第三章_光無源器件

1、 第三章第三章 光無源器件光無源器件（Passive Components ）內(nèi)容提要內(nèi)容提要n連接性器件連接性器件n功能性器件功能性器件 光衰減器光衰減器 光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器 光開關(guān)光開關(guān) 偏振控制器偏振控制器 光調(diào)制器光調(diào)制器 概述概述 一個完整光纖通信系統(tǒng)不僅需要光端機(jī)，光一個完整光纖通信系統(tǒng)不僅需要光端機(jī)，光纖線路，而且還需要多種光器件，光器件是纖線路，而且還需要多種光器件，光器件是光纖傳輸系統(tǒng)重要組成部分。光纖傳輸系統(tǒng)重要組成部分。光器件光器件有源光器件：需要外加泵浦源，有源光器件：需要外加泵浦源，如電信號、光信號等。如電信號、光信號等。無源光器件：無需外加泵浦源無

2、源光器件：無需外加泵浦源就能完成器件功能。就能完成器件功能。q光有源器件：光有源器件： 激光器、發(fā)光二極管；光檢測器；光放激光器、發(fā)光二極管；光檢測器；光放大器、波長轉(zhuǎn)換器、光調(diào)制器大器、波長轉(zhuǎn)換器、光調(diào)制器q光無源器件：光無源器件：光纖連接器、光定向耦合光纖連接器、光定向耦合器、光衰減器、光隔離器、光環(huán)形器、器、光衰減器、光隔離器、光環(huán)形器、波分復(fù)用器、光纖布拉格光柵、光偏振波分復(fù)用器、光纖布拉格光柵、光偏振控制器、光開關(guān)控制器、光開關(guān)n體塊型（分立元件組成）：體塊型（分立元件組成）：光隔離器、光光隔離器、光濾波器和閃耀光柵波分復(fù)用等濾波器和閃耀光柵波分復(fù)用等n全光纖型：全光纖型：光定向耦合

3、器、光纖型波分復(fù)光定向耦合器、光纖型波分復(fù)用和光纖型濾波器等。用和光纖型濾波器等。n波導(dǎo)型：波導(dǎo)型： 鈮酸鋰（鈮酸鋰（LiNbO3）波導(dǎo)開關(guān)、）波導(dǎo)開關(guān)、波導(dǎo)調(diào)制器等。波導(dǎo)調(diào)制器等。光無源器件按結(jié)構(gòu)形式分：光無源器件按結(jié)構(gòu)形式分：光纖傳輸系統(tǒng)對光無源器件的要求：光纖傳輸系統(tǒng)對光無源器件的要求：1.插入損耗小（除光衰減器外），對信號插入損耗?。ǔ馑p器外），對信號影響小。影響小。2.使用方便，便于操作與維護(hù)。使用方便，便于操作與維護(hù)。3.可靠性高，不受反復(fù)操作的影響，重復(fù)可靠性高，不受反復(fù)操作的影響，重復(fù)性高。性高。4.體積小，重量輕。體積小，重量輕。A good book is a good

4、 friend1 連接性器件連接性器件 光纖（纜）活動連接器在結(jié)構(gòu)上千差萬別，品種上多種多光纖（纜）活動連接器在結(jié)構(gòu)上千差萬別，品種上多種多樣，但按其功能可以分成如下幾個部分：樣，但按其功能可以分成如下幾個部分：q連接器插頭（連接器插頭（Plug Connector）：）：由插針體（即裝配好由插針體（即裝配好光纖的插針）和若干外部零件組成。使光纖（纜）在轉(zhuǎn)換光纖的插針）和若干外部零件組成。使光纖（纜）在轉(zhuǎn)換器或變換器中完成拔插功能的部件稱為插頭。兩個插頭在器或變換器中完成拔插功能的部件稱為插頭。兩個插頭在插入轉(zhuǎn)換器或變換器后可以實現(xiàn)光纖（纜）之間的對接。插入轉(zhuǎn)換器或變換器后可以實現(xiàn)光纖（纜）之

