信號功率不發(fā)生轉(zhuǎn)移不發(fā)生轉(zhuǎn)移。(e) 光纖光柵型光纖光柵型波分復用器：圖5.1-17(f) 波導陣列光柵型波導陣列光柵型波分復用器：圖5.1-18-波導陣列光柵型波分復用器由波導陣列光柵型波分復用器由輸入和輸出波導、空間耦合輸入和輸出波導、空間耦合器和波導陣列光柵器和波導陣列光柵構(gòu)成。構(gòu)成。2021-7-25272、光波分復用器的技術(shù)指標技術(shù)指標（1）信道插入損耗：表征與光波長相對應的信道功率損耗；（2）信道隔離比（串擾損耗）：表征

22、串入與光波長不相對應的信道的功率大??；（3）信道間隔：表征兩相鄰信道之間中心波長的差值。n光波分（解）復用器是按光波波長進行功率分離與合成光波分（解）復用器是按光波波長進行功率分離與合成的光無源器件，結(jié)構(gòu)如圖所示。的光無源器件，結(jié)構(gòu)如圖所示。圖圖 WDM 光傳輸原理圖光傳輸原理圖n利用利用色散、偏振、干涉色散、偏振、干涉等物理現(xiàn)象都可以制作等物理現(xiàn)象都可以制作WDM 器件。器件。以下是幾種常見的以下是幾種常見的WDM 器件類型。器件類型。n 1 1介質(zhì)膜型介質(zhì)膜型n利用窄帶利用窄帶干涉濾光膜干涉濾光膜（帶通型）進行波長的選擇，通道數(shù)目（帶通型）進行波長的選擇，通道數(shù)目48個，其結(jié)構(gòu)如圖所示。個

23、，其結(jié)構(gòu)如圖所示。n 圖圖 窄帶介質(zhì)膜帶通濾光片構(gòu)成的窄帶介質(zhì)膜帶通濾光片構(gòu)成的4 4通道通道WDM器件器件光柵型光柵型n利用利用光柵的衍射效應，不同波長的光衍射角度不同光柵的衍射效應，不同波長的光衍射角度不同，實現(xiàn)，實現(xiàn)空間的分離，通道數(shù)目空間的分離，通道數(shù)目6464個，其結(jié)構(gòu)如圖所示。個，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖圖 由反射光柵構(gòu)成的解復用器由反射光柵構(gòu)成的解復用器波導陣列光柵型波導陣列光柵型n波導陣列光柵型波分復用器由波導陣列光柵型波分復用器由輸入和輸出波導、空間耦合器輸入和輸出波導、空間耦合器和波導陣列光柵和波導陣列光柵構(gòu)成。構(gòu)成。n輸入和輸出波導用于與單模光纖連接，空間耦合器將各種波輸入和

24、輸出波導用于與單模光纖連接，空間耦合器將各種波長光信號耦合進波導陣列光柵，長光信號耦合進波導陣列光柵，波導陣列光柵由幾百條光程波導陣列光柵由幾百條光程差為差為 的波導的波導組成。組成。12Ln n根據(jù)衍射理論，在根據(jù)衍射理論，在輸出端光按波長大小順序排列輸出端光按波長大小順序排列輸出，通輸出，通過空間耦合器傳輸?shù)较鄳妮敵霾▽Ф丝?，其結(jié)構(gòu)如圖所過空間耦合器傳輸?shù)较鄳妮敵霾▽Ф丝?，其結(jié)構(gòu)如圖所示。示。 n 圖圖 波導陣列光柵型波導陣列光柵型D D波分復用器波分復用器5 5 光纖隔離器和環(huán)行器光纖隔離器和環(huán)行器 光纖隔離器和環(huán)行器是一種非互易傳輸耦合器非互易傳輸耦合器。在光纖隔離器中，當光信號沿

