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插入损耗

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2)插入损耗PPT

  第4章无源光器件 4.1光纤连接器 4.2光纤耦合器 4.3光开关 4.4光纤光栅 4.5光滤波器 4.6WDM合波/分波器 4.7光隔离器与光环形器 4.8光锁相环与非线性光环镜NLOM 习题四 4.1光纤连接器 对于任何一个光纤线路,必须考虑的一个重要问题是光纤之间的低损耗连接方法。这些连接存在于光源与光纤,光纤与光纤以及光纤与光检测器之间。光纤连接需要采用何种技术,取决于光纤是永久连接还是可拆卸的连接。一个永久性的连接通常指的是一个接头,而一个易拆卸的连接则称为连接器。接头一般常见于线路中间两根光缆中的光纤之间的连接,连接器常位于光缆终端处,用于将光源或光检测器与光缆中的光纤连接起来。 每种连接方法都受限于一些特定的条件,它们在接头处都将导致不同程度的光功率损耗。这些损耗取决于一定参数,如两根光纤的几何特性、波导特性、光纤端面的质量以及它们之间的相对位置等。 4.1.1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4.1所示。 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0.5dB。 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0.5dB。 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。 4.1.2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4.3所示。这种技术产生非常小的连接损耗(典型的平均值小于0.06dB)。 但是,在采用这种连接方法时必须注意到,由于用手接触时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。 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4.4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4.5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。 4.1.3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。 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4.6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。 扩展光束类型的连接器在光纤的端面之间加进透镜, 1.插入损耗 连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。 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0.25dB,这个数值可以在0.1~1dB之间浮动。最大损耗大约为0.5dB,变化范围在0.3~1.5dB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,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-40dB减小到如今的-55dB,同时,也将平均插入损耗限制在可接受的0.2dB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0.2dB。 4.2 光纤耦合器 在光纤通信和光纤测量中,有时需要把光信号在光路上由一路向两路或多路传送,有时需把N路光信号合路再向M路或N路分配,能完成上述功能的器件就是光耦合器。光耦合器按制作方法分为微镜片耦合器、波导耦合器和光纤耦合器等。 