5、間的對接。q光纜跳線（光纜跳線（Jumper Cable）：）：將一根光纖的兩頭都裝上將一根光纖的兩頭都裝上插頭，稱為跳線。連接器插頭是其特殊情況，即只在光纖插頭，稱為跳線。連接器插頭是其特殊情況，即只在光纖一頭裝有插頭。一頭裝有插頭。跳線可以是單芯的或多芯的。跳線可以是單芯的或多芯的。q轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（Adaptor）：）：把光纖插頭連接在一起，從而使把光纖插頭連接在一起，從而使光纖接通的器件。轉(zhuǎn)換器俗稱插座或法蘭盤。光纖接通的器件。轉(zhuǎn)換器俗稱插座或法蘭盤。轉(zhuǎn)換器可以連接同型號或不同型號的插頭?？梢赃B接一轉(zhuǎn)換器可以連接同型號或不同型號的插頭。可以連接一對或幾對或多芯插頭。對或幾對或多芯插頭。

6、q變換器（變換器（Converter）：）：將某一型號的插頭變換成另一將某一型號的插頭變換成另一型號插頭的器件。型號插頭的器件。q裸光纖轉(zhuǎn)接器（裸光纖轉(zhuǎn)接器（Bare Fiber Adaptor ）：）：將裸光纖與光將裸光纖與光源、探測器以及各類光儀表進(jìn)行連接的器件。源、探測器以及各類光儀表進(jìn)行連接的器件。光纖（纜）活動連接器：習(xí)慣上是指兩個連接器插頭加光纖（纜）活動連接器：習(xí)慣上是指兩個連接器插頭加一個轉(zhuǎn)換器。一個轉(zhuǎn)換器?；顒舆B接器活動連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件，活動連接器件是光纖通信領(lǐng)域接的器件，活動連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無源

7、器件，用于：最基本、應(yīng)用最廣泛的無源器件，用于：q光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間之間q光纖線路與其他光無源器件之間的連接光纖線路與其他光無源器件之間的連接q光纖與測試儀表之間光纖與測試儀表之間光纖固定接頭光纖固定接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性（固定）連接，主要用于光纖線路的構(gòu)性（固定）連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實施。成，通常在工程現(xiàn)場實施。FC/FC型活動連接器型活動連接器(用于用于FC和和FC型插頭互連型插頭互連)FC/ FC型活動連接器型活動連接器 一單芯活動連接器的結(jié)構(gòu)與種類一單芯活動連接器的結(jié)構(gòu)

8、與種類FC型插頭采型插頭采用螺紋連接用螺紋連接 FC型插頭：平頭型插頭：平頭PC型插頭：球面頭型插頭：球面頭APC型插頭：斜八度頭型插頭：斜八度頭FC/SC型活動連接器型活動連接器(用于用于FC和和SC型插頭互連型插頭互連)SC型插頭型插頭SC型插頭：由日本型插頭：由日本NTT研制，插針、套筒研制，插針、套筒與與FC型完全一樣，外殼采用工程塑料制作，型完全一樣，外殼采用工程塑料制作，矩形結(jié)構(gòu)，不用螺紋連接，可以直接插拔。矩形結(jié)構(gòu)，不用螺紋連接，可以直接插拔。FC/ST型活動連接器型活動連接器 (用于用于FC和和ST型插頭互連型插頭互連)ST型插頭：由型插頭：由AT&T公司開發(fā)，采用帶鍵的卡公司

9、開發(fā)，采用帶鍵的卡口式鎖緊結(jié)構(gòu)，確保連接時準(zhǔn)確對準(zhǔn)。口式鎖緊結(jié)構(gòu)，確保連接時準(zhǔn)確對準(zhǔn)?！癑umper cables” to connect devices and instruments“Adapter cables” to connect interfaces using different connector stylesInsertion loss is dominated by the connector losses (2 m fiber has almost no attenuation)Often yellow sheath used for single-mode fiber,

