光網(wǎng)絡(luò)器件精品課件

1、光網(wǎng)絡(luò)器件第1頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一類型：無(wú)源、有源無(wú)源主要包括：光連接器、光衰減器、光耦合器、光復(fù)用器、光隔離器、環(huán)行器、光濾波器、光解復(fù)用器、光調(diào)制器、光開光等有源主要包括：激光器、光檢測(cè)器、光放大器等分類：常用器件：光連接器、光衰減器、光耦合器、光隔離器、環(huán)行器、激光器、光調(diào)制器、光檢測(cè)器波分復(fù)用器件：光濾波器、光復(fù)用器、光解復(fù)用器、光放大器光網(wǎng)絡(luò)用器件：光開光發(fā)展趨勢(shì)：集成化、全光纖化第2頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.1 光 纖 連 接 器10.2 光纖耦合器10.3 光 開 關(guān)10.4 光纖激光器第3頁(yè)，共128頁(yè)

2、，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.1 光 纖 連 接 器10.1.1 光纖連接器的結(jié)構(gòu)與種類 光纖(纜)活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖(纜)之間活動(dòng)連接的光無(wú)源器件，它還具有將光纖(纜)與其他無(wú)源器件、光纖(纜)與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。第4頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 光纖連接器由三個(gè)部分組成的：兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管。兩個(gè)插頭裝進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。如圖10.1所示。圖10.1 光纖活動(dòng)連接器基本結(jié)構(gòu)第5頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一1. 光纖連接器的結(jié)構(gòu)光纖連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩

3、根光纖的纖芯對(duì)準(zhǔn)，保證90%以上的光能夠通過(guò)，目前有代表性并且正在使用的光纖連接器主要有五種結(jié)構(gòu)。第6頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一(1) 套管結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu)的連接器由插針和套筒組成。(2) 雙錐結(jié)構(gòu)雙錐結(jié)構(gòu)連接器是利用錐面定位。(3) V形槽結(jié)構(gòu)V形槽結(jié)構(gòu)的光纖連接器是將兩個(gè)插針放入V形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對(duì)準(zhǔn)原理使纖芯對(duì)準(zhǔn)。第7頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一圖10.2 V形槽結(jié)構(gòu)第8頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一(4) 球面定心結(jié)構(gòu)球面定心結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是

4、裝有圓錐面(相當(dāng)于車燈的反光鏡)的插針。(5) 透鏡耦合結(jié)構(gòu)透鏡耦合又稱遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖10.3、圖10.4所示。第9頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一圖10.3 球透鏡耦合結(jié)構(gòu)圖10.4 自聚焦透鏡耦合第10頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一連接器的類型按接頭外形分類FCSCLCNTT公司開發(fā)。其外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣 日本NTT公司開發(fā)的光纖連接器。其外殼呈矩形，緊固方式是采用插拔銷閂式，不需旋轉(zhuǎn)，具有安裝密度高的特點(diǎn)。ST由Bell lab開發(fā)出來(lái)。采用操作方便的模塊化插孔閂

5、鎖機(jī)理制成。其所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25mm，提高了光配線架中連接器的密度。目前，在單模光纖方面，LC類型的連接器實(shí)際已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。 由ATT開發(fā)出來(lái)，是雙錐型連接器。 ST光纖連接器有一個(gè)直通和卡口式鎖定機(jī)構(gòu)。第11頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.1.2 光纖連接器特性評(píng)價(jià)一個(gè)連接器的主要指標(biāo)有4個(gè)，即插入損耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性。1. 插入損耗 插入損耗是指光纖中的光信號(hào)通過(guò)活動(dòng)連接器之后，其輸出光功率相對(duì)輸入光功率的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ac-10lgP1/P0(dB) 式中：Ac為連接器插入損耗；P

6、0為輸入端的光功率；P1為輸出端的光功率。第12頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一2. 回波損耗 回波損耗又稱為后向反射損耗。它是指光纖連接處，后向反射光對(duì)輸入光的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ar-10lgPR/P0 (dB) 式中：Ar表示回波損耗；P0表示輸入光功率；PR表示后向反射光功率。第13頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一3. 重復(fù)性和互換性 重復(fù)性是指光纖(纜)活動(dòng)連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指連接器各部件互換時(shí)插入損耗的變化，也用dB表示。第14頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.2

7、 光纖耦合器光耦合器是將光信號(hào)進(jìn)行分路或合路、插入、分配的一種器件。NN1NP1/NP1/NP1/N耦合器的每個(gè)輸入端的光功率被分配到所有輸出端口第15頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.2.1 光纖耦合器的分類和應(yīng)用 制作光耦合器可以有多種方法，大致可分為光纖型、微器件型、波導(dǎo)型等。光纖耦合器波導(dǎo)耦合器襯底SiO2第16頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一耦合器的應(yīng)用PASSIVESPLITTER主要用途：功率分配第17頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一密集波分復(fù)用（DWDM）光纖通信：損耗低、 距離遠(yuǎn)、容量大1310

