光纤通信第3讲无源光器件剖析

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1、第三讲第三讲无源光器件主要内容主要内容 一、光纤的连接与光纤连接器一、光纤的连接与光纤连接器 二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器三、光合波器、光分波器三、光合波器、光分波器四、光隔离器四、光隔离器 五、光开关五、光开关六、光可变衰减器六、光可变衰减器七、七、光纤光栅光纤光栅八、光锁相环与非线性光环镜八、光锁相环与非线性光环镜NLOM6/15/20232l概述概述 构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件，光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件，如如连接器连接器、衰减器衰减器、隔离器隔离器、滤波器滤波器、分路

2、器分路器、复用器复用器、光开关光开关和和调制器调制器等。等。它们在系统中各起着光学连接、光功率分它们在系统中各起着光学连接、光功率分配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用的无源光器件的原理及性能。的无源光器件的原理及性能。6/15/20233一、光纤的连接与光纤连接器一、光纤的连接与光纤连接器光纤连接器光纤连接器 fiber optic connectorfiber optic co

3、nnector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用于设备与光纤之间的连接。于设备与光纤之间的连接。光纤连接器的作用是将需要连接起来的单光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的断面根或多根光纤芯线的断面对准对准、贴紧贴紧，并能多，并能多次使用。次使用。光纤连接器在工艺上应满足的条件：光纤连接器在工艺上应满足的条件：1 1）连接损耗要小于）连接损耗要小于 0.5dB0.5dB；2 2）装、拆方便，重复性好；装、拆方便，重复性好；3 3）体积小，成本低等。）体积小，成本低等。光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起

4、大的损耗。6/15/20234 光纤与光纤的连接有两种形式，一种是光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性永久性连接连接，另一种是，另一种是活动连接活动连接。永久性连接具有永久性连接具有粘接法粘接法和和熔接法熔接法之分，目前之分，目前多采用多采用熔接法熔接法。l光纤连接器的基本构成光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图所示。管的作用。如图所示。6/15/20235 光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在1

5、0um以下，以下，因此熔接必须使用机器才行。因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在接良好的接续是指在接续点上没有光传输的不连续现象续点上没有光传输的不连续现象。下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会等等。由于这些不连续性，也会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射率的

6、差异，也会引起反射，此现象又称率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳菲涅耳（Fresnel）反射反射。6/15/20236接续点上的不连续现象接续点上的不连续现象6/15/20237l 由于折射率不同引起的反射可用由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式菲涅耳公式计算。计算。设玻璃的折射率为设玻璃的折射率为n1时，时，光功率的反射系数光功率的反射系数可用下式求可用下式求出：出：r=(n1-n2)/(n1+n2)2 例如例如:当当 n1 1.45，n2 1，r 3.4%时，即有时，即有14.7dB的反射损耗。的反射损耗。在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要在单模光纤连时接，除要求纤径一致

7、之外，更重要的是要求在实质上代表分布宽度的的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径（模场直径（MFD：Mode Field Diameter）一致。一致。目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头附加损耗可控制在附加损耗可控制在0.1dB以下。以下。6/15/20238 使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原

8、因，对信号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射角余角调整到大于临界角余角，角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏使反射光进入包层并最终泄漏出去出去。为此把连接器的。为此把连接器的管芯端面按管芯端面按8进行倾斜研磨，就可以进行倾斜研磨，就可以实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC(Physical Contact)型连接器型连接器。实际使用的

9、实际使用的PC型连接器如图所型连接器如图所示，把套管端面研磨成球面。示，把套管端面研磨成球面。PC接续的反射很小，它的反射接续的反射很小，它的反射损耗可达损耗可达25dB以上。如果经以上。如果经过精密加工研磨，就可将反射过精密加工研磨，就可将反射损耗指标提高到损耗指标提高到40dB以上。以上。6/15/20239 光纤连接器又分为光纤连接器又分为多模连接器多模连接器和和单模连接器单模连接器。多模连接器用于多模光纤系统，它有多模连接器用于多模光纤系统，它有U型型环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器（FA）以及以及C型连接器等，它们的损耗在型连接器等，它

10、们的损耗在0.4-0.5dB以下。以下。单模光纤连接器有单模光纤连接器有PC型（直接接触型）、型（直接接触型）、FC型（平面对接型）、型（平面对接型）、SC型（矩形）、型（矩形）、ST型型等几种。等几种。6/15/202310l FC型型(平面对接型平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成，其连接器是由连接插头、插座组成，其结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接，结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很高可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很高的精度。的精度。6/15/202311l SF型连接器是室外用