其中光纤耦合器由于制作时只需要光纤,不需要其他光学元件,具有与传输光纤容易连接且损耗较低、耦合过程无需离开光纤,不存在任何反射端面引起的回波损耗等优点,因而更适合光纤通信,有时也称为全光纤元件。 下面主要介绍光纤耦合器的原理和性能参数。2×2的耦合器是最基本的耦合单元,其他的光纤耦合器都可通过它级连而成,所以我们重点讨论2×2光纤耦合器。 1. 2×2的耦合器 一个2×2的耦合器是一个4端口的光器件,其原理如图4.7所示,它有两个输入端口P1和P2,两个输出端口P1和P2,光功率通过与输入端口相连接的光纤进入耦合器,在耦合器中进行分路和合路,然后通过与两个输出端口相连的光纤输出。它通过将两根光纤并行放置,然后熔化和拉伸,产生一个耦合区,直至得到所期望的耦合性能。 理想的耦合器是一个无源的且无插损的器件,有固定的分光比,其功率传输函数由耦合波方程求得: 其中,C为耦合系数,L为耦合区的长度。由于实际的器件不可能无损耗,因而功率传输矩阵函数为 1)附加损耗(excessloss) 附加损耗的定义为 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0.06~0.15dB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,为输出与输入端口光功率之比,即 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 2.N×N的耦合器 N×N的耦合器是由2×2的耦合器级连起来的。图4.8给出了一个4×4的耦合器的例子,它可以用2×2的耦合器通过熔融拉锥光纤来制成。从图中可以看出,每个输入端口注入的光功率的1/N出现在输出端口,N必须为2的整数倍(即N=2n,n≥1),当需要增加一个输入或输出端口时,灵活性差限制了这项技术的应用。 一个N×N的耦合器所需2×2的耦合器的数目为: 4.3光开关 4.3.1光开关的性能参数 光开关是光交换的关键器件,它在光网络中有许多应用场合。光开关的开关速度或称开关时间是一个重要的性能指标。不同的应用场合对开关时间的要求是不一样的,如光通道的设置开关时间为1~10ms,保护倒换的开关时间为1~10μs,分组交换的开关时间为1ns,外调制器的开关时间为10ps量级。除了开关时间外,还有下面一些参数用来衡量光开关的性能。 (1)通断消光比。通断消光比是指光开关处于通(开)状态时输出的光功率和处于断(关)状态时的输出光功率之比。通断消光比越大,光开关性能越好,这对外调制器尤为重要。机械开关的通断消光比大约为40~50dB。 (2)插入损耗(简称插损)。插损是指由于光开关的使用而导致的光路上的能量损耗,常以dB表示。插损越小越好。当开关处于不同的输入/输出连接状态时,插入损耗有可能不一致,即插入损耗的一致性差,这对于实际的应用是不希望的。 (3)串扰。串扰是指某输出端口的功率除了有来自希望的输入端口外,还有来自不希望的输入端口的功率,二者的光功率之比称为串扰。 (4)偏振依赖损耗。偏振依赖损耗是指由于偏振引起的光功率的损耗。 表4.1给出了主要的几种光开关的性能。 4.3.2主要的几种光开关 1.微电机械光开关MEMS 机械开关是指开关的功能通过机械的方法实现,如通过将镜片移出或置入光路就可实现光信号的通断。这种开关由于采用了机械传动机构和反射镜,因而体积大,开关速度慢。但近来由于微电机械系统即MEMS的出现,使得机械开关备受人们的重视。MEMS采用了毫微米技术的工艺,可以像半导体工艺一样在一个基片上制造出很微小的机械,如传动齿轮装置、步进电机、高度抛光的金平板(反射镜)、螺杆等。 这样的微机械可以与电的传动机械相连安排在光路上,来控制反射镜使其运动,从而改变光的方向。MEMS技术已发展到能在同一个芯片上集成按阵列排放的许多反射镜,有望获得低损耗连接、小型化设计及大的互连矩阵。图4.9(a)给出了一个MEMS开关的原理,图(b)给出了相应的实例。 2. 电光开关 2×2的电光开关也可以利用耦合器实现,但它不是通过改变光纤的长度而是通过改变耦合区材料的折射率来实现的。常用的一种材料是铌酸锂(LiNbO3)。电光开关的开关速度快,易于集成。其结构如图4.10所示。 3. 热光开关 2×2的热光开关是一个MZI干涉仪。