8、RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXDWDM：光傳輸?shù)膭潟r(shí)代的革命1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1

9、310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX增加容量：時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXDWDMDWDM120 km120 km120 km第18頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器 1、光纖型第19頁(yè)，共128頁(yè)

10、，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一1，221直通臂耦合臂1 2P 0 P1 P2熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性1 21212121 21 21 21 2公共臂22 的光纖耦合器第20頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一熔融拉錐法的原理：熔融拉錐法就是將兩根(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，同時(shí)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)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。第21頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一耦合光功率耦合光功率P2跟以下參數(shù)有關(guān)：拉伸區(qū)長(zhǎng)度2L+W拉伸區(qū)內(nèi)逐漸變小的光纖半徑r耦合區(qū)中

11、兩根光纖的半徑差Dr總拉伸長(zhǎng)度光約束在纖芯中傳播光纖半徑減小V明顯減小部分光在纖芯外傳播發(fā)生耦合P3P1P2P0光輸入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰寬度決定拉伸時(shí)決定第22頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一22光纖耦合器內(nèi)的光功率分布假設(shè)耦合器無(wú)損耗兩根光纖交替成為驅(qū)動(dòng)光纖k 是耦合系數(shù)50 : 50被驅(qū)動(dòng)光纖與驅(qū)動(dòng)光纖相位相差90 度第23頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一例 22雙錐形光纖耦合器的輸入光功率為P0 = 200 mW，另外三個(gè)端口的輸出功率分別為P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，P3= 6.3 nW，可以求得為

12、：第24頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光纖耦合器的散射矩陣表示法假設(shè)器件無(wú)損耗其中S為散射矩陣， sij = |sij|exp(jfij)為耦合系數(shù)e 為光功率從端口1到端口2的耦合比例第25頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一例 設(shè)e = 0.5，那么輸出場(chǎng)Eout,1和Eout,2可以從輸入場(chǎng)Ein,1和Ein,2得到，此時(shí)的散射矩陣可以寫成令Ein,2 = 0，則有那么可以得到兩個(gè)端口的輸出功率為和第26頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一NN 星型耦合器多根光纖一起熔融技術(shù)難度大，主要是眾多光纖之間的耦合響應(yīng)控制比

13、較困難，因此難以制作大規(guī)模的光耦合器第27頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一級(jí)聯(lián)的辦法構(gòu)造大規(guī)模光耦合器由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器第28頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一構(gòu)成一個(gè)NN耦合器所需3 dB耦合器的數(shù)量：一個(gè)NN星形耦合器附加損耗：級(jí)聯(lián)光耦合器的損耗其中FT (01) 為通過(guò)每個(gè)3 dB耦合器的輸出功率與輸入功率比第29頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 圖 10.9微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復(fù)用器； (d) 光柵式解復(fù)用器2、微器件型 用自聚焦透鏡和分

14、光片(光部分透射， 部分反射)、濾光片(一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射)或光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件構(gòu)成，如圖所示。 第30頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光 纖透 鏡光 柵1231231+ 2+ 31+ 2+ 31+ 2+ 3123第31頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一采用棒透鏡的光柵型WDM光 纖棒 透 鏡光 柵1+ 2+ 3 1 2 31+ 2+ 3 1 2 3第32頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光柵 光柵是材料中的一個(gè)周期性結(jié)構(gòu)或周期性擾動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)使

15、光柵具有特殊性質(zhì)：與波長(zhǎng)相關(guān)的反射特性。這種特性可以使用光柵方程描述：不同波長(zhǎng)的光具有不同的衍射角，因此它們?cè)诳臻g上被分開。第33頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一(1) 干涉法干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場(chǎng)，調(diào)節(jié)兩干涉臂長(zhǎng)，使得形成的干涉條紋周期滿足制作光纖光柵的要求。 (2) 相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用預(yù)先制作的膜板，當(dāng)紫外光通過(guò)相位板時(shí)產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場(chǎng)，將光柵寫入光纖。光纖光柵的產(chǎn)生第34頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一外部寫入法紫外掩模寫入法：1. 用兩束紫外光照

16、射光纖并發(fā)生干涉2. 摻鍺的高光敏纖芯在光強(qiáng)部分折射率增加3. 光柵永久寫入光纖第35頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光纖光柵應(yīng)用波長(zhǎng)濾波器l1 l2 lnl2 lnl1l1l1l1l1l1l1第36頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光纖光柵的應(yīng)用光濾波器光分插復(fù)用器色散補(bǔ)償器傳感器：對(duì)溫度敏感，隨溫度變化中心波長(zhǎng)發(fā)生改變 溫度6度的變化導(dǎo)致0.6 nm的中心波長(zhǎng)的漂移窄帶濾波器Dt第37頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 圖10.10 波導(dǎo)型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解復(fù)用器；3、波

