光纖技術(shù)及應(yīng)用-第五章

第五章

光纖器件2023/2/32為實(shí)現(xiàn)光波的傳輸：傳統(tǒng)方法：采用分立光學(xué)元件構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)缺點(diǎn)：體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)松散、可靠性差、與光纖不兼容光纖技術(shù)的發(fā)展：以光纖為基質(zhì)構(gòu)成光纖器件，彌補(bǔ)不足光纖器件是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)不可缺少的部件。按照能量的產(chǎn)生和消耗可分為光纖無源器件和光纖有源器件：(a)光纖無源器件：指用光纖構(gòu)成的一種能量消耗型器件；如：光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復(fù)用器、光纖隔離器和環(huán)形器、光纖濾波器、光纖衰減器等，功能：對(duì)信號(hào)或能量進(jìn)行連接、合成、分叉、轉(zhuǎn)換及衰減等(b)光纖有源器件：用光纖構(gòu)成的一種能量產(chǎn)生型器件如：光纖放大器、光纖激光器等功能：主要是擴(kuò)大通信容量、增大中繼距離、提高傳感效能等。本章主要講：光纖無源器件（光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復(fù)用器、光纖隔離器和環(huán)形器、光纖濾波器、光纖光柵、光開關(guān)、光纖衰減器等）光無源器件是光路的重要組成部分。光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如插頭、開關(guān)、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部分。常見的光無源器件有光纖連接器、光耦合器、光波分復(fù)用器、光隔離器、光衰減器、光開關(guān)等。光無源器件遵守光學(xué)的基本理論，即光線理論和電磁場理論。5.1光纖無源器件1、光纖無源器件的主要性能參數(shù)廣義講：光纖無源器件可以看成一個(gè)多端口耦合器，每一個(gè)端口對(duì)應(yīng)一條信號(hào)通道（簡稱“信道”），光信號(hào)由耦合器的一個(gè)端口或幾個(gè)端口輸入，經(jīng)過某種變換或處理之后，從另一個(gè)或幾個(gè)端口輸出。（1）信道插入損耗：表示由輸入信道(j)至指定輸出信道(i)的功率傳輸損耗，即：其中：---是第j信道的輸入功率---是第i信道的輸出功率2023/2/36（2）信道隔離比：表示由輸入信道(j)至非指定輸出信道(k)的功率傳輸損耗，即：（3）過剩損耗：表示當(dāng)由第j信道輸入功率時(shí)，由器件所引起的總附加功率傳輸損耗，即：（4）回波損耗：表示由輸入端口返回輸入信道的功率損耗，即：回波損耗又稱為后向反射損耗，是指光纖連接處，后向反射光功率相對(duì)入射光功率的分貝數(shù)，回波損耗越大越好。2023/2/37（5）信道工作波長：表示相應(yīng)于最低插入損耗值的光信號(hào)波長，在波分復(fù)用器中這一參數(shù)尤為重要。（6）信道帶寬：表示相應(yīng)于標(biāo)定插入損耗值的光信號(hào)波長范圍，如：0.5dB帶寬或3dB帶寬等。此外：各種不同的無源器件還具有一些特定的性能參數(shù)，如：隔離器的“反向隔離比”、波分復(fù)用器的“信道間隔”、以及光開關(guān)的“開關(guān)速度”等2023/2/382、光纖連接器（1）光纖連接器-----是光纖與光纖之間的活動(dòng)接頭，把光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來。是一種可拆卸的光纖接插件，用于反復(fù)地連接或斷開光纖。（2）光纖連接器的主要技術(shù)要求：插入損耗??；(b)重復(fù)插拔損耗變化小；(c)一致性（互換性）好。此外，要求安裝方便、性能穩(wěn)定、可靠性高、價(jià)格低廉。在距離光源較近處的光纖連接器還必須具有較大的回波損耗，以消除端面反饋光對(duì)光源的不利影響。（3）光纖連接器的分類：端面對(duì)接式連接器、透鏡擴(kuò)束式連接器、陣列光纖連接器光纖活動(dòng)連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖心對(duì)接，保證95％以上的光能通過連接器。目前，活動(dòng)連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種。