它是通过改变其中一个臂的折射率(受温度的影响)使两臂上光信号之间的相差有所改变,从而使光信号在输入/输出端之间实现通断的。MZI可以在硅或聚合物基片上集成,但其开关速度和串扰性能不太好。其结构如图4.11所示。 4. SOA光开关 利用半导体光放大器(其原理在第5章介绍),通过改变SOA的偏置电压就可实现开关功能。当偏置减少时,没有粒子数反转,因而吸收光信号;当偏置增加时,放大输入信号,因而当SOA处于吸收和放大态时,通断消光比很大,同时易于集成,开关速度快,但偏振敏感。图4.12为SOA光开关原理图,图4.13给出了一个SOA开关阵列。 4.4 光纤光栅 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240nm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4.14所示。 光纤光栅(PG)以其特有的高波长选择性能,易与光纤耦合,插入损耗低,结构简单,体积小等优点,日益受到人们的关注,其应用范围不断扩展到诸如光纤激光器、WDM合波/分波器、超高速系统中的色散补偿器、EDFA增益均衡器等光纤通信及温度、应变传感领域中,而把光栅式全光器件集成于同一根光纤中的应用将有更加令人鼓舞的发展前景。 4.4.1 光纤光栅的结构 目前制作光栅的光源主要有193nm/248nm中紫外光,334nm近紫外光及10.6μmCO2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(周期在1μm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4.14(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4.14(b)所示。 图4.14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。 4.4.2布拉格光纤光栅BFG 如果光注入光栅FG后,与折射率变化周期相对应的特定波长的光能够被逆向反射回去,则称具有这种功能的光栅为短周期(1μm以下)Bragg反射式光栅(FBG)。布拉格光纤光栅的节距或栅距是线性改变的,称为啁啾FBG。在这种光栅中,由于节距线性改变,入射光的各个波长在光栅的不同深度被反射回来,因而补偿了各个波长在传输时间上的变化。啁啾FBG补偿了脉冲的色散展宽。 4.4.3 长周期光纤光栅LFG 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)。 4.5 光滤波器 光滤波器全称为光学滤波器,与大家熟悉的电滤波的作用是一样的,只是这里滤除的是特定波长的光信号。光滤波器可分为固定的和可调谐的两种。固定滤波器允许一个固定的、预先确定的波长通过,而可调谐的滤波器可动态地选择波长。由于可调谐滤波器需要一些外部电源,严格地说它不是无源器件,这里将具有类似特性的器件放在一起介绍。 4.5.1 F-P腔型滤波器 法布里—珀罗(F-P)腔型滤波器的主体是F-P谐振腔,它是由一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体,当入射光波的波长为腔长的整数倍时,光波可形成稳定振荡,输出光波之间会产生多光束干涉,最后输出等间隔的梳状波形(对应的滤波曲线。 我们注意到,F-P固定滤波器的中心波长由公式λ=2nL/N决定,其中N为正整数。如改变腔长L或腔内的折射率n,就能调谐滤波波长。光纤F-P腔型可调谐滤波器的腔长由一段光纤和空气隙组成,在腔体光纤的一端镀上高反射膜,另一端镀上抗反射膜,彼此之间留有适当空隙。在电信号的驱动下,PZT(压电陶瓷)可进行伸缩,造成空气间隙变化,引起腔长的改变,从而实现波长的调谐。改变光纤的长度同样可以实现调节腔长的目的。其结构如图4.16所示。 F-P标准具型可调谐滤波器的原理类似于F-P腔型可调谐滤波器。所谓标准具是指由一块两侧面均镀上高反射膜的平面所形成的谐振腔,其输入/输出采用光纤。标准具成一定倾斜角,其作用有两个:其一是避免菲涅尔反射光进入输入光纤;其二是可调节角度以完成波长调谐和选择的功能。