光纖通訊技術(shù)-光纖線路技術(shù)及器件

第3章光纖線路技術(shù)及器件3.1光隔離器和光環(huán)形器3.2光纖的連接3.3光衰減器和光開關(guān)3.4光纖耦合器3.5光纖光柵3.6波分復用器件3.7平面及矩形光波導技術(shù)及器件3.8光放大器3.9色散補償技術(shù)3.1光隔離器和光環(huán)形器3.1.1光隔離器光隔離器是一種只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件。它的作用是防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。例如，在半導體激光源和光傳輸系統(tǒng)之間安裝一個光隔離器，可以在很大程度上減少反射光對光源的光譜輸出功率穩(wěn)定性產(chǎn)生的不良影響。在高速直接調(diào)制、直接檢測光纖通信系統(tǒng)中，

后向傳輸光會產(chǎn)生附加噪聲，使系統(tǒng)的性能劣化，這也需要光隔離器來消除。在光纖放大器中的摻雜光纖的兩端裝上光隔離器，可以提高光纖放大器的工作穩(wěn)定性，如果沒有它，后向反射光將進入信號源（激光器）中，引起信號源的劇烈波動。在相干光長距離光纖通信系統(tǒng)中，每隔一段距離安裝一個光隔離器，可以減少受激布里淵散射引起的功率損失。因此，光隔離器在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學測量系統(tǒng)中具有重要的作用。

光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)是法拉第在1845年首先觀察到不具有旋光性的材料在磁場作用下使通過該物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱磁致旋光效應(yīng)。沿磁場方向傳輸?shù)钠窆?，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角度θ和磁場強度B與材料長度L的乘積成比例，有

θ=VBL(3.1)

式中，V為材料的特性常數(shù)，稱維爾德（Verdet）常數(shù)。偏振方向的旋轉(zhuǎn)只與磁場強度的方向有關(guān)，而與光傳播的方向無關(guān)。1.偏振相關(guān)型光隔離器工作原理如圖3.1所示。偏振相關(guān)光隔離器主要由起偏器、檢偏器和旋光器三部分組成。起偏器可從入射到自身上的偏振混亂的光中選出與自身透光軸方向一致的線偏振光。檢偏器是相對于起偏器來說的，其構(gòu)造和作用與起偏器相同。旋光器由旋光性晶體材料和產(chǎn)生強度適當磁場的裝置構(gòu)成。借助磁光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)），使晶體的偏振面發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)。圖3.1中，產(chǎn)生適當強度磁場的裝置是通電流的線圈，此外，還可用永久磁鐵等方法來產(chǎn)生磁場。

圖3.1偏振相關(guān)型光隔離器結(jié)構(gòu)示意圖

在光隔離器的結(jié)構(gòu)中，起偏器與檢偏器的透光軸之間成45°的夾角。旋光器在加電時可使通過的光的偏振方向發(fā)生45°的旋轉(zhuǎn)（如圖中逆光方向看逆時針旋轉(zhuǎn)了45°）。當平行于紙面的偏振光按光隔離器通光方向入射時，由于該光與起偏器透光軸方向一致，因此全部通過。經(jīng)旋光器后，其光軸旋轉(zhuǎn)了45°角，恰好與檢偏器透光軸的方向相同，也全部通過。因此，在光隔離器通光方向傳輸?shù)墓饪梢垣@得低損耗傳輸。

反之，逆光隔離器通光方向入射的光能到達旋光器的只是與檢偏器光軸一致的那一部分光。這一部分光經(jīng)過旋光器后偏振方向發(fā)生了45°角旋轉(zhuǎn)，變成水平線偏振光，正好與透光軸垂直，被起偏器阻止而不能夠通過。因此，在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓饪梢垣@得高損耗傳輸。3.偏振無關(guān)型光隔離器上述光隔離器是偏振相關(guān)光隔離器，由于光纖通信中光波的偏振態(tài)是隨機變化的，因此需采用偏振無關(guān)光隔離器。

Wedge型偏振無關(guān)光隔離器如圖3.2所示。其中P1與P2是以光軸夾角為45°放置的楔型雙折射晶體，F(xiàn)R是45°的非互易磁致法拉第旋光器。自輸入光纖來的入射光被光纖準直器耦合為準直平行光，通過P1后光束被分為兩束具有不同的折射方向與偏振方向的線性偏振光，當它們經(jīng)過45°法拉第旋轉(zhuǎn)器時，

由P1出射的o光和e光的振動面各自向同一個方向旋轉(zhuǎn)45°夾角，所以o光和e光通過P2后又被折射到一起，合成兩束間距很小的平行光，并被準直透鏡耦合到輸出光纖里。根據(jù)這個過程，來自輸入光纖的光信號被高效地傳送給輸出光纖而幾乎不依賴于輸入光的偏振狀態(tài)；由于法拉第效應(yīng)的非互易性，當光束反向傳輸時，到達P1斜面上的光與正向傳輸時的對應(yīng)的偏振方向相互旋轉(zhuǎn)了90°，相當于經(jīng)過一個渥拉斯頓棱鏡，出射的兩束偏振光線被P1進一步分開了一個較大的角度，被斜面透鏡偏折，而不能耦合進輸入光纖，從而達到反向隔離的目的。圖3.2偏振無關(guān)型光隔離器3.光隔離器的主要技術(shù)指標（1）插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號功率為Pi，經(jīng)過光隔離器后的功率為Po,則插入損耗IL為(3.2)

顯然，其值越小越好。光隔離器的插入損耗來源于偏振器、法拉第旋轉(zhuǎn)器等各部分的插入損耗。

（2）回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對入射光信號的衰減?；夭〒p耗RL為(3.3)

其中，Pi為正向輸入光隔離器的光信號功率，Pr為返回輸入端口的光功率。

（3）隔離度是指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的損耗。有(3.4)

其中，P′i為反向輸入光隔離器的光信號功率，P′o為反向通過光隔離器的光功率。顯然，其值越大越好。

（4）偏振相關(guān)損耗（PDL）是指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量。它是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標。（5）偏振模色散（PMD）是指通過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。一般情況下，光通信系統(tǒng)對光隔離器的主要技術(shù)指標要求為：插入損耗≤1.0dB；隔離度≥35dB；回波損耗≥50dB；PDL≤0.2dB；PMD≤0.2ps。3.1.2光環(huán)形器光環(huán)行器是一種多端口非互易光學器件，它的典型結(jié)構(gòu)有N（N大于等于3）個端口，如圖3.3所示，當光由端口1輸入時，光幾乎毫無損失地由端口2輸出，其它端口處幾乎沒有光輸出；當光由端口2輸入時，光幾乎毫無損失地由端口3輸出，其它端口處幾乎沒有光輸出，以此類推。這N個端口形成了一個連續(xù)的通道。嚴格地講，若端口N輸入的光可以由端口1輸出，稱為環(huán)行器，若端口N輸入的光不可以由端口1輸出，稱為準環(huán)行器；通常人們并不在名稱上做嚴格區(qū)分，一般都稱為環(huán)行器，在本書中，我們也將它們統(tǒng)稱為環(huán)行器。圖3.3光環(huán)形器示意圖

光環(huán)形器的非互易性使其成為雙向通信中的重要器件，它可以完成正反向傳輸光的分離任務(wù)。光環(huán)形器在光通信中單纖雙向通信、上/下話路、合波/分波及色散補償?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。圖3.4為光環(huán)形器用于單纖雙向通信的例子。圖3.4光環(huán)形器用于單纖雙向通信示意圖

光環(huán)行器的實現(xiàn)方案很多，分透射式和反射式兩大類，下面結(jié)合一種透射式光環(huán)行器介紹光環(huán)行器的原理。圖3.5為一種光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)示意圖在兩個正交平面上的投影。這是一個有4個端口的光環(huán)行器，為了提高光的耦合效率，每個端口均有光纖準直器。環(huán)行器由分束/合束鏡1、偏振旋轉(zhuǎn)鏡1、光束變換器、偏振旋轉(zhuǎn)鏡2、分束/合束鏡2組成。其中，分束/合束鏡為雙折射平行平板，它將任意狀態(tài)的輸入光分解成兩束偏振方向垂直的偏振分量，如圖3.6所示。

假設(shè)雙折射平行平板的光軸平行于紙面，當一束任意偏振方向的光束照射在該平板上，其垂直于紙面的偏振分量將直接通過平板，平行于紙面的偏振分量將橫向平移，通常將這兩個分量光束所在的平面稱為走離平面，將這兩個光束的分離量稱為走離量，將偏振方向平行于光軸的光束的位移方向稱為走離方向。這兩個分束/合束鏡的走離方向相同，走離量相等。偏振旋轉(zhuǎn)鏡沿光束走離方向分成兩部分，