11、连接器，具有防水功能和良型连接器是室外用连接器，具有防水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管，其价格便宜，好的温度特性。由于使用了塑料套管，其价格便宜，可以和可以和FC型连接器进行互换。型连接器进行互换。lMF型连接器用于隧型连接器用于隧（通）道里敷设光缆（通）道里敷设光缆的缆间接续中，可以的缆间接续中，可以对带状对带状5芯光纤进行一芯光纤进行一次性连接，由于体积次性连接，由于体积小，可以装在标准接小，可以装在标准接头盒内，实现光纤的头盒内，实现光纤的高密度接续，其结构高密度接续，其结构如图所示。如图所示。6/15/202312二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器l 图表示了图表示

12、了波导型分支器波导型分支器的结构。它是一种的结构。它是一种Y型型分支，一根芯线一端输入的光可用它加以分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分等分。当分支器分支路的开角增大时当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的向包层中泄露的光将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在光将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在12左右，因此左右，因此分支器分支器的长度不可能太短。的长度不可能太短。6/15/202313l光纤耦合器光纤耦合器 fiber optic coupler 将不同方向的光信号将不同方向的光信号耦合耦合送入一根光纤中传输，或送入一根光纤中传输，或者相反。结构：者相反。结构：棱镜耦合式棱镜耦合式光

13、纤耦合式光纤耦合式Port 1Port 1Port 4Port 4Port 3Port 3Port 2Port 26/15/202314l 2x2定向耦合器及定向耦合器及lxN、NxN星形星形 耦合器大多数采用耦合器大多数采用熔融熔融渐变双锥渐变双锥的制造方法，即将多根的制造方法，即将多根裸裸光纤绞合在一光纤绞合在一 起，火焰起，火焰加热到软化温度后适当拉加热到软化温度后适当拉 伸，在熔融区形成渐变双锥结构。伸，在熔融区形成渐变双锥结构。图图b是是 X型型22定向耦合器。定向耦合器。6/15/202315图图c c为为8 8路传输型星型耦合器路传输型星型耦合器图图d d为为8 8路反射型星型耦

14、合器路反射型星型耦合器6/15/202316l 光纤耦合器的光纤耦合器的指标指标有插入损耗、分光比与隔离度有插入损耗、分光比与隔离度（或方向性）等。例如（或方向性）等。例如2x2定向耦合器定向耦合器插入损耗插入损耗为：为：L1,2=10lg(P1,2/(P 3+P 4)(dB)式中，式中，P1,2 为从输入端为从输入端1或或2输入的光功率，输入的光功率，P 3,P 4 为输出端为输出端3、4的输出功率。定向耦合器的的输出功率。定向耦合器的分光比为输分光比为输出端的功率分配比出端的功率分配比，即，即 =P 3/P 4 隔离度反映定向耦合器隔离度反映定向耦合器反向散射信号的大小反向散射信号的大小。

15、当从。当从1端注入光功率，端注入光功率，3、4端输出功率时，端输出功率时，2端对端对1端的端的隔离隔离度度定义为：定义为：I=10lg(P 3+P 4)/P2)(dB)光纤定向耦合器的插入损耗为光纤定向耦合器的插入损耗为0.21dB,分光比分光比199（根据需要（根据需要)，隔离度可大于，隔离度可大于65dB。6/15/202317l 星形耦合器的星形耦合器的插入损耗插入损耗为从输入端口把光功率耦为从输入端口把光功率耦合到所有输出口的光功率损耗，即合到所有输出口的光功率损耗，即 Lin=10lgPj/Pi j=1.N 式中式中Pj为从各端口输出的功率，为从各端口输出的功率，Pi为从某个输为从某

16、个输入端上输入的功率。对传输型耦合器，入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端为输出端数；对于反射型耦合器，数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数为输入端数与输出端数之和。之和。进入星形耦合器的光功率分配是进入星形耦合器的光功率分配是等分等分到到N个输个输出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出端口输出的功率和的端口输出的功率和的1N，它称为它称为功率分配系数功率分配系数。另外，可用多个另外，可用多个22定向耦合器来构成定向耦合器来构成NN的星的星形耦合器。形耦合器。6/15/202318三、光合波器、光分波器三、光合波器、光分波器 光