25、正向傳輸時，具有很低的損耗，光路被接通；當光信號沿反向傳輸時，損耗很大，光路被阻斷。在光環(huán)行器光環(huán)行器中，光信號只能沿規(guī)定的路徑環(huán)行，否則就具有很大的損耗。中，光信號只能沿規(guī)定的路徑環(huán)行，否則就具有很大的損耗。 光隔離器是只光隔離器是只允許光線沿光路允許光線沿光路單向傳輸單向傳輸?shù)臒o源器件，用的無源器件，用于于解決光纖通信中光路中光反射解決光纖通信中光路中光反射的問題。的問題。 （1）光纖隔離器和環(huán)行器的工作原理-法拉第磁光效應法拉第磁光效應；即當光波通過置于磁場中的法拉第旋光即當光波通過置于磁場中的法拉第旋光片時，光波的偏振方向總是沿與磁場方向構(gòu)成右手螺旋的方向旋片時，光波的偏振方向總是沿與

26、磁場方向構(gòu)成右手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，而與光波的傳播方向無關(guān)轉(zhuǎn)，而與光波的傳播方向無關(guān)。2021-7-2534 法拉第磁光效應 1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。當線偏振光（見光的偏振）在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與磁感應強度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即VBl，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應或磁致旋光效應。 這樣，當光波沿正向和反向兩次通過法拉第旋光片時，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角將疊加，而不是如互易性旋光片中的抵消，這種現(xiàn)象稱為非互易旋光性非互易旋光

27、性。（3）光纖隔離器和環(huán)行器的性能參數(shù)性能參數(shù)(a) 正向插入損耗：-定義為正向傳輸時輸出光功率與輸入光功率之比；(b) 反向（逆向）隔離比：-定義為反向（逆向）傳輸時輸出光功率與輸入光功率之比(c) 回波損耗：-定義為輸入端口自身返回功率與輸入功率之比。（2）光纖隔離器的類型類型-與偏振有關(guān)光纖隔離器；與偏振無關(guān)光纖隔離器2021-7-25366 6 窄帶光學濾波器窄帶光學濾波器-也是一種波長選擇性耦合器波長選擇性耦合器。當光信號進入這種器件時，只有光頻率與濾波器中心頻率一致的成分才能通過與濾波器中心頻率一致的成分才能通過，其他頻率成分的光將被濾掉。-大多采用法布里采用法布里-珀羅干涉儀（珀

28、羅干涉儀（F-P腔）的結(jié)構(gòu)，腔）的結(jié)構(gòu)，當光信號通過這種F-P腔時，由于在兩腔面之間多次反射產(chǎn)生多光束在兩腔面之間多次反射產(chǎn)生多光束干涉，干涉，使得透射光譜形成具有尖銳峰的光譜圖。2021-7-2537F-P腔濾波器的結(jié)構(gòu)：腔濾波器的結(jié)構(gòu)： 法布里珀羅（F-P）腔型濾波器的主體是F-P諧振腔， 它是由一對高度平行的高反射率鏡面構(gòu)成的腔體， 當入射光波的波入射光波的波長為腔長的整數(shù)倍長為腔長的整數(shù)倍時， 光波可形成穩(wěn)定振蕩， 輸出光波之間會輸出光波之間會產(chǎn)生多光束干涉，產(chǎn)生多光束干涉， 最后輸出等間隔的梳狀波形最后輸出等間隔的梳狀波形（對應的濾波曲線為梳狀）， 見圖。 輸入光F-P腔反射光輸出光

29、(有相移)F-P腔型可調(diào)諧濾光器 而且， F-P固定濾波器的中心波長由公式=2nL/N決定， 其中N為正整數(shù)。 如改變腔長改變腔長L或腔內(nèi)的折射率或腔內(nèi)的折射率n， 就能調(diào)諧濾波波長。 光纖F-P腔型可調(diào)諧濾波器的腔長由一段光纖和空氣隙腔長由一段光纖和空氣隙組成，組成， 在腔體光纖的一端鍍上高反射膜，在腔體光纖的一端鍍上高反射膜， 另一端鍍上抗另一端鍍上抗反射膜，反射膜， 彼此之間留有適當空隙。彼此之間留有適當空隙。 在電信號的驅(qū)動下，在電信號的驅(qū)動下， PZT（壓電陶瓷）可進行伸縮，（壓電陶瓷）可進行伸縮， 造成空氣間隙變化，造成空氣間隙變化， 引引起腔長的改變，起腔長的改變， 從而實現(xiàn)波長