將來自分束/合束鏡的兩束光變成偏振方向相同的光束，并將發(fā)往分束/合束鏡的兩束光變成偏振方向垂直的光束，偏振旋轉(zhuǎn)鏡的每一部分都為90°非互易旋轉(zhuǎn)器，由45°法拉第旋轉(zhuǎn)器和一個λ/2波片組成。90°非互易旋轉(zhuǎn)器的一種結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖3.8（a）是一束偏振光沿z方向通過該旋轉(zhuǎn)器時偏振態(tài)的變化情況；圖3.8（b）是一束偏振光沿-z方向通過該旋轉(zhuǎn)器時偏振態(tài)的變化情況。顯然正方向通過的光的偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°，反方向通過的光的偏振方向不變。光束變換器為雙折射晶體平行平板。

圖3.5透射式光環(huán)行器結(jié)構(gòu)示意圖(a)在x―z平面上的投影；(b)在y―z平面上的投影圖3.6分束/合束鏡圖3.790°非互易旋轉(zhuǎn)器的一種結(jié)構(gòu)圖3.8偏振光沿z方向通過旋轉(zhuǎn)器時偏振態(tài)的變化

(a)沿z軸；(b)沿-z軸

在該環(huán)行器中，光由端口1到端口2過程中光束偏振態(tài)和位置的變換情況如圖3.9（a）所示。由端口1輸入的光經(jīng)分束/合束鏡1后變成偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)鏡1后，偏振方向都變成沿y方向，再通過光束變換器后，光束偏振態(tài)和位置不發(fā)生變化，這兩束光通過偏振旋轉(zhuǎn)器2后，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向，最后由分束/合束鏡2合成一束光由端口2輸出。圖3.9環(huán)形器中光束偏振態(tài)和位置的變換

在該環(huán)行器中，光由端口2到端口3過程中光束偏振態(tài)和位置的變換情況如圖3.9（b）所示。由端口2輸入的光經(jīng)分束/合束鏡2后變成偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)鏡2后，偏振方向都變成沿x方向，再通過光束變換器后，光束偏振態(tài)不發(fā)生變化，但在x方向卻發(fā)生位置變化，這兩束光通過偏振旋轉(zhuǎn)器1后，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向，最后由分束/合束鏡1合成一束光由端口3輸出。

在該環(huán)行器中，光由端口3到端口4過程中光束偏振態(tài)和位置的變換情況如圖3.9（c）所示。由端口3輸入的光經(jīng)分束/合束鏡1后變成與偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)鏡1后，偏振方向都變成沿y方向，再通過光束變換器后，光束偏振態(tài)和位置不發(fā)生變化，這兩束光通過偏振旋轉(zhuǎn)器2后，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向，最后由分束/合束鏡2合成一束光由端口4輸出。

光環(huán)形器的技術(shù)指標包括插入損耗、隔離度、串音、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散及回波損耗等。光環(huán)形器的插入損耗、隔離度、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散的定義與光隔離器的基本相同，只不過對環(huán)形器而言，均指具體的兩個相鄰端口之間的指標，如端口1、2之間的或端口2、3之間的插入損耗、PDL、PMD等。光環(huán)形器的串音指兩個不相鄰端口之間理論上不能接收到光信號但實際中由于種種原因而接收到的功率以dB表示的相對值，如端口1輸入信號時，在端口3接收到的功率相對于輸入功率的dB值。3.2光纖的連接3.3.1光纖活動連接器光纖活動連接器是連接兩根光纖或光纜使其成為光通路可以重復裝拆的活接頭。它常被用于光源到光纖、光纖到光纖以及光纖與探測器之間的連接。在光纖通信系統(tǒng)、光信息處理系統(tǒng)、光學儀器儀表中，光纖活動連接器的使用非常廣泛。因此實用的連接器必須具備損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復性和互換性好以及價格低廉等優(yōu)點，

還要求能承受機械振動和沖擊，適應(yīng)一定的溫度和濕度環(huán)境條件。另外，光纖活動連接器還需要有裝拆時防止雜質(zhì)污染的保護措施。光纖活動連接器的種類五花八門，式樣繁多。光纖活動連接器可分為單芯型和多芯型，單芯型光纖活動連接器用于單根光纖之間的連接，多芯型光纖活動連接器用于多根光纖之間的連接。光纖活動連接器也有多模和單模之分，單模光纖之間的連接需采用單模光纖活動連接器，多模光纖之間的連接需采用多模光纖活動連接器。

對于單芯型的光纖活動連接器，其結(jié)構(gòu)可分為調(diào)心型和非調(diào)心型,所謂調(diào)心型是指光纖活動連接器內(nèi)部裝有調(diào)心機構(gòu),它可調(diào)整光纖纖芯的位置,使之達到最佳耦合,非調(diào)心型光纖活動連接器內(nèi)部沒有調(diào)心機構(gòu),它靠光纖活動連接器結(jié)構(gòu)組件之間的精密配合來達到最佳耦合,常用的非調(diào)心型結(jié)構(gòu)有以下幾種：套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V形槽結(jié)構(gòu)、微透鏡結(jié)構(gòu)以及自聚焦透鏡結(jié)構(gòu)等。按連接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式。各種活動連接器的基本結(jié)構(gòu)和特點列于表3.1中。

表3.1光纖活動連接器

單模光纖的模場直徑約為10μm，為了減少損耗，被光纖活動連接器連接的兩根光纖的同軸度須小于1μm?？梢姡饫w活動連接器的加工精度要求很高，需要超精細加工技術(shù)，包括機械切削加工和光學冷加工工藝技術(shù)來加以保證。常用的套筒結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，一是套筒，二是插針。套筒和插針都是精密的機械結(jié)構(gòu)和光學結(jié)構(gòu)，它們精密配合在一起，確保了光纖間的對準，使絕大部分的光能夠從一根光纖傳遞到另一根。插針是連接器中的關(guān)鍵部件，其作用是將光纖固定在其中保護起來，并使套筒中的光纖對準，

其結(jié)構(gòu)有三棒或四棒結(jié)構(gòu)等。不管何種插針結(jié)構(gòu)，都應(yīng)使光纖外徑與插針管內(nèi)徑匹配不留間隙。插針端面設(shè)計有各種形狀，如平面式（FC型）、球面式（PC型）、8°斜面式（APC）和超級球面式（UPC）。一般來說，為減少插入損耗，光纖端面之間距離要很小，為減少端面上的菲涅爾反射，端面上都鍍有光學增透膜層。上述連接器的插針和套筒可用不銹鋼、硬質(zhì)合金制作，也可用陶瓷材料制作。陶瓷材料比合金較為優(yōu)越，因為陶瓷材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，線膨脹系數(shù)很小，且與石英光纖的線膨脹系數(shù)接近，容易吻合。此外，實驗證明陶瓷插針和套筒的活動連接器的插拔次數(shù)在幾千甚至上萬次，也就是說使用壽命很長。

光纖活動連接器的主要性能指標有：

(1)插入損耗：因接入光纖活動連接器對光信號帶來的附加損耗，一般在0.5dB以下。

(2)重復性：即每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于±0.1dB。

(3)互換性：是指同一種連接器不同插針替換時損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于±0.1dB。

(4)插拔次數(shù)：連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔的次數(shù)，一般應(yīng)在千次以上。(5)回波損耗：指對來自于光纖耦合面的反射光的損耗，一般應(yīng)大于45dB。

(6)工作溫度：在工作溫度范圍內(nèi)（一般在-25～＋70℃范圍內(nèi)），連接器的損耗變化量應(yīng)在±0.2dB范圍內(nèi)變化。光纖連接時，產(chǎn)生的損耗主要來自制造技術(shù)和光纖本身的不完善。光纖的橫向錯位、角度傾斜、端面間隙、端面形狀、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差異和光纖的橢圓度、偏心度等都會影響連接質(zhì)量。其中,軸心錯位和間隙造成損耗影響最大,如圖3.10所示。圖3.10影響光纖連接質(zhì)量的幾種因素

在眾多的光纖活動連接器中，使用最廣泛的是非調(diào)心型對接耦合式光纖活動連接器。表3.2、表3.3介紹了幾種典型的國產(chǎn)單模光纖活動連接器、多模光纖活動連接器的主要性能指標。表3.2單模光纖活動連接器性能指標

