常见光无源器件.ppt

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1、燕山大学信息工程学院光燕山大学信息工程学院光电子系子系第第3章章常常见光无源器件光无源器件第第3章章常常见光无源器件光无源器件v光无源器件是光路的重要光无源器件是光路的重要组成部分。成部分。v光无源器件与光无源器件与电无源器件有无源器件有许多相似之多相似之处，电无源器件如无源器件如插插头、开关、开关、电容、容、电阻、阻、电感等，是感等，是电路的重要路的重要组成部成部分。分。常常见的光无源器件有的光无源器件有光光纤连接器、光耦合器、光波分接器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光衰减器、光开关复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。等。v光无源器件遵守光学的基本理光无源器件遵守光学的基本理论，即光

2、，即光线理理论和和电磁磁场理理论。3.1 光光纤连接器接器1 3.2 光光 耦耦 合合 器器2 3.3 光光 隔隔 离离 器器3第第3章章常常见光无源器件光无源器件3.1 光光纤连接器接器v光光纤连接器可分接器可分为两大两大类：活活动连接器接器和和固定固定连接器接器。1 3.1.1 光光纤活活动连接器接器2 3.1.2 光光纤固定固定连接器接器3.1.1 光光纤活活动连接器接器v1基本基本结构及工作原理构及工作原理v光光纤活活动连接器基本上是采用某种机械和光学接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两构，使两根光根光纤的的纤心心对接，保接，保证95以上的光能通以上的光能通过连接器。接器。v目前，

3、活目前，活动连接器有代表性且正在使用的接器有代表性且正在使用的结构有以下几种，构有以下几种，如如图3.1图所示。所示。图3.1 套管套管结构构3.1.1 光光纤活活动连接器接器v 图3.2 双双锥结构构图3.4 球面定心球面定心结构构v 图3.3 V形槽形槽结构构图3.5 透透镜耦合耦合结构构3.1.1 光光纤活活动连接器接器v套管套管结构的核心是插构的核心是插针与套筒。与套筒。v插插针是一个是一个带有微孔的精密有微孔的精密圆柱体，其柱体，其结构和主要尺寸如构和主要尺寸如图所示。所示。图3.6 插插针的的结构与主要尺寸构与主要尺寸3.1.1 光光纤活活动连接器接器v插插针的精度要求是：外径不的

4、精度要求是：外径不圆度小于度小于0.0005 mm；外；外圆柱柱面光面光洁度度为 ；微孔偏心量小于；微孔偏心量小于 ；插；插针端面端面为球面，球面，其曲率半径其曲率半径为20 60 mm。v套筒是与插套筒是与插针相配合的零件，它有两种相配合的零件，它有两种结构，如构，如图所示。所示。3.1.1 光光纤活活动连接器接器图3.7 套筒的套筒的结构与尺寸构与尺寸v套筒的精度要求是：内孔光套筒的精度要求是：内孔光洁度度为；拔插力；拔插力为 3.92 5.88 N。开口套筒使用。开口套筒使用弹性好的材料，如磷青性好的材料，如磷青铜、铍青青铜、氧化、氧化锆陶瓷等。陶瓷等。3.1.1 光光纤活活动连接器接器

5、v光光纤活活动连接器接器结构上差构上差别很大，品种也很多，很大，品种也很多，但按功能可分成如下几部分：但按功能可分成如下几部分：v(1)连接器插接器插头(Plug Connector)：由插：由插针体和若干外部体和若干外部零件零件组成。成。v(2)转换器或适配器器或适配器(Adapter)：即插座，可以：即插座，可以连接同型号接同型号插插头，也可以，也可以连接不同型号插接不同型号插头，可以，可以连一一对插插头，也可，也可以以连接几接几对插插头或多心插或多心插头。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v(3)转换器器(Converter)：将某一种型号的插：将某一种型号的插头变换成另一成另一种型号的

6、插种型号的插头，由一种型号的，由一种型号的转换器加上另外其他型号的器加上另外其他型号的插插头组成。成。v(4)光光缆跳跳线(Cable Jumper)：一根光：一根光缆两端面装上插两端面装上插头，称称为跳跳线。两个插。两个插头型号可以不同，可以是型号可以不同，可以是单心的，也可心的，也可以是多心的。以是多心的。v(5)裸光裸光纤转换器器(Bare Fiber Adapter):将裸光将裸光纤穿入裸穿入裸光光纤转换器，器，处理好光理好光纤端面，形成一个插端面，形成一个插头。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v2主要性能指主要性能指标及及测试方法方法v(1)插入插入损耗耗v插入插入损耗是指光信号通