圖

套管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖分為：直插（ST)型、雙錐(BC)型；書上P83頁

圖

雙錐結(jié)構(gòu)

圖

球面定心結(jié)構(gòu)

圖V形槽結(jié)構(gòu)

圖

透鏡耦合結(jié)構(gòu)圖

常用光纖連接器的對(duì)準(zhǔn)方案示意圖(a)直套筒；(b)錐形套筒；(c)擴(kuò)展光束常用連接器類型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType2023/2/3133、光纖定向耦合器（簡稱光纖耦合器）在光纖通信和光纖測量中，有時(shí)需要把光信號(hào)在光路上由一路向兩路或多路傳送，有時(shí)需把N路光信號(hào)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為微鏡片耦合器、波導(dǎo)耦合器和光纖耦合器等。通常，光信號(hào)功率由耦合器的一個(gè)端口輸入，然后按照一定的比例分配至幾個(gè)指定端口輸出，稱為分路；光信號(hào)功率由幾個(gè)端口輸入，經(jīng)耦合器進(jìn)入同一個(gè)端口輸出，稱為分路。光纖定向耦合器特點(diǎn)：器件的主體是光纖，不含其它光學(xué)元件；

光的耦合功能是通過光纖中傳輸模式的耦合實(shí)現(xiàn)的；

光信號(hào)的傳送方向是固定的。光纖定向耦合器是一種用于傳送和分配光信號(hào)的無源器件。在各種光纖通信網(wǎng)中，要用到大量的光纖定向耦合器，作為光纖線路的分路、合路以及節(jié)點(diǎn)互聯(lián)耦合器件。由于制作時(shí)只需要光纖，不需要其他光學(xué)元件，具有與傳輸光纖容易連接且損耗較低、耦合過程無需離開光纖，不存在任何反射端面引起的回波損耗等優(yōu)點(diǎn)，因而更適合光纖通信，有時(shí)也稱為全光纖元件2023/2/3151、光纖耦合器類型：根據(jù)光纖耦合器的工作原理分(a)部分反射式光纖耦合器：利用光學(xué)部分反射原理來實(shí)現(xiàn)的。端口輸出分配比取決于反射模反射率的大小；圖5.1-5(b)波前分割式光纖耦合器：是對(duì)輸入光束進(jìn)行空間分割，使其分成幾束光束輸出，達(dá)到分光的目的；圖5.1-7(c)模場耦合式光纖耦合器：依據(jù)光纖中傳輸模式場分布相互耦合來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的分路和合路。當(dāng)兩光纖相距很近時(shí)，在一根光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綀龇植紩?huì)擴(kuò)展到另一根光纖之中，從而在其中激勵(lì)起傳導(dǎo)模，因此就使得導(dǎo)模場所攜帶功率由一根光纖耦合到另一根光纖中傳輸。圖5.1-8（X形拼接式耦合器）,5.1-9（雙錐形光纖耦合）圖5.1-8（X形拼接式耦合器）,-----輸出分配比取決于兩纖芯間距以及拼接長度。圖5.1-9（雙錐形光纖耦合）------可控制耦合區(qū)的長度和雙錐體的腰徑來達(dá)到預(yù)定要求光耦合器(Coupler)是能使光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行光功率再分配的器件。從功能上，可分為光功率分配器和光波長分配（合/分波）耦合器。從端口形式上，可分為X形()、Y形()、星形(N×N,N＞2)以及樹形

(1

×N,N＞2）耦合器。如書上：P86圖5.1-10星形耦合器（1）插入損耗(InsertionLoss):定義為指定輸出端口的光功率相對(duì)于全部輸入光功率的減小值

式中，為第i個(gè)輸出端口的插入損耗；為第i個(gè)輸出端口的光功率；為輸入端的光功率。（2）附加損耗(ExcessLoss)：定義為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

插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關(guān)，而且與分光比有很大的關(guān)系。2、光纖耦合器的性能指標(biāo)（3）分光比(CouplingRation)：定義為耦合器各輸出端輸出功率的比值

