光无源器件概述.pptx

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1、主要内容：主要内容：光纤无源器件技术光纤无源器件技术 光纤放大器技术光纤放大器技术 光纤激光器技术光纤激光器技术pp 光纤光栅、滤波器、调制器等pp 多波长光纤激光器、锁模光纤激光器、单频光纤激光器等pp 掺铒光纤放大器、拉曼放大器等第1页/共109页光器件光器件 用途用途:实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能，是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。类型：无源、有源类型：无源、有源 无源器件主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光波分复用/解复用器、隔离器、环行器、滤波器

2、、光调制器、光开光等。有源器件主要包括：激光器、光探测器、光放大器等。第2页/共109页光纤无源器件技术光纤无源器件技术 第3页/共109页 光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。无源器件功能无源器件功能连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换、开关复用、解复用调制、解调编码、解码色散处理缓存、存储逻辑处理光无源器件的功能：第4页/共109页内容内容光连接器 Connector光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器

3、与环行器 Isolator/Circulator光衰减器 Attenuator光起偏器与偏振控制器 Polarizer/Polarization Controller滤波器 Filter光调制器 Modulators光开关 Switches第5页/共109页 光连接器件是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤之间可拆卸（活动）连接的光无源器件，它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。影响连接损耗的因素：光纤连接时，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗。光纤连接器光

4、纤连接器第6页/共109页精密套管结构连接器简图 光纤连接器示意图光纤连接器示意图第7页/共109页 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。光纤连接器特性光纤连接器特性 (1)插入损耗 插入损耗是指由于增加光无源器件而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，通常用dB表示，即 其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。(dB)第8页/共109页光纤连接器特性光纤连接器特性 其中Pi为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。(2)回波损耗 回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向

5、反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：（3）重复性和互换性 重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。第9页/共109页4050PC型陶瓷-40+80陶瓷-20+70不锈钢工作温度/C不锈钢寿命（插拔次数）3540FC型反射损耗/dB互换性/dB重复性/dB0.20.3插入损耗/dB性能型号或材料项目光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能第10页/共109页常用光纤接头类型常用光纤接头类型第11页/共109页 光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端

6、口形式上划分，它包括X型(22)耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器以及树形耦合器等。光纤耦合器光纤耦合器 Coupler第12页/共109页光纤耦合器光纤耦合器 Coupler11-：耦合分束比，耦合分束比，3dB coupler=0.5 熔锥形光纤耦合器示意图光纤耦合器示意图第13页/共109页 熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。熔融拉锥系统示意图第14页/共109页光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数（1）插入损耗（定义同前）（2）附加损

7、耗 附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总 和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学 表达式为：式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。第15页/共109页光纤耦合器的技术参光纤耦合器的技术参数数（3）分光比（Coupling Ratio）分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为：例如对于标准X形耦合器，11或5050代表了同样的分光比，即输出为均分的器件，通常称为3dB耦合器。第16页/共109页（4

8、）方向性（串扰）方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。第17页/共109页(5)偏振相关损耗 偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：光

9、纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数 在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件的偏振相关损耗足够小。第18页/共109页光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数(6)工作波长范围 工作波长范围是指无源器件能够按照规定的性能要求下工作的波长范围(min到max)。第19页/共109页22光纤耦合器内的光功率分布光纤耦合器内的光功率分布k 是耦合系数50:50第20页/共109页-40+70工作温度/C0.82.0稳定性/dB4055方向性/dB3.45.6/1.810.8/0.7插入损耗/dB分光比 0.5/0.5 0.3/0.7 0.1/0.9

10、1.31或1.55工作波长/22型耦合器耦合器的性能参数耦合器的性能参数第21页/共109页例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW，P3=6.3 nW，求耦合比，附加损耗，插入损耗（0口到1口），插入损耗（0口到2口），以及串扰。第22页/共109页例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW，P3=6.3 nW，可以求得为：第23页/共109页 将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)，反之，经同一传输光纤

11、送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中的关键部件。光复用解复用器光复用解复用器第24页/共109页 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 2 2 1 1直通臂耦合臂 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公共臂第25页/共109页衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透