7、耗是指光信号通过活活动连接器后，接器后，输出光功率相出光功率相对输入光功率的分入光功率的分贝数，其表达式数，其表达式为(dB)(3.1)式中，式中，为输入光功率；入光功率；为输出光功率。插入出光功率。插入损耗耗越小越好。越小越好。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v(2)回波回波损耗耗v回波回波损耗又称耗又称为后向反射后向反射损耗，是指光耗，是指光纤连接接处，后向反，后向反射光功率相射光功率相对入射光功率的分入射光功率的分贝数，其表达式数，其表达式为 (dB)(3.2)式中，式中，为输入光功率；入光功率；为后向反射光功率。回波后向反射光功率。回波损耗越大越好。耗越大越好。3.1.1 光光纤活活

8、动连接器接器v(3)重复性和互重复性和互换性性v重复性重复性是指光是指光纤活活动连接器多次插拔后，插入接器多次插拔后，插入损耗的耗的变化，化，用用dB表示。表示。v互互换性性是指是指连接器各部件互接器各部件互换时，插入，插入损耗的耗的变化，也用化，也用dB表示。表示。3.1.1 光光纤活活动连接器接器v影响光影响光纤活活动连接器插入接器插入损耗的因素耗的因素很多，很多，现简述如下：述如下：v(1)两个光两个光纤纤心位置的心位置的错位，如位，如图所示。所示。实际有三种情况，即横向有三种情况，即横向错位、角度位、角度倾斜和端面斜和端面间隙。隙。图3.8 光光纤纤心位置的心位置的错位位3.1.1 光

9、光纤活活动连接器接器v(2)在两个光在两个光纤端面之端面之间，由于存在不同的介，由于存在不同的介质（如空气）（如空气），光在介，光在介质之之间多次反射，多次反射，产生生损耗，称耗，称为菲涅耳反射引菲涅耳反射引起的起的损耗，其表达式耗，其表达式为 (3.3)式中，式中，。当。当时，。v(3)由于两根光由于两根光纤纤心直径不同，数心直径不同，数值孔径不同也会引起孔径不同也会引起光光纤连接器接器损耗。耗。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v光光纤固定固定连接器的作用是使一接器的作用是使一对或几或几对光光纤之之间永久性的永久性的连接。接。v制作固定接制作固定接头的方法有的方法有熔接法、熔接法、V形槽

10、法、毛形槽法、毛细管法、套管法、套管法等。管法等。v1熔接法熔接法v用熔接法制作固定用熔接法制作固定连接器，接器，是光是光纤固定固定连接的主要方法。接的主要方法。v它采用加它采用加热的方法的方法将光将光纤熔接在一起，只要操作得当，熔熔接在一起，只要操作得当，熔接机接机设计合理，合理，连接插入接插入损耗很小，后向反射光近似耗很小，后向反射光近似为零，零，可以得到非常理想的光可以得到非常理想的光纤固定接固定接头。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v光光纤加加热和熔化的方法有三种，如和熔化的方法有三种，如图所示。所示。其特点如下其特点如下：v(1)电弧熔接弧熔接(2)氢氧焰熔接氧焰熔接(3)激光熔

11、接激光熔接图3.9 光光纤熔接方法熔接方法3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v(1)电弧熔接弧熔接v用高用高压电极放极放电来加来加热光光纤，使之熔融，使之熔融连接，接，电弧放弧放电和和光光纤的的对准可以由微机控制，准可以由微机控制，实现自自动化操作。化操作。电弧熔接弧熔接是熔接法中是熔接法中应用广泛的方法。用广泛的方法。v(2)氢氧焰熔接氧焰熔接v用于一些特殊的用于一些特殊的场合，如海底光合，如海底光缆的光的光纤熔接，其特点是熔接，其特点是接接头强度高，但火焰的控制度高，但火焰的控制较为困困难。v(3)激光熔接激光熔接v如用激光器加如用激光器加热并熔接光并熔接光纤，其特点是加，其特点是加热环

12、境非常干境非常干净，接接头强度高，但度高，但设备昂昂贵。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v实现光光纤熔接的熔接的设备是光是光纤熔接机，它由下述部分熔接机，它由下述部分组成成：(1)光光纤的准直与的准直与夹紧结构；构；(2)光光纤的的对准机构；准机构；(3)电弧弧放放电机构；机构；(4)电弧放弧放电和和电机机驱动的控制机构。的控制机构。v以下是以下是详细介介绍。v(1)光光纤的准直与的准直与夹紧结构构v光光纤的准直与的准直与夹紧结构由精密构由精密V形槽和形槽和压板构成，板构成，v精密精密V形槽的作用是使一形槽的作用是使一对光光纤不不产生生轴偏移，偏移，压板使光板使光纤固定在固定在V形槽内。形