10、 orange sheath for multimode二多芯連接器的結(jié)構(gòu)與種類二多芯連接器的結(jié)構(gòu)與種類主要針對帶狀光纜，將多芯光纜的光纖分主要針對帶狀光纜，將多芯光纜的光纖分別卡在別卡在V型槽對應(yīng)的孔內(nèi)，就可以被固定連型槽對應(yīng)的孔內(nèi)，就可以被固定連接起來。接起來。光纖光纖V型槽型槽三主要性能指標(biāo)三主要性能指標(biāo)1插入損耗插入損耗L 若輸入光纖的光功率為若輸入光纖的光功率為PT，輸出光纖的光，輸出光纖的光功率為功率為PR，插入損耗定義為：，插入損耗定義為： dB RTPPLlg102.回波（反射）損耗回波（反射）損耗RLRTTRPPPPRLlg10dBPTPRPTPR其中其中PT是反向輸入光功率

11、，是反向輸入光功率， PR是反向輸出光功率是反向輸出光功率引起光纖連接損耗的原因引起光纖連接損耗的原因 :兩光纖端面之間兩光纖端面之間有間隙有間隙D；兩光纖軸有橫向兩光纖軸有橫向位移位移d；兩光纖軸傾斜成兩光纖軸傾斜成角度角度；光纖端面不平整。光纖端面不平整。2 功能性器件功能性器件光衰減器光衰減器功能：只衰減光的能量，不改變其他性能。功能：只衰減光的能量，不改變其他性能。用途：光通信系統(tǒng)和測試系統(tǒng)指標(biāo)用途：光通信系統(tǒng)和測試系統(tǒng)指標(biāo)（1）小可變衰減器）小可變衰減器（2）吸收膜可變衰減器）吸收膜可變衰減器步進(jìn)可變衰減器步進(jìn)可變衰減器連續(xù)可變衰減器連續(xù)可變衰減器固定衰減器固定衰減器（1）小可變衰減

12、器原理）小可變衰減器原理通過法蘭盤旋轉(zhuǎn)使兩根光纖端面之間的距通過法蘭盤旋轉(zhuǎn)使兩根光纖端面之間的距離發(fā)生變化，利用空氣對光的衰耗進(jìn)行小離發(fā)生變化，利用空氣對光的衰耗進(jìn)行小范圍的光強(qiáng)調(diào)整。范圍的光強(qiáng)調(diào)整。（2）吸收膜可變衰減器原理）吸收膜可變衰減器原理在玻璃板上鍍上一層在玻璃板上鍍上一層Ni ( 鎳鎳) 和和Cr(珞珞)化合化合物等元素構(gòu)成的金屬蒸發(fā)膜，當(dāng)光通過時，物等元素構(gòu)成的金屬蒸發(fā)膜，當(dāng)光通過時，能吸收部分或全部光能。能吸收部分或全部光能。旋轉(zhuǎn)軸光路光路旋轉(zhuǎn)軸n為了減小反射光，衰減片與光軸可以傾為了減小反射光，衰減片與光軸可以傾斜放置。斜放置。n光衰減器的主要技術(shù)要求是：光衰減器的主要技術(shù)要

13、求是： 高的衰減精度高的衰減精度 好的衰減重復(fù)性好的衰減重復(fù)性 低的原始插損低的原始插損衰減器光纖自聚 焦透 鏡一光纖定向耦合器一光纖定向耦合器 簡稱光纖耦合器簡稱光纖耦合器光纖光耦合器的功能：光纖光耦合器的功能： 把一個輸入的光信號功率分配給多個輸把一個輸入的光信號功率分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號功率組合成出，或把多個輸入的光信號功率組合成一個輸出。這種光耦合器與波長無關(guān)。一個輸出。這種光耦合器與波長無關(guān)。用途：光通信網(wǎng)絡(luò)，光通信監(jiān)測系統(tǒng)用途：光通信網(wǎng)絡(luò)，光通信監(jiān)測系統(tǒng)Wavelength-Independent coupler (WIC) types:couple light fr