这种F-P标准具型滤波器存在的一个问题是:当光束穿过具有一定厚度的倾斜平面时,会发生空间位置的平移,因此可能影响输入和输出光纤的耦合效率,增加插入损耗,所以在工艺上要精心设计,仔细调节,以达到最佳配合。这种器件的波长调谐范围最高可达几十纳米。 宽的动态范围、窄的通带、高调谐速度和低PDL是F-P标准具型可调谐滤波器的优点,而相对差的稳定性、低的旁瓣压制比是它的缺点。如果你能控制腔的折射率,就能调谐滤波器。铁电液晶的折射率能在电信号作用下改变。这种滤波器显示了好的特性(50nm的调谐范围,0.2nm的带宽,几微秒的调谐时间,1~5dB的损耗和0.3dB的PDL),现在正等待批量生产。目前,世界上已研制出了多种结构的波长可调谐滤波器,其基本原理都是通过改变腔长、材料折射率或入射角度来达到波长可调谐的目的。 用来描述F-P腔传输特性的性能参数有: (1)自由谱域FSR(FreeSpectrumRange):相邻波长(频率)之间的距离。 (2)带宽BW(BandWide):谐振峰50%处的光谱宽度。 (3)精细度F(Fineness):自由谱域与谱宽的比值。 这些概念的含义示于图4.17。 4.5.2 M-Z干涉滤波器 图4.18给出了马赫—曾德尔滤波器(MZI)的基本结构。为产生可调谐MZI,它使用了一个马赫—曾德尔干涉仪的对称结构。调谐通过改变一个臂的折射率得到。这可用加热此臂或放置光—电材料,例如铌酸锂(LiNbO3),到一个臂中和加电压到这个移相器的方法做到。 用光—电相移,调谐时间可达几十纳秒。滤波器可用金属印制方法制造,这是它的主要优点。它经常级连使用,除了损耗增大外,可使它的特性非常好。 MZI是一种干涉器件,它利用两个不同长度的干涉路径来区分不同的波长以实现滤波,其结构是利用两个3dB光纤耦合器将两个路径互连起来,是一个4端口光器件。 假设只有输入端口1有光信号输入,光信号经第一个3dB耦合器后分成两路功率相同的光信号,但其相位相差π/2,图中下臂滞后上臂π/2;然后光信号沿MZI的两个不等长的臂向前传播,由于路径相差ΔL,因此下臂又滞后βΔL相位;下臂的信号经第二个3dB耦合器从上输出端口1输出,又滞后π/2相位,因而两路信号的总相位差为π/2+βΔL+π/2,而与从下输出端口2输出的光信号之间的相位差为π/2+βΔL-π/2=βΔL。 如果βΔL=kπ(k为奇数),则两路信号在输出端口1干涉增强,在输出端口2干涉抵消,因此从输入端口1输入,在输出端口1输出的光信号是那些波长满足βΔL=kπ(k为奇数)的光信号,从输入端口1输入,在输出端口2输出的光信号是那些波长满足βΔL=kπ(k为偶数)的光信号,利用 (neff为波导有效折射率),有: 与ki为奇数对应的波长λi从输出端口1输出,与ki为偶数对应的波长λi从输出端口2输出。如只有两个波长λ1和λ2,λ1与k为奇数对应,λ2与k为偶数对应,因此λ1从端口1输出,λ2从端口2输出。MZI可用作1×2解复用器,要构造一个1×n的解复用器,可将单个MZI相级联,n为2的幂时,需n-1个。 MZI是一个互易光器件,不仅可用作解复用器,也可用作复用器,还可用作调谐滤波器,调谐可通过改变一个臂的温度来实现。当温度改变时,臂的折射率发生改变,反过来影响了臂的相移,导致了不同的波长耦合输出,调谐时间在毫秒(ms)量级。 MZI虽不适合用作大规模的复用/解复用器,但它是理解AWG(阵列波导光栅)的基础,AWG是实现波分复用/解复用的一种好的技术。 4.5.3 阵列波导光栅(AWG) 阵列波导AWG是MZI(马赫—曾德尔干涉仪)的推广。MZI可看作为一个器件,它将一路输入信号分成两路输出光信号,然后让它们分别经历不同的相移后,又将它们合为一路信号输出。AWG是以光集成技术为基础的平面波导型器件,它将同一输入信号分成若干路信号,分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出,具有一切平面波导技术的潜在优点,诸如适于批量生产,重复性好,尺寸小,可以在光掩膜过程中实现复杂的光路,与光纤的对准容易等等,因而代表了一种先进的WDM技术。 AWG的典型制造过程是在硅晶片上沉积一层薄薄的二氧化硅玻璃,并利用光刻技术形成所需的图案,腐蚀成形。目前平面波导型WDM器件已有各种实现方案。