它是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo)。（4）方向性(Directivity)方向性是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo),是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以X形耦合器為例，方向性定義為耦合器正常工作時(shí)，輸入一側(cè)非注入光的一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。由2端輸出的光功率與全部注入的光功率(即圖中1端注入的光功率)之比為

圖X形耦合器的方向性（5）均勻性(Uniformity)：是指各端口輸出功率偏離平均值的程度對(duì)于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），由于工藝局限，往往不可能做到絕對(duì)的均勻，用均勻性來衡量其不均勻程度：N為相應(yīng)輸出端口總數(shù) （6）偏振相關(guān)損耗(PolarizationDependentLoss)衡量器件對(duì)于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為偏振靈敏度。指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)變化時(shí)，器件各輸出端輸出功率的最大變化量：

（7）隔離度(Isolation)：指光纖耦合器的某一光路對(duì)其他光路中光信號(hào)的隔離能力

式中，是某一光路輸出端測到的其他光路信號(hào)的功率值；為被檢測光信號(hào)的輸入功率值。隔離度高，意味著線路之間的“串話”小。2023/2/3234光波分復(fù)用器(WDM)光波分復(fù)用器屬于波長選擇性耦合器，是一種用來合成不同波長的光信號(hào)或者分離不同波長的光信號(hào)的無源器件。用于合成不同波長的稱為復(fù)用器，用于分離不同波長的稱為解復(fù)用器。如圖5.1-12在復(fù)用器中，由各個(gè)信道輸入波長為的單色光信號(hào)被耦合進(jìn)同一根光纖中傳輸；在解復(fù)用器中，則是將傳輸光纖中波長為的復(fù)色光信號(hào)分解成波長為的單色光信號(hào)，并輸入相應(yīng)的輸出信道。(WavelengthDivisionMultiplexing)2023/2/324如圖5.1-12光復(fù)用器和光解復(fù)用器示意圖在復(fù)用器中，由各個(gè)信道輸入波長為的單色光信號(hào)被耦合進(jìn)同一根光纖中傳輸；在解復(fù)用器中，則是將傳輸光纖中波長為的復(fù)色光信號(hào)分解成波長為的單色光信號(hào)，并輸入相應(yīng)的輸出信道1、光波分復(fù)用器的類型按照光波分復(fù)用器的分元件及工作原理，可將其分為棱鏡分光型、干涉膜濾光型、光纖定向耦合器、光纖光柵型、以及波導(dǎo)陣列光柵型。棱鏡分光型波分復(fù)用器：圖5.1-13--------利用棱鏡的色散作用實(shí)現(xiàn)波長分離的；(b)衍射光柵型波分復(fù)用器：圖5.1-14-------利用衍射光柵的色散作用實(shí)現(xiàn)分光的；(c)干涉膜濾光型波分復(fù)用器：圖5.1-15------利用多層光學(xué)薄膜干涉原理來分光的；2023/2/326(d)光纖定向耦合型波分復(fù)用器：-----由一根光纖向另一根光纖耦合功率的耦合效率是光波長的函數(shù)，當(dāng)波長滿足耦合效率=1時(shí)，光信號(hào)功率發(fā)生完全轉(zhuǎn)移，當(dāng)波長滿足耦合效率=0時(shí)，光信號(hào)功率不發(fā)生轉(zhuǎn)移。(e)光纖光柵型波分復(fù)用器：圖5.1-17(f)波導(dǎo)陣列光柵型波分復(fù)用器：圖5.1-18-----波導(dǎo)陣列光柵型波分復(fù)用器由輸入和輸出波導(dǎo)、空間耦合器和波導(dǎo)陣列光柵構(gòu)成。2023/2/3272、光波分復(fù)用器的技術(shù)指標(biāo)（1）信道插入損耗：表征與光波長相對(duì)應(yīng)的信道功率損耗；（2）信道隔離比（串?dāng)_損耗）：表征串入與光波長不相對(duì)應(yīng)的信道的功率大??；（3）信道間隔：表征兩相鄰信道之間中心波長的差值。光波分（解）復(fù)用器是按光波波長進(jìn)行功率分離與合成的光無源器件，結(jié)構(gòu)如圖所示。圖