17、導(dǎo)型 在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來(lái)選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。第38頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一Mach-Zehnder Interferometer (MZI) 解/復(fù)用器l1l2l1l2l1l2l1l2第39頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一22 MZI解復(fù)用工作原理從端口1輸出的光：途徑下臂的光相對(duì)上臂的相位差為p/2 + bDL + p/2從端口2輸出的光：途徑下臂的光相對(duì)上臂的相位差為p/2 + bDL - p/2如果在輸入端的波長(zhǎng)滿足bDL = kp

18、 (k為奇)兩個(gè)支路的光在上輸出端口相差2p的整數(shù)倍，在下端口的光相差p的整數(shù)倍，因此，光最終從上端口輸出如果在輸入端的波長(zhǎng)滿足bDL = kp (k為耦)那么光信號(hào)由下輸出端口輸出因此不同的波長(zhǎng)可以解復(fù)用到不同輸出端b：傳播常數(shù)第40頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一22 MZI復(fù)用器選擇合適的波長(zhǎng)，或者說(shuō)當(dāng)DL滿足關(guān)系：時(shí)，l1和l2可以被復(fù)用在一起。第41頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一多端口的MZI復(fù)用器第42頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一圖10.15 波導(dǎo)陣列光柵陣列波導(dǎo)光柵第43頁(yè)，共128頁(yè)，2022年

19、，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一基于相位陣列的WDM器件相鄰波導(dǎo)長(zhǎng)度差DLNMMN陣列波導(dǎo)光柵AWG是MZI的擴(kuò)展NN第44頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一AWG應(yīng)用1. 復(fù)用解復(fù)用器2. 波長(zhǎng)路由選擇開關(guān)配合波長(zhǎng)變換器可成為動(dòng)態(tài)的波長(zhǎng)路由選擇器第45頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.2.2 光纖耦合器的特性1. 插入損耗插入損耗(Insertin Loss，IL)定義為指定輸出端口的光功率相對(duì)全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 其中：ILi是第i個(gè)輸出端口的插入損耗；Pouti是第i個(gè)輸出端口測(cè)到的光功率值

20、；Pin是輸入端的光功率值。第46頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一2. 附加損耗附加損耗(Excess Loss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中：Pouti為第i個(gè)輸出口的輸出功率；Pin為輸入光功率。第47頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一3. 分光比分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對(duì)輸出總功率的百分比，在具體應(yīng)用中常用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為 例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，11或5050代表了同樣的分光

21、比，即輸出為均分的器件。第48頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一4. 方向性（串?dāng)_）方向性也是光耦合器所特有的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它是衡量器件定向傳輸性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時(shí)，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光功率的比值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：第49頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一式中：Pin1代表總注入光功率；Pin2代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。第50頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一5. 均勻性均勻性就是衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工

22、作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中：MIN(Pout)為最小輸出光功率；MAX(Pout)為最大輸出光功率。第51頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一6. 偏振相關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能對(duì)于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量：第52頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果往往要求器件有足夠小的偏

23、振相關(guān)損耗。第53頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一7. 隔離度隔離度是指某一光路對(duì)其他光路中的信號(hào)的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話”小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中：Pt是某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值；Pin是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。第54頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.3 光 開 關(guān)第55頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 隨著Internet的迅速普及和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)體系的發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，而實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)必須依賴于超高速率、超大容量信息比特的載入與傳送、用戶信息上下話路與分插復(fù)

24、用、網(wǎng)絡(luò)間信息的快速交換與共享和高效率經(jīng)濟(jì)的路由選擇，這一切都離不開光開關(guān)或光開關(guān)矩陣。 就目前而言，光開關(guān)主要應(yīng)用是光交換系統(tǒng)和主備倒換系統(tǒng)，即利用光開關(guān)實(shí)現(xiàn)全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)等功能。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的日益成熟和完善，100信道以上的光通信系統(tǒng)還需要光分插復(fù)用（OADM）技術(shù)和快速的網(wǎng)間信息交換技術(shù)以及光的交叉連接（OXC）技術(shù)，這些都離不開超高速大規(guī)模集成的光開關(guān)矩陣。第56頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.3.1 光開關(guān)的應(yīng)用范圍光開關(guān)（Optical Switching:OS） 是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸窗口，可對(duì)光傳輸線

25、路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。 第57頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光開關(guān)基本的形式 光開關(guān)基本的形式是22: 即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)： 平行連接和交叉連接 a)平行狀態(tài) b)交叉狀態(tài) 大型的空分光交換單元可以由基本的22光開關(guān)以及相應(yīng)的12光開關(guān)級(jí)聯(lián)、組合構(gòu)成。 第58頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光開關(guān)和光開關(guān)矩陣在全光網(wǎng)絡(luò)中起著重要作用 在WDM傳輸系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于波長(zhǎng)適配、再生和時(shí)鐘提??； 在光時(shí)分復(fù)用（TDM）系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于解復(fù)用； 在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是OXC的關(guān)鍵器