30、的調(diào)諧。從而實現(xiàn)波長的調(diào)諧。 改變光纖的長度改變光纖的長度同樣可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)腔長的目的同樣可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)腔長的目的。 其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 5.1-25 光纖F-P可調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu) 光纖壓電晶體/陶瓷高反射鍍膜光纖纖芯支撐結(jié)構(gòu) 目前， 世界上已研制出了多種結(jié)構(gòu)的波長可調(diào)諧濾波多種結(jié)構(gòu)的波長可調(diào)諧濾波器器， 其基本原理都是通過改變腔長、基本原理都是通過改變腔長、 材料折射率或入射角材料折射率或入射角度度來達到波長可調(diào)諧的目的。 n 用來描述F-P腔傳輸特性的性能參數(shù)有： n (1) 自由譜域FSR(Free Spectrum Range)： 相鄰波長(頻率)之間的距離。 n (2) 帶寬BW(Ban

31、d Wide)： 諧振峰50處的光譜寬度。 n (3) 精細度F(Fineness)： 自由譜域與譜寬的比值。 F-P腔濾波器的帶寬取決于腔面反射率R1，R2)1)(1 (42121RRRRF精細常數(shù)帶寬：)1arcsin11 (0Fc圖 F-P腔型濾波器的譜寬、 線寬和線間距的定義輸出頻譜下限頻率上限頻率頻率或波長增益曲線增益曲線線間距線寬譜寬窄帶光學濾波器的主要技術(shù)指標：濾波器帶寬、插入損耗、自由光譜區(qū)（透射譜線不重疊的區(qū)域）以及可調(diào)諧波長范圍。2021-7-25437、光纖光柵、光纖光柵折射率型光柵-指折射率周期性變化的光學介質(zhì)。光纖光柵-其纖芯折射率纖芯折射率沿軸向呈周期性沿軸向呈周期

32、性分布，從而對特定波長的光產(chǎn)生衍射. 圖5.1-26圖 光纖光柵的結(jié)構(gòu) 最初的光纖光柵：摻鍺、摻硼、摻磷等；光纖光柵的特性：帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、易與其他光纖器件融合為一體，滿足光纖通信器件集成化、光纖化、全光化的發(fā)展要求，因此光纖光柵器件成為通信網(wǎng)絡技術(shù)中的理想器件。（1）光纖光柵的基本原理根據(jù)衍射理論：且滿足布拉格衍射方程：mnn21sinsin其中： 是光柵周期， n是介質(zhì)折射率，m是布拉格衍射的級數(shù)。在光纖中，只考慮一級衍射（m=1)，則可以寫成：21effeffnn)(21effeffnn其中： 是入射模式的有效折射率， 是衍射模式的有效折射率。1effn2e

33、ffn-透射式光纖光柵反射式光纖光柵，反射式光纖光柵，衍射模和入射模的傳播方向相反，如果兩模式相同，則有12上式變?yōu)椋簄neff22其中： 是平均折射率。該式就是布拉格條件布拉格條件，滿足該條件的光柵就是布拉格光柵。n比較: 對于同一波長而言，透射式光纖光柵的周期要遠遠透射式光纖光柵的周期要遠遠大于大于反射式光纖光柵反射式光纖光柵。因此：透射式透射式光纖光柵又稱為長周期光纖光柵長周期光纖光柵； 反射式反射式光纖光柵又稱為短周期短周期光纖光柵。（2）光纖光柵的基本分類光纖光柵的基本分類： (a)根據(jù)引起折射率根據(jù)引起折射率變化的起因變化的起因分類分類： 根據(jù)引起折射率變化起因的不同，即光纖光柵成

34、柵機制與光敏機理的差異，從激光能量密度、曝光時間、熱穩(wěn)定性、傳輸損耗、材料構(gòu)成、摻雜濃度等因素考慮，可分為： I型、II型、III型光纖光柵。 (b)根據(jù)折射率的根據(jù)折射率的變化結(jié)構(gòu)的差異變化結(jié)構(gòu)的差異分類分類： 根據(jù)光纖光柵空間周期分布及折射率調(diào)制深度分布是否均勻，將其分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。均勻光纖光柵均勻光纖光柵：指柵格周期沿沿纖芯軸向均勻纖芯軸向均勻且折射率調(diào)制折射率調(diào)制深度為一常數(shù)深度為一常數(shù)光纖布拉格光柵長周期光纖光柵閃耀光纖光柵非均勻光纖光柵非均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向不均勻軸向不均勻或折射率調(diào)制深度折射率調(diào)制深度不為常數(shù)不為常數(shù)線性啁啾光纖光柵分段啁啾光纖光柵