12、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 3第26页/共109页采用棒透镜的光栅型WDM光 纤棒 透 镜光 栅 1+2+3 1 2 3 1 1+2 2+3 1 2 3第27页/共109页波导型波分解复用器第28页/共109页光波分复用解复用器光波分复用解复用器波分复用器l1l2l3l4l1,l2,l3,l4波分解复用器l1l2l3l4光波复用器解复用器应用示意图第29页/共109页 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。隔离器就是一种非互易器件，光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方

13、向通过的无源器件，它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。光隔离器光隔离器第30页/共109页 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应实现其功能。光隔离器的特性是：插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器分偏振相关与偏振无关隔离器。光隔离器光隔离器光纤隔离器示意图第31页/共109页 光环形器是由多个光隔离器单元组合而成的、控制光束传播方向的无源器件。光环形器光环形器 三端口光环形器 四端口光环形器 箭头方向代表了允许光传输的方向。光纤环形器示意图第32页/共109页光发射机1光发射机2光接收机1光接收机2123321光环行器用于双向传输系统第33

14、页/共109页 光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为固定衰减器和可变衰减器。光衰减器光衰减器第34页/共109页光衰减器光衰减器第35页/共109页固定衰减器固定衰减器 固定衰减器对光功率衰减量固定不变，主要用于调整光纤传输线路的光损耗。输入光纤输出光纤光纤连接器光纤连接器透镜透镜衰减部分第36页/共109页 可变衰减器可变衰减器 可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。(a)光路和结构(b)连续衰减片厚薄第37页/共109页 用于从自然光中获得偏振光的无源器件称为起偏器(Polarize

15、r).光起偏器光起偏器第38页/共109页光偏振控制器光偏振控制器 光偏振控制器主要用于对入射光的偏振态改变及控制。理论上，偏振控制器能将输入的任何一种偏振态的光（椭圆偏振，圆偏振，线偏振）转变成任意指定偏振态的输出。三环型机械式偏振控制器采用了三个固定延迟的波片，通过调节波片的角度可使输出光偏振态完全覆盖Poincare球表面。第39页/共109页 进行波长选择的无源光器件，即光滤波器。光滤波器光滤波器l1 光滤波器l1,l2,l3,l4l,l,l234梳状滤波器 光滤波器l1,l2,ln宽带光源带通滤波器光滤波器示意图第40页/共109页几种常用光滤波器 法布里-珀罗(FP:Fabry-P

16、erot)滤波器 马赫-曾德尔干涉仪(MZI:Mach-Zehnder Interferometer)光纤光栅第41页/共109页光滤波器的带宽带通滤波器的带宽带通滤波器的带宽第42页/共109页 滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自由光谱范围(FSR：Free Spectral Range)；用FWHM（Full width at half maximum）表示传递函数的半高宽；比值FSR/FWHM称作FP滤波器的精细度(F:Finesse),则（7.12）滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数第43页/共109页滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数滤波器参数标识第44页/共10

17、9页 法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的。这种滤波器也叫F-P干涉仪，传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器F-P滤波器输入信号F-P腔反射同相相加后的输出信号第45页/共109页 法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的。这种滤波器也叫F-P干涉仪，传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。F-滤波器的功率传递函数TFP(f)与光的频率f有关：（7.10）法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器第46页/共109页若用自由空间波

18、长表示，则：这里A表示每个镜面的吸收损耗，R为每个镜面的反射率(假设两个镜相同)，光在腔内单程传播的时延为，腔内介质的折射率为n，腔长为l,因此=nl/c，c为真空中光速。（7.11）法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器第47页/共109页A=0及R=0.75、0.9和0.99时FP滤波器的功率传递函数反射率R越大，相邻信道的隔离度就越好。法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器第48页/共109页 FP滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自由光谱范围(FSR：Free Spectral Range)；用FWHM表示传递函数的半高宽；比值FSR/FWHM称作FP滤波器的精细度(F:Finesse)

19、,则（7.12）F-P滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数第49页/共109页F-P滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数滤波器参数标识第50页/共109页F-P级联滤波器级联滤波器F-P可调谐滤波器可调谐滤波器第51页/共109页 马赫-曾德尔干涉仪(MZI:Mach Zehnder Inter-ferometer)使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出。MZI通常以集成光波导的形式出现，即用两个3 dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路，如图所示。马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪输入1 1输入2 2路程差，D DL输出1 1输出2 2马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构图第5