WDM光傳輸原理圖利用色散、偏振、干涉等物理現(xiàn)象都可以制作WDM器件。以下是幾種常見的WDM器件類型。

1．介質(zhì)膜型利用窄帶干涉濾光膜（帶通型）進(jìn)行波長的選擇，通道數(shù)目4~8個(gè)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖

窄帶介質(zhì)膜帶通濾光片構(gòu)成的4通道WDM器件光柵型利用光柵的衍射效應(yīng)，不同波長的光衍射角度不同，實(shí)現(xiàn)空間的分離，通道數(shù)目64個(gè)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖

由反射光柵構(gòu)成的解復(fù)用器波導(dǎo)陣列光柵型波導(dǎo)陣列光柵型波分復(fù)用器由輸入和輸出波導(dǎo)、空間耦合器和波導(dǎo)陣列光柵構(gòu)成。輸入和輸出波導(dǎo)用于與單模光纖連接，空間耦合器將各種波長光信號(hào)耦合進(jìn)波導(dǎo)陣列光柵，波導(dǎo)陣列光柵由幾百條光程差為的波導(dǎo)組成。根據(jù)衍射理論，在輸出端光按波長大小順序排列輸出，通過空間耦合器傳輸?shù)较鄳?yīng)的輸出波導(dǎo)端口，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖

波導(dǎo)陣列光柵型D波分復(fù)用器5光纖隔離器和環(huán)行器光纖隔離器和環(huán)行器是一種非互易傳輸耦合器。在光纖隔離器中，當(dāng)光信號(hào)沿正向傳輸時(shí)，具有很低的損耗，光路被接通；當(dāng)光信號(hào)沿反向傳輸時(shí)，損耗很大，光路被阻斷。在光環(huán)行器中，光信號(hào)只能沿規(guī)定的路徑環(huán)行，否則就具有很大的損耗。光隔離器是只允許光線沿光路單向傳輸?shù)臒o源器件，用于解決光纖通信中光路中光反射的問題。

（1）光纖隔離器和環(huán)行器的工作原理------法拉第磁光效應(yīng)；即當(dāng)光波通過置于磁場中的法拉第旋光片時(shí)，光波的偏振方向總是沿與磁場方向構(gòu)成右手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，而與光波的傳播方向無關(guān)。2023/2/334法拉第磁光效應(yīng)1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。當(dāng)線偏振光（見光的偏振）在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。這樣，當(dāng)光波沿正向和反向兩次通過法拉第旋光片時(shí)，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角將疊加，而不是如互易性旋光片中的抵消，這種現(xiàn)象稱為非互易旋光性。（3）光纖隔離器和環(huán)行器的性能參數(shù)正向插入損耗：------定義為正向傳輸時(shí)輸出光功率與輸入光功率之比；(b)反向（逆向）隔離比：-----定義為反向（逆向）傳輸時(shí)輸出光功率與輸入光功率之比(c)回波損耗：------定義為輸入端口自身返回功率與輸入功率之比。（2）光纖隔離器的類型-----與偏振有關(guān)光纖隔離器；與偏振無關(guān)光纖隔離器2023/2/3366窄帶光學(xué)濾波器-----也是一種波長選擇性耦合器。當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入這種器件時(shí)，只有光頻率與濾波器中心頻率一致的成分才能通過，其他頻率成分的光將被濾掉。-------大多采用法布里-珀羅干涉儀（F-P腔）的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光信號(hào)通過這種F-P腔時(shí)，由于在兩腔面之間多次反射產(chǎn)生多光束干涉，使得透射光譜形成具有尖銳峰的光譜圖。2023/2/337F-P腔濾波器的結(jié)構(gòu)：