表3.3多模光纖活動連接器性能指標

實際當中，光纖連接器多采用類似圖3.11所示的方式表示。指定一個光纖連接器必須確定光纖的模式類型（單模還是多模）、接頭的類型、連接器所連光纖的長度以及光纖外徑的尺寸。例如OFC―S―FC/PC―30―10表示單模光纖活動連接器、FC/PC型接頭、光纖外直徑3mm、長度10m。OFC―M―FC/PC―09―05表示多模光纖活動連接器、FC/PC型接頭、光纖外直徑0.9mm、長度5m。圖3.11光纖連接器的表示

以上所述各種符號表示：（1）光纖端面為平面型連接器（FC、APC型）。這種連接器也可用□□／FC、□□/APC表示。分母FC指內(nèi)部光纖的端面是平面形，分母APC指內(nèi)部光纖是8°傾斜平面形。它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、制造容易的優(yōu)點。缺點是插入損耗大，F(xiàn)C的回波損耗小，對沾污較敏感。分子□□表示其外部連接方式，□□為FC時，套管為金屬件，固定方式是卡口螺旋式；□□為SC時，外部連接方式是插拔耦合式，外殼是矩形，操作十分方便，適合于大量接頭連接。

（2）光纖端面為凸球面形連接器（PC、UPC型）。這種連接器也可用□□／PC、□□／APC表示。分母PC指內(nèi)部光纖端面為凸球面形物理端面接觸，分母UPC指內(nèi)部光纖端面為超級凸球面形。它們的結(jié)構(gòu)復雜、制造不易，但其插入損耗小，回波損耗大，對沾污不敏感，其外部連接與FC型相同。（3）多芯光纖連接器。這種連接器，由于利用了透鏡的聚焦和準直作用，光纖之間的光耦合比較容易，因而對機械的加工可以放寬要求。3.3.2光纖的熔接光纖的固定連接是指一對光纖之間形成永久性的連接，這種連接用于不需要拆卸或重復使用的場合。光纖的固定連接方法有熔接法、V型槽法、毛細管法等。熔接法在實際中應(yīng)用最為普遍，是光纖通信干線中光纖連接的主要方法，它是利用電弧放電、氫焰或激光等方法加熱從而將光纖熔融結(jié)合在一起。電弧放電是熔接法中應(yīng)用最廣的方法。利用電弧放電進行光纖熔接的設(shè)備稱為光纖熔接機。光纖熔接機由光纖的準直與夾持機構(gòu)、光纖對準機構(gòu)、電弧放電機構(gòu)以及控制機構(gòu)等四部分構(gòu)成，如圖3.12所示。圖3.12光纖熔接機結(jié)構(gòu)框圖

同活動連接一樣，光纖端面的質(zhì)量與光纖纖芯之間的位置都會對熔接的質(zhì)量帶來影響。進行光纖熔接之前，需要對光纖進行處理，利用光纖剝皮鉗去掉光纖外的套塑層，利用光纖切割刀切割光纖端面，達到端面平整，并使端面與光纖軸線垂直，偏差小于1°。光纖熔接時，將制造好端面的光纖放入準直與夾持機構(gòu)中固定，通過手動或自動裝置使纖芯在空間三個方向上移動，保證需要熔接的兩根光纖完全對準，消除纖芯的橫向錯位、角度偏差，并將端面之間的間距調(diào)整到預定大小。

根據(jù)光纖的類型，選擇合適的放電電流、放電時間，進行電弧放電，對端面加熱，實現(xiàn)光纖的熔接。熔接結(jié)束后加熱縮管對光纖熔接處進行保護。熔接機的電弧放電由兩根電極完成。電極由鉬絲制成，電極尖端為30°~40°尖角，電極之間間隙為1~2mm，電弧放電多采用20kHz的高頻電源，放電電壓為2000~4000V，放電電流為15~20mA。

3.3

光衰減器和光開關(guān)

3.3.1

光衰減器光衰減器是用來穩(wěn)定地、準確地減小信號光功率的無源器件。它是光功率調(diào)節(jié)所不可缺少的器件。實用光衰減器衰減光功率的工作機理主要有三種，如表3.4所示：表3.4

光衰減器

（1）耦合型光衰減器。它是通過輸入、輸出光束對準偏差的控制來改變光耦合量的大小，從而達到改變衰減量的目的。（2）反射型光衰減器。它是在玻璃基片上鍍反射膜作為衰減片。光透過衰減片時主要是反射和透射。由膜層厚度的不同來改變反射量的大小，從而達到改變衰減量的目的。為了避免反射光的再入射影響衰減器性能的穩(wěn)定，光線不能垂直入射到衰減片上，需將兩塊衰減片按一定傾斜角對稱地排列為八字形。

（3）吸收型光衰減器。它是采用光學吸收材料制成的衰減片，對光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光線可垂直入射到衰減片上，從而可簡化結(jié)構(gòu)和工藝，使器件體積和重量變得較小。光衰減器按其衰減量的變化情況可分為三種類型：固定式衰減器，即衰減量一定；步進可變式衰減器，即階躍式可變，如5步進式的，每步為10dB，即10dB×5；以及連續(xù)可變式衰減器，如0～60dB。光衰減器的主要技術(shù)指標是：插入損耗、衰減量變化范圍、精度以及溫度的影響。3.3.2光開關(guān)光開關(guān)是一種光路控制器件，起著進行光路切換的作用，可以實現(xiàn)主/備光路切換，光纖、光器件的測試等，在光纖通信中有著廣泛的應(yīng)用。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展和密集波分復用技術(shù)的應(yīng)用，全光網(wǎng)成為未來光纖通信系統(tǒng)的方向。光開關(guān)的這種光路切換功能可以用來實現(xiàn)光交換，實現(xiàn)全光層次的路由選擇、波長選擇、光交叉連接、自愈保護等功能。光開關(guān)已成為構(gòu)建新一代全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件。

光開關(guān)的主要性能參數(shù)包括：

(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，對其交換矩陣大小要求也不同。隨著通信業(yè)務(wù)需求的急劇增長，光開關(guān)的交換能力也需要大大提高，如在骨干網(wǎng)上要有超過1000×1000的交換容量。對于大交換容量的光開關(guān)，可以通過較多的小光開關(guān)疊加而成。(2)交換速度。交換速度是衡量光開關(guān)性能的重要指標。交換速度有兩個重要的量級，當從一個端口到另一個端口的交換時間達到幾個毫秒時，對因故障而重新選擇路由的時間已經(jīng)夠了。如對SDH/SONET來說，因故障而重新選路時，50ms的交換時間幾乎可以使上層感覺不到。當交換時間達到納秒量級時，可以支持光互聯(lián)網(wǎng)的分組交換，這對于實現(xiàn)光互聯(lián)網(wǎng)是十分重要的。(3)損耗。當光信號通過光開關(guān)時，將伴隨著能量損耗，包括插入損耗、回波損耗等。光開關(guān)損耗產(chǎn)生的原因主要有兩個：光纖和光開關(guān)端口耦合時的損耗和光開關(guān)自身材料對光信號產(chǎn)生的損耗。一般來說，自由空間交換的光開關(guān)的損耗低于波導交換的光開關(guān)。如液晶光開關(guān)和MEMS光開關(guān)的損耗較低，大約1～2dB。而鈮酸鋰和固體光開關(guān)的損耗較大，大約4dB左右。損耗特性影響到了光開關(guān)的級聯(lián)，限制了光開關(guān)的擴容能力。(4)消光比。消光比是描述光開關(guān)導通與非導通狀態(tài)通光能力差別的主要指標，即兩個端口處于導通和非導通狀態(tài)時的插入損耗之差。

(5)交換粒度。根據(jù)不同的光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，對交換的需求和光域內(nèi)使用的交換粒度也有所不同。交換粒度可分為三類：波長交換、波長組交換和光纖交換。交換粒度反映了光開關(guān)交換業(yè)務(wù)的靈活性。這對于考慮網(wǎng)絡(luò)的各種業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)保護和恢復具有重要意義。

(6)升級能力?；诓煌砗图夹g(shù)的光開關(guān)，其升級能力也不同。一些技術(shù)允許運營商根據(jù)需要隨時增加光開關(guān)的容量。很多開關(guān)結(jié)構(gòu)可容易地升級為8×8或32×32，但卻不能升級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)可靠性。光開關(guān)要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在某些極端情況下，光開關(guān)可能需要完成幾千幾萬次的頻繁動作。有些情況（如保護倒換），光開關(guān)倒換的次數(shù)可能很少，此時，維持光開關(guān)的狀態(tài)是更主要的因素。如噴墨氣泡光開關(guān)，如何保持其氣泡的狀態(tài)是需要考慮的問題。