20、2页/共109页 考虑MZI作为一个解复用器的情况。这时只有一个输入，假设从输入端口1输入，经过第一个定向耦合器后，功率平均分配到两臂上，但是在两臂上的信号有了/2的相差，下臂上的信号比上臂滞后/2。MZI(D D L )输入 1输入 2输出 1输出 2马赫-曾德尔干涉仪(MZI)方框图M-Z干涉仪的工作原理干涉仪的工作原理第53页/共109页 同理，在输出2处，两信号总的相位差为 +L-=L。在输入1的所有波长中，满足L=k(k为奇数)条件的波长，由输出1输出；满足L=k(k为偶数)条件的波长由输出2输出。而=,n为介质折射率，为光波长，通过适当设计就可以实现波长的解复用。如果下臂与上臂的长

21、度差为L，则下臂信号的相位进一步滞后L,为光在MZI介质中的传输常数。在第二个定向耦合器的输出1处，来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了/2，因此，在输出1处，两信号总的相位差为:+L+。M-Z干涉仪的工作原理干涉仪的工作原理第54页/共109页 如果两臂长度差为L，只是输入1输入，则单个MZI的功率传递函数为:2sin2LDbT11(f)T12(f)=其中f为光频率。MZI可用来作滤波器和波分复用器/解复用器。在宽带滤波方面MZI非常有用，例如用来分开1.31 m和1.55 m两个波长的光信号。单级单级M-Z干涉仪干涉仪第55页/共109页 如果将MZI级联就构成多级马赫-曾德尔干涉仪，形

22、成窄带滤波器。一个4级马赫-曾德尔干涉仪如图所示，其中每个MZI以及级联后整个4级MZI的传递函数曲线如下页图所示。输入1输入 2输出1输出2MZI(D DL)MZI(2D DL)MZI(3D DL)MZI(4D DL)马赫-曾德尔干涉仪(MZI)四级MZI级联级联M-Z干涉仪干涉仪第56页/共109页MZI单级及级联后的传递函数 第57页/共109页光光纤纤光光栅栅是是利利用用光光纤纤材材料料的的光光敏敏性性（外外界界入入射射光光子子和和纤纤心心内内锗锗离离子子相相互互作作用用引引起起折折射射率率的的永永久久性性变变化化），在在纤纤心心内内形形成成空空间间相相位位光光栅栅，其其作作用用实实质

23、质上上是是在在纤纤心心内内形形成成一一个个窄窄带带的的（透透射射或或反反射射）滤滤波波器器或或反反射射镜镜，使使得得光光在在其其中中的的传传播播行行为为得以改变和控制。得以改变和控制。光光纤纤在在紫紫外外光光照照射射下下产产生生的的光光致致折折射射率率变变化化的的效效应应，在在纤纤芯芯上上形形成成周周期期性性的的折折射射率率调调制制分分布布，从从而而对对入入射射光光中中相相位位匹匹配配的频率产生反射。的频率产生反射。光纤光栅光纤光栅第58页/共109页光纤光栅的历史光纤光栅的历史1978年由加拿大通讯研究中心(CRC,Canadian Research Centre)的K.O.Hill.率先报

24、道了光纤的光敏特性，制造了第一支光纤光栅。1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发展。1993年 K.O.Hill提出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大批量制造成为可能。第59页/共109页 利用某种特殊光纤的光敏特性，就可在光纤中写入光栅。在传统光纤的SiO2中掺入少量锗(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯，则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化，强度高的地方纤芯折射率增加，强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化，

25、这样就在光纤中写入了光栅。也可以使用位相模版位相模版(phase mask)(phase mask)来写入光栅。位相模版位相模版是一种光衍射元件，当用光束照射它时，它将光束分离成各个不同的衍射级，这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤。光纤光栅的写入光纤光栅的写入第60页/共109页光纤光敏性概念光纤光敏性概念所谓的光敏性，是指材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。光纤中的光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变的特性。在一定条件下，变化的大小与光强成线性关系并可保存下来。在通信中应用最广泛的是纤芯掺锗光纤。在光纤材料中掺入Ge以后将产生位于19