17、合波器和光分波器是用于波分复用等传光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个可将不同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输，或，或者反过来说，者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为。前者称为合波器，后者称为光分波器。合波器，后者称为光分波器。如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等几种类

18、型。几种类型。6/15/202319光合波器和光分波器的类型光合波器和光分波器的类型 6/15/202320 1 1，2 2 2 2 1 1直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1 2P 0 P1 P2熔锥光纤型波分复用器结构和特性熔锥光纤型波分复用器结构和特性 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2公共臂公共臂6/15/202321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光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+2+3 1+2+3 1+1+2+2+3 3 1 1 2 2 3 36

19、/15/202322采用棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+2+3 1 2 3 1 1+2 2+3 1 2 36/15/202323l 图中给出了一种利用图中给出了一种利用多层膜制成的滤光器多层膜制成的滤光器，这是一种，这是一种波导型分波滤光器。其结构是一直线形单模波导的中间开波导型分波滤光器。其结构是一直线形单模波导的中间开一斜槽，且在其中插入一多层膜滤光器。当一斜槽，且在其中插入一多层膜滤光器。当1.55um的光进的光进入时可通过该滤光器继续前进，而当入时可通过该滤光器继续前进，而当1.3um的光进入时则的光进入时则被该滤光器反射，沿另一斜置的多

20、模波导被分离出来。这被该滤光器反射，沿另一斜置的多模波导被分离出来。这种结构种结构可用来作为分波器可用来作为分波器，但若反向使用时却不能做合波，但若反向使用时却不能做合波器用，这是因为多模一侧损耗大的缘故器用，这是因为多模一侧损耗大的缘故。6/15/202324l 多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近/2或者或者/4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重塑形成薄膜，于是介质膜交替重塑形成薄膜，于是对于特定波长表现出对于特定波长表现出较强的选择性较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜。这种波

21、长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等。的层数、膜的厚度、膜的材料等。6/15/202325 采用电子射束蒸镀方法，可将采用电子射束蒸镀方法，可将SiO2（低折射率材料，低折射率材料，n=1.46）和和 TiO2（高折射率材料，高折射率材料，n 2.3）积层积层 2040层，层，实现带通滤波器（实现带通滤波器（BPF）、）、长波长带通滤波器（长波长带通滤波器（LWPF）、）、短短波长带通滤波器波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。等各种滤波特性。这种带通滤波器的实际结构如图所示。这种带通滤波器的实际结构如图所示。6/15/202326四、光隔离器四、光隔离器l 半导体激光器

22、及光放大器等对来自连接器、熔接点、半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光通光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件过的无源光器件，其工作原理是基于，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易法拉弟旋转的非互易性性。l偏振器偏振器:一种光学器件，偏振器中有一透光轴，其一种光学器件，偏振器中有一透光轴，其输出光为某一种形式的偏振光。当光的偏振方向输出光为某一种形式的偏振光。当光的偏振方向与透光轴水平时，则光全部通过；垂直时，则光

23、与透光轴水平时，则光全部通过；垂直时，则光全部隔离。全部隔离。6/15/202327隔离器隔离器工作原理如下图所示。工作原理如下图所示。这里假设入射光只是这里假设入射光只是垂直偏振光垂直偏振光垂直偏振光垂直偏振光，第一个偏振器的透振方，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器法拉弟旋转器法拉弟旋转器法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由，法拉弟旋转器由旋旋光光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且，并且其其旋转方向与光传播

24、方向无关。旋转方向与光传播方向无关。回忆一下：回忆一下：光偏振光偏振(极化极化)单单模模光光纤纤中中传传输输的的光光的的偏偏振振态态(SOP：State of Polarization)是在垂直于光传输方向的平面上是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量电场矢量的振动方向。的振动方向。在在任任何何时时刻刻，电电场场矢矢量量都都可可以以分分解解为为两两个个正正交交分分量量，这这两两个正交分量分别称为水平模和垂直模。个正交分量分别称为水平模和垂直模。6/15/202328偏振器偏振器法拉弟法拉弟旋转器旋转器偏振器偏振器反射光反射光阻塞阻塞入射光入射光SOP隔离器工作原理隔离器工作原理6/15/2023