一种典型的器件是平面波导选路器,它由两个平板波导经M个非耦合波导构成,耦合波导不等长从而形成光栅,如图4.19所示。 平面波导选路器两端由平面设置的两个共焦阵列径向波导构成,这种波导型WDM器件十分紧凑,通路损耗差小,隔离度已可达25dB,通路数大(至少已实现32路),易于批量生产,但带内顶部不够平坦,对温度和极化较敏感,其周期性滤波特性会引起一些串扰。总的看,这类平面波导器件具有很好的发展前途。 由图4.19可知AWG的结构,它将N个输入波导、N个输出波导、两个聚焦平面波导(星形耦合器)和通道阵列波导集成在单一衬底上,使得输入/输出波导的位置和阵列波导的位置满足罗兰圆规则。为了降低阵列波导与平面波导的耦合损耗,阵列波导的输入/输出端口设计为楔型,如图4.20所示。 另外,阵列波导的数量要足够多,以充分接收平面波导区的衍射光功率,这样阵列波导和两个平面波导区就构成了1∶1的光学成像系统。传输过程中,波前形变很小。阵列波导是由一系列不等长度的通道波导构成的,相邻两波导的长度差为常数ΔL,这种结构产生的波长相关相移使阵列波导呈现衍射光栅的特性,其光栅方程为 nsdsinθi+ncΔL+nsdsinθ0=mλ(4.9) 其中:ns、nc是平面波导和通道阵列波导的有效折射率;θi和θj是输入/输出平面波导中的衍射角;d是阵列波导的间距;m是光栅衍射级;λ是光波长;i、j是输入/输出波导的序号。定义中心波长为λ0,它满足: ncΔL=mλ0(4.10) 相应的输入/输出波导序号(i,j)=(0,0),即由中心波导输入到中心波导输出。由方程(4.9)可以得到列阵波导的角色散为 其中,c是光速,ng是通道阵列波导的群折射率。频率间隔是色散角对应的频率范围: 4.5.4声光可调谐滤波器(AOTF) AOTF是一个通用器件,可以同时选择几个波长,是目前已知的惟一的可调谐的滤波器,可以用作WDM合波器、波长路由器等。 1.AOTF的结构 AOTF是基于声(波)与光相互作用原理制成的光器件,图4.21给出了它的一种结构。它由一个波导、偏振器和声音换能器构成。波导由双折射材料制成,只允许最低次模TE和TM模在其中传播。 偏振器放置在波导的输出端,只让TM模的光波通过。声音换能器将电能转换成声波在波导中传输,如果输入光波的波长为λ1λ2…λN,由于声波在波导中传播引起的介质折射率的周期性变化,其作用相当于形成了光栅,当光波的波长满足布拉格(Bragg)条件时,则TE模的能量会转移到TM模,因而能通过偏振器输出,其余的被拒绝。 布拉格条件为 因Δn=0.07,选择中心波长λ=1.55μm,则由布拉格方程知,Λ=22μm,声波在LiNbO3中的速度约为3.75km/s,则相应的电驱动RF频率为170MHz。由于RF的频率是很容易调谐的,因而AOTF对波长的选择也是很容易实现的。 上面讨论的AOTF是假设所有输入的光能集中在TE模,因而是与偏振有关的器件。实际上,AOTF可以是与偏振无关的器件,即其输入的光能量不一定非由TE模来携带。图4.22给出了一个与偏振无关的AOTF的原理框图。输入的光能量(由TE模和TM模携带)经输入偏振器分解为TE模和TM模,然后各自通过波导与声波相互作用,最后经输出偏振器合成输出。 2.AOTF的原理 AOTF的工作原理如下:两个构成马赫—曾德尔结构的钛(Ti)波导被镂蚀在LiNbO3双折射半导体中。进入的光被输入偏振器分成TE波和TM波。作为例子,TE波沿图4.22的上臂移动,而TM波沿下臂传播。一个转换器产生表面声波(SAW)。这个SAW在LiNbO3中引起变形,从而产生LiNbO3折射率周期性波动,这些波动作为动态布拉格光栅工作。由于光栅相互作用,满足谐振(相位匹配)条件波长的TE模光能被转到在上臂的TM模,TM模光能被转到在下臂的TE模。输出偏振器组合TE模和TM模。波长不满足谐振条件的信道将不被改变地通过这个结构。 3.AOTF的通带 布拉格条件决定了被选择的波长,滤波的通带宽度是由声光相互作用的长度决定的,相互作用的长度越长,滤波器的通带越窄,这可由AOTF的功率转换透过率函数与波长的关系得到证明。功率转换函数T(λ)由下式给出: 这里,Δλ=λ-λ0,λ0为满足布拉格条件的波长,Δ=λ21/LΔn是衡量滤波器通带大小的物理量,其曲线所示。 