26、5nm、213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等多个附加吸收带，其中240nm、195nm为强吸收带第61页/共109页光纤光栅的写入装置光纤光栅的写入装置光束干涉法制备光纤光栅示意图第62页/共109页光纤光栅的写入装置光纤光栅的写入装置相位模板方法制备光纤光栅示意图第63页/共109页光谱测量示意图光谱测量示意图图第64页/共109页 光纤光栅可以分为短周期短周期(short-period)(short-period)光纤光栅光纤光栅和长周期长周期(long-period)(long-period)光纤光栅光纤光栅。短周期光纤光栅短周期光纤光栅也称光纤布喇格光栅，其周期

27、可以和光波长相比较，典型值大约0.5 m；长周期光纤光栅长周期光纤光栅的周期比光波长大得多，从几百微米到几毫米不等。光纤布喇格光栅(FBG：Fiber Bragg Grating)是一种反射型光纤光栅，光栅使正向传输模(单模光纤中即为基模)同反向传输模之间发生耦合，光栅的波矢应等于传输模波矢的2倍，也就是说，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半，这种光纤光栅只对在布喇格波长布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射，而不影响其它波长的光通过。光纤光栅按周期的分类光纤光栅按周期的分类第65页/共109页 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配布喇格

28、相位匹配条件：其中为光栅周期，则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。（7.7）（7.8）光纤光栅光纤光栅第66页/共109页 设0=2neff/B，其中B为输入光的波长，neff为光纤的有效折射率。则如果B=2neff，将满足布拉格条件，光波将发生反射，这个波长B就称作布喇格波长布喇格波长。随着入射光波的波长偏离布喇格波长布喇格波长，其反射率就会降低。如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅上，则只有波长等于布喇格波长布喇格波长的光才反

29、射，而其它的光全部透射。Bragg 波长波长第67页/共109页 FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为B=2neff，其中，为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。光纤光纤Bragg 光栅（概念总结）光栅（概念总结）第68页/共109页光纤光纤Bragg 光栅反射及透射光栅反射及透射特性特性布喇格波长布喇格波长:B=2neff光纤光栅原理示意图第69页/共109页变迹光纤光栅变迹光纤光栅 采用特殊形式对光纤Bragg光栅的折射率调制深度

30、进行调制，可形成变迹光栅，这种光栅具有丰富的谱特性，通过改变其调制函数及其他有关参数可根据需要控制其反射谱形状。第70页/共109页布喇格光栅的反射谱布喇格光栅的反射谱(a)均匀折射率情形均匀折射率情形(b)变迹折射率情形变迹折射率情形 注意:变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。均匀折射率及切趾光栅的反射均匀折射率及切趾光栅的反射谱谱第71页/共109页 长周期光纤光栅的工作原理与光纤布喇格光栅稍微有些不同。在光纤布喇格光栅中，纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上；而在长周期光纤光栅中，纤芯中正向传输模的能量耦合到包层里的正向传输模上，包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉，因此相应波长位置

31、的光波被衰减，出现一些损耗峰。设纤芯中模的传输常数(假定为单模光纤)为，p阶包层模的传输常数为cp，相位匹配条件为：长周期光纤光栅长周期光纤光栅（7.9）其中为光栅周期。一般情况下，两个正向传输模的传输常数相差很小，为了发生耦合，通常要求是一个相当大值，一般为几百微米以上。第72页/共109页 设纤芯和p阶包层模的有效折射率分别为neff和npeff，由公式=2neff/可得：当波长满足=(neff-npeff)时，纤芯模的能量便耦合到包层模上去。因此，如果我们知道了传输光的波长和纤芯、包层模的有效折射率，就可以设计合适值的长周期光栅长周期光栅来满足各种需要。长周期光纤光栅长周期光纤光栅长周期

32、光纤光栅长周期光纤光栅的透射谱，特别适合用作带阻滤波器.第73页/共109页 设纤芯和p阶包层模的有效折射率分别为neff和npeff，由公式=2neff/可得：当波长满足=(neff-npeff)时，纤芯模的能量便耦合到包层模上去。因此，如果我们知道了传输光的波长和纤芯、包层模的有效折射率，就可以设计合适值的长周期光栅长周期光栅来满足各种需要。长周期光纤光栅长周期光纤光栅长周期光纤光栅长周期光纤光栅的透射谱，特别适合用作带阻滤波器.第74页/共109页啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的,是一个非周期的光栅间距，可改变轴向的光栅周期或光纤纤芯折射率或同时改