13、槽内。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v(2)光光纤的的对准机构准机构v在熔接光在熔接光纤之前，一般要通之前，一般要通过手手动或自或自动装置使装置使纤心完全心完全对准。常用如下三种方法来准。常用如下三种方法来实现光光纤的的对准：准：功率功率监测 纤心直心直视包包层对准准v(3)电弧放弧放电机构机构v熔接机的熔接机的电弧放弧放电由两根由两根电极完成，极完成，电极由极由钼丝制成。制成。v(4)电弧放弧放电和和电机机驱动的控制机构的控制机构v在在电极放极放电过程中，程中，电机的机的驱动都由微都由微处理机控制，按理机控制，按预定程序工作。定程序工作。3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v2其他固定

14、其他固定连接方式接方式v(1)V 形槽固定接形槽固定接头v这种接种接头携携带方便，操作方便，操作简单，不需要，不需要贵重的重的仪表和表和设备。V 形槽的形槽的结构是多构是多样的，的，图为 FMS-1 型光型光纤固定固定连接器接器的的结构构图。图3.10 FMS-1型光型光纤固定固定连接器的接器的结构构图3.1.2 光光纤固定固定连接器接器v(2)毛毛细管固定接管固定接头v毛毛细管固定接管固定接头一般采用玻璃材料制作，将两根一般采用玻璃材料制作，将两根处理好的理好的光光纤从两从两头穿入玻璃毛穿入玻璃毛细管内，利用其精密内孔使两根光管内，利用其精密内孔使两根光纤纤心心对准。在两根光准。在两根光纤端

15、面加入匹配液，消除菲涅端面加入匹配液，消除菲涅尔反反射。射。v(3)套管式固定接套管式固定接头v与活与活动连接器一接器一样，其主要零件也是插，其主要零件也是插针和套筒。插入和套筒。插入损耗在耗在0.1 dB以下，回波以下，回波损耗达耗达45 dB以上。以上。3.2 光光 耦耦 合合 器器v光耦合器光耦合器(Coupler)是是能使光信号在特殊能使光信号在特殊结构的耦合区构的耦合区发生耦合，并生耦合，并进行光功率再分配的器件。行光功率再分配的器件。v从功能上，从功能上，可分可分为光功率分配器和光波光功率分配器和光波长分配（合分配（合/分波）分波）耦合器。耦合器。v从端口形式上，从端口形式上，可分

16、可分为X 形形()、Y 形形()、星形、星形(N N,N2 )以及以及树形形(1 N,N2）耦合器。耦合器。3.2 光光 耦耦 合合 器器v从工作从工作带宽上，上，可分可分为单工作窗口的窄工作窗口的窄带耦合器、耦合器、单工作工作窗口的窗口的宽带耦合器和双工作窗口的耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。耦合器。v另外，由于另外，由于传导光模式的不同光模式的不同，又有多模光，又有多模光纤耦合器和耦合器和单模光模光纤耦合器之分。耦合器之分。1 3.2.1描描述述光光耦耦合合器器特特性性的的一一些些技技术参数参数2 3.2.2 光光耦耦合合器器 的的制制作作方方法法3 3.2.3 耦合机理耦合机理4 3.2

17、.4 波波导型型光光耦合器耦合器5 3.2.5 光光波波分分复复用用器器(WDM)和和解复用器解复用器 3.2 光光 耦耦 合合 器器 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v1插入插入损耗耗(Insertion Loss)(3.4)式中，式中，为第第i个个输出端口的插入出端口的插入损耗；耗；为第第i个个输出端出端口的光功率；口的光功率；为输入的光功率。入的光功率。v2附加附加损耗耗(Excess Loss)(3.5)v插入插入损耗是各耗是各输出端口的出端口的输出功率状况，不出功率状况，不仅与固有与固有损耗耗有关，而且与分光比有很大的关系。有关，而且与分光比有很

18、大的关系。3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v3分光比分光比(Coupling Ration)(3.6)v它是光耦合器特有的技它是光耦合器特有的技术指指标。v4方向性方向性(Directivity)v方向性是光耦合器特有的技方向性是光耦合器特有的技术指指标,是衡量器件定向是衡量器件定向传输特性的参数。以特性的参数。以X形耦合器形耦合器为例，方向性定例，方向性定义为耦合器正耦合器正常工作常工作时，输入一入一侧非注入光的一端非注入光的一端输出的光功率与全部出的光功率与全部注入的光功率的比注入的光功率的比值。3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一