L为声光相互作用长度,可以证明,T(λ)的半峰值全宽(FWHM)即滤波器的通带B≈0.8Δ,虽然L越长带宽越窄,但另一方面,L越长,调谐速度越慢,因为它由声波在AOTF中的传播时间决定,相互作用长度越长,时间越长。 4.5.5光纤光栅滤波器 光栅是传统的分光器件,有两种类型的光栅,即反射型和衍射型光栅,它的调谐能力由公式 dsinθ=-mλ决定。最实际的方法是改变它的角度θ。有宽的调谐范围是这类可调谐滤波器的主要优点之一,它的所有其他特性也是令人满意的。 在光纤纤芯上制作光栅的成功使得光栅用来制作调谐滤波器更具吸引力。光纤布拉格光栅(FBG)已得了广泛的应用。它的调谐能力由公式2Λneff=λB决定。可以看到,通过改变光栅周期(Λ)能调谐滤波器到不同波长(λB)。通过施加拉力或加热光栅可改变Λ。低损耗、易耦合、窄通带和高分辨率是FBG调谐滤波器的优点,而窄的动态范围是它的主要缺点,这个缺点可用级联几个FBG来克服。 4.6WDM合波/分波器 WDM合波/分波器是波分复用系统的核心部件,其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。前面介绍的光滤波器原则上都可以用来实现合波/分波器。目前,WDM合波/分波器可以有多种方法来制造,制造的器件各有特点。下面就几种常用器件作一简要介绍。 4.6.1多层介质薄膜MDTFF 这种器件依赖于从薄层束反射的许多光波之间的干涉效应,如图4.24所示。如果每层的厚度是λ/4,那么,当入射角等于零即垂直入射时,波长为λ的光在通过每层后得到相位位移π。因此,反射波与入射波相位相反,它们将成相消性干涉,也就是相互抵消。换句话说,波长为λ的光将不被反射,这意味着这个光通过,所有其他的光将被反射,这就是滤波。如果每层厚度等于λ/2,那么反射波将成相长干涉,也就是它们和入射波将同相位并相互相加。这就使它变成了一个高反射镜。 利用这种特性,在基底G上镀多层介质膜。多层结构增强了效果,使滤波特性接近理想状态。这个技术在光学中已应用多年,一个最流行的应用是在相机、眼镜和类似的光学仪器中的防反射涂层AR。在光纤通信技术中,这样的滤波器用微镜片技术生产。 典型的多层介质膜滤波器如图4.25所示。利用楔状玻璃镀λ1、λ2、λ3、λ4和λ5滤光膜,当λ1~λ5的光从同一根光纤输入时,首先λ1通过滤波器输出,其余被反射,继而λ2通过滤波器输出,依此类推,达到解复用的目的。这种结构中,棒透镜主要起构成平行光路的作用。如改变传输方向,则起波长分割复用的作用。 多层介质膜型波分复用器一般用于多模光纤通信系统,其插入损耗为1~2dB,波长隔离度可达50~60dB。这种波分复用器是分立元件组合型,装配调试较为困难,但波长间隔可按需要制造。 4.6.2熔锥型 利用熔锥型耦合器的波长依赖性可以制作WDM器件,其耦合长度Lc随波长而异。对于一特定的耦合器,不同波长的理想功率耦合比(即抽头比或相对输出功率)呈正弦形,从而形成对不同波长具有不同通透性的滤波特性,据此可以构成WDM器件。图4.26给出了一个双波长的熔锥耦合器的耦合特性。由图可知,随着拉伸长度的改变,不同的波长耦合比不同,如当耦合长度为4.5cm时,两个波长就可实现分离。 熔锥型WDM器件的优点是插入损耗低(单级最大小于0.5dB,典型值为0.2dB),无需波长选择器件,十分简单,适于批量生产,并且有较好的光通路带宽/通路间隔比和温度稳定性。不足之处是尺寸很大,复用波长数少(典型应用是双波长WDM),光滤波特性对温度十分敏感,隔离度较差(20dB左右)。采用多个熔锥型耦合器级联应用的方法可以改进隔离度(提高到30~40dB),并增加复用波长数(小于6个)。 4.6.3光纤光栅型 光纤光栅滤波器的原理在介绍光滤波器时已作了介绍,这里给出用光栅制作WDM合波/分波器的原理示意图。图4.27给出了一个采用反射光栅的三个波长的WDM合波/分波器的原理示意图。 图4.28给出了一个光纤光栅WDM合波/分波器的示意图。光环形器的功能在下面描述。 4.7光隔离器与光环形器 光隔离器和光环形器的工作原理基本一致,只是光隔离器为双端口器件,即一个输入和一个输出端口,而光环形器为多端口器件,常用的有3端口和4端口光环形器,即从任一端口输入,从指定的端口输出。它们都是非互易器件,即当输入和输出端口对换时器件的工作特性不一样。