26、件，也是波長(zhǎng)變換的重要器件。 根據(jù)光開關(guān)的輸入和輸出端口數(shù)，可分為11、12，1N、22、2N、MN等多種，它們?cè)诓煌瑘?chǎng)合中有不同用途。第59頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光開關(guān)應(yīng)用范圍主要有： (1)光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換系統(tǒng) (2)光纖測(cè)試中的光源控制 (3)網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng) (4)光器件的測(cè)試 (5)構(gòu)建OXC設(shè)備的交換核心 (6)光分插復(fù)用 (7)光傳感系統(tǒng) (8)光學(xué)測(cè)試 第60頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光開關(guān)的分類和主要性能參數(shù)按其工作原理: 機(jī)械式和非機(jī)械式兩大類; 按光開關(guān)利用光自由度的方式: 空分型、波分型、時(shí)分型、

27、自由空間型;依據(jù)光開關(guān)的交換介質(zhì): 自由空間交換光開關(guān)、波導(dǎo)光開關(guān)、全光開關(guān)和其它類型的開關(guān)。 第61頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一光開關(guān)主要性能參數(shù)1. 交換矩陣的大小 光開關(guān)交換矩陣的大小反映了光開關(guān)的交換能力。光開關(guān)處于網(wǎng)絡(luò)不同位置，對(duì)交換矩陣大小的要求也不同。在高速、大容量DWDM光傳送網(wǎng)中，隨著通信業(yè)務(wù)的急劇增長(zhǎng)，光域內(nèi)需要交換的波長(zhǎng)數(shù)量大大增加。為適應(yīng)將來(lái)電信業(yè)務(wù)的發(fā)展，需要提高光開關(guān)的交換能力，如在骨干網(wǎng)上要有超過(guò)1000 1000的交換容量。 第62頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一2. 交換速度 交換速度是衡量光開關(guān)性能的重

28、要指標(biāo)。交換速度上有兩個(gè)重要的量級(jí)，當(dāng)從一個(gè)端口到另一個(gè)端口的交換時(shí)間達(dá)到幾個(gè)ms時(shí)，對(duì)業(yè)務(wù)故障的重新路由時(shí)間已經(jīng)夠了。對(duì)SDH來(lái)說(shuō)，當(dāng)故障業(yè)務(wù)重新選路時(shí)，50ms的交換時(shí)間幾乎可以使用戶感覺不到故障。 當(dāng)交換時(shí)間到達(dá)ns量級(jí)時(shí)，可以支持光因特網(wǎng)的分組交換，這也是光路由器的目標(biāo)。但目前由于讀取光信頭和光存儲(chǔ)技術(shù)的不成熟，光路由器仍有很大困難。第63頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一3. 插入損耗 光信號(hào)通過(guò)光開關(guān)時(shí)，能量將被損耗。插入損耗 : 輸入端口到輸出端口的光功率的損耗 光開關(guān)損耗的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因：光纖和光開關(guān)端口耦合時(shí)的損耗和光開關(guān)自身材料對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗

29、。一般來(lái)說(shuō)，自由空間光開關(guān)的插入損耗低于波導(dǎo)型光開關(guān)的損耗。如液晶光開關(guān)和MEMS光開關(guān)的損耗較低，大約1 -2dB .而妮酸鋰和固體光開關(guān)的損耗較大，大約4dB左右。損耗特性影響到光開關(guān)的級(jí)聯(lián)數(shù)，限制了光開關(guān)的擴(kuò)容能力。第64頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一4. 串?dāng)_： 由于光開關(guān)性能的不完善，開關(guān)中接通的主光通道的功率會(huì)泄露到其他通道，形成串?dāng)_，影響輸出信號(hào)的質(zhì)量。串?dāng)_和開關(guān)的隔離度、消光比特性有直接的關(guān)系。5. 阻塞特性： 嚴(yán)格無(wú)阻塞特性指光開關(guān)的任一輸入端能在任意時(shí)刻接通到任意輸出端的特性。大型或級(jí)聯(lián)光開關(guān)的阻塞特性更為重要。光開關(guān)要求具有嚴(yán)格無(wú)阻塞特性。第6

30、5頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一6. 升級(jí)能力 基于不同原理和技術(shù)的光開關(guān)，其升級(jí)能力也不同。一些技術(shù)允許運(yùn)營(yíng)商根據(jù)需要隨時(shí)增加光開關(guān)的容量。很多開關(guān)結(jié)構(gòu)可容易地升級(jí)為88或3232，但卻不能升級(jí)到成百或上千的端口，因此只能用于構(gòu)建OADM或城域網(wǎng)的OXC，而不適用于骨干網(wǎng)上7. 穩(wěn)定性和可靠性 光開關(guān)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在長(zhǎng)時(shí)間使用和頻繁動(dòng)作的情況下，光開關(guān)應(yīng)有良好的連接的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性。有些情況（如用做保護(hù)倒換開關(guān)時(shí)），光開關(guān)動(dòng)作的次數(shù)可能很少，此時(shí)，維持光開關(guān)的狀態(tài)是更主要的因素。第66頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一