很多因素會影響光開關(guān)的性能，如光開關(guān)之間的串擾、隔離度、消光比等都是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。當光開關(guān)進行級聯(lián)時，這些參數(shù)將影響網(wǎng)絡(luò)性能。光開關(guān)要求對速率和業(yè)務(wù)類型保持透明。實現(xiàn)光開關(guān)的方法很多，各有特點，適用于不同的場合。依據(jù)不同的光開關(guān)原理，光開關(guān)可分為：機械光開關(guān)、熱光開關(guān)、電光開關(guān)和聲光開關(guān)。依據(jù)光開關(guān)的交換介質(zhì)來分，光開關(guān)可分為：自由空間交換光開關(guān)和波導交換光開關(guān)。

目前，常用的光開關(guān)有以下幾種：MEMS光開關(guān)、噴墨氣泡光開關(guān)、熱光效應(yīng)光開關(guān)、液晶光開關(guān)、全息光開關(guān)、聲光開關(guān)、液體光柵光開關(guān)、SOA光開關(guān)等。在3.7節(jié)中我們將介紹波導開關(guān)的原理，下面我們結(jié)合具體的例子介紹其它幾種光開關(guān)的實現(xiàn)方法和特點。1.機械式光開關(guān)機械式光開關(guān)是通過機械運動實現(xiàn)不同光纖端口之間的相對連接，解決的辦法無非是相對移動光纖或相對移動光學元件。為了達到低插入損耗，必須使兩連接的光纖端口間保持一定的橫向位置、縱向位置及角位置關(guān)系，因此在光開關(guān)的設(shè)計中必須考慮采用何種機械運動可以達到特性要求。另外光開關(guān)的速度也是應(yīng)用中的一個重要技術(shù)指標，提高光開關(guān)的速度也是光開關(guān)設(shè)計中追求的目標。在光開關(guān)的設(shè)計中還要考慮降低成本，只有高性價比的產(chǎn)品才能得到市場的歡迎。圖3.13為一種機械式光開關(guān)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，光纖C在機械驅(qū)動裝置的驅(qū)動下分別實現(xiàn)與光纖A或光纖B的連接。

圖3.13機械式光開關(guān)3.微機械式光開關(guān)（MEMS）微機械式光開關(guān)可以看成是機械開關(guān)的微小尺寸實現(xiàn)，由于機械部件的尺寸大幅度縮小和其質(zhì)量大幅度降低，這對于提高控制速度、縮小器件體積、增加集成度具有重要意義。同時，微機械式光開關(guān)中各部件的運動驅(qū)動及控制也與傳統(tǒng)方式發(fā)生了重大變化。在微機械式光開關(guān)中，微部件的控制主要采用電磁方式來實現(xiàn)。

圖3.14為一個二維8×8微機械開關(guān)的實現(xiàn)原理圖。其中，反射鏡S53實現(xiàn)X5端口與Y3端口的連接，反射鏡S78實現(xiàn)X7端口與Y8端口的連接，反射鏡S17實現(xiàn)X1端口與Y7端口的連接。反射鏡在該開關(guān)結(jié)構(gòu)中起著最核心的作用，它的驅(qū)動可以采用靜電方式，也可以采用電磁感應(yīng)方式，反射鏡可以以升降式工作，也可以反轉(zhuǎn)式工作。目前靜電方式驅(qū)動的作用力較低，電磁感應(yīng)方式驅(qū)動存在屏蔽、封裝及可靠性等問題。由于二維微機械開關(guān)的集成規(guī)模有限，大端口數(shù)的微機械開關(guān)通常采用三維方式，具體原理與二維方案類似，在這里就不重述。目前二維微機械開關(guān)的插入損耗可低于4dB，開關(guān)時間小于10ns。圖3.14微機械式光開關(guān)(MEMS)3.液晶光開關(guān)液晶是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，它具有光學各向異性晶體所特有的雙折射性，既有液體的流動性和連續(xù)性，又有分子排列的方向性。液晶分子有較強的電偶極矩，在外電場作用下易于極化；其分子間的作用力比固體弱，容易呈現(xiàn)各種狀態(tài)，而且多數(shù)在介電常數(shù)、折射率、磁化等方面顯示出較大的各向異性。因此，通過微小的外部能量——電、磁、熱等就能實現(xiàn)分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的電、光、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。液晶材料用于光開關(guān)，正是利用了它的光學特性隨電場改變的這一特性，稱為液晶的電光效應(yīng)。

大部分液晶光開關(guān)是基于對偏振的控制，一路偏振光被反射，而另一路可以通過。通過用外電場控制液晶分子的取向，可以實現(xiàn)開關(guān)功能，如圖3.15所示。在液晶盒內(nèi)裝著相列液晶，通光的兩端安置兩塊透明的電極。未加電場時，液晶分子沿電極平板方向排列，與液晶盒外的兩塊正交的偏振片P和A的偏振方向成45°，如圖3.15(a)。這樣液晶具有旋光性，入射光通過起偏器P先變?yōu)榫€偏光，經(jīng)過液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋光和右旋光，兩者的折射率不同（速度不同），

圖3.15液晶光開關(guān)工作原理(a)導通狀態(tài)；(b)關(guān)閉狀態(tài)

有一定相位差，在盒內(nèi)傳播盒長距離L之后，引起光的偏振面發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，因此不受檢偏器A阻擋，器件為開啟狀態(tài)。當施加電場E時，液晶分子平行于電場方向，因此液晶不影響光的偏振特性，此時光的透射率接近于零，處于關(guān)閉態(tài)，見圖3.15（b）。撤去電場由于液晶分子的彈性和表面作用又恢復到原開啟態(tài)，從而實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的變換。液晶光開光的優(yōu)點在于，理論上網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)性比較好，但目前最大端口數(shù)較少（2001年的報道為80），

因此許多公司認為液晶設(shè)備更適合用于較小的交換系統(tǒng)中。由于在液晶中，光被分成偏振方向不同的兩束光，在最后把它們合起來，因此兩束光的傳播路徑稍有不同，便會產(chǎn)生插入損耗，同時，開關(guān)速度可能也是個問題。有的廠商希望通過加熱液晶來加快開關(guān)速度，但不可避免地使設(shè)備的功耗增加。

3.氣泡式光開關(guān)安捷倫公司結(jié)合熱噴墨打印和硅平面光波導兩種技術(shù)，開發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)，如圖3.16所示。他們把這種技術(shù)稱為“光子交換平臺”。這種光開關(guān)由許多交叉的硅波導和經(jīng)過交叉點的溝道組成，溝道中填充特定的折射率匹配液。缺省條件下，入射光可沿著波導無交換地傳輸。當需要交換時，一個熱敏硅片會在液體中波導交叉點處產(chǎn)生一個氣泡，氣泡將入射波導中的光信號全部反射至輸出波導，以實現(xiàn)光路的選擇、轉(zhuǎn)換。

圖3.16氣泡開關(guān)(a)無光路交換；(b)光路交換

噴墨打印技術(shù)的引入主要反映在對氣泡產(chǎn)生的精密控制上。氣泡由封閉的系統(tǒng)控制，因此不會溢出，通過控制蒸氣壓，使其保持液、氣體能共存的溫度和壓力狀態(tài)。噴墨氣泡光開關(guān)本身沒有可移動部分，可靠性較好，同時具有偏振不敏感性，因此具有小的極化損耗與極化模色散，且具有低損耗、低串擾和小于-50dB的高消光比。目前，安捷倫公司已制造出32×32光開關(guān)子系統(tǒng)，損耗為4.5dB，開關(guān)交換響應(yīng)時間小于10ms，可以用于光纖的保護倒換。由于使用已有的技術(shù)，故其成本不高，同時具有較好的擴展性。

噴墨氣泡光開關(guān)有兩個重要因素要考慮：（1）如何很好地控制光開關(guān)的狀態(tài)，如光開關(guān)頻繁動作或長期維持氣泡狀態(tài)。（2）噴墨氣泡光開關(guān)封裝后，其內(nèi)部材料和液體的生存時間問題（如典型的20年）。3.4光纖耦合器

光纖耦合器是一種能使傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行再分配的器件。在耦合的過程中，信號的頻譜成分沒有發(fā)生變化，變化的只是信號的光功率。光耦合器從端口形式上劃分，包括X形（2×2）耦合器、Y形（1×2）耦合器、星形（N×N，N>2）耦合器、樹形（1×N，N>2）耦合器等。