35、非均勻特種光纖光柵（3）光纖光柵制作技術(shù) 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性利用光纖材料的光敏性制作的。 所謂光敏性，就是指當材料被外部光照射時，引起該材料物理或化學特性的暫時性或永久性變化的特性。 例如：當用特定波長的光照射摻鍺光纖時，它的折射率、吸收譜、內(nèi)應力密度等物理特性會發(fā)生永久性的變化。在外部光源照明時，光纖的折射率隨光強的空間分布發(fā)生相應的變化，變化的大小與光強呈線性關(guān)系，并可以被保留下來，成為光纖光柵。2021-7-2550制備光纖光柵的方法內(nèi)部寫入法全息相干法相位掩膜法逐點寫入法色散補償器（4）光纖光柵的主要應用光學濾波器增益平坦器組合寫入法光分插復用器光纖光柵在光纖傳感器領(lǐng)域的應

36、用 光開關(guān)的開關(guān)速度或稱開關(guān)時間是一個重要的性能指標。 不同的應用場合對開關(guān)時間的要求是不一樣的， 如光通道的設置開關(guān)時間為110 ms， 保護倒換的開關(guān)時間為110 s， 分組交換的開關(guān)時間為1 ns， 外調(diào)制器的開關(guān)時間為10 ps量級。 除了開關(guān)時間外， 還有下面一些參數(shù)用來衡量光開關(guān)的性能。 8、光開關(guān)、光開關(guān) 光開關(guān)是一種光路控制光路控制器件，起著控制光路通斷和光路轉(zhuǎn)控制光路通斷和光路轉(zhuǎn)換的換的作用。在光通信系統(tǒng)中，光開關(guān)有著重要的應用，如：主、備光纖線路的切換切換、光纖或光纜的測量、光交換測量、光交換等。光開關(guān)的主要性能指標主要性能指標:開關(guān)速度開關(guān)速度、插入損耗、信道隔離比（串擾

37、損耗）（1） 通斷消光比：通斷消光比是指光開關(guān)處于通（開）狀態(tài)時輸出的光功率和處于斷（關(guān)）狀態(tài)時的輸出光功率之比。 通斷消光比越大, 光開關(guān)性能越好， 這對外調(diào)制器尤為重要。 機械開關(guān)的通斷消光比大約為4050 dB。 （2） 插入損耗（簡稱插損）插入損耗（簡稱插損）：插損是指由于光開關(guān)的使用而導致的光路上的能量損耗，常以dB表示。插損越小越好。當開關(guān)處于不同的輸入/輸出連接狀態(tài)時，插入損耗有可能不一致， 即插入損耗的一致性差， 這對于實際的應用是不希望的。 （3） 串擾: 串擾是指某輸出端口的功率除了有來自希望的輸入端口外， 還有來自不希望的輸入端口的功率， 二者的光功率之比稱為串擾。 1、

38、光開關(guān)分類（根據(jù)驅(qū)動方式分）：（1）機械式光開關(guān)：依靠光纖或光學元件的移動，使光路發(fā)生轉(zhuǎn)換。如：移動光纖式光開關(guān)、移動套管式光開關(guān)和移動透鏡（包括反射鏡、棱鏡和自聚焦透鏡）式光開關(guān)。優(yōu)點：插入損耗小、消光比高、串擾低；缺點：速度慢、易磨損、容易受振動、沖擊影響，不太可能大規(guī)模集成； 用于線路保護倒換、線路測試等2021-7-2554（2）非機械式光開關(guān)（固體式光開關(guān)）：利用電光效應、磁光效應及聲光效應來改變波導的折射率，使光路發(fā)生變化，實現(xiàn)光開關(guān)的。如電光式開關(guān)、磁光式開關(guān)、熱光式開關(guān)優(yōu)點：重復性好、開關(guān)速度快、可靠性高、使用壽命長、尺寸小可以單片集成等；缺點：插入損耗和串擾性能不理想。（3）