31、10.3.3 MEMS光開關(guān)傳統(tǒng)的機(jī)械光開關(guān) 機(jī)械光開關(guān):依靠光纖或光學(xué)元件（透鏡或反射鏡）的移動(dòng)使光路發(fā)生改變，將光直接送到或反射到輸出端。 第67頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一1. 棱鏡式光開關(guān)示意圖 第68頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一2. 反射鏡型光開關(guān)示意圖 第69頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一3. 移動(dòng)光纖型光開關(guān) 第70頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一機(jī)械式光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 是插入損耗低(45dB)與波長(zhǎng)和偏振無(wú)關(guān)，制作技術(shù)成熟。缺點(diǎn): 在于開關(guān)動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)（ms量級(jí)）

32、；體積偏大，且不易做成大型的光開關(guān)矩陣；有時(shí)還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性差的問(wèn)題。機(jī)械型光開關(guān)在最近幾年已得到廣泛應(yīng)用，但隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種開關(guān)難以適應(yīng)未來(lái)高速、大容量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。第71頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一微機(jī)電系統(tǒng) 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為DWDM網(wǎng)中大容量光交換技術(shù)的主流。 它是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝制造出可以前傾后仰、上下移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對(duì)輸入光信號(hào)可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng)。 通常微反射鏡的尺寸

33、只有140m150m，驅(qū)動(dòng)力可以利用熱力效應(yīng)、磁力效應(yīng)和靜電效應(yīng)產(chǎn)生。 這種器件的特點(diǎn)是體積小、消光比大(60dB左右)、對(duì)偏振不敏感、成本低，其開關(guān)速度適中(約5ms)，插入損耗小于1 dB。第72頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一微機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn) 具有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，卻克服了它們所固有的缺點(diǎn)； 采用了機(jī)械光開關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅基上； 基于圍繞微機(jī)械中樞轉(zhuǎn)動(dòng)的自由移動(dòng)鏡面。 主要開發(fā)商有美國(guó)Lucent、德克薩斯儀表公司和康寧等公司。第73頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS )光開關(guān)

34、 MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是指一種在半導(dǎo)體材料（如Si）上制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)的集成工藝。將MEMS技術(shù)應(yīng)用于光子交換領(lǐng)域，出現(xiàn)了新型的微機(jī)械光開關(guān)(MEOMS )。 基本原理：利用靜電效應(yīng)將外部激勵(lì)轉(zhuǎn)化為某種機(jī)械動(dòng)作，通過(guò)微傳動(dòng)裝置牽引光路中的自由鏡面，使之發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而改變光束傳播方向。 MEOMS器件將電子、機(jī)械和光路功能集合于同一芯片，既具備普通機(jī)械光開關(guān)損耗低、串?dāng)_小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點(diǎn)，又像波導(dǎo)開關(guān)一樣開關(guān)速度較快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對(duì)于未來(lái)的骨干光網(wǎng)絡(luò)或大容量業(yè)務(wù)交換的應(yīng)用場(chǎng)合，基于MEMS光開關(guān)技術(shù)的解決方案已成為主

35、流選擇。第74頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一二維微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS )光開關(guān)示意圖二維MEMS開關(guān)需要N2個(gè)微鏡來(lái)完成NN自由空間光交叉連接 第75頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一二維微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖第76頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一三維MEMS光開關(guān) 三維是通過(guò)光束偏轉(zhuǎn)改變光束方向，實(shí)現(xiàn)光交叉互連。其在N路輸入光纖和N路輸出光纖之間使用了2N個(gè)微鏡，每個(gè)微鏡有N個(gè)可能的位置，從而實(shí)現(xiàn)NN開關(guān)矩陣。第77頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一開關(guān)微鏡及其陣列的顯微照片第78頁(yè)，共128頁(yè)，2

36、022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 在2001年的OFC會(huì)議上，朗訊公司已報(bào)導(dǎo)他們研制的1296 1296端口的MEMS光交叉連接節(jié)點(diǎn)，其單纖端口傳送容量為1.6Tbit/s（單纖復(fù)用40個(gè)信道，每路信道傳送40Gbit/s信號(hào)），總吞吐容量達(dá)到2.07Pbit/s,具有嚴(yán)格無(wú)阻塞特性，插入損耗為5.1dB,串?dāng)_（最壞情況）為-38dB,這使光開關(guān)的交換總?cè)萘窟_(dá)到新的量級(jí)。 商用的44的MEMS的開關(guān)速度為10ms左右，損耗約為3dB；而1616光開關(guān)的損耗為7dB，開關(guān)時(shí)間約20ms 第79頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.3.4 聲光開關(guān)技術(shù)聲光開關(guān)是利