19、些技术参数参数v由由 2 端端输出的光功率出的光功率与全部注入的光功率与全部注入的光功率(即即图中中 1 端注入的光功率端注入的光功率)之比之比为 (3.7)图3.11 X形耦合器的方向性形耦合器的方向性 3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v5均匀性均匀性(Uniformity)v对于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和于要求均匀分光的光耦合器（主要是星形和树形），由形），由于工于工艺局限，往往不可能做到局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性来衡的均匀，用均匀性来衡量其不均匀程度：量其不均匀程度：(3.8)v6偏振相关偏振相关损耗耗(Polarizatio

20、n Dependent Loss)v衡量器件衡量器件对于于传输光信号的偏振光信号的偏振态的敏感程度的参量，也的敏感程度的参量，也称称为偏振灵敏度。偏振灵敏度。3.2.1 描述光耦合器特性的一些技描述光耦合器特性的一些技术参数参数v当当传输光信号的偏振光信号的偏振态变化化 时，器件各，器件各输出端出端输出功率的最大出功率的最大变化量：化量：(3.9)v 7隔离度隔离度(Isolation)(3.10)v式中，式中，为在第在第i个光路个光路输出端出端测到的其他到的其他输出端光信出端光信号的功率；号的功率；为输入的光功率。入的光功率。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法v光耦合器大致可分

21、光耦合器大致可分为分立元件分立元件组合型合型、全光全光纤型型和和平面波平面波导型。型。v1、早期采用分立光学元件、早期采用分立光学元件（如棒透（如棒透镜、反射、反射镜、棱、棱镜等）等）组合拼接。合拼接。v 其耦合机理其耦合机理简单直直观，可用一般的几何光学，可用一般的几何光学进行描述。行描述。v 但但损耗大，与光耗大，与光纤耦合困耦合困难，环境境稳定性定性较差。差。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法v 2、全光、全光纤耦合器，即直接在两根（或两根以上）光耦合器，即直接在两根（或两根以上）光纤之之间形成某种形式的耦合。形成某种形式的耦合。v全光全光纤耦合器的耦合器的发展：展：（1）

22、最早是）最早是Sheem和和Giallorenzi发明的明的蚀刻法刻法（2）Bergh等人等人发明了光明了光纤研磨法，研磨法，（3）研磨研磨结束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再将光束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光拼接，做成光纤耦合器。耦合器。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法（4）20世世纪80年代初，人年代初，人们开始用光开始用光纤熔融拉熔融拉锥法制作法制作单模光模光纤耦合器，已成耦合器，已成为当前制作光耦合器的主要方法。当前制作光耦合器的主要方法。v3、集成化是未来光、集成化是未来光纤通信通信发展的必然展的必然趋势。利用利用平面光波平面光波导制作的光耦合器

23、具有体制作的光耦合器具有体积小，分光比控制小，分光比控制精确，易于大批生精确，易于大批生产等特点。等特点。3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法v熔融拉熔融拉锥法是：法是：将两根（或两根以上）除去涂覆将两根（或两根以上）除去涂覆层的光的光纤以一定方式靠以一定方式靠拢，在高温下熔融，同，在高温下熔融，同时向两向两侧拉伸，最拉伸，最终在加在加热区形成双区形成双锥形式的特殊波形式的特殊波导结构，构，实现传输光功率光功率耦合的一种方法。耦合的一种方法。v熔融拉熔融拉锥制作系制作系统的示意的示意图如如图所示。所示。图3.12 熔融拉熔融拉锥制作系制作系统示意示意3.2.2 光耦合器的制作方法光

24、耦合器的制作方法v熔融拉熔融拉锥型全光型全光纤耦合器耦合器有如下有如下优点点：v(1)极低的附加极低的附加损耗，耗，对于于X 形或形或Y 形耦合器（参形耦合器（参见表），表），附加附加损耗小于耗小于0.05 dB。表表 标准准X,Y型全光型全光纤耦合器的典型性能指耦合器的典型性能指标 指指标单模模2(1)2工作波工作波长1310,1550nm附加附加损耗耗0.1 dB分光比容差分光比容差分光比分光比方向性方向性60 dB工作温度工作温度-40C85C3.2.2 光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法v(2)方向性好，一般达到方向性好，一般达到60 dB，保，保证了了传输光信号的定向光信号的定向性