法布里—珀羅（F-P）腔型濾波器的主體是F-P諧振腔，它是由一對(duì)高度平行的高反射率鏡面構(gòu)成的腔體，當(dāng)入射光波的波長為腔長的整數(shù)倍時(shí)，光波可形成穩(wěn)定振蕩，輸出光波之間會(huì)產(chǎn)生多光束干涉，最后輸出等間隔的梳狀波形（對(duì)應(yīng)的濾波曲線為梳狀），見圖。F-P腔型可調(diào)諧濾光器

而且，F(xiàn)-P固定濾波器的中心波長由公式λ=2nL/N決定，其中N為正整數(shù)。如改變腔長L或腔內(nèi)的折射率n，就能調(diào)諧濾波波長。

光纖F-P腔型可調(diào)諧濾波器的腔長由一段光纖和空氣隙組成，在腔體光纖的一端鍍上高反射膜，另一端鍍上抗反射膜，彼此之間留有適當(dāng)空隙。

在電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，PZT（壓電陶瓷）可進(jìn)行伸縮，造成空氣間隙變化，引起腔長的改變，從而實(shí)現(xiàn)波長的調(diào)諧。

改變光纖的長度同樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)腔長的目的。其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖5.1-25光纖F-P可調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)目前，世界上已研制出了多種結(jié)構(gòu)的波長可調(diào)諧濾波器，其基本原理都是通過改變腔長、材料折射率或入射角度來達(dá)到波長可調(diào)諧的目的。

用來描述F-P腔傳輸特性的性能參數(shù)有：

(1)自由譜域FSR(FreeSpectrumRange)：相鄰波長(頻率)之間的距離。

(2)帶寬BW(BandWide)：諧振峰50％處的光譜寬度。

(3)精細(xì)度F(Fineness)：自由譜域與譜寬的比值。

F-P腔濾波器的帶寬取決于腔面反射率R1，R2精細(xì)常數(shù)帶寬：圖F-P腔型濾波器的譜寬、線寬和線間距的定義窄帶光學(xué)濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)：濾波器帶寬、插入損耗、自由光譜區(qū)（透射譜線不重疊的區(qū)域）以及可調(diào)諧波長范圍。2023/2/3437、光纖光柵折射率型光柵-----指折射率周期性變化的光學(xué)介質(zhì)。光纖光柵----其纖芯折射率沿軸向呈周期性分布，從而對(duì)特定波長的光產(chǎn)生衍射.圖5.1-26圖

光纖光柵的結(jié)構(gòu)最初的光纖光柵：摻鍺、摻硼、摻磷等；光纖光柵的特性：帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、易與其他光纖器件融合為一體，滿足光纖通信器件集成化、光纖化、全光化的發(fā)展要求，因此光纖光柵器件成為通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的理想器件。（1）光纖光柵的基本原理根據(jù)衍射理論：且滿足布拉格衍射方程：其中：是光柵周期，n是介質(zhì)折射率，m是布拉格衍射的級(jí)數(shù)。在光纖中，只考慮一級(jí)衍射（m=1)，則可以寫成：其中：是入射模式的有效折射率，是衍射模式的有效折射率。-------透射式光纖光柵反射式光纖光柵，衍射模和入射模的傳播方向相反，如果兩模式相同，則有上式變?yōu)椋浩渲校菏瞧骄凵渎?。該式就是布拉格條件，滿足該條件的光柵就是布拉格光柵。比較:對(duì)于同一波長而言，透射式光纖光柵的周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反射式光纖光柵。因此：透射式光纖光柵又稱為長周期光纖光柵；