25、29 法法拉拉弟弟旋旋转转器器后后面面跟跟着着的的是是第第二二个个偏偏振振器器，这这个个偏偏振振器器的的透透振振方方向向在在45方方向向上上，因因此此经经过过法法拉拉弟弟旋旋转转器器旋旋转转45后后的的光光能能够够顺顺利利地地通通过过第第二二个个偏偏振振器器，也也就就是是说说光光信信号号从从左左到到右右通通过过这这些些器件器件(即正方向传输即正方向传输)是没有损耗的是没有损耗的(插入损耗除外插入损耗除外)。另另一一方方面面，假假定定在在右右边边存存在在某某种种反反射射(比比如如接接头头的的反反射射)，反反射射光光的的偏偏振振态态也也在在45方方向向上上，当当反反射射光光通通过过法法法法拉拉拉拉

26、弟弟弟弟旋旋旋旋转转转转器器器器时时再再继继续续旋旋转转45，此此时时就就变变成成了了水水水水平平平平偏偏偏偏振振振振光光光光。水水水水平平平平偏偏偏偏振振振振光光光光不不能能通通过左面偏振器过左面偏振器(第一个偏振器第一个偏振器)，于是于是就达到就达到隔离效果隔离效果。然然而而在在实实际际应应用用中中，入入射射光光的的偏偏振振态态(偏偏振振方方向向)是是任任意意的的，并并且且随随时时间间变变化化，因因此此必必须须要要求求隔隔隔隔离离离离器器器器的的工工作作与与入入射射光光的的偏偏偏偏振振振振态态态态无无关关，于于是是隔隔隔隔离离离离器器器器的的结结构构就就变变复复杂杂了了。一一种种小小型型的

27、的与与入入射射光光的的偏振态无关的偏振态无关的隔离器隔离器隔离器隔离器结构如下图所示。结构如下图所示。6/15/202330一种与输入光的偏振态无关的隔离器一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出光纤输出SWP半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入光纤输入(a)光纤输出光纤输出SWP半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋转器SWP光纤输入光纤输入(b)6/15/202331 具具有有任任意意偏偏偏偏振振振振态态态态的的入入射射光光首首先先通通过过一一个个空空间间分分离离偏偏振振器器(SWP:Spatial Walk off Polarizer)。这这个个SWPSWP的的作作用用是

28、是将将入入射射光光分分解解为为两两个个正正正正交交交交偏偏偏偏振振振振分分分分量量量量，让让垂直分量垂直分量直线通过直线通过，水平分量水平分量偏折通过。偏折通过。这这个个半半波波片片的的作作用用是是将将从从左左向向右右传传播播的的光光的的偏偏偏偏振振振振态态态态顺顺时时针针旋旋转转45，将从右向左传播的光的，将从右向左传播的光的偏振态偏振态偏振态偏振态逆时针旋转逆时针旋转45。因因而而法法法法拉拉拉拉弟弟弟弟旋旋旋旋转转转转器器器器与与半半波波片片的的组组合合可可以以使使垂垂垂垂直直直直偏偏偏偏振振振振光光光光变变为为水平偏振光水平偏振光水平偏振光水平偏振光，反之亦然。，反之亦然。最后两个分最

29、后两个分量的光在输出端由另一个量的光在输出端由另一个SWPSWP合在一起输出。合在一起输出。两两个个分分量量都都要要通通过过法法法法拉拉拉拉弟弟弟弟旋旋旋旋转转转转器器器器，其其偏偏振振态态都都要要旋旋转转45。法法拉拉弟弟旋旋转转器器后后面面跟跟随随的的是是一一块块半半波波片片(/2 plate或或halfwave plate)。6/15/202332 另另一一方方面面，如如果果存存在在反反射射光光在在反反方方向向上上传传输输，半半波波片片和和法法法法拉拉拉拉弟弟弟弟旋旋旋旋转转转转器器器器的的旋旋转转方方向向正正好好相相反反，当当两两个个分分量量的的光光通通过过这这两两个个器器件件时时，其