25、，减小了性，减小了线路之路之间的串的串扰。v(3)良好的良好的环境境稳定性，光路定性，光路结构构简单紧凑，在凑，在 -4085温度范温度范围内耦合器可以保内耦合器可以保证稳定工作。定工作。v(4)控制方法控制方法简单、灵活，不、灵活，不仅可以方便地改可以方便地改变器件的性器件的性能参数，能参数，还能制作具有不同功能的其他器件。能制作具有不同功能的其他器件。v(5)制作成本低，适于批量生制作成本低，适于批量生产。表。表给出了出了标准准X，Y型全型全光光纤耦合器的典型性能指耦合器的典型性能指标。3.2.3 耦合机理耦合机理v1单模光模光纤耦合器耦合器v在在单模光模光纤中，中，传导模是两个正交的基模

26、模是两个正交的基模(模模)，耦合，耦合器中光器中光场强分布如分布如图所示。所示。图3.13 耦合器中光耦合器中光场强分布分布3.2.3 耦合机理耦合机理v传导模模进入熔融入熔融锥区，区，纤心不断心不断变细，V 值逐逐渐减小，有减小，有越来越多的光功率越来越多的光功率进入光入光纤包包层中，中，实际光功率是在以包光功率是在以包层为心、光心、光纤外介外介质为包包层的复合波的复合波导中中传输的。的。v在在输出端，随着出端，随着纤心的逐心的逐渐变粗，粗，V 值增大，光功率被两增大，光功率被两根根纤心以特定比例捕心以特定比例捕获。在熔。在熔锥区，两根光区，两根光纤包包层合并在合并在一起，两根光一起，两根光

27、纤纤心足心足够接近，形成弱耦合，如接近，形成弱耦合，如图所示。所示。v图3.14 熔融拉熔融拉锥型光型光纤耦合器的工作原理耦合器的工作原理3.2.3 耦合机理耦合机理v在弱在弱导近似下，假近似下，假设光光纤无无损耗，耗，则有耦合方程：有耦合方程：(3.11)v式中，式中，分分别为两根光两根光纤的模式的模式场幅度；幅度；是独立是独立状状态的两根光的两根光纤的的传输常数；常数；是耦合系数。是耦合系数。v实际上，自耦合系数上，自耦合系数，且，且。当当z z =0=0 时，已知，已知，则耦合方程的解耦合方程的解为式式(3.12)所示。所示。3.2.3 耦合机理耦合机理v因此可求得每根光因此可求得每根光

28、纤中的功率中的功率为v (3.13)v由此得到：由此得到：耦合比率与熔融耦合比率与熔融拉伸拉伸长度的关系度的关系曲曲线，如，如图所示。最大耦合率所示。最大耦合率可以达到可以达到100。图3.15 耦合比率与熔融拉伸耦合比率与熔融拉伸长度的关系度的关系3.2.3 耦合机理耦合机理v2多模光多模光纤耦合器耦合器v阶跃多模光多模光纤的模式的模式总数数，当，当传导模（靠近光模（靠近光轴为低低阶模，离光模，离光轴较远的是高的是高阶模）模）进入多模光入多模光纤耦合耦合器的熔器的熔锥区区时，纤心心变细，V值变小，小，纤心中束心中束缚的模式的模式数减小，数减小，较高高阶模模进入包入包层，形成包，形成包层模。模

29、。v在熔在熔锥区，两光区，两光纤包包层合并，在合并，在输出端出端纤心又逐心又逐渐变粗粗时，耦合臂的耦合臂的纤心将以一定比例捕心将以一定比例捕获这些高次模式，些高次模式，获得耦合得耦合光功率，但低次模不参与耦合。光功率，但低次模不参与耦合。3.2.4 波波导型光耦合器型光耦合器v在在等等衬底材料上，通底材料上，通过薄膜沉薄膜沉积、光刻、光刻、扩散等散等工工艺形成所需的波形成所需的波导结构，利用光波构，利用光波导实现光的耦合。光的耦合。v单模光模光纤与与单模波模波导的耦合有的耦合有端面直接耦合端面直接耦合和通和通过迅衰迅衰场的表面耦合的表面耦合等方法。等方法。v波波导型光型光纤耦合器有以下耦合器有

30、以下优点点：v(1)体体积小，小，质量量轻，易于集成。，易于集成。v(2)机械及机械及环境境稳定性好。定性好。v(3)耦合分光比易于精确控制，母板定形后，可以耦合分光比易于精确控制，母板定形后，可以进行行大批量生大批量生产。v(4)易于制成小型化的易于制成小型化的宽带耦合器件。耦合器件。3.2.4 波波导型光耦合器型光耦合器v单模波模波导型分路器是型分路器是对单模光信号模光信号进行功率分配的器件，行功率分配的器件，可分可分为分支波分支波导、方向耦合器方向耦合器和和间隙隙渐变方向耦合器方向耦合器三种。三种。v 1分支波分支波导 v分支波分支波导的基本的基本结构分构分为对称和非称和非对称两种，如称