反射式光纖光柵又稱為短周期光纖光柵。（2）光纖光柵的基本分類：(a)根據(jù)引起折射率變化的起因分類：

根據(jù)引起折射率變化起因的不同，即光纖光柵成柵機(jī)制與光敏機(jī)理的差異，從激光能量密度、曝光時(shí)間、熱穩(wěn)定性、傳輸損耗、材料構(gòu)成、摻雜濃度等因素考慮，可分為：I型、II型、III型光纖光柵。(b)根據(jù)折射率的變化結(jié)構(gòu)的差異分類：根據(jù)光纖光柵空間周期分布及折射率調(diào)制深度分布是否均勻，將其分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向均勻且折射率調(diào)制深度為一常數(shù)光纖布拉格光柵長周期光纖光柵閃耀光纖光柵非均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向不均勻或折射率調(diào)制深度不為常數(shù)線性啁啾光纖光柵分段啁啾光纖光柵非均勻特種光纖光柵（3）光纖光柵制作技術(shù)光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制作的。所謂光敏性，就是指當(dāng)材料被外部光照射時(shí)，引起該材料物理或化學(xué)特性的暫時(shí)性或永久性變化的特性。例如：當(dāng)用特定波長的光照射摻鍺光纖時(shí)，它的折射率、吸收譜、內(nèi)應(yīng)力密度等物理特性會(huì)發(fā)生永久性的變化。在外部光源照明時(shí)，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)呈線性關(guān)系，并可以被保留下來，成為光纖光柵。2023/2/350制備光纖光柵的方法內(nèi)部寫入法全息相干法相位掩膜法逐點(diǎn)寫入法色散補(bǔ)償器（4）光纖光柵的主要應(yīng)用光學(xué)濾波器增益平坦器組合寫入法光分插復(fù)用器光纖光柵在光纖傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用光開關(guān)的開關(guān)速度或稱開關(guān)時(shí)間是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。不同的應(yīng)用場合對(duì)開關(guān)時(shí)間的要求是不一樣的，如光通道的設(shè)置開關(guān)時(shí)間為1～10ms，保護(hù)倒換的開關(guān)時(shí)間為1～10μs，分組交換的開關(guān)時(shí)間為1ns，外調(diào)制器的開關(guān)時(shí)間為10ps量級(jí)。除了開關(guān)時(shí)間外，還有下面一些參數(shù)用來衡量光開關(guān)的性能。8、光開關(guān)光開關(guān)是一種光路控制器件，起著控制光路通斷和光路轉(zhuǎn)換的作用。在光通信系統(tǒng)中，光開關(guān)有著重要的應(yīng)用，如：主、備光纖線路的切換、光纖或光纜的測量、光交換等。光開關(guān)的主要性能指標(biāo):開關(guān)速度、插入損耗、信道隔離比（串?dāng)_損耗）（1）通斷消光比：通斷消光比是指光開關(guān)處于通（開）狀態(tài)時(shí)輸出的光功率和處于斷（關(guān)）狀態(tài)時(shí)的輸出光功率之比。通斷消光比越大,光開關(guān)性能越好，這對(duì)外調(diào)制器尤為重要。機(jī)械開關(guān)的通斷消光比大約為40～50dB。（2）插入損耗（簡稱插損）：插損是指由于光開關(guān)的使用而導(dǎo)致的光路上的能量損耗，常以dB表示。插損越小越好。當(dāng)開關(guān)處于不同的輸入/輸出連接狀態(tài)時(shí)，插入損耗有可能不一致，即插入損耗的一致性差，這對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用是不希望的。（3）串?dāng)_:串?dāng)_是指某輸出端口的功率除了有來自希望的輸入端口外，還有來自不希望的輸入端口的功率，二者的光功率之比稱為串?dāng)_。1、光開關(guān)分類（根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式分）：（1）機(jī)械式光開關(guān)：依靠光纖或光學(xué)元件的移動(dòng)，使光路發(fā)生轉(zhuǎn)換。