33、变两者获得。第75页/共109页啁啾光栅的谱分布啁啾光栅的谱分布 由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，啁啾光栅能够形成很宽的反射带。第76页/共109页超结构光纤光栅超结构光纤光栅 又称取样光栅，折射率调制是周期性间断的，相 当 于 在 光 纤Bragg光栅或啁啾光纤光栅的折射率调制上又加一个调制函数第77页/共109页超结构光纤光栅写入和应超结构光纤光栅写入和应用用R.Kashyap写入方法采用相移相位掩模近场衍射法。B.J.Eggleton等人利用振幅掩模与相位掩模联合使用的方法也可精确地写入超结构光纤光栅。应用：超结构均匀光栅在梳状滤波器以及多波长激光器在波分复用通信系统中的色散补偿

34、；第78页/共109页相移光纤光栅相移光纤光栅 是指在光纤Bragg光栅的某些点，通过一些方法破坏其周期的连续性而得到的，每个不连续连接都会产生一个相移。第79页/共109页相移光纤光栅的透射谱相移光纤光栅的透射谱 其主要特点是在Bragg反射带中打开透射窗口，使波长具有更高的选择性，通过选择合适的相移点位置和相移量，能够控制透射窗口的位置。第80页/共109页光纤光栅的波长调谐光纤光栅的波长调谐电磁调谐,举例：如使用103mT磁场可以实现1.1nm的调谐热调谐，Bragg波长的温度灵敏度为1.1X10-2nm/机械调谐，应力等第81页/共109页 光纤光栅(Fiber Grating)是一种

35、非常有吸引力的全光纤器件，其用途非常广泛，可用作光滤波器、光分插复用器和色散补偿器等。其主要优点有：光纤光栅的应用及优点光纤光栅的应用及优点 插入损耗小 易于与光纤耦合 对偏振不敏感 封装简单 成本较低等第82页/共109页光纤光栅在光通信中的应用光纤光栅在光通信中的应用 波分复用与解复用WDM Mux/DemuxEDFA的增益平坦与线路色散补偿WDMAmplifiers 信号上下载复用与解复用WDMSwitchingWDM Transmitters光源中的波长锁定第83页/共109页光纤光栅在光纤光栅在OADM中的应用中的应用 上图是基于光纤光栅的光分插复用器，由两个三端口光环行器和N个光纤

36、布喇格光栅构成，由光栅反射回来的波长i从环行器1的端口3取出进行下载，余下的波长继续前行。从环形器2的1端口上载信号，经光栅反射波长i通过环形器3端口输出，继续传输。第84页/共109页光调制器光调制器 调制器概述 电光调制器 声光调制器第85页/共109页 激光是一种频率很高（10131015Hz)的电磁波，具有很好相干性，因而象以往电磁波（如微波等）一样可以用来作为传递信息的载波。这种将信息加载于激光的过程称之为调制。完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。解调：调制的反过程，即把调制信号还原成原来的信息。调制、解调的基本概念调制、解调的基本概念第

37、86页/共109页 激光光波的电场强度是：因激光具有振幅、频率、相位、强度等参量，如使其中某一参量按调制信号的规律变化，则激光受到信号的调制，达到运载信息的目的。激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强度调制等。调制的分类调制的分类其中：，角频率，相位。按调制器的工作原理，可分为电光调制、声光调制、磁光调制等。第87页/共109页 强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。强度调制强度调制（例）强度调制（例）第88页/共109页 调制器可以用电光效应、磁光效应或声

38、光效应来实现。最常见的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。这种晶体的折射率折射率n n和外加电场外加电场E E的关系为 n=n0+E+E2 式中，n0为E=0时晶体的折射率晶体的折射率。和是张量，称为电光系数。根据不同取向，当=0时，n随E按比例变化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。当=0时，n随E2按比例变化，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。调制器是利用线性电光效应线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，从而改变了入射光的相位和输出光功率。电光调制器电光调制器第89页/共109页 电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在