37、用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制作的光開關(guān)。聲光效應(yīng)是指聲波通過(guò)材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，引起材料的折射率周期性變化，形成布拉格光柵，衍射一定波長(zhǎng)的輸入光的現(xiàn)象。利用聲致光柵使光偏轉(zhuǎn)做成光開關(guān) 第80頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一聲光開關(guān)原理第81頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 在y方向，控制電信號(hào)經(jīng)換能器后產(chǎn)生一定頻率的聲表面波， 聲表面波在聲光介質(zhì)中傳播，使介質(zhì)折射率發(fā)生周期性變化，形成了一個(gè)運(yùn)動(dòng)的衍射光柵，在聲波的作用下，晶體的折射率將沿聲波的傳輸方向(y)呈周期性變化，在介質(zhì)中形成一個(gè)相位光柵。當(dāng)入射光束滿足布拉格衍射條件時(shí)，就可引起光的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角由

38、聲波的頻率和入射光波長(zhǎng)決定。 第82頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一熱光效應(yīng)開關(guān) 熱光開關(guān)和電光開關(guān)的結(jié)構(gòu)可以是相同的，但是產(chǎn)生開關(guān)效應(yīng)的機(jī)理不同。這里的熱光效應(yīng)是指通過(guò)電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。 第83頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一熱光光開關(guān)分類 目前主要有兩種類型熱光光開關(guān)：干涉式光開關(guān)(Interferometric Switches)數(shù)字光開關(guān)(DOS: Digital Optical Switches ) 也叫分支器型熱光開關(guān)第84頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，

39、18點(diǎn)2分，星期一 干涉式光開關(guān)主要利用馬赫增德爾（M-Z：Mach-Zehnder）干涉原理制造，主導(dǎo)思想是利用光相位特性，光的相位與光的傳輸距離有關(guān)，輸入光被分成兩路，在兩個(gè)分開的光波導(dǎo)里面進(jìn)行傳輸，再合并。在兩個(gè)波導(dǎo)臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，通過(guò)控制加熱器實(shí)現(xiàn)干涉的相長(zhǎng)或相消，達(dá)到開關(guān)的目的 第85頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一MZI型熱光開關(guān) 3dB定向耦合器I2I1O1(不加熱)O2(加熱)熱光移相器(薄膜加熱)LnMZI型光開關(guān)包括一個(gè)MZI和兩個(gè)3dB耦合器，兩個(gè)波導(dǎo)臂具有相同的長(zhǎng)度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，波

40、導(dǎo)一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個(gè)散熱器。波導(dǎo)上的熱量通過(guò)它來(lái)散發(fā)出去。第86頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 原理：1. 若薄膜加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)MZI相移量為0,考慮到3dB耦合器沿耦合臂輸出方向與沿直通臂輸出方向相比存在/2的相位滯后.在O2端，來(lái)自I1的兩束入射光一路經(jīng)過(guò)耦合器的兩次耦合，另一路則經(jīng)過(guò)耦合器的兩次直通，累積相位差為從而滿足相干相消條件，輸出光信號(hào)被大大削弱甚至關(guān)斷；而在O1端，兩束光分別經(jīng)歷了一次直通，一次耦合，總的相位保持同步從而發(fā)生相干相長(zhǎng)現(xiàn)象，即入射光的能量主要從O1口輸出。熱光開關(guān)為交叉連接狀態(tài)。第87頁(yè)，共128頁(yè)，202

41、2年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一2.如果對(duì)金屬膜通電使其發(fā)熱，將會(huì)導(dǎo)致其下面的波導(dǎo)折射率發(fā)生變化，從而改變了MZI干涉臂的傳播光程，引入相位差。調(diào)節(jié)移相器使之形成兀相移，那么在O1和O2端兩束光的相位關(guān)系隨之發(fā)生反轉(zhuǎn)，信號(hào)此消彼長(zhǎng)，整個(gè)熱光開關(guān)也由原先的交叉方式變換至平行連接狀態(tài)。通過(guò)控制熱光移相器在0和兀兩個(gè)狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，就可以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的動(dòng)作。第88頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一雙MZ型熱光開關(guān) 第89頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一數(shù)字式光開關(guān) 薄膜加熱器輸入輸出1輸出2ijc原理：加熱時(shí)下面的波導(dǎo)折射率減小，從而阻止光沿著該