光纖耦合器可以從傳輸線路中提取出一定的功率，實現(xiàn)對線路的監(jiān)控；也可以用于光纖CATV、光纖用戶網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）、光纖傳感等領(lǐng)域，實現(xiàn)信號的組合與分配。從分光和耦合的原理上看，光分路耦合器大體上可分為兩種類型：一類是采用光學分束原理；另一類是利用消逝場耦合原理。表3.5列出了這兩類光分路耦合器中幾種結(jié)構(gòu)示意圖。為了與纖芯較細的光纖耦合，采用光學分束技術(shù)的光分路耦合器一般都含有微型分光和聚光光學器件。微型聚光光學器件起聚光、耦合的作用，其主要是微透鏡、微透鏡陣列、自聚焦棒。

微型分光光學器件起分光和合光的作用，其主要是鍍有半透半反光光學膜層的分光鏡或是直接在表面上鍍光學膜的聚光光學器件。采用消逝場耦合的光分路耦合器一般都含有重疊在一起的兩根或多根光波導，光能通過兩纖芯之間電磁場重疊從一根光纖傳輸?shù)搅硪桓饫w。由于光纖消逝場是一個按指數(shù)規(guī)律衰減的場，因此兩芯光纖的纖芯必須靠得很近，這樣有利于耦合效率的提高。由于光纖尺寸很小，不易與光學元件耦合，因此實用化的光分路耦合器大都是利用消逝場原理制成的。

在表3.5中所列的采用熔融拉制法制造的光纖星形耦合器是一種重要的器件。它是將兩根或多根裸光纖，在高溫熔融狀態(tài)下，擰絞成麻花狀并向兩邊拉伸而制成的。其中間腰部細而兩頭發(fā)散，故稱雙錐體。它的工作原理是這樣的：在雙錐體的前半部，隨著光纖逐漸變細，原來在光纖中傳播的芯模逐漸變成包層模并向前傳播。在雙錐區(qū)光信號發(fā)生了光耦合。在雙錐體后半部分，隨著光纖逐漸變粗，包層模又逐漸轉(zhuǎn)換為芯模，使光功率按比例分配到各個光纖中。光纖星形耦合器的主要參數(shù)有：

（1）插入損耗。它是耦合器總的功率衰減量。定義為(3.5)

其中，Poi為對應(yīng)于輸入端第m根光纖中輸入光功率

Pim時，輸出端第i根光纖的輸出光功率。n為光纖星形耦合器輸出端的光纖根數(shù)。

（2）均勻性。它是表示耦合器輸出各端口的功率與功率平均值最大偏差。偏差越小，則光功率分配越均勻。其定義如下：(3.6)

其中，Pimax為對應(yīng)于輸入端某根光纖中輸入光信號時，n個輸出端中最大的輸出光功率，而P

imin為最小的輸出光功率。均勻性越小，則表示輸出端越均勻。

（3）方向性。它是表示在輸入端主光纖傳輸方向與任一根非主光纖非傳輸方向上的功率比。方向性常用光隔離度來表示，它定義為其中，Pim為輸入端第m根光纖的輸入光功率，Pib為輸入端除第m根光纖之外任意第b根光纖的后向傳輸光功率。(3.7)

（4）分光比。它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，具體應(yīng)用中常用相對輸出總功率的百分比來表示，如50∶50、80∶20、25∶25∶25∶25等，或用各端口之間輸出功率之比表示，如1∶1、4∶1、1∶1∶1∶1等。除此之外，還有偏振相關(guān)損耗、偏振模色散等。表3.6、3.7給出了某公司單模光纖星形耦合器及樹形耦合器的性能指標，圖3.17給出了相應(yīng)的產(chǎn)品表示形式。對于光纖耦合器必須說明其輸入/輸出端口數(shù)目、工作波長、連接器類型等。例如SSC―B―04―131―FC/PC表示B級、4×4端口、工作波長為

1310nm、FC/PC連接器輸入輸出的單模光纖星形耦合器。表3.6單模光纖星形耦合器性能指標表3.7

單模光纖樹形耦合器性能指標

圖3.17光纖耦合器的表示3.5光

纖光柵

光纖光柵是利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導結(jié)構(gòu)直接做在光纖上形成的光纖波導器件。根據(jù)特定的光柵結(jié)構(gòu)，光纖光柵可以作成濾波器、反射器、色散補償器等。利用光纖光柵可以制成滿足各種光纖通信要求的有源和無源器件。由于光纖光柵器件易于與光纖連接，對偏振不敏感（適應(yīng)光纖中光偏振態(tài)的隨機變化），因此，在光纖通信中與其它光波導器件相比有著明顯的優(yōu)勢。

光纖中的光敏特性于1978年由Hill等人首次發(fā)現(xiàn)并成功用于研制高反射率布拉格光柵濾波器，1989年Meltz提出的橫向?qū)懭胫圃旆椒癏ill等人于1993年提出的相位掩模制造法使光纖光柵的制造技術(shù)得到重大發(fā)展，使得光纖光柵的大批量制造成為可能，之后，光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没?。光纖光柵器件在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，被認為是繼摻餌光纖放大器（EDFA）技術(shù)之后光纖技術(shù)發(fā)展的又一重大突破。本節(jié)首先介紹光纖光柵器件的形成機理、制造方法及工作原理，然后探討光纖光柵器件的應(yīng)用。3.5.1光纖的光敏特性光纖光柵是根據(jù)光纖的光敏特性制成的。所謂光纖的光敏特性是指光纖的折射率在紫外光照射下，隨光強發(fā)生變化的特性。光纖的這種光致折射率變化具有穩(wěn)定性，可保持永久性不變等特點，因此，利用紫外光就可以將一些特定的光波導結(jié)構(gòu)寫入光纖中，形成光纖型光波導器件。光纖光敏特性的動力學機理現(xiàn)在尚未完全研究清楚，較為普遍的觀點是，由于誘導光（紫外光）的作用，光纖中原子的某些鍵被破壞，

產(chǎn)生的自由電子進入光纖材料的色心陷阱中，從而改變了光纖的吸收、散射等光學特性，出現(xiàn)了折射率的變化；另外，在光照射過程中，光纖材料結(jié)構(gòu)釋放誘導應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)、形狀的畸變等也導致了折射率的變化。這種光折變效應(yīng)主要發(fā)生在近紫外波段。最初光致折射率變化出現(xiàn)在摻鍺光纖中，后來研究發(fā)現(xiàn)，具有光敏特性的光纖種類很多，有些是摻磷或硼，并不一定都摻雜，只是摻雜光纖的光敏特性更明顯。有時根據(jù)需要為了加大折射率的變化程度，就會選用高摻雜的光纖。3.5.2光纖光柵的制作基于光纖光柵的光敏特性，可以利用紫外光將特定的波導結(jié)構(gòu)寫入到光纖中，形成滿足各種應(yīng)用要求的光纖光柵器件。光纖光柵中波導結(jié)構(gòu)的特征尺寸一般在亞微米級，也有在幾十到幾百微米的。對于亞微米級的光柵結(jié)構(gòu)，一般只能用干涉的方法形成，對幾十到幾百微米的長周期結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)方法多些。Hill等最初研究光纖光柵時采用的是縱向?qū)懭敕?，即將激光從光纖端面耦合進光纖，經(jīng)過另一端面反射鏡反射，入射光與反射光相干形成駐波，由于光纖材料的光敏性，其折射率就會發(fā)生相應(yīng)的周期性變化，

形成光纖光柵。這種方法制作的光纖光柵的中心反射波長與寫入波長相同，由于可用光源極少，限制了它的應(yīng)用，目前一般不再采用。目前普遍采用的光纖光柵的制作方法是橫向?qū)懭敕?，即光從光纖側(cè)面照射來改變折射率分布，這種方法增加了光柵寫入的自由度，可以制作不同周期、不同長度、不同位置及不同形狀的光柵。光纖光柵的制作方法主要有雙光束干涉法、相位掩模法和逐點寫入法等。