31、两种，如图所示。所示。其其带宽仅取决于模色散的限制，适于制作取决于模色散的限制，适于制作宽带耦合器，耦合器，带宽可达可达100 nm。图3.16 分支波分支波导3.2.4 波波导型光耦合器型光耦合器v2方向耦合器方向耦合器 v方向耦合器方向耦合器(如如图所示所示)对波波长较为敏感，敏感，带宽为10nm 左右，分光比通左右，分光比通过耦合区的耦合区的长度来度来调整。整。图3.17 波波导方向耦合器方向耦合器 3.2.5 光波分复用器光波分复用器(WDM)和解复用器和解复用器v光波分（解）复用器是按光波波光波分（解）复用器是按光波波长进行功率分离与合成的行功率分离与合成的光无源器件，光无源器件，结

32、构如构如图所示。所示。图3.18 WDM 光光传输原理原理图v光波分复用器的一个端口作光波分复用器的一个端口作为器件的器件的输入入/输出端，出端，N个端个端口作口作为器件的器件的输出出/输入端。解复用器端口入端。解复用器端口0#注入各种波注入各种波长的光信号，在的光信号，在输出端，不同波出端，不同波长的光信号分的光信号分别在在N个端个端口口输出，其功率在不同波出，其功率在不同波长之之间有极低的串有极低的串扰。3.2.5 光波分复用器光波分复用器(WDM)和解复用器和解复用器v解复用器解复用器则与之相反，与之相反，N 个端口的插入个端口的插入损耗与波耗与波长的关系的关系如如图所示。其主要的光学特

33、性所示。其主要的光学特性为图3.19 解复用器波解复用器波长-插入插入损耗的关系曲耗的关系曲线3.2.5 光波分复用器光波分复用器(WDM)和解复用器和解复用器 (1)中心波中心波长 。ITU-TL 规定在定在1550 nm区域，以区域，以1552.52 nm为标准波准波长，其他波，其他波长与之与之间隔隔为0.8nm(100G)，或其整数倍或其整数倍()为复用波复用波长。(2)中心波中心波长 工作范工作范围,，对于每一通道，确定了出于每一通道，确定了出射光的射光的谱宽范范围。(3)中心波中心波长对应的最小插入的最小插入损耗耗 ,是衡量解复用器的是衡量解复用器的一一项重要指重要指标，越小越好。，

34、越小越好。(4)相相邻信道之信道之间的串音耦合最大的串音耦合最大值是另一是另一项重要指重要指标，数字，数字信号通信系信号通信系统要求大于要求大于 30 dB，模，模拟信号通信系信号通信系统要求大于要求大于50 dB。3.2.5 光波分复用器光波分复用器(WDM)和解复用器和解复用器v利用色散、偏振、干涉等物理利用色散、偏振、干涉等物理现象都可以制作象都可以制作WDM 器件。器件。以下是几种常以下是几种常见的的WDM 器件器件类型。型。v 1介介质膜型膜型v利用窄利用窄带干涉干涉滤光膜（光膜（带通型）通型）进行波行波长的的选择，通道数目，通道数目48个，其个，其结构如构如图 3.20 所示。所示

35、。v 图3.20 窄窄带介介质膜膜带通通滤光片构成的光片构成的4通道通道WDM器件器件3.2.5 光波分复用器光波分复用器(WDM)和解复用器和解复用器v 2光光栅型型v利用光利用光栅的衍射效的衍射效应，不同波，不同波长的光衍射角度不同，的光衍射角度不同，实现空空间的分离，通道数目的分离，通道数目64个，其个，其结构如构如图所示。所示。图3.21 由反射光由反射光栅构成的解复用器构成的解复用器3.2.5 光波分复用器光波分复用器(WDM)和解复用器和解复用器v3波波导阵列光列光栅型型v波波导阵列光列光栅型波分复用器由型波分复用器由输入和入和输出波出波导、空、空间耦合器耦合器和波和波导阵列光列光

36、栅构成。构成。v输入和入和输出波出波导用于与用于与单模光模光纤连接，空接，空间耦合器将各种波耦合器将各种波长光信号耦合光信号耦合进波波导阵列光列光栅，波，波导阵列光列光栅由几百条光程由几百条光程差差为的波的波导组成。成。3.2.5 光波分复用器光波分复用器(WDM)和解复用器和解复用器v根据衍射理根据衍射理论，在，在输出端光按波出端光按波长大小大小顺序排列序排列输出，通出，通过空空间耦合器耦合器传输到相到相应的的输出波出波导端口，其端口，其结构如构如图所所示。示。v 图3.22 波波导阵列光列光栅型型D波分复用器波分复用器3.5 光光 隔隔 离离 器器v光隔离器是只允光隔离器是只允许光光线沿光