14、om each fiber to all the fibers at the other side50% / 50% (3 dB) most common 4 port type1%, 5% or 10% taps (often 3 port devices)1.X形定向形定向耦合器（耦合器（22）理想情況下，當(dāng)在端口理想情況下，當(dāng)在端口1輸入光功率時，輸入光功率時，在在3和和4端口按一定比例輸出，而不返回端口按一定比例輸出，而不返回端口端口2，故稱定向耦合器。，故稱定向耦合器。1243耦合器耦合器X形耦合器形耦合器功能如下功能如下:X形耦合器的制作方法主要有兩種：形耦合器的制作方法主要有兩種

15、：q研磨拋光法研磨拋光法q熔融拉錐法熔融拉錐法輸入輸入按比例輸出按比例輸出作用作用P1,P1,P4 ,P3P4 ,P3分路分路(P2(P2很小很小) )P4 ,P3P4 ,P3P1P1耦合耦合(P2(P2很小很小) )P2P2P4 ,P3P4 ,P3分路分路(P1(P1很小很小) )1243研磨拋光法：研磨拋光法：基本原理是利用兩根單模光纖之間基本原理是利用兩根單模光纖之間光信號的耦合。光信號的耦合。先在一個石英塊上刻上適當(dāng)深度的圓弧型槽，然后先在一個石英塊上刻上適當(dāng)深度的圓弧型槽，然后把一根單模光纖放在槽內(nèi)，使光纖發(fā)生彎曲，經(jīng)過把一根單模光纖放在槽內(nèi)，使光纖發(fā)生彎曲，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难心ズ蛼伖猓瑢?/p>

16、露出石英表面的光纖的包層適當(dāng)?shù)难心ズ蛼伖猓瑢⒙冻鍪⒈砻娴墓饫w的包層去除一部分，只剩下去除一部分，只剩下1m1m左右。另一根光纖用同樣左右。另一根光纖用同樣方法的處理。將這兩根經(jīng)過研磨和拋光的兩根光纖方法的處理。將這兩根經(jīng)過研磨和拋光的兩根光纖緊靠在一起，中間涂一層折射率匹配液，這樣在兩緊靠在一起，中間涂一層折射率匹配液，這樣在兩光纖相互接觸的面上只留下很薄的一層包層，并通光纖相互接觸的面上只留下很薄的一層包層，并通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩根光纖的相對位置以得到需要的功過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩根光纖的相對位置以得到需要的功率耦合，這樣就制成了一個光纖耦合器。率耦合，這樣就制成了一個光纖耦合器。 研磨拋光法研磨拋光

17、法熔融拉錐法：熔融拉錐法：將兩根（或兩根以上）除去涂覆層將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 輸入臂輸入臂背向散射臂背向散射臂3耦合臂耦合臂4直通臂直通臂熔融拉錐法熔融拉錐法下圖可用來定性地表示熔融拉錐型光纖耦合器的下圖可用來定性地表示熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理。入射光功率在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)工作原理。入射光功率在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生功率再分配，一部分光功率從生功率再分配，一部分光功率從“直通臂

18、直通臂”繼續(xù)繼續(xù)傳輸，另一部分則由傳輸，另一部分則由“耦合臂耦合臂”傳到另一光路。傳到另一光路。 熔融拉錐型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖I4I3當(dāng)傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時，隨著纖芯當(dāng)傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時，隨著纖芯a a的不斷變細(xì)，的不斷變細(xì)，光纖的歸一化截止頻率光纖的歸一化截止頻率V V值逐漸減小，有越來越多值逐漸減小，有越來越多的光功率滲入光纖包層中，轉(zhuǎn)換成在由包層作為芯，的光功率滲入光纖包層中，轉(zhuǎn)換成在由包層作為芯，纖外介質(zhì)（一般是空氣）作為新包層的復(fù)合波導(dǎo)中纖外介質(zhì)（一般是空氣）作為新包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸；在輸出端，隨著纖芯的逐漸變粗，傳輸；在輸出端，隨著纖芯的逐漸變粗，V V值重新值重新增大，光功率