1.雙光束干涉法如圖3.18所示，光纖放置于兩相干光束的干涉場中，干涉條紋與光纖垂直，光纖中就會產(chǎn)生光柵周期與干涉條紋周期相同的均勻光纖光柵，為

Λ=λ0/(2sinθ)，其中λ0為紫外光波長，θ為紫外光入射角?？梢?，改變光束的入射角θ就可以得到不同周期的光柵即靈活調(diào)節(jié)中心反射波長。缺陷是對光源的相干性要求較高，對制造環(huán)境要求極嚴，重復性差。圖3.18雙光束干涉法圖3.19相位掩模寫入法3.逐點寫入法這是一種非相干寫入技術(shù)。它利用聚焦光束在光纖上逐點曝光而形成光柵，每寫一個條紋，光柵移動一定距離，需用精密機構(gòu)控制光纖運動位移。通過控制光纖的移動，可以方便地控制光柵的周期。這種方法一般用于制造長周期光柵。3.5.3光纖光柵工作原理及特性光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)兩類，分別稱為均勻、非均勻光纖光柵。在亞微米級實現(xiàn)周期結(jié)構(gòu)比較容易，但要實現(xiàn)非周期結(jié)構(gòu)則有很大的局限性，非周期結(jié)構(gòu)一般由周期結(jié)構(gòu)經(jīng)某種方式演變而來。周期結(jié)構(gòu)器件制造簡單，其特性受到限制；非周期結(jié)構(gòu)制造困難，其特性容易滿足各種要求。光纖光柵從功能上可分為濾波型光柵和色散補償型光柵兩類，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵。

光纖光柵從本質(zhì)上講是通過波導與光波的相互作用，將在光纖中傳輸?shù)奶囟l率的光波，從原來前向傳輸?shù)南薅ㄔ诶w芯中的模式耦合到前向或后向傳輸?shù)南薅ㄔ诎鼘踊蚶w芯中的模式，從而得到特定的透射和反射光譜特性。光纖光柵中，光場與光波導之間的相互作用可用耦合模理論來描述。1.均勻光纖光柵最簡單的具有正弦結(jié)構(gòu)的濾波型光纖光柵，其折射率可以表示為(3.8)

其中，Λ為光柵周期，neff為有效模折射率，δn為折射率調(diào)制深度（一般情況下為10-5~10-2量級）。圖3.20均勻光纖光柵示意圖

如圖3.20所示，在光纖光柵中傳輸?shù)那跋蚝秃笙騼煞N模式間的耦合波方程為

式中，A+(z)、A-(z)為入射波和反射波的復振幅，δβ=β+-β--2π/Λ,β+

,β-為入射波和反射波的傳播常數(shù)，K=πδn/λB是耦合系數(shù)。λB=2neffΛ為布拉格波長，對于長度為L的光柵，有邊界條件

A+(0)=1，

A-(L)=0（3.10）解耦合方程式（3.9）可得光纖光柵的反射率R為（3.11）

其中，,而δβ=0時有最大反射率（3.12）

顯然，最大反射率所對應(yīng)的光波長(即布拉格波長)。式（3.11）給出的反射率分布用曲線形式表示如圖3.21所示。反射主峰帶寬近似有（3.13）N為光柵面?zhèn)€數(shù)?？梢娺@種濾波器的特性可通過調(diào)整光纖光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變。從反射率圖可以發(fā)現(xiàn)，均勻光纖光柵的反射譜線的主峰兩側(cè)有一系列的邊帶，這些邊帶會在傳輸中產(chǎn)生串擾，影響傳輸質(zhì)量。為了抑制邊帶譜線，采用一種稱之為變跡的方法，即對折射率進行幅度調(diào)制，使耦合系數(shù)隨光柵長度變化。常用的變跡函數(shù)有Gauss函數(shù)、Hamming函數(shù)和Blackman函數(shù)等。通過改變其耦合系數(shù)達到改變反射譜的目的。圖3.21均勻光纖光柵的反射率與(δβ)L的關(guān)系圖3.22

啁啾光纖光柵折射率分布3.線性啁啾光纖光柵如圖3.22所示，在均勻光纖光柵基礎(chǔ)上，使光柵周期沿光柵長度變化，即對相角進行角度調(diào)制，稱為啁啾光纖光柵。當光柵周期沿軸向線性變化時為線性啁啾光柵，其折射率可以表示為（3.14）

當光纖光柵為啁啾光柵時，光場的耦合模方程為（3.15）其中，K(z)為本地耦合系數(shù)，B(z)的表達式為（3.16）β為傳播常數(shù)，Ω(z)為光柵的本地空間頻率，對線性啁啾光柵，B(z)的表達式為

（3.17）

其中,F為啁啾系數(shù)，β0=Ω0/2為空間中心頻率。同樣，假設(shè)光柵的耦合區(qū)為［0，L］，有邊界條件A+(0)=1、A-(L)=0。一般情況下，方程沒有解析解，只有利用數(shù)值法對啁啾光柵的特性進行研究。圖3.23為δn=3×10-3

,F=40π的線性啁啾光柵耦合系數(shù)分別為常數(shù)和高斯函數(shù)時的反射譜線。可見，線性啁啾光柵的耦合系數(shù)也會影響到它的反射特性。

圖3.23線性啁啾光柵的反射譜線(a)耦合系數(shù)為常數(shù)；(b)耦合系數(shù)為高斯函數(shù)3.相移光纖光柵相移光柵是指兩相鄰區(qū)之間的光柵相位的變化是不連續(xù)的，即折射率分布不連續(xù)，如圖3.24(a)所示。相移光柵具有許多優(yōu)點，它可在反射譜阻帶中打開線寬極窄的一個或多個透射窗口,使得光柵對某一波長或多個波長有更高的選擇度、通過率，而且線寬可以隨相移點、相移量而變化。圖3.24(b)、(c)、(d)為在光柵中心不同相移量時的反射譜線。圖3.24相移光纖光柵及其反射譜線4.長周期光纖光柵一般均勻周期光纖光柵的周期均為零點幾個微米，長周期光纖光柵的周期遠遠大于一般的光纖光柵，可以達到幾百微米。由于它可將導波中某頻段的光耦合到包層中去，因此具有一些特殊的性能。應(yīng)用主要集中在EDFA的增益平坦和光纖傳感方面。如圖3.25為長周期光纖光柵的傳輸譜線。

隨著光纖光柵技術(shù)的發(fā)展，用均勻周期光柵實現(xiàn)的單純的反射型窄帶濾波器及線性啁啾光柵已不能滿足需要。近年來，各類非均勻周期光柵得到迅速發(fā)展，逐漸成為光纖光柵技術(shù)研究的一個熱點，一般通過改變光纖光柵的折射率分布進而改變耦合系數(shù)來控制反射譜的形狀。相移光柵和變耦合系數(shù)啁啾光柵是其中最主要的兩種。變耦合系數(shù)啁啾光柵不僅光柵周期隨光纖方向線性變化，而且耦合系數(shù)也隨光纖方向變化。變耦合系數(shù)啁啾光柵比線性啁啾光

柵具有更寬的反射帶寬，更強的色散補償能力。圖3.25長周期光纖光柵的傳輸譜3.5.4光纖光柵的應(yīng)用光纖光柵由于其與光纖傳輸介質(zhì)良好的兼容性，在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。

1.色散補償摻鉺光纖放大器的研制成功和商業(yè)化使未來的傳輸網(wǎng)擴容將主要依賴1.55μm波段的波分復用通信。而目前的通信網(wǎng)中有大量G.652光纖，在波長1550nm的色散值為

17ps/(nm·km)，因而未來通信網(wǎng)的擴容必須解決色散補償問題。一個有效的解決方法是應(yīng)用啁啾光纖光柵進行色散補償。

其基本原理是，在線性啁啾光柵中，光柵間距不等，不同頻率的光的反射位置不同，短的波長λs在近端反射，長的波長λl在遠端反射，從而有不同的時延，即出現(xiàn)色散（如圖3.26）。根據(jù)啁啾系數(shù)的符號可以產(chǎn)生正色散或負色散，而且簡單的將光柵濾波器反過來使用就可以改變色散的符號。這樣就可以對經(jīng)過光纖系統(tǒng)傳輸?shù)谋徽箤挼拿}沖進行色散補償，恢復脈沖原有形狀（如圖3.27）。圖3.26光纖光柵中的色散圖3.27光纖光柵用于通信系統(tǒng)的色散補償

根據(jù)啁啾光柵的耦合方程，線性啁啾光柵的反射系數(shù)的相移φ是光頻的函數(shù)，即有R=|R|exp(jφ)。由于光柵長度很短（典型值為幾個厘米），材料色散和波導色散很小，可以忽略不計，光纖光柵的色散為(3.18)

其中,n0為中心頻率時的折射率，Δ=δβL，稱為歸一化失調(diào)量。

利用數(shù)值方法可以計算不同啁啾系數(shù)F和耦合系數(shù)K時的反射率和色散值，在討論計算結(jié)果之前，先對色散值進行估算。對于給定的失調(diào)量Δ，入射光反射點位置為(3.19)