这和耦合器一类的无源光器件是不一样的。 图4.29给出了一个光隔离器的原理框图。具有任意偏振态(SOP)的输入信号,首先通过空间分离偏振器(SWP)分成相互垂直的两个偏振分量:一个水平方向和一个垂直方向。水平分量偏离输入方向,垂直分量直通。然后水平分量和垂直分量均经过法拉第(Faraday)旋转器,偏振方向旋转45°,再经过一个λ/2波片,偏振方向再旋转45°,这样水平分量正好变成垂直分量,垂直分量变成了水平分量,最后两个分量又在另一个SWP上合路输出。反方向的输入信号沿原路返回时,由于λ/2波长和法拉第旋转器的作用相互抵消,因而两个分量通过这两个器件后偏振态保持不变,在输入端的SWP上不能合路输出。 图4.30为一个3端口光环形器。光信号从端口1输入,只能从端口2输出;端口2输入的光信号只能从端口3输出;而从端口3输入的光信号只能从端口1输出。 4.8光锁相环与非线性光环镜NLOM 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,图4.31给出了其原理框图。 平衡二极管器件检测本地激光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。 光纤非线性环镜(NOLM)的结构如图4.32所示。光纤环与传输光纤紧密相邻,因而在接触处形成了一个耦合器。当传输光纤有行进的光波时,在耦合器中耦合进光纤环并绕环行进一周后又返回耦合器,这样来自传输光纤的光波与绕环后的光波之间将产生相移,相移的大小由环的长度和光波的波长决定。二者之间将产生相长或相消干涉,因此,光纤非线性环镜可以用来选择所需的信号,对于不需要的波长只需引入180°相移即可。 光纤通信用的光可变衰耗器一般带有光纤活动连接器如图所示。光纤输入的光经自聚焦透镜变成平行光束,平行光束经过衰减片再送到自聚焦透镜耦合到输出光纤去。衰减片通常是表面蒸镀了金属吸收膜的玻璃基片,为减小反射光、衰减片与光轴可以倾斜放置。 图4.30 3端口光环型器 光环路器的原理框图 法拉第旋转器 相位旋转器 双折射分离器 双折射分离器 1 2 2 3 1 3 (4.16) 图4.23声光可调谐滤波器的功率转换与波长的关系曲线多层介质薄膜MDTFF 图4.25MDTFF复用器 输入光纤 ?1 ?4 ?3 ?2 ?0 (监管信道) 干涉滤光膜 图5-14 干涉滤波器 图4.26双波长熔锥型波长耦合器的特性 图4.27光栅型WDM合波/分波器原理图 光栅型WDM合波/分波器原理图 输入光 ?1 ?4 ?3 ?2 ?1… ?4 如图所示是透镜光栅型波分解复用器。一根输人光纤和四根输出光纤排列在透镜焦点上。输人光纤为标准光纤,输出光纤芯径较大,便于接收更多的光以降低插人损耗。 图4.28光纤光栅合波分波示意图 1.光隔离器的作用 耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的,称之为互易器件。然而在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔离器就是一种非互易器件,其主要作用是只允许光波往一个方向上传输,阻止光波往其他方向特别是反方向传输。 1.光隔离器的作用 隔离器主要用在激光器或光放大器的后面,以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数,对正向入射光的插入损耗其值越小越好,对反向反射光的隔离度其值越大越好,目前插入损耗的典型值约为1dB,隔离度的典型值的大致范围为40~50dB。 2.光隔离器的组成原理 光隔离器主要由线起偏器、法拉第旋光器和线检偏器三分组成。 线起偏器有一透光轴,当光的偏振方向与透光轴完全一致时,则光全部通过,反之则不能通过。 线检偏器的作用同线起偏器完全相同,二者可以相互使用。 法拉第旋光器是由某种旋光性材料制成。当线偏振光经过它以后,光的偏振方向按顺时针方向旋转一定的角度。 在图5-21中,线起偏器和线度,法拉第旋光器可以使通过它的光偏振方向旋转45度。当正向光入射后,由于入射光的偏振方向与线起偏器的透光轴一致,所以能全部通过线起偏器。当它经过法拉第旋转器旋转45度后,又和线检偏器的透光轴一致。因此,正向光信号可以全部通过光隔离器。 