如：移動(dòng)光纖式光開關(guān)、移動(dòng)套管式光開關(guān)和移動(dòng)透鏡（包括反射鏡、棱鏡和自聚焦透鏡）式光開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：插入損耗小、消光比高、串?dāng)_低；缺點(diǎn)：速度慢、易磨損、容易受振動(dòng)、沖擊影響，不太可能大規(guī)模集成；用于線路保護(hù)倒換、線路測試等2023/2/354（2）非機(jī)械式光開關(guān)（固體式光開關(guān)）：利用電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)及聲光效應(yīng)來改變波導(dǎo)的折射率，使光路發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的。如電光式開關(guān)、磁光式開關(guān)、熱光式開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：重復(fù)性好、開關(guān)速度快、可靠性高、使用壽命長、尺寸小可以單片集成等；缺點(diǎn)：插入損耗和串?dāng)_性能不理想。（3）半導(dǎo)體光波導(dǎo)開關(guān)：基于半導(dǎo)體中的各種效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的。優(yōu)點(diǎn)：損耗低、開關(guān)速度快、重復(fù)性好、能夠與其他元器件單片集成，以及能大規(guī)模集成等；在未來的大規(guī)模光交換、光計(jì)算、光邏輯處理中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。光電開關(guān)是傳感器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測的目的。2、幾種光開關(guān)（1）機(jī)械式光開關(guān)：是最傳統(tǒng)的光開關(guān)，分為鏡可動(dòng)型和光纖可動(dòng)型兩種。（2）磁光式開關(guān)：靠外磁場影響磁疇的寬度和角度，進(jìn)而影響磁疇的有效光衍射和方位角來達(dá)到轉(zhuǎn)換即開關(guān)目的的，即利用外磁場作用下的法拉第旋光效應(yīng)。（3）熱光開關(guān)：是利用熱量轉(zhuǎn)換達(dá)到開關(guān)目的的。2023/2/3565.2光纖有源器件光纖激光器和光纖放大器是潛力巨大的光纖有源器件。光纖激光器和放大器主要有三類：第一類：晶體光纖激光器與放大器，如：紅寶石單晶激光器等；第二類：利用光纖非線性光學(xué)效應(yīng)制作的光纖激光器與放大器，如：受激喇曼散射和受激布里淵散射光纖激光器與放大器；第三類：摻雜光纖激光器與放大器，如：以摻稀土元素離子的光纖激光器與放大器最為重要。（因其工作波長正處于光纖通信的窗口，在光纖通信、光纖傳感領(lǐng)域有重要的實(shí)用價(jià)值。）1、光纖放大器光信號(hào)在傳輸過程中，由于光纖損耗和光纖色散，其幅度會(huì)越來越小，光脈沖的寬度會(huì)越來越寬，從而限制了光纖通信系統(tǒng)、特別是大容量光纖通信系統(tǒng)的傳送距離。必須在每隔一定的距離就增加一個(gè)再生中繼器，以保證信號(hào)的質(zhì)量。傳統(tǒng)的再生中繼器的基本功能是進(jìn)行光---電----光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)時(shí)進(jìn)行再生、整形和定時(shí)處理，這種處理方法很復(fù)雜且昂貴。改變上述處理過程，用光纖放大器，即直接在光路上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。20世紀(jì)80年代末，出現(xiàn)摻鉺光纖放大器。2023/2/358（1）光纖放大器的工作原理光纖放大器的關(guān)鍵元件是摻稀土元素光纖。受激吸收：指原子吸收一個(gè)光子能量，從基態(tài)或低能態(tài)E1躍遷到激發(fā)態(tài)或高能態(tài)E2上。