19、被兩根纖芯以特定的比例增大，光功率被兩根纖芯以特定的比例“捕獲捕獲”。迅衰場耦合示意圖迅衰場耦合示意圖在熔錐區(qū)，兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，在熔錐區(qū)，兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合。將一根光纖看做是另一光纖的擾動，形成弱耦合。將一根光纖看做是另一光纖的擾動，通過很薄的包層，實現(xiàn)兩根單模光纖之間的光耦合。通過很薄的包層，實現(xiàn)兩根單模光纖之間的光耦合。對于單獨(dú)的單模光纖，可以從波動方程式和邊界條對于單獨(dú)的單模光纖，可以從波動方程式和邊界條件比較精確地求出光纖中的傳輸模式及其場型。但件比較精確地求出光纖中的傳輸模式及其場型。但在光纖耦合器中，在光纖耦合器中，由于另一根光纖的存

20、在，使光纖由于另一根光纖的存在，使光纖中場分布發(fā)生畸變，在這種情況下，精確求解場分中場分布發(fā)生畸變，在這種情況下，精確求解場分布是很困難的。因此，可以用微擾法近似地進(jìn)行分布是很困難的。因此，可以用微擾法近似地進(jìn)行分析，析，即假設(shè)在耦合器中，每一光纖的場分布不受另即假設(shè)在耦合器中，每一光纖的場分布不受另一光纖的擾動，耦合器系統(tǒng)總的場分布可以用每一一光纖的擾動，耦合器系統(tǒng)總的場分布可以用每一根光纖原來的場分布的線性疊加來表示，即光纖耦根光纖原來的場分布的線性疊加來表示，即光纖耦合器中兩波導(dǎo)的耦合性質(zhì)就可通過線性耦合方程來合器中兩波導(dǎo)的耦合性質(zhì)就可通過線性耦合方程來表示。表示。 這樣，參數(shù)相同的兩根

21、平行光纖沿互作用區(qū)域光這樣，參數(shù)相同的兩根平行光纖沿互作用區(qū)域光功率的分布為：功率的分布為：)(sin)()(cos)(202201CzPzPCzPzP式中，式中，P P0 0z=0z=0處注入光纖處注入光纖1 1中的光功率，初中的光功率，初始條件為始條件為P P1 1(0)(0)1,P1,P2 2(0)(0)0 0；P P1 1(z)(z)、P P2 2(z) (z) 沿互作用區(qū)沿互作用區(qū)z z處光纖處光纖1 1和光纖和光纖2 2中的光功率；中的光功率；z z兩根光纖的互作用區(qū)的距離；兩根光纖的互作用區(qū)的距離；C C兩根光纖兩根光纖HEHE1111模的耦合系數(shù)。模的耦合系數(shù)。 2.星形星形耦

22、合器耦合器（nm )星形耦合器如圖星形耦合器如圖3-7所示。所示。 功能：把功能：把n根光纖輸入的光功率組合在一起，根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給均勻地分配給m根光纖輸出根光纖輸出,n和和m不一定相不一定相等。等。特點(diǎn)：該耦合器通常用作多端功率分配器。特點(diǎn)：該耦合器通常用作多端功率分配器。這種光耦合器與波長無關(guān)這種光耦合器與波長無關(guān)。 星形星形耦合耦合器器nm用用22耦合器拼接星型、樹型耦合器耦合器拼接星型、樹型耦合器星形耦合器應(yīng)用星形耦合器應(yīng)用 光耦合器的性能指標(biāo)光耦合器的性能指標(biāo) 以以X型光耦合器為例，其性能指標(biāo)如下型光耦合器為例，其性能指標(biāo)如下: 1. 插入損耗插入損耗L：

23、L=10LgP1/（P4+P3） dB 2. 耦合率耦合率C： C= P3/ P1 3. 分光比分光比R： R=P4/ P3 4. 隔離度隔離度I： I=10lg（P4+P3）/P2 dB 二.Wavelength-Dependent CouplersnWavelength-division multiplexers (WDM) types:n3 port devices (4th port terminated)n1310 / 1550 nm (“classic” WDM technology)n1480 / 1550 nm and 980 / 1550 nm for pumping opt