反射出的光的時延為兩倍的從入射到反射點距離除以群速，有(3.20)色散與時延τ有關(guān)系根據(jù)λ=2πn0/β，可以得到(3.22)(3.21)

圖3.28(a)是耦合系數(shù)為常數(shù)KL=2π,啁啾系數(shù)為F=40π的啁啾光柵的色散隨Δ變化的情況，可以看出存在振蕩現(xiàn)象，這是由于周期光柵具有明顯的邊帶，也會發(fā)生模式耦合，使一定失調(diào)量下的光波在光柵中的反射點發(fā)生偏移。同樣，利用變跡的方法，沿耦合區(qū)域逐漸改變耦合系數(shù)可以消除邊帶的影響，并使色散曲線平坦化。圖3.28(b)，為使用高斯變跡函數(shù)的啁啾光柵的色散曲線。

圖3.28線性啁啾光柵的色散(a)耦合系數(shù)為常數(shù)；(b)耦合系數(shù)為高斯函數(shù)

改變耦合系數(shù)可以消除邊帶的影響，并使色散曲線平坦化。圖3.28(b)，為使用高斯變跡函數(shù)的啁啾光柵的色散曲線。根據(jù)光纖光柵的色散量可以計算出可以補償?shù)墓饫w長度。光纖的色散為DLf，其中D為光纖的色散系數(shù)(pm/(nm·km))，Lf為光纖長度?？梢缘玫?3.23)

可以看出，光纖光柵濾波器可以補償?shù)墓饫w長度與其長度的平方成正比。3.EDFA的增益平坦

EDFA的增益譜線有很大的不平坦性，在1530nm和1560nm處有兩個增益峰，而且有用的增益帶寬只有幾十鈉米。必須對其增益進行均衡，把尖峰壓平，使其增益在較寬的頻譜范圍內(nèi)是平坦的，從而使波分復用系統(tǒng)中的各個工作波長處的功率差異不超出接收器的動態(tài)范圍。

利用光纖光柵可以實現(xiàn)對EDFA的增益均衡。一種是利用紫外寫入的閃耀光柵，選擇合適的閃耀角、周期等光柵參數(shù)，使光纖放大器的增益峰減小，即達到增益均衡。由于閃耀光柵中存在著后向反射，實際上更傾向于利用長周期光纖光柵來進行增益平坦。通過選擇適當?shù)墓鈻胖芷冢沟瞄L周期光柵將一定波長的光耦合至包層而迅速損耗掉，而且不存在反射，較好的用于EDFA的增益平坦。

利用光纖光柵可以實現(xiàn)對EDFA的增益均衡。一種是利用紫外寫入的閃耀光柵，選擇合適的閃耀角、周期等光柵參數(shù)，使光纖放大器的增益峰減小，即達到增益均衡。由于閃耀光柵中存在著后向反射，實際上更傾向于利用長周期光纖光柵來進行增益平坦。通過選擇適當?shù)墓鈻胖芷冢沟瞄L周期光柵將一定波長的光耦合至包層而迅速損耗掉，而且不存在反射，較好的用于EDFA的增益平坦。

圖3.29光纖光柵和環(huán)形器構(gòu)成的多波長分插復用器

多路波長信號λ1，λ2，…，λn進入環(huán)形器1的1端口，從其2端口輸出，經(jīng)過中心波長為λ1的光纖光柵，波長為λ1的信號被反射回去，進入環(huán)形器1的2端口，從環(huán)形器1的3端口輸出，即從多波長信號中的下話路λ1輸出。類似的，上話路信號λ1從環(huán)形器2的1端口輸入，從其2端口輸出，被光纖光柵反射回來又進入環(huán)形器2的2端口，從而與其它波長信號一起從環(huán)行器2的3端口輸出，實現(xiàn)上話路。

利用光纖光柵也可以構(gòu)造全光纖的多波長插分復用器，如圖3.30所示。圖中虛線左邊部分是由一個3dB耦合器和兩個完全相同的光纖光柵組成的Michelson干涉儀，虛線右邊連同第二個3dB耦合器構(gòu)成一個Mach―Zehnder干涉儀。當多波長信號P(λ1，λ2，…，λB，…，λn)進入端口1時經(jīng)耦合器分成強度相等的兩路信號，分別入射到兩個光纖光柵上，其中波長為λB的信號被光纖光柵反射回輸入端。調(diào)整兩臂之間的光程差，可使從端口1來的信號除λB外，全部從端口4輸出，如果由端口3輸入λB信號，經(jīng)由兩個光柵反射，同端口1來的信號合在一起從端口4輸出。

在端口1入射的兩部分信號通過光柵重新合并，出現(xiàn)在端口4′，端口3′達到無光功率出現(xiàn)，波長λB在端口2出現(xiàn)，余下波長出現(xiàn)在端口4′，從而實現(xiàn)分波。如果在端口1輸入P(λB)信號，在端口3′輸入P(λ1，λ2，…，λn)信號，復用信號P(λ1，λ2，…，λB，…，λn)就會出現(xiàn)在端口2上。圖3.30光纖光柵構(gòu)成的多波長分插復用器4.光纖激光器光纖激光器是人們很早就提出的一種適合于通信應(yīng)用的激光器，長期以來由于無法解決諧振腔問題而難以實現(xiàn)。光纖光柵的出現(xiàn)為光纖激光器的制造提供了解決辦法。利用光纖光柵帶通濾波器的反射性，可以構(gòu)成光纖激光器所需的諧振腔，實現(xiàn)光纖激光器。其工作原理如圖3.31(a)所示，它的優(yōu)點是光纖光柵的兼容性、輸出穩(wěn)定性和光譜純度要比半導體激光器好，有可能取代半導體激光器；同時具有較高的光輸出功率、極窄的線寬和較寬的調(diào)諧范圍。5.分布反饋式(DBF)激光器

如圖3.31(b)，將光纖光柵作為半導體激光器的外腔反射鏡，可以制作性能優(yōu)異的分布反饋式(DBF)激光器，不僅輸出激光的線寬窄，易于與光纖系統(tǒng)耦合，而且通過對光柵加縱向拉伸力，可以控制輸出激光的頻率和模式，即提供了一種可調(diào)諧的激光器。圖3.31光纖光柵用于激光器(a)光纖激光器；(b)DBF激光器6.光纖光柵傳感器光纖光柵可以用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等物理量的傳感測量。具有較高的靈敏度和測量范圍，適應(yīng)于高溫、高壓和危險性環(huán)境等，且可靠性高。其原理是，光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生變化影響到光纖光柵的折射率分布的變化，使其反射光的波長發(fā)生變化，通過測量變化前后反射光波長的變化就可以獲得外界的變化情況。在光纖若干個部位寫入不同柵距的光纖光柵，就可以同時測定若干部位相應(yīng)物理量及其變化，即實現(xiàn)分布式光纖傳感。如圖3.32所示，各光纖光柵不存在重疊的光譜反射。外界參數(shù)發(fā)生變化時會引起光柵的反射波長的漂移，通過檢測這種漂移就可以獲得外界參數(shù)的變化情況。圖3.32分布式光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光纖光柵由于其特殊的結(jié)構(gòu)和傳輸特性，在色散補償、濾波器、激光器和光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著光纖光柵技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖光柵將會在光纖通信及光纖傳感方面起到愈來愈重要的作用，具有更廣泛的應(yīng)用前景。3.6波分復用器件

波分復用器件是波分復用通信系統(tǒng)的核心光學器件。波分復用技術(shù)是在一根光纖中傳輸多個波長信號從而提高傳輸容量的一種技術(shù)。波分復用器件包含光分波器和光合波器，它的作用是將多個波長不一的信號光融入一根光纖或者將融合在一根光纖中的多個波長不一的信號光分路。

從原理上看，光分波器和光合波器是相同的。由光的互易性原理，只要將光分波器的輸出端和輸入端反過來就是光合波器。波分復用/解復用器主要有光柵型、干涉濾波片型、陣列光波導型和熔錐型四種基本形式。這些波分復用器件各有特點，下面分別介紹它們的原理。

3.6.1光柵型波分復用器光柵是指具有周期性透射或反射結(jié)構(gòu)的器件。當不同頻率的光照射到光柵上時，由于衍射效應(yīng)，其透射或反射光將以不同的空間角度傳播。利用光柵的衍射現(xiàn)象，就可將不同頻率的光在空間進行合波或分波，實現(xiàn)波分復用。光柵的種類很多，在光纖通信中，為減小器件的插入損耗，需采用閃耀光柵。閃耀光柵如圖3.33所示，其特點是能將大部分能量衍射到所需的能級上，器件插入損耗不隨復用信道數(shù)的增加而增加，但是，閃耀光柵制造困難，成本高。