自發(fā)輻射：是指在沒有任何外界因素影響下的情況下，處于高能態(tài)的原子自發(fā)地躍遷到低能態(tài)，同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子。

受激發(fā)射：指處于高能態(tài)的原子在受到入射光子的感應(yīng)或誘導(dǎo)下，從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與入射光子相同頻率的光子。入射光得到放大。在熱平衡狀態(tài)下：光輻射以自發(fā)輻射為主；而當(dāng)原子系統(tǒng)處于上、下能級(jí)粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，將以受激發(fā)射為主，光纖放大器就是利用受激發(fā)射原理來放大光信號(hào)的。摻鉺光纖放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier)----EDFA構(gòu)成：摻鉺光纖、泵浦激光器、波分復(fù)用器、光學(xué)隔離器組成。如圖所示：2023/2/360激光二極管發(fā)出波長為980nm的泵浦光和外來波長為1550nm的信號(hào)光經(jīng)波分復(fù)用器進(jìn)入摻鉺光纖中，摻鉺光纖是增益介質(zhì)，在有泵浦光照射的情況下，可將信號(hào)光放大。光纖隔離器主要是為了防止輸出光返回光纖放大器，產(chǎn)生不良的干擾。2023/2/361光纖放大器的泵浦方式有三種：前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦；前向泵浦：信號(hào)光和泵浦光沿同一方向傳輸；后向泵浦：信號(hào)光和泵浦光沿相反方向傳輸；雙向泵浦：泵浦光沿兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)入光纖放大器，對(duì)信號(hào)光雙向泵浦放大。泵浦方式：泵浦光源：除980nm波長的光可以作為泵浦光外，還有670nm，800nm,1480nm的光也可作為摻鉺光纖放大器的泵浦光。用980nm波長的光作為泵浦光的優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)閾姐s光纖在這一波段對(duì)小信號(hào)輸入的增益系數(shù)較高，且噪聲因子最低。2023/2/362光纖放大器的應(yīng)用：(a)光功率放大：將光纖放大器放在發(fā)射端光源之后，放大輸入到光纖中的光功率。優(yōu)點(diǎn)：可以提高光纖通信系統(tǒng)發(fā)射端實(shí)際進(jìn)入光纖中的光功率，減輕了對(duì)光源輸出功率要求高的壓力，也解決了將高功率的光從光源有效地注入光纖的耦合問題。2023/2/363(b)光中繼放大：作為在線放大器或中繼放大器應(yīng)用時(shí)，將光纖放大器放在傳輸線的中間，在信號(hào)傳輸路途上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。利用這類光纖在線放大器，可以取代傳統(tǒng)的光—電---光中繼器，實(shí)現(xiàn)全光光纖通信。2023/2/364(c)光前置放大：作為光前置放大器應(yīng)用時(shí)，將光纖放大器放在接收端光電檢測器的前面，在光電檢測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之前先對(duì)從傳輸光纖中來的光信號(hào)進(jìn)行放大。優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)把光電檢測器及其后面的電子放大器的熱噪聲引入其中被放大，可以提高光纖通信系統(tǒng)接收端的信噪比。2023/2/365光纖放大器的三種主要用途2023/2/3665.2.2光纖激光器激光（Laser）---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是“通過受激輻射光擴(kuò)大.激光應(yīng)用很廣泛，主要有激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達(dá)、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等.定向發(fā)光基本特性：亮度極高顏色極純能量極大2023/2/367激光指示器，又稱為激光筆、指星筆等常見的激光指示器有紅光（λ=650～660nm,635nm）、綠光（λ=515-520nm,532nm）、藍(lán)光（λ=445～450nm）和藍(lán)紫光（λ=405nm）等2023/2/368若把激發(fā)的物質(zhì)放置于共振腔內(nèi)，光輻射在共振腔內(nèi)沿軸線方向往復(fù)反射傳播，多次通過物質(zhì)，光輻射被放大許多倍，形成一束強(qiáng)度大、方向集中的光束“激光”，這就是激光振蕩器。用光、電及其他辦法對(duì)物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，使得其中一部分粒子激發(fā)到能量較高的狀態(tài)，當(dāng)這種狀態(tài)的粒子數(shù)大于能量較低狀態(tài)的粒子數(shù)時(shí)，由于受激輻射，物質(zhì)就能對(duì)某一波長的光輻射產(chǎn)生放大作用，也就是這種波長的光輻射通過物質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)射強(qiáng)度放大并與入射光相位、頻率和方向一致的光輻射，這種裝置稱為激光放大器。激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。2023/2/3691960年T.H.西奧多·梅曼制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年伊朗科學(xué)家A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類。2023/2/370半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡稱激光二極管（LaserDiode，LD）。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，使半導(dǎo)體激光器的工作特性具有其特殊性。

半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射。2023/2/371光纖激光器（FiberLaser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器：光纖激光器與光纖放大器的本質(zhì)區(qū)別：光纖激光器只是對(duì)增益介質(zhì)內(nèi)的光子進(jìn)行諧振放大；而光纖放大器則是對(duì)輸入信號(hào)光放大。2023/2/3721、光纖激光器（1）結(jié)構(gòu)：激光增益介質(zhì)、光學(xué)諧振腔和泵浦源三部分組成；（