外加磁场 450 起偏器 解偏器 当光纤线路中有反射光出现时,这些反射光经过线检偏器后到达法拉第旋光器,被顺时针旋转45度,刚好与线起偏器的透光轴方向垂直。所以反射光不能通过线起偏器,而被光隔离器全部隔离。 图5-21 光隔离器工作原理示意图 外加磁场 外加磁场 外加磁场 450 起偏器 解偏器 图5-22 光隔离器原理图 光隔离器的主要指标有正向插入损耗和反向隔离度。通常要求插入损耗越小越好,隔离度越大越好。 目前,插入损耗最低为0.5dB,隔离度达35~60dB,最大可达70dB。 3.光隔离器的主要指标 图 4.29 光隔离器的原理框图 图4.15F-P腔型可调谐滤光器 图4.16光纤F-P可调谐滤波器的结构 图4.17F-P腔型滤波器的谱宽、线平面波导选路器 图4.20平面波导的罗兰盘结构(R为罗兰圆半径) (4.11) (4.12) 其中,Lf是平面波导的焦距,即图中的罗兰盘圆半径;Δx是输入/输出波导在平面波导端面处的间隔。波长范围表示为  (4.13) 图4.21声光可调谐滤波器(AOTF)的一种结构 (4.14) nTE、nTM分别为TE、TM模的折射率,Λ为光栅周期。对于LiNbO3晶体,nTE、nTM模折射率的差为Δn=0.07,因而布拉格方程为 λ=Λ(Δn)(4.15) 图4.22与偏振无关的AOTF的原理框图 图4.8 4个2×2的耦合器构成的4×4的星型耦合器 星型耦合器阵 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 λ8 λ1…λ8 λ1…λ8 λ1…λ8 λ1…λ8 λ1…λ8 λ1…λ8 λ1…λ8 λ1…λ8 二合一光纤耦合器 六合一光纤耦合器 磁光弯头吸盘式光纤耦合器 笔杆式光纤耦合器 表4.1各种光开关的性能比较 图4.9 微机械反射镜开关MMS (a)MEMS开关的原理;(b)实例 图4.10 电光开关 图4.11 热光开关 图4.12 SOA光开关 图4.13 SOA光开关阵列 图4.14 光纤光栅的结构 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影,并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象,叫做光的衍射。 光的衍射 如果两波频率相等,在观察时间内波动不中断,而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线,那么它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强,在有些地方减弱,这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。 工作原理:相干叠加,正向模与反向模模式耦合。 反射波长:布拉格条件 ;相位匹配 Λ光栅周期; Neff波导或光纤的有效折射率;β0传播常数。 布拉格带阻滤波器 λ λ3 窄带带阻滤波器(反射型) * * 第4章无源光器件 图4.1光纤错位连接损耗 (a)轴向位移;(b)连接间隔;(c)倾斜错位;(d)截面不平整 图4.2 内部连接损耗示意图 (a)、纤芯直径、(b)数值孔径、(c)模场直径失配 (a)D2D1;(b)NA1NA2;(c)MFD1MFD2 PC型(直接接触型)、FC型(平面对接型)、SC型(矩形)ST型(带键的卡口式) 棱镜 棱镜型 a b (4.2) 且满足 a11+a121,a21+a221 其中,a11、a12和a21、a22分别为输入端口1和2到 输出端口1和2的功率传输因子。 (4.3) 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: (4.4) (4.5) 如从端口1输入,端口2输出,则它们之间的插入损耗为 (4.6) 一个耦合器的插入损耗是相当高的。2×2耦合器的 插入损耗的典型值为3.4dB。 (4.7) 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: (4.8)

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