42、分支傳輸（即處于“關(guān)”的狀態(tài)）Y分支器型熱光開關(guān)一般功耗比較大(200mW左右)，插損約3 - 4dB消光比約20dB。第90頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 數(shù)字光開關(guān)的原理和結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，最基本的1x2熱光開關(guān)由在硅基底上制作的Y形分支矩形波導(dǎo)構(gòu)成。在波導(dǎo)分支表面沉積金屬鈦或鉻形成微加熱器。當(dāng)對(duì)Y形的一個(gè)分支加熱時(shí)，相應(yīng)波導(dǎo)的折射率會(huì)發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關(guān)的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關(guān)就保持同樣的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導(dǎo)熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功耗小，但插人損耗較大，一般為 4dB 。第91頁(yè)，共1

43、28頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.3.6 噴墨氣泡光開關(guān) 氣泡光開關(guān)是Agilent在成熟的Si02平面光波電路(PLC)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合噴墨打印驅(qū)動(dòng)原理開發(fā)出的一種新型光開關(guān)器件。整個(gè)開關(guān)分為上下兩層結(jié)構(gòu)：頂層由Si材料構(gòu)成，用于制作熱噴墨元件；下面是Si02襯底層，采用PLC工藝集成了縱、橫分布的兩束波導(dǎo)，每束波導(dǎo)又包括若干平行的波導(dǎo)線路?？v向和橫向波導(dǎo)大致成1200角交錯(cuò)排列，在經(jīng)過(guò)每個(gè)線路交叉點(diǎn)的地方另外刻蝕出一系列溝槽，從兩側(cè)的填充孔向槽內(nèi)注入某種與Si02材料折射率相匹配的液體第92頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一氣泡光開關(guān)匹配液被加

44、熱形成氣泡對(duì)通過(guò)的光產(chǎn)生全反射交叉點(diǎn)匹配液波導(dǎo)Agilent公司已制出32x32光開關(guān)子系統(tǒng)開關(guān)時(shí)間小于10ms,串?dāng)_做到-70dB第93頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.3.7 液晶光開關(guān) 液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。它既有液體的流動(dòng)性，又有晶體的取向特性。 當(dāng)液晶分子有序排列時(shí)表現(xiàn)出光學(xué)各向異性，光通過(guò)液晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng) 液晶分子是含有極性基團(tuán)的極性分子，在電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)按電場(chǎng)方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場(chǎng)引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)。 第94頁(yè)，共1

45、28頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一液晶光開關(guān)通過(guò)電場(chǎng)控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關(guān)功能。其典型工作原理如圖 第95頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一半導(dǎo)體光放大器開關(guān)半導(dǎo)體光放大器開關(guān)利用半導(dǎo)體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，簡(jiǎn)寫為SOA）的放大特性，實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的交換。 半導(dǎo)體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器，當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí)，激光二極管就能對(duì)輸入相干光實(shí)現(xiàn)光放大作用。 第96頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一低電壓處于關(guān)斷(OFF)狀態(tài)時(shí)，S

46、OA對(duì)入射光不透明，即光信號(hào)在SOA內(nèi)部被吸收；高電壓泵浦處于導(dǎo)通 (ON)狀態(tài)時(shí)，允許入射光線穿過(guò)SOA,并同時(shí)可獲得增益。 SOA開關(guān)是一種有源器件，泵浦增益補(bǔ)償了開關(guān)損耗，在實(shí)現(xiàn)無(wú)插損的同時(shí)可以提供大約12dB（數(shù)據(jù)由Alcatel提供）的典型增益。SOA開關(guān)還具有消光比高 （大于50dB）、偏振不敏感（小于1dB）、開關(guān)速度快（小于1ns）、易于集成等特點(diǎn)，在未來(lái)的光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中（尤其是構(gòu)造高速分組光網(wǎng)絡(luò)）代表了一類頗具潛力的光交換技術(shù)。第97頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.4 光纖激光器 光纖激光器是以摻雜光纖本身為工作物質(zhì)，而該光纖本身又起到導(dǎo)波作用的

47、固體激光器。由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源三個(gè)基本部分組成。優(yōu)點(diǎn)：散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低；諧振腔可以是直接鍍?cè)诙嗣娴那荤R、或光纖耦合器、光纖圈等?？色@得寬帶的可調(diào)諧激光輸出，并調(diào)節(jié)激光輸出。光纖激光器的某些波長(zhǎng)適用于光纖通信的低損耗窗口。第98頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.4.1 摻雜光纖10.4.2 光纖激光器的諧振腔10.4.3 摻稀土元素的光纖激光器10.4.4 超熒光光纖激光器(SFS)第99頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一10.4.1 摻雜光纖一、摻雜元素?fù)较⊥猎罔|系Xe6S2，外層都為為5S25P66S2鑭系元素