37、路沿光路单向向传输的无源器件，用于的无源器件，用于解决光解决光纤通信中光路中光反射的通信中光路中光反射的问题。1 3.5.1 光隔离器中使光隔离器中使 用的光学元件用的光学元件2 3.5.2 光隔离器的作光隔离器的作 用和工作原理用和工作原理3.5.1 光隔离器中使用的光学元件光隔离器中使用的光学元件v1光光纤准直器准直器(Optical fiber Collimator)v光光纤准直器由自聚焦透准直器由自聚焦透镜和和单模光模光纤组成，成，对光光纤中中传输的高斯光束的高斯光束进行准直，以提高光行准直，以提高光纤之之间的耦合效率。的耦合效率。v2法拉第旋法拉第旋转器器(Faraday Rotat

38、or)v1845年法拉第年法拉第发现，原来不具有旋光性的物，原来不具有旋光性的物质在磁在磁场作作用下，偏振光通用下，偏振光通过该物物质时其偏振面将其偏振面将发生旋生旋转，旋，旋转角角度度为(3.14)式中，式中，V为Verdet常数；常数；L为光在介光在介质中的中的传输距离；距离；B为磁感磁感应强度。度。3.5.1 光隔离器中使用的光学元件光隔离器中使用的光学元件v3偏振器偏振器(Polarizator)v双折射晶体被加工成楔形，入射光沿非光双折射晶体被加工成楔形，入射光沿非光轴方向入射，出方向入射，出射光分射光分为偏振方向正交的两束偏振方向正交的两束线偏光偏光o 光和光和e 光。光。v薄膜起

39、偏分束器是由人造各向异性介薄膜起偏分束器是由人造各向异性介质制作的，其制作的，其结构如构如图所示。两种所示。两种电介介质材料周期性材料周期性层叠，厚度周期小于波叠，厚度周期小于波长。o 光和光和e光的分离角度由两种材料的折射率、厚度、以及光的分离角度由两种材料的折射率、厚度、以及入射角度决定。入射角度决定。图3.23 薄膜起偏分束器薄膜起偏分束器3.5.1 光隔离器中使用的光学元件光隔离器中使用的光学元件v线栅起偏器由金属和起偏器由金属和电介介质周期交替周期交替层叠构成，如叠构成，如图所示。所示。光穿光穿过线栅时，偏振与，偏振与线栅方向平行的方向平行的线偏光被吸收，垂偏光被吸收，垂直直线栅方向

40、的方向的线偏光偏光损耗很小，耗很小，输出出线偏光。偏光。v4特种光特种光纤图3.24 线栅起偏器起偏器 v磁敏光磁敏光纤在制造中在制造中掺入稀土元素，具有良好的透光性和法入稀土元素，具有良好的透光性和法拉第旋光性。拉第旋光性。3.5.2 光隔离器的作用和工作原理光隔离器的作用和工作原理v在光通信系在光通信系统中，从光源到接收机的中，从光源到接收机的传输过程中，会出程中，会出现光学界面光学界面产生的反射引起的生的反射引起的频率漂移幅度率漂移幅度变化，影响系化，影响系统的正常工作。采用光隔离器就可以消除反射光的影响。的正常工作。采用光隔离器就可以消除反射光的影响。v根据偏振特性，光隔离器可分根据偏

41、振特性，光隔离器可分为偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器和和偏偏振无关型光隔离器振无关型光隔离器。v1偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器v对于偏振相关型光隔离器，入射光不于偏振相关型光隔离器，入射光不论是否是是否是线偏光，出偏光，出射光一定是射光一定是线偏光。空偏光。空间偏振相关型光隔离器的偏振相关型光隔离器的结构如构如图所示。所示。3.5.2 光隔离器的作用和工作原理光隔离器的作用和工作原理v起偏和起偏和检偏器的光偏器的光轴有有45夹角，入射光角，入射光经过起偏器起偏器后后成成为线偏光，再偏光，再经过法拉第旋法拉第旋转器，偏振面逆器，偏振面逆时针旋旋转45，刚好和好和检偏器的光偏器的光轴