30、其旋旋转转效效果果相相互互抵抵消消，偏偏偏偏振振振振态态态态维维持持不不变变，在在输输入入端端不不能能被被SWPSWP再再组组合合在在一一起起，如如图图所所示示，于于是是就就起起到隔离作用。到隔离作用。环环环环行行行行器器器器除除了了有有多多个个端端口口外外，其其工工作作原原理理与与隔隔离离器器类类似似。如图所示，典型的如图所示，典型的环行器环行器一般有三个或四个端口。一般有三个或四个端口。在在三三端端口口环环行行器器中中，端端口口1输输入入的的光光信信号号在在端端口口2输输出出，端端口口2输输入入的的光光信信号号在在端端口口3输输出出，端端口口3输输入入的的光光信信号号由由端端口口1输出。输

31、出。光环行器光环行器主要用于主要用于光分插复用器光分插复用器中。中。6/15/202333 光环行器光环行器 (a)三端口；三端口；(b)四端口四端口 132(a)(b)13246/15/202334五、光开关五、光开关 光开关在光纤通信技术中作光开关在光纤通信技术中作光路切换光路切换之用，如为了之用，如为了提高系统可靠性用于主开关切换等。光开关大体可分提高系统可靠性用于主开关切换等。光开关大体可分为两种为两种:一种一种是以机械方式驱动光纤和棱镜等光学器件进是以机械方式驱动光纤和棱镜等光学器件进行行光路光路的转换；的转换；一种一种是利用光电效应和声光效应来转换电路，而没是利用光电效应和声光效应

32、来转换电路，而没有机械动作。有机械动作。前者为前者为机械式机械式光开关，后者为光开关，后者为电子式电子式光开关。二光开关。二者相比，目前机械式光开关的光路转移速度慢，但因者相比，目前机械式光开关的光路转移速度慢，但因它具有较低的主损耗和较低的串光量优点，在实际中它具有较低的主损耗和较低的串光量优点，在实际中得到应用。一般损耗典型值为得到应用。一般损耗典型值为0.5 dB，最大最大1.2 dB，隔隔离度可达离度可达80 dB，响应速度约为响应速度约为 15 ms，其结构原理示其结构原理示意图如下图所示。意图如下图所示。6/15/202335微电机械光开关微电机械光开关MEMSMEMS 近近来来由

33、由于于微微电电机机械械系系统统即即MEMSMEMS的的出出现现，使使得得机机械械开开关关备备受受人人们们的的重重视视。MEMSMEMS采采用用了了毫毫微微米米技技术术的的工工艺艺,可可以以像像半半导导体体工工艺艺一一样样在在一一个个基基片片上上制制造造出出很很微微小小的的机机械械，如如传传动动齿齿轮轮装装置置、步步进进电电机机、高高度度抛抛光光的金平板（反射镜）、的金平板（反射镜）、螺杆等。螺杆等。这这样样的的微微机机械械可可以以与与电电的的传传动动机机械械相相连连安安排排在在光光路路上上，来来控控制制反反射射镜镜使使其其运运动动，从从而而改改变变光光的的方方向向。MEMSMEMS技技术术已已

34、发发展展到到能能在在同同一一个个芯芯片片上上集集成成按按阵阵列列排排放放的的许许多多反反射射镜镜，有有望望获获得得低低损损耗耗连连接接、小小型型化化设设计计及及大大的的互互连连矩矩阵阵。下下图图给给出出了了一一个个MEMSMEMS开开关关的的原原理，理，和相应的实例和相应的实例6/15/202336 微机械反射镜开关MMS(a)MEMS开关的原理；(b)实例6/15/202337l 波导型光开关波导型光开关采用采用LiNbO3或或GaAs等半导体材料为等半导体材料为衬底，制造两条（或多条）条形光波导，形成衬底，制造两条（或多条）条形光波导，形成定向耦合定向耦合器器，通过电极上的调制电压控制两个

35、输出臂间的光功率，通过电极上的调制电压控制两个输出臂间的光功率通断。波导光开关的主要优点是开关速率高，可达几个通断。波导光开关的主要优点是开关速率高，可达几个GHz以上，开关电压以上，开关电压5 V10V，但插入损耗相对较大，但插入损耗相对较大，可达几可达几dB（分贝）。分贝）。6/15/202338六、光可变衰减器六、光可变衰减器l 光可变衰减器光可变衰减器是对光功率有一定衰减量的器件是对光功率有一定衰减量的器件。为了。为了衰减光的强度，衰减光的强度，一般采用使一部分光功率被物质吸收的方一般采用使一部分光功率被物质吸收的方法法。这可以在玻璃基片上蒸镀透射系数（和反射系数）变。这可以在玻璃基片