24、ical amplifiers (see later)n1550 / 1625 nm for network monitoringnInsertion and rejection:nLow loss ( 1 dB) for path wavelengthnHigh loss (20 to 50 dB) for other wavelengthCommonl l1l l2詳見第七章詳見第七章3 光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器一一.光隔離器光隔離器功能：只允許光波往一個方向上傳輸，阻功能：只允許光波往一個方向上傳輸，阻礙光波往其他方向特別是往反方向傳輸。礙光波往其他方向特別是往反方向傳輸。指

25、標(biāo)要求指標(biāo)要求:是正向入射光的插入損耗約是正向入射光的插入損耗約1dB，對反向光的隔離度大致為，對反向光的隔離度大致為4050dB。 用途：光通信系統(tǒng)用途：光通信系統(tǒng)IsolatorsnMain application:nTo protect lasers and optical amplifiers from light coming back (which otherwise can cause instabilities)nInsertion loss:nLow loss (0.2 to 2 dB) in forward directionnHigh loss in reverse di

26、rection:20 to 40 dB single stage, 40 to 80 dB dual stage)nReturn loss:nMore than 60 dB without connectors隔離器工作原理隔離器工作原理 偏振器的作用：選擇一定偏振方向的光偏振器的作用：選擇一定偏振方向的光偏振器的特點(diǎn)是它有一透光軸，對理想偏振器的特點(diǎn)是它有一透光軸，對理想的偏振器，沿透光軸方向的偏振光能完的偏振器，沿透光軸方向的偏振光能完全通過，而與之垂直的偏振光則完全被全通過，而與之垂直的偏振光則完全被阻止。阻止。旋轉(zhuǎn)器作用：改變偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)器作用：改變偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)器常采用

27、釔鐵石榴石（旋轉(zhuǎn)器常采用釔鐵石榴石（YIG）晶片）晶片（或小球）外加磁場做成。（或小球）外加磁場做成。2.光隔離器的特性光隔離器的特性 如圖所示，光隔離器的性能參數(shù)定義如下：如圖所示，光隔離器的性能參數(shù)定義如下：正向插入損耗：正向插入損耗：L=10lgPi1/ P01 dB 反向損耗：反向損耗： L*=10lgPi2/ P02 dB隔離度隔離度I= L*-L=反向損耗反向損耗-正向損耗正向損耗反向輸入反向輸入Pi2反向輸出反向輸出P02正向輸入正向輸入Pi1正向輸出正向輸出P01光隔離器光隔離器二光環(huán)行器二光環(huán)行器 環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與光隔環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與光

28、隔離器類似。離器類似。 光纖環(huán)形器的應(yīng)用：光纖環(huán)形器的應(yīng)用：主要用于光分插復(fù)用器中主要用于光分插復(fù)用器中光發(fā)光發(fā)射機(jī)射機(jī)1光接光接收機(jī)收機(jī)1光環(huán)形器光環(huán)形器光接光接收機(jī)收機(jī)2光發(fā)光發(fā)射機(jī)射機(jī)2雙向傳輸系統(tǒng)中雙向傳輸系統(tǒng)中4 光開關(guān)光開關(guān) q 光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實現(xiàn)光空光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實現(xiàn)光空間交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。間交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。q光開關(guān)在光通信中的作用有兩類：光開關(guān)在光通信中的作用有兩類：1.將某一光纖通道的光信號切斷或開通；將某一光纖通道的光信號切斷或開通；2.將某波長光信號由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另將某波長光信號由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；一光纖通道去；

29、光開關(guān)的特性參數(shù)主要有光開關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損插入損耗、回波損耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長、消光比、開耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長、消光比、開關(guān)時間關(guān)時間等。等。光開關(guān)可分為兩大類：光開關(guān)可分為兩大類：機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)：利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動：利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動光纖，棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)光纖，棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。換。非機(jī)械光開關(guān)非機(jī)械光開關(guān)：電光開關(guān)、磁光開關(guān)、集：電光開關(guān)、磁光開關(guān)、集成光路光開關(guān)。成光路光開關(guān)。 一一.機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān) 圖圖3-16 移動光纖式光開關(guān)移動光纖式光開關(guān) 移動反射鏡式光開關(guān)移動反射鏡式光開關(guān) 靠微型電磁鐵或壓