39、半導體光波導開關(guān)：基于半導體中的各種效應實現(xiàn)光開關(guān)的。優(yōu)點：損耗低、開關(guān)速度快、重復性好、能夠與其他元器件單片集成，以及能大規(guī)模集成等；在未來的大規(guī)模光交換、光計算、光邏輯處理中得到廣泛應用和發(fā)展。光電開關(guān)是傳感器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。2、幾種光開關(guān)（1）機械式光開關(guān)：是最傳統(tǒng)的光開關(guān)，分為鏡可動型和光纖可動型兩種。（2）磁光式開關(guān)：靠外磁場影響磁疇的寬度和角度，進而影響磁疇的有效光衍射和方位角來達到轉(zhuǎn)換即開關(guān)目的的，即利用外磁場作用下的法拉第旋光效應。（3）熱光開關(guān)：是利用熱量轉(zhuǎn)換達到開關(guān)目的的。2021-7-25565.2 光纖有源器件

40、光纖激光器和光纖放大器是潛力巨大的光纖有源器件。光纖激光器和放大器主要有三類：第一類：晶體晶體光纖激光器與放大器，如：紅寶石單晶激光器等；第二類：利用光纖非線性光學效應制作的光纖激光器與放大器， 如：受激喇曼散射和受激布里淵散射光纖激光器與放大器；第三類：摻雜光纖激光器與放大器，如：以摻稀土元素離子的光纖激光器與放大器最為重要。（因其工作波長正處于光纖通信的窗口，在光纖通信、光纖傳感領(lǐng)域有重要的實用價值。）1、光纖放大器 光信號在傳輸過程中，由于光纖損耗和光纖色散，其幅度會越來越小，光脈沖的寬度會越來越寬，從而限制了光纖通信系統(tǒng)、特別是大容量光纖通信系統(tǒng)的傳送距離。必須在每隔一定的距離就增加一

41、個再生中繼器，以保證信號的質(zhì)量。傳統(tǒng)的再生中繼器的基本功能是進行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枙r進行再生、整形和定時處理，這種處理方法很復雜且昂貴。改變上述處理過程，用光纖放大器光纖放大器，即直接在光路上對光信號進直接在光路上對光信號進行放大行放大。20世紀80年代末，出現(xiàn)摻鉺光纖放大器。2021-7-2558（1）光纖放大器的工作原理光纖放大器的關(guān)鍵元件是摻稀土元素光纖摻稀土元素光纖。(a)受激吸收：指原子吸收一個光子能量，從基態(tài)或低能態(tài)E1躍遷到激發(fā)態(tài)或高能態(tài)E2上。(b) 自發(fā)輻射：是指在沒有任何外界因素影響下的情況下，處于高能態(tài)的原子自發(fā)地躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射一個光子。(c)

42、 受激發(fā)射：指處于高能態(tài)的原子在受到入射光子的感應或誘導下，從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射一個與入射光子相同頻率的光子。入射光得到 放大。在熱平衡狀態(tài)下：光輻射以自發(fā)輻射為主；而當原子系統(tǒng)處于上、下能級粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)時，將以受激發(fā)射為主，光纖放大器就是利用受激發(fā)射原理來放大光信號光纖放大器就是利用受激發(fā)射原理來放大光信號的。摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)-EDFA構(gòu)成：構(gòu)成：摻鉺光纖、泵浦激光器、波分復用器、光學隔離器組成。如圖所示：2021-7-2560激光二極管發(fā)出波長為980nm的泵浦光和外來波長為1550nm 的信號光經(jīng)波分復用器進入摻鉺光纖