36、上蒸镀透射系数（和反射系数）变化很小的金属膜来实现。金属薄膜使用镍（化很小的金属膜来实现。金属薄膜使用镍（NiNi）、）、铬铬（CrCr）等化合物材料，光的衰减量大小可由薄膜的等化合物材料，光的衰减量大小可由薄膜的厚度厚度进进行控制。行控制。l 光可变衰减器可以分为：能改变光衰减量而尺寸比较光可变衰减器可以分为：能改变光衰减量而尺寸比较大的大的可变衰减器可变衰减器和衰减量为一定值的和衰减量为一定值的固定衰减器固定衰减器两种。两种。l 光可变衰减器用在测定光接收机灵敏度时，把它置于光可变衰减器用在测定光接收机灵敏度时，把它置于光接收机的输入端，用来调整接收机光电平的大小。光接收机的输入端，用来调

37、整接收机光电平的大小。6/15/202339l 此外，可变衰减器也可以作为一个器件在光学测量此外，可变衰减器也可以作为一个器件在光学测量中使用，中使用，下图示出了光衰减器的基本构成。对应于衰减下图示出了光衰减器的基本构成。对应于衰减元件元件A的旋转角，通过的旋转角，通过连续连续改变蒸镀薄膜的厚度，实现衰改变蒸镀薄膜的厚度，实现衰减量的连续调整。衰减元件减量的连续调整。衰减元件B对于入射的光束而言是按对于入射的光束而言是按倾倾斜状态斜状态设计的，这样可以防止反射光返回与光衰减器相设计的，这样可以防止反射光返回与光衰减器相连接的光纤中。连接的光纤中。6/15/202340l 固定衰减器主要用于固定

38、衰减器主要用于调整光纤传输线路的光损耗调整光纤传输线路的光损耗。因为在光接收端，如果光功率过大，可能会烧坏光电因为在光接收端，如果光功率过大，可能会烧坏光电检测器件，或使其饱和。在光接收机输入端用固定衰检测器件，或使其饱和。在光接收机输入端用固定衰减器给出一定的衰减量以确保接收光功率大小在合减器给出一定的衰减量以确保接收光功率大小在合适的范围以内。适的范围以内。6/15/202341lWG 光可变衰减器光可变衰减器l产品名称产品名称:光衰减器光衰减器 l型型 号号:OLA-15l生产厂家生产厂家:WG l产产 地地:德国德国l适用范围适用范围:邮电工程与维护邮电工程与维护 CATV 工程工程与

39、维护与维护 综合布线系统综合布线系统 其它光纤工程其它光纤工程6/15/202342l产品主要特点产品主要特点l1.可对可对1310nm和和1550nm单模衰减单模衰减.l2.可提供良好的回波抑制可提供良好的回波抑制.l 3.衰减范围宽衰减范围宽,显示精确显示精确.l4.低插入损耗低插入损耗,使测试更精确使测试更精确.l 5.防水防振防水防振,结构坚固结构坚固.l 6.全数字显示全数字显示,方便直观方便直观.6/15/202343 技术指标技术指标l波长范围波长范围:1260nm-1600nm l光纤类型光纤类型:9/125 um l衰减范围衰减范围:3-60 dB l插入损耗插入损耗:40

40、dB l电池时间电池时间:45 小时小时 l光接头光接头:可选可选6/15/202344七七 光光 纤纤 光光 栅栅l 光光纤纤光光栅栅由由一一段段折折射射率率沿沿其其长长度度周周期期性性变变化化的的光光纤纤构构成成。利利用用掺掺锗锗石石英英光光纤纤受受到到240 nm 附附近近紫紫外外光光照照射射时时纤纤芯芯折折射射率率会会增增大大这这一一现现象象，将将光光纤纤沿沿中中心心轴轴线线切切开开，从从光光纤纤切切面面照照射射呈呈空空间间周周期期性性变变化化的的紫紫外外光光，纤纤芯芯部部位位就就会会出出现现周周期期性性折折射射率率变变化化，这这就就形形成成了了光光栅栅(FG)，其其结结构构如如下下图