圖3.34為透射型波分式光柵型復用器件原理圖。由光纖F1輸出的多個波長的光信號經(jīng)透鏡L1進行準直，然后用閃耀光柵器件將不同波長的光以不同的傳播方向進行分光，再由透鏡L2引入到相應(yīng)的光纖中，實現(xiàn)分波功能。反向使用即可實現(xiàn)光的合波。圖3.35為反射型波分復用器件原理圖，其工作原理與透射式相似。光柵型波分復用器目前已有商用化產(chǎn)品，但還沒有大批量使用。圖3.33閃耀光柵剖面圖圖3.34透射式二元光學波分復用器件原理圖圖3.35反射型二元光學波分復用器原理圖3.6.2干涉濾波片型波分復用器干涉濾波片型波分復用器采用干涉濾波片來實現(xiàn)不同波長的光的分離，從而實現(xiàn)

分/合波功能。由于采用了微等離子體鍍膜技術(shù)，介質(zhì)膜窄帶濾光片的光學性能有了很大改善，工藝也較為成熟。除透過率高，帶寬窄外，其中心波長溫度系數(shù)可小于3pm/°C。同時，DWDM系統(tǒng)市場的日益增長也使多腔介質(zhì)膜窄帶濾光片的批量成本降低。另外，這種方案還可利用成熟的微光透鏡耦合技術(shù)，因而從性能及成本上比較，目前干涉介質(zhì)膜窄帶濾光片型DWDM器件為市場普遍所接受。

圖3.36所示為介質(zhì)薄膜型波分復用器件的工作原理圖。從公共端光纖輸入的八個波長的光信號被自聚焦透鏡準直器入射到中心波長為λ1的干涉介質(zhì)膜窄帶濾光片上。濾光片與入射光束成一定夾角，使得窄帶濾光片只透射λ1波長，并經(jīng)第一信道的接收準直器后耦合進輸出光纖，而其余波長的光信號則被反射到下一級濾光片。由此可依次選出相應(yīng)的光波長/光信道。

在這種干涉介質(zhì)膜濾光片型解復用器中，濾光片透射譜的形狀是決定器件特性的關(guān)鍵。窄透射譜的濾光片不僅能提供高的信道隔離度，也可以降低反射波長光信號的插入損耗。另一方面，濾光片透射峰必須有足夠的平坦度，以滿足ITU―TG692建議中所規(guī)定的信道通帶寬度（為正負十分之一信道間隔）。圖3.36介質(zhì)薄膜型波分復用器件工作原理圖

圖3.37為一種干涉介質(zhì)膜濾光片型解復用器件的光傳輸特性示意圖。譜線是利用摻鉺光纖ASE譜及光譜分析儀在各出射通道測得。采用干涉濾波介質(zhì)膜窄帶濾光片制作的波分復用器件性能穩(wěn)定，可滿足工程應(yīng)用要求，但其插入損耗隨復用路數(shù)的增加而增加，利用這種技術(shù)可以制作信道數(shù)高達32的DWDM產(chǎn)品。圖3.37介質(zhì)膜濾光片型解復用器件的光傳輸特性示意圖3.6.3陣列波導型波分復用器件上面講的光柵型和干涉濾波介質(zhì)薄膜型波分復用器件很難達到信道間距小于100GHz的技術(shù)要求，并且器件是由分離光學元件組合成的，體積大，如果采用平面波導技術(shù)，就可以制造任意技術(shù)要求的波分復用器件，并且器件體積小，便于批量生產(chǎn)。下面我們介紹陣列波導光柵（AWG）波分復用器件。圖3.38陣列波導型光柵(AWG)波分復用器

如圖3.38所示，AWG是由長度不同的幾個通道波導構(gòu)成，輸入輸出波導群和兩個扇形平面波導一起集成在襯底上。平面波導的曲率中心在輸入或輸出波導群的波導端，陣列波導群的光軸通過此曲率中心，使陣列波導群呈放射狀配置。這時，平面波導群和陣列波導群的光學配置可得到與透鏡同樣的作用。入射的光經(jīng)第一個扇形波導衍射而被擴展，可同相位地激勵AWG波導群。AWG的各個波導是無耦合的分離配置，其長度各差ΔL。傳播到陣列波導光柵的光被分路，透過波導后，在輸出扇形波導中傳輸?shù)墓馐窍嗷ジ缮娴?，在端部輸出波導中依?jù)干涉條件輸出，各波導輸出的中心波長可由下式表示：

其中，n為波導折射率，m為衍射級數(shù)。上述過程就形成了分波。如果將光的行進方向反過來，就變?yōu)楹喜ㄆ鞴ぷ?。為了降低與平板波導的連接損耗，AWG的波導端可用錐形波導。目前采用AWG制造的波長合分波器已具有良好的性能，例如石英波導制作的波長間隔為0.8nm，信道數(shù)為16的AWG合分波器的平均損耗為4，信道串擾為-30dB，已進入實用化階段。目前用半導體材料制作的波長合分波器正在積極研制當中,還未達到實用化

階段。(3.24)AWG合分波器目前存在的問題是需要溫度控制裝置，并且信道間距越小，對溫度越敏感。這主要是因為，AWG合分波器同時也是一個溫度傳感器，如不進行溫度控制，其分合波波長將隨溫度發(fā)生變化。目前生產(chǎn)AWG合分器的公司主要有美國PIRI公司、朗訊科技和日本的NTT公司、日立電線公司等大型廠商。早在1996年就有公司開始生產(chǎn)銷售AWG合分波器。市場上AWG合分波器主導產(chǎn)品為波長間隔100GHz（0.8nm），且符合ITU標準規(guī)定，也有波長間隔為200GHz和50GHz的AWG合分波器，這些產(chǎn)品可以滿足不同用戶不同用途的需要。

合分波器的復用信道為8、16、24、32、40信道，最近又開發(fā)出了48信道和64信道的合分波器，波長間隔為25GHz。16信道波長間隔為100GHz的標準產(chǎn)品插入損耗在6dB以下。

目前尚待解決的技術(shù)課題主要是成本問題。廠家非常關(guān)心銷售價格及市場需求量。面對未來市場的需求，需要開展以下種類AWG合分波器的研制。（1）不用調(diào)溫的AWG合分波器。（2）將已商品化的合分波器與光開關(guān)組合在一起，生產(chǎn)出新型AWG合分波器。（3）研制生產(chǎn)安裝發(fā)光器件的混合波導光合分器。3.6.4光梳狀濾波器(Interlever)

光梳狀濾波器是一種三端口光分波/合波裝置，用于光波分復用通信領(lǐng)域。其功能如圖3.39所示，當n（設(shè)n為偶數(shù))個等波長間距的光信號由端口1輸入時，由端口2輸出奇數(shù)波長信道的信號，由端口3輸出偶數(shù)波長信道的信號；當由端口2輸入奇數(shù)波長信道的信號時，由端口3輸入偶數(shù)波長信道的信號，則端口1輸出合成的n-1個等波長間距的光信號。光梳狀濾波器可以是透射式的，也可以是反射式的。圖3.39光梳狀濾波器示意圖

光梳狀濾波器是依據(jù)光的干涉原理實現(xiàn)的，具體的實現(xiàn)方案有很多種，下面我們結(jié)合最常用的晶體干涉方案，介紹光梳狀濾波器的原理。對于如圖3.40所示偏振干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，沿光路依次設(shè)置有起偏器P1、雙折射晶體平行平板及檢偏器P2，其中，起偏器的起偏方向與x軸成45°（圖3.40（b）），雙折射晶體平行平板的快軸和慢軸分別沿x、y方向（圖3.40（c）），平板厚度為L，檢偏器的檢偏方向分兩種情況，一是與x軸成45°（圖3.40（d）），一是與x軸成-45°（圖3.40（e））。先討論檢偏器的檢偏方向與x軸成45°的情況。

設(shè)透過起偏器的光場的振幅為A0，光通過雙折射晶體平行平板后在x、y方向的分量分別為(3.25)圖3.40偏振干涉系統(tǒng)

其中，n0和ne分別為尋常光和非常光的折射率，A為入射光幅度。這兩個光場透過檢偏器后的合成光場為(3.26)

上式表明，當波長滿足

L(ne-n0)=λnn