30、靠微型電磁鐵或壓電器件驅(qū)動光纖或電器件驅(qū)動光纖或反射光的光學(xué)元件反射光的光學(xué)元件發(fā)生機(jī)械移動，使發(fā)生機(jī)械移動，使光信號改變光纖通光信號改變光纖通道的光開關(guān)。道的光開關(guān)。 近年來正大力發(fā)展一種集成化的近年來正大力發(fā)展一種集成化的微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開）開關(guān)關(guān)，在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動的微型鏡片構(gòu)成，在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列，通過靜電力使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動。下圖是一個的開關(guān)陣列，通過靜電力使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動。下圖是一個MEMS實例，它采用實例，它采用16個可以轉(zhuǎn)動的微型反射鏡，實現(xiàn)兩個可以轉(zhuǎn)動的微型反射鏡，實現(xiàn)兩組光纖束間的組光纖束間的44光互連。光

31、互連。 nMEMS(Micro Electromechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。n在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（Scaling Effects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎(chǔ)都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等，因此有必要對微動力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行深入的研究。nMEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件

32、和系統(tǒng)。二二. 非機(jī)械光開關(guān)非機(jī)械光開關(guān) 1. 電光開關(guān)的原理一般是利用鐵電體、化合物半電光開關(guān)的原理一般是利用鐵電體、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物等材料的電光效應(yīng)（導(dǎo)體、有機(jī)聚合物等材料的電光效應(yīng)（Pockels效效應(yīng)）或電吸收效應(yīng)（應(yīng)）或電吸收效應(yīng)（Franz-Keldysh效應(yīng)）以及硅效應(yīng)）以及硅材料的等離子體色散效應(yīng)，材料的等離子體色散效應(yīng)，在電場的作用下改變在電場的作用下改變材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變偏振等方法使光強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變。 電光開關(guān)：通過對電介質(zhì)施加電場使其折電光開關(guān)：通過對電介質(zhì)施加電場使

33、其折射率分布發(fā)生改變，從而導(dǎo)致偏振光反射射率分布發(fā)生改變，從而導(dǎo)致偏振光反射特性改變，實現(xiàn)光開關(guān)，速率可達(dá)特性改變，實現(xiàn)光開關(guān)，速率可達(dá) s級。級。磁光開關(guān)：利用某些旋磁材料在外加磁場磁光開關(guān)：利用某些旋磁材料在外加磁場作用下產(chǎn)生旋光性，使材料的光偏振面發(fā)作用下產(chǎn)生旋光性，使材料的光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)光開關(guān)。生旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)光開關(guān)。集成光路光開關(guān)：利用集成光學(xué)集成光路光開關(guān)：利用集成光學(xué)Mach-Zehnder干涉儀的熱光效應(yīng)和電光效應(yīng)實現(xiàn)，干涉儀的熱光效應(yīng)和電光效應(yīng)實現(xiàn)，是未來光纖通信最有希望的光開關(guān)。是未來光纖通信最有希望的光開關(guān)。2.2.偏振強(qiáng)度調(diào)制型光開關(guān)偏振強(qiáng)度調(diào)制型光開關(guān) 3.熱光開關(guān)熱

34、光開關(guān)圖圖3-18 M-Z干涉干涉型熱光開關(guān)型熱光開關(guān) 數(shù)字熱光開關(guān)數(shù)字熱光開關(guān)（a）X型（開關(guān)）型（開關(guān)） (b)Y型（開關(guān)）型（開關(guān)）q固體光開關(guān)固體光開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快，易于集成優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快，易于集成缺點(diǎn)：插入損耗大，串音大。缺點(diǎn)：插入損耗大，串音大。q機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：插入損耗小，串音小。優(yōu)點(diǎn)：插入損耗小，串音小。缺點(diǎn)：開關(guān)速度慢。缺點(diǎn)：開關(guān)速度慢。光交換方式：光交換方式：1.空分光交換空分光交換 是在空間域上將光信號進(jìn)行是在空間域上將光信號進(jìn)行交換。主要的功能元件是交換。主要的功能元件是空間光開關(guān)空間光開關(guān)。2.時分光交換時分光交換 在時間軸上將復(fù)用的光信號在時間軸上將