39、外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性诸如相位、功率就会受到影响而改变。电光调制器电光调制器第90页/共109页 将出射光强与入射光强相比得：V和V/2 是一回事。其中的T称为调制器的透过率。根据上述关系可以画出光强调制特性曲线。由图可见，在一般情况下,调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。强度调制特性曲线强度调制特性曲线第91页/共109页电光调制特性曲线电光调制特性曲线 若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的 2相位延迟，使调制器的电压偏置在T50的工作点上。第92页/共109页 根据调制器和激光器的相对关

40、系，可以分为内调制和外调制：内调制：内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。外调制：外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。调制方式调制方式第93页/共109页 外调制：通过光调制器，将携带信息的电信号与输入光调制器的连续光载波相作用。外调制方式外调制方式外调制方式（例）外调制方式（例）第94页/共109页 马赫-曾德尔干涉仪型调制器MZ干涉型调制器干涉型调制器第95页/共1

41、09页 上图是马赫马赫 -曾德尔曾德尔(MZ)(MZ)干涉型干涉型调制器的简图。在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率 式中Us和Ub 分别为信号电压和偏置电压，U为光功率变化半个周期(相位为0)所需的外加电压，并称为半波电压半波电压。由公式可以看到，当Us+Ub=0时，P=2为最大；当Us+Ub=U时，P=0。MZ干涉型调制器干涉型调制器第96页/共109页声光调制器声光调制器 声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，

42、在介质内形成折射率变化，这样声光介质在超声场的作用下就变成了一个等效的相位光栅,如果激光作用在该光栅上,就会产生衍射.衍射光的强度,频率和方向将随超声场而变化。第97页/共109页 而作为声光调制器来说,无论属于哪种类型(喇曼-奈斯型衍射或布喇格型衍射),调制器都有两种工作方式,一种是将零级光束作为输出;另一种是将1级衍射光束作为输出.当声波振幅随着调制信号改变时,各级衍射光的强度也将随之发生相应变化.若将某一级衍射光和为输出,利用光阑将其它衍射级遮拦,则从光阑孔出射的光束就是调制光.声光调制器声光调制器第98页/共109页 光调制器的性能参量：半波电压、消光比、调制带宽、插入损耗 光纤通信系

43、统对调制器的要求：高的调制速率 宽的调制带宽低的半波电压 高的消光比低的插入损耗光调制器的性能参数光调制器的性能参数第99页/共109页光光 开开 关关 光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，用于改变光传输通路的器件。它是光网络通信中对光上下路信号和不同光路之间进行交叉互连的器件，也是是光交叉互联(OXC)和光分插复用(OADM)技术中的核心部件 第100页/共109页 (1)插入损耗 插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示：式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输出端接收的光功率。插入损耗与开关的状态有关。光开关特性参数光开关特性参数第101页/共109页(2)回波损

44、耗 回波损耗(也称反射损耗或反射率)是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示：式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输入端口接收到的返回光功率。回波损耗与开关的状态有关。光开关特性参数光开关特性参数第102页/共109页(3)隔离度 隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示。式中：n、m为开关的两个隔离端口(nm)；Pin是光从i端口输入时n端口的输出光功率，Pim是光从n端口输入时在m端口测得的光功率。光开关特性参数光开关特性参数第103页/共109页(4)远端串扰 远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。(5)近端串扰 近端串扰

45、是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。光开关特性参数光开关特性参数第104页/共109页(6)消光比 消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。式中：ILnm为n，m端口导通时的插入损耗；ILnm0为n，m端口非导通时的插入损耗。(7)开关时间 开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。光开关特性参数光开关特性参数第105页/共109页光开关的分类光开关的分类 机械式光开关 微机电式光开关 波导型光开关 基于光纤滤波器、光纤调制器原理的光开关 第106页/共109页光开关的分类光开关的分类 机械式光开关 微机电式光开关 波导型光开关 基于光纤滤波器、光纤调制器原理的光开关 第107页/共109页光经过不同偏置情况下的光经过不同偏置情况下的调制器后的输出（光谱及调制器后的输出（光谱及示波器波形）示波器波形）第108页/共109页感谢您的观看！第109页/共109页