41、图所所示。示。6/15/202345光纤光栅的结构图光纤光栅的结构图6/15/202346l 光光纤纤光光栅栅(FG)以以其其特特有有的的高高波波长长选选择择性性能能，易易与与光光纤纤耦耦合合，插插入入损损耗耗低低，结结构构简简单单，体体积积小小等等优优点点，日日益益受受到到人人们们的的关关注注，其其应应用用范范围围不不断断扩扩展展到到诸诸如如光光纤纤激激光光器器、WDM合合波波/分分波波器器、超超高高速速系系统统中中的的色色散散补补偿偿器器、EDFA增增益益均均衡衡器器等等光光纤纤通通信信及及温温度度、应应变变传传感感领领域域中中，而而把把光光栅栅式式全全光光器器件件集集成成于于同同一一根根

42、光光纤纤中中的的应应用用将将有更加令人鼓舞的发展前景。有更加令人鼓舞的发展前景。6/15/202347布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅BFG 如如果果光光注注入入光光栅栅FG后后，与与折折射射率率变变化化周周期期相相对对应应的的特特定定波波长长的的光光能能够够被被逆逆向向反反射射回回去去，则则称称具具有有这这种种功功能能的的光光栅栅为为短短周周期期(1 m以以下下)Bragg反反射射式式光光栅栅(FBG)。布布拉拉格格光光纤纤光光栅栅的的节节距距或或栅栅距距是是线线性性改改变变的的，称称为为啁啁啾啾FBG。在在这这种种光光栅栅中中,由由于于节节距距线线性性改改变变，入入射射光光的的各各个个波波长长

43、在在光光栅栅的的不不同同深深度度被被反反射射回回来来，因因而而补补偿偿了了各各个个波波长长在在传传输输时时间间上上的的变变化化。啁啁啾啾FBG补偿了脉冲的色散展宽。补偿了脉冲的色散展宽。6/15/202348八、光锁相环与非线性光环镜八、光锁相环与非线性光环镜NLOMl 光光锁锁相相环环（OPLL）的的功功能能与与电电锁锁相相环环一一样样，可可实实现现接接收收信信号号与与本本地地振振荡荡信信号号即即基基准准信信号号的的同同频频同同相相，从从而而实实现现二二者者的的同同步步。它它由由调调谐谐激激光光器器、光光电电二二极极管管平平衡衡器器件件和和滤滤波波器器等等构构成成，下下图图给给出出了其工作原

44、理框图。了其工作原理框图。6/15/202349 光锁相环OPLL的原理框图 6/15/202350l 平平衡衡二二极极管管器器件件检检测测本本地地激激光光器器的的频频率率与与接接收收的的光光信信号号的的频频率率，当当两两个个频频率率完完全全相相同同时时，二二极极管管平平衡衡电电路路处处于于静静止止状状态态;否否则则，这这种种静静止止状状态态将将被被破破坏坏,使使得得二二极极管管平平衡衡电电路路有有不不平平衡衡电电流流输输出出，该该电电流流被被放放大大后后送送滤滤波波器器滤滤除除高高频频分分量量，滤滤波波后后的的低低频频直直流流分分量量去去控控制制本本地地激激光光器器的的输输出出频频率率，直直

45、至至二二者者的的频频率率完完全全相相同同，然然后后电电路路处处于于平平衡衡状状态态。图图中中，增增益益控控制制放放大大器器的的作作用用是是使使本本地地激激光光器器和和接接收收到到的的光光功功率率电平相一致。电平相一致。6/15/202351l 光光纤纤非非线线性性环环镜镜（NOLM）的的结结构构如如图图所所示示。光光纤纤环环与与传传输输光光纤纤紧紧密密相相邻邻，因因而而在在接接触触处处形形成成了了一一个个耦耦合合器器。当当传传输输光光纤纤有有行行进进的的光光波波时时，在在耦耦合合器器中中耦耦合合进进光光纤纤环环并并绕绕环环行行进进一一周周后后又又返返回回耦耦合合器器，这这样样来来自自传传输输光光纤纤的的光光波波与与绕绕环环后后的的光光波波之之间间将将产产生生相相移移，相相移移的的大大小小由环的长度和光波的波长决定。由环的长度和光波的波长决定。光纤非线性环镜的结构图光纤非线性环镜的结构图6/15/202352l 二二者者之之间间将将产产生生相相长长或或相相消消干干涉涉，因因此此,光光纤纤非非线线性性环环镜镜可可以以用用来来选选择择所所需需的的信信号号，对对于于不需要的波长只需引入不需要的波长只需引入180 相移即可。相移即可。6/15/202353Thank You 6/15/202354