35、復(fù)用的光信號的時間位置從的時間位置從t1轉(zhuǎn)換成另一時間位置轉(zhuǎn)換成另一時間位置t2 。主要的功能元件是主要的功能元件是光纖延遲線光纖延遲線。3.波分光交換波分光交換 將波分復(fù)用信號中任一波長將波分復(fù)用信號中任一波長l l1變換成另一波長變換成另一波長l l2 。主要的功能元件是。主要的功能元件是波長轉(zhuǎn)換器波長轉(zhuǎn)換器。1.空分光交換空分光交換22光開關(guān)光開關(guān)4個個12光開關(guān)構(gòu)成光開關(guān)構(gòu)成基本的光纖型光開關(guān)的入端和出端各基本的光纖型光開關(guān)的入端和出端各有兩條光纖，可以完成有兩條光纖，可以完成平行和交叉平行和交叉兩兩種連接狀態(tài)。種連接狀態(tài)。有波導(dǎo)型，門型，機(jī)械型，熱光開關(guān)有波導(dǎo)型，門型，機(jī)械型，熱光開

36、關(guān)等實現(xiàn)方案。等實現(xiàn)方案。LiNbO3的方向耦合器構(gòu)成的方向耦合器構(gòu)成12光開關(guān)光開關(guān)2.時分光交換時分光交換目前的光時隙交換器都是由空間光開關(guān)和一組目前的光時隙交換器都是由空間光開關(guān)和一組光纖延遲線構(gòu)成。光纖延遲線構(gòu)成。光纖延遲線以光信號在其中傳輸一個時隙時間光纖延遲線以光信號在其中傳輸一個時隙時間經(jīng)歷的長度為單位，光信號需要延時幾個時隙，經(jīng)歷的長度為單位，光信號需要延時幾個時隙，就讓它經(jīng)過幾個單位長度的光纖延遲線。就讓它經(jīng)過幾個單位長度的光纖延遲線。123T光光開開關(guān)關(guān)光光開開關(guān)關(guān)t1,t2tTt1,t2tT3.波分光交換波分光交換波波分分復(fù)復(fù)用用器器l l1, l l2l lnl lml

37、 lz波波分分復(fù)復(fù)用用器器OTUOTUOTUl l2l l1l lnl lml lz4.復(fù)合光交換復(fù)合光交換5 偏振控制器偏振控制器 偏振控制器控制光的偏振態(tài)，可將任意偏振態(tài)偏振控制器控制光的偏振態(tài)，可將任意偏振態(tài)的輸入偏振光，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龆酥付ǖ钠駹畹妮斎肫窆?，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龆酥付ǖ钠駹顟B(tài)。偏振控制器有廣泛的應(yīng)用。態(tài)。偏振控制器有廣泛的應(yīng)用。 主要類型有：主要類型有：q光纖型偏振控制器光纖型偏振控制器q波片型偏振控制器波片型偏振控制器光纖型偏振態(tài)光纖型偏振態(tài)控制器實物圖控制器實物圖圖圖3-19光纖型偏光纖型偏振控制器裝置圖振控制器裝置圖 波片型偏振控制器波片型偏振控制器圖圖3-20 偏振控制器原理圖偏振控制器原理圖 偏振控制器由兩個相位波片偏振控制器由兩個相位波片PP1和和PP2構(gòu)成。構(gòu)成。 PPl是是4光延遲器（或稱波光延遲器（或稱波片），片），PP2是是2波片。波片。 通過改變延遲量或主軸的方向通過改變延遲量或主軸的方向來實現(xiàn)偏振控制，有時配以光來實現(xiàn)偏振控制，有時配以光旋轉(zhuǎn)器。旋轉(zhuǎn)器。工作原理工作原理 一般輸入為任意的橢圓偏振光