43、中，摻鉺光纖是增益介質(zhì)摻鉺光纖是增益介質(zhì)，在有泵浦光照射的情況下，可將信號光放大。光纖隔離器主要是為了防止輸出光返回光纖放大器，產(chǎn)生不良的干擾。2021-7-2561光纖放大器的泵浦方式有三種：前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦；前向泵浦：信號光和泵浦光沿同一方向同一方向傳輸；后向泵浦：信號光和泵浦光沿相反方向傳輸；雙向泵浦：泵浦光沿兩個方向同時進入光纖放大器兩個方向同時進入光纖放大器，對信號光雙向泵浦放大。泵浦方式：泵浦方式：泵浦光源：泵浦光源：除980nm波長的光可以作為泵浦光外，還有670nm，800nm, 1480nm的光也可作為摻鉺光纖放大器的泵浦光。用980n

44、m 波長的光作為泵浦光的優(yōu)點：因為摻鉺光纖在這一波段對小信號輸入的增益系數(shù)較高摻鉺光纖在這一波段對小信號輸入的增益系數(shù)較高，且噪噪聲因子最低。聲因子最低。2021-7-2562光纖放大器的應用：(a)光功率放大：將光纖放大器光纖放大器放在發(fā)射端光源之后，放大輸放在發(fā)射端光源之后，放大輸入到光纖中的光功率入到光纖中的光功率。優(yōu)點：可以提高光纖通信系統(tǒng)發(fā)射端實際進入光纖中的光功率，減輕了對光源輸出功率要求高的壓力，也解決了將高功率的光從光源有效地注入光纖的耦合問題。2021-7-2563(b)光中繼放大：作為在線放大器或中繼放大器應用時，將光纖放大器放在傳輸線的中間放在傳輸線的中間，在信號傳輸路途

45、上對光信號進行放大在信號傳輸路途上對光信號進行放大。利用這類光纖在線放大器，可以取代傳統(tǒng)的光取代傳統(tǒng)的光電電-光中繼器光中繼器，實現(xiàn)全光光纖通信實現(xiàn)全光光纖通信。2021-7-2564(c ) 光前置放大：作為光前置放大器應用時，將光纖放大器放在放在接收端光電檢測器的前面接收端光電檢測器的前面，在光電檢測器進行光電轉(zhuǎn)換之前先對從傳輸光纖中來的光信號進行放大。優(yōu)點：不會把光電檢測器及其后面的電子放大器的熱噪聲引入其中被放大，可以提高提高光纖通信系統(tǒng)接收端的信噪比接收端的信噪比。2021-7-2565光纖放大器的三種主要用途光纖放大器的三種主要用途2021-7-25665.2.2 光纖激光器激光（

46、Laser）-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“通過受激輻射光擴大.激光應用很廣泛，主要有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等.定向發(fā)光定向發(fā)光基本特性：亮度極高亮度極高顏色極純顏色極純能量極大能量極大2021-7-2567激光指示器激光指示器，又稱為激光筆、指星筆等常見的激光指示器有紅光（=650660nm, 635nm）、綠光（=515-520nm, 532nm）、藍

47、光（=445450nm）和藍紫光（=405nm）等2021-7-2568若把激發(fā)的物質(zhì)放置于共振腔內(nèi)，光輻射在共振腔內(nèi)沿軸線方向往復反射傳播，多次通過物質(zhì)，光輻射被放大許多倍，形成一束強度大、方向集中的光束“激光”，這就是激光振蕩器激光振蕩器。用光、電及其他辦法對物質(zhì)進行激勵，使得其中一部分粒子激發(fā)到能量較高的狀態(tài)，當這種狀態(tài)的粒子數(shù)大于能量較低狀態(tài)的粒子數(shù)時，由于受激輻射，物質(zhì)就能對某一波長的光輻射產(chǎn)生放大作用，也就是這種波長的光輻射通過物質(zhì)時，會發(fā)射強度放大并與入射光相位、頻率和方向一致的光輻射，這種裝置稱為激光放大器。激光放大器。激光器激光器是利用受激輻射原理利用受激輻射原理使光在某些受

48、激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。2021-7-25691960年T.H.西奧多梅曼制成了第一臺紅寶石激光器。1961年伊朗科學家A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。2021-7-2570半導體激光器半導體激光器半導體激光器半導體激光器也稱為半導體激光二極管，或簡稱激光二極管（Laser Diode，LD）。由于半導體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導體材料中電子運動規(guī)律的特殊性，使半導體激光器的工作特性具有其特殊性。半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質(zhì)半導體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過一定的