48、電子結(jié)構(gòu)的差別只在4f殼層的電子占有數(shù)。1、摻雜濃度 最佳在100ppm量級(jí)。太低：摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，激發(fā)態(tài)可能被耗盡。太高：稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，躍遷產(chǎn)生激光的能級(jí)上有效粒子數(shù)減少；導(dǎo)致玻璃基質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶效應(yīng)，不利于產(chǎn)生激光。第100頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一2、摻雜光纖的基質(zhì)（1）石英玻璃 石英玻璃對(duì)稀土元素離子的光譜能級(jí)的影響：產(chǎn)生斯塔克分裂，使得能級(jí)加寬，光譜變寬。（2）重金屬氟化物玻璃優(yōu)點(diǎn)：通光窗口寬，在300-8000 nm范圍透過(guò)率很高。易于成纖。易于激活，因?yàn)榉锊Ａ窍⊥猎氐睦硐胨拗?。?01頁(yè)，共128頁(yè)，202

49、2年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er 3+、Nd 3+的電子能級(jí)4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能級(jí)分裂第102頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一4F 5/24F 3/24F 5/2第103頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一2、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：使用800nm、900nm、 530nm波長(zhǎng)的泵浦光源，將在900nm、1060nm 、 1350nm波長(zhǎng)處得到激光。摻鉺光纖：使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波長(zhǎng)的泵浦光源，將在900nm、1060nm、 15

50、36nm波長(zhǎng)處得到激光。 摻鉺光纖存在最佳光纖長(zhǎng)度（約10m）。Er3+Nd3+第104頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一3、摻雜光纖的激光特性 摻鉺的三能級(jí)系統(tǒng)：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài) E2、 高能級(jí)E3。從E3 E1 ，泵浦幾率為WP，躍遷幾率為WP 。 E3 非輻射E2 ，幾率為S32； E3 自發(fā)輻射和非自發(fā)輻射E2 、 E1 ，幾率為A32、A31、 S31。選擇工作物質(zhì)要求：A32、A31和S31 S32 以及S32 WP(3-1) ， N2 N1。一般選擇A21較小的工作物質(zhì)。A32第105頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一因此有速率方程

51、組： dN3/dt=(N1-N3) WP -N2 S32 dN2/dt=N1 W12 +N3 S32N2 W21 N2(A21 +S21) N1+N2 +N3= NtNt是工作介質(zhì)內(nèi)的總粒子數(shù)密度。這三個(gè)方程為三能級(jí)系統(tǒng)的速率方程組。 可見，只要WP(1-3)足夠大，就能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，摻稀土光纖就變成激活介質(zhì)，對(duì)頻率為(E2-E1 )/h的信號(hào)具有放大作用。第106頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一一、FP腔1.結(jié)構(gòu)M1: 對(duì)泵浦光高透；對(duì)激光高反M2: 對(duì)激光高反（低增益系統(tǒng)95%；高增益系統(tǒng) 75%）2.光傳輸特性 理論波動(dòng)光學(xué)。假設(shè)：諧振腔內(nèi)的光纖伸直；為階躍折

52、射率弱波導(dǎo)光纖。10.4.2 光纖激光器的諧振腔第107頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 光在腔內(nèi)傳輸來(lái)回一次后的光強(qiáng)為：要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強(qiáng)。則腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)第108頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一縱模和橫模 在腔內(nèi)，軸向駐波場(chǎng)為腔的本征模式光場(chǎng)。特點(diǎn)：與軸線垂直的橫截面光場(chǎng)穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波， 稱為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。 與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場(chǎng)穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的

53、橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角從0到2光場(chǎng)的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場(chǎng)的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。 LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑。第109頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔 泵浦光由1端進(jìn)入，經(jīng)耦合器進(jìn)入環(huán)行腔。激勵(lì)的激光與泵光無(wú)關(guān)。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復(fù)。其中儲(chǔ)存了能量。摻雜光纖耦合器： 4端出射光比1端入射光停滯后/2。第110頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 2、光纖圈反

54、射器 普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長(zhǎng)下單模運(yùn)行，在兩個(gè)輸出端與輸入端之間存在固定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位 /2。 光纖圈的功率反射率R、透射率T為：從2端的透射功率總和為0： 134 2 的的順時(shí)針光場(chǎng)相位差為0，與從1 4 3 2的逆時(shí)針光場(chǎng)的相位差為。兩光場(chǎng)因?yàn)檎穹嗤?、相位相反而抵消，總和? 。光從1返回。SMF第111頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 3、光纖圈諧振腔 光纖圈為非諧振的干涉儀結(jié)構(gòu)。注意分束器的取向。其中沒有能量?jī)?chǔ)存。透射反射反射透射 光波既可以通過(guò)另一端輸出；又可以再?gòu)妮斎攵朔瓷?。?12頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一4、全光纖激光器 兩個(gè)光纖圈反射器串聯(lián)起來(lái)組成的諧振腔，通過(guò)一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器。 激光器要實(shí)現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長(zhǎng)為：L1L2L摻雜光纖第113頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)2分，星期一 三、可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有較寬的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍，比染料激光器的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運(yùn)行，潛在應(yīng)用價(jià)值顯著。1. 反射鏡+光