42、方向一致，方向一致，顺利通利通过。图3.25 偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器结构构3.5.2 光隔离器的作用和工作原理光隔离器的作用和工作原理v反射光通反射光通过成成为与与检偏器光偏器光轴一致的一致的线偏光，偏光，经过法拉法拉第旋第旋转器，由于磁器，由于磁场不不变，光的偏振面，光的偏振面继续顺时针旋旋转45，成，成为偏振方向与偏振方向与光光轴垂直的垂直的线偏光，不能通偏光，不能通过起起偏器偏器，起到了反向隔离的作用。，起到了反向隔离的作用。图3.25 偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器结构构3.5.2 光隔离器的作用和工作原理光隔离器的作用和工作原理v2偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔

43、离器v偏振无关型光隔离器是一种与偏振无关型光隔离器是一种与输入光偏振入光偏振态相关很小的光相关很小的光隔离器。隔离器。Wedge 型偏振无关光隔离器型偏振无关光隔离器结构与偏振光构与偏振光传输示示意意图如如图所示。所示。v光束正向光束正向传输时，光，光纤中的光由准直透中的光由准直透镜射出，射出，进入起偏入起偏器器P1，分，分为偏振方向相互垂直的偏振方向相互垂直的o光和光和e光，光，经过法拉第法拉第旋旋转器偏振面各自器偏振面各自顺时针旋旋转45，由于，由于检偏器偏器 P2 的光的光轴与与P1的光的光轴成成 45夹角，角，o光和光和e光被折射到一起，合光被折射到一起，合成一束平行光成一束平行光经准

44、直耦合准直耦合进光光纤。3.5.2 光隔离器的作用和工作原理光隔离器的作用和工作原理v光束反向光束反向传输时，由于法拉第效，由于法拉第效应的非互易性，的非互易性，经过P2后分后分为与与P1光光轴成成45的的o光和光和e光，在光，在经过法拉第旋法拉第旋转器器时，由于磁感，由于磁感应强度不度不变，o光和光和e光的偏振面依然光的偏振面依然继续顺时针旋旋转45，相，相对于于P1的光的光轴共旋共旋转了了90，因此，因此o光光和和e光被光被P1进一步分开，准直透一步分开，准直透镜无法将无法将这两束光耦合两束光耦合进入光入光纤，达到了反向光被隔离的目的。，达到了反向光被隔离的目的。v此此结构制作构制作简单，

45、插入，插入损耗小，整个器件体耗小，整个器件体积小，但是由小，但是由于准直透于准直透镜和双折射棱和双折射棱镜的使用，具有一定的偏振相关的使用，具有一定的偏振相关损耗和偏振模色散。耗和偏振模色散。3.5.2 光隔离器的作用和工作原理光隔离器的作用和工作原理图3.26 Wedge型偏振无关光隔离器型偏振无关光隔离器结构与偏振光构与偏振光传输示意示意图 习习 题题3.1 3.1 某种半某种半某种半某种半导导体激光器的体激光器的体激光器的体激光器的输输出光功率出光功率出光功率出光功率P P与注入与注入与注入与注入电电流流流流I I之之之之间间的的的的关系如关系如关系如关系如题图题图所示，求此半所示，求此

46、半所示，求此半所示，求此半导导体激光器的体激光器的体激光器的体激光器的阈值电阈值电流流流流和外微和外微和外微和外微分量子效率分量子效率分量子效率分量子效率。若用其作。若用其作。若用其作。若用其作为为数字通信光源，数字通信光源，数字通信光源，数字通信光源，则调则调制的偏制的偏制的偏制的偏置置置置电电流流流流I I应应取取取取值约为值约为多少？其中，多少？其中，多少？其中，多少？其中，,。题图题图3.1 3.1 输输出光功率出光功率出光功率出光功率 P P 与注入与注入与注入与注入 电电流流流流 I I 之之之之间间的关系的关系的关系的关系 习习 题题3.2 3.2 有一个无源有一个无源有一个无源

47、有一个无源树树形光耦合器（形光耦合器（形光耦合器（形光耦合器（1 1 6 6耦合器），耦合器），耦合器），耦合器），输输入端入端入端入端注入光功率注入光功率注入光功率注入光功率 30 mW30 mW，6 6 个个个个输输出端口分出端口分出端口分出端口分别输别输出光功率出光功率出光功率出光功率 mW,5.1 mW,4.8 mW,4.8 mW,4.9 mwmW,5.1 mW,4.8 mW,4.8 mW,4.9 mw和和和和5.0 mW5.0 mW，求此光，求此光，求此光，求此光耦合器的各端口插入耦合器的各端口插入耦合器的各端口插入耦合器的各端口插入损损耗、附加耗、附加耗、附加耗、附加损损耗和分光比。耗和分光比。耗和分光比。耗和分光比。