光纤通信光纤线路技术及器件.pptx

后向传输光会产生附加噪声，使系统的性能劣化，这也需要光隔离器来消除。在光纤放大器中的掺杂光纤的两端装上光隔离器，可以提高光纤放大器的工作稳定性，如果没有它，后向反射光将进入信号源（激光器）中，引起信号源的剧烈波动。在相干光长距离光纤通信系统中，每隔一段距离安装一个光隔离器，可以减少受激布里渊散射引起的功率损失。因此，光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。第1页/共380页光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振方向旋转角度和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例，有=VBL(3.1)式中，V为材料的特性常数，称维尔德（Verdet）常数。偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关。第2页/共380页1.偏振相关型光隔离器工作原理如图3.1所示。偏振相关光隔离器主要由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。起偏器可从入射到自身上的偏振混乱的光中选出与自身透光轴方向一致的线偏振光。检偏器是相对于起偏器来说的，其构造和作用与起偏器相同。旋光器由旋光性晶体材料和产生强度适当磁场的装置构成。借助磁光效应（法拉第效应），使晶体的偏振面发生一定程度的旋转。图3.1中，产生适当强度磁场的装置是通电流的线圈，此外，还可用永久磁铁等方法来产生磁场。第3页/共380页图3.1偏振相关型光隔离器结构示意图第4页/共380页在光隔离器的结构中，起偏器与检偏器的透光轴之间成45的夹角。旋光器在加电时可使通过的光的偏振方向发生45的旋转（如图中逆光方向看逆时针旋转了45）。当平行于纸面的偏振光按光隔离器通光方向入射时，由于该光与起偏器透光轴方向一致，因此全部通过。经旋光器后，其光轴旋转了45角，恰好与检偏器透光轴的方向相同，也全部通过。因此，在光隔离器通光方向传输的光可以获得低损耗传输。第5页/共380页反之，逆光隔离器通光方向入射的光能到达旋光器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光。这一部分光经过旋光器后偏振方向发生了45角旋转，变成水平线偏振光，正好与透光轴垂直，被起偏器阻止而不能够通过。因此，在逆光隔离器通光方向上传输的光可以获得高损耗传输。第6页/共380页2.偏振无关型光隔离器上述光隔离器是偏振相关光隔离器，由于光纤通信中光波的偏振态是随机变化的，因此需采用偏振无关光隔离器。Wedge型偏振无关光隔离器如图3.2所示。其中P1与P2是以光轴夹角为45放置的楔型双折射晶体，FR是45的非互易磁致法拉第旋光器。自输入光纤来的入射光被光纤准直器耦合为准直平行光，通过P1后光束被分为两束具有不同的折射方向与偏振方向的线性偏振光，当它们经过45法拉第旋转器时，第7页/共380页由P1出射的o光和e光的振动面各自向同一个方向旋转45夹角，所以o光和e光通过P2后又被折射到一起，合成两束间距很小的平行光，并被准直透镜耦合到输出光纤里。根据这个过程，来自输入光纤的光信号被高效地传送给输出光纤而几乎不依赖于输入光的偏振状态；由于法拉第效应的非互易性，当光束反向传输时，到达P1斜面上的光与正向传输时的对应的偏振方向相互旋转了90，相当于经过一个渥拉斯顿棱镜，出射的两束偏振光线被P1进一步分开了一个较大的角度，被斜面透镜偏折，而不能耦合进输入光纤，从而达到反向隔离的目的。第8页/共380页图3.2偏振无关型光隔离器第9页/共380页3.光隔离器的主要技术指标（1）插入损耗是指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的附加损耗。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器后的功率为Po,则插入损耗IL为(3.2)显然，其值越小越好。光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉第旋转器等各部分的插入损耗。第10页/共380页（2）回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射造成的对入射光信号的衰减。回波损耗RL为(3.3)其中，Pi为正向输入光隔离器的光信号功率，Pr为返回输入端口的光功率。第11页/共380页（3）隔离度是指在逆光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的损耗。有(3.4)其中，Pi为反向输入光隔离器的光信号功率，Po为反向通过光隔离器的光功率。显然，其值越大越好。第12页/共380页（4）偏振相关损耗（PDL）是指输入光偏振态发生变化而其它参数不变时，器件插入损耗的最大变化量。它是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。（5）偏振模色散（PMD）是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。一般情况下，光通信系统对光隔离器的主要技术指标要求为：插入 损 耗 1.0dB；隔 离 度 35dB；回 波 损 耗 50dB；PDL0.2dB；PMD0.2ps。第13页/共380页3.1.2光环形器光环行器是一种多端口非互易光学器件，它的典型结构有N（N大于等于3）个端口，如图3.3所示，当光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端口2输出，其它端口处几乎没有光输出；当光由端口2输入时，光几乎毫无损失地由端口3输出，其它端口处几乎没有光输出，以此类推。这N个端口形成了一个连续的通道。严格地讲，若端口N输入的光可以由端口1输出，称为环行器，若端口N输入的光不可以由端口1输出，称为准环行器；通常人们并不在名称上做严格区分，一般都称为环行器，在本书中，我们也将它们统称为环行器。第14页/共380页图3.3光环形器示意图第15页/共380页光环形器的非互易性使其成为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。光环形器在光通信中单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等领域有广泛的应用。图3.4为光环形器用于单纤双向通信的例子。第16页/共380页图3.4光环形器用于单纤双向通信示意图第17页/共380页光环行器的实现方案很多，分透射式和反射式两大类，下面结合一种透射式光环行器介绍光环行器的原理。图3.5为一种光环行器的结构示意图在两个正交平面上的投影。这是一个有4个端口的光环行器，为了提高光的耦合效率，每个端口均有光纤准直器。环行器由分束/合束镜1、偏振旋转镜1、光束变换器、偏振旋转镜2、分束/合束镜2组成。其中，分束/合束镜为双折射平行平板，它将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量，如图3.6所示。第18页/共380页假设双折射平行平板的光轴平行于纸面，当一束任意偏振方向的光束照射在该平板上，其垂直于纸面的偏振分量将直接通过平板，平行于纸面的偏振分量将横向平移，通常将这两个分量光束所在的平面称为走离平面，将这两个光束的分离量称为走离量，将偏振方向平行于光轴的光束的位移方向称为走离方向。这两个分束/合束镜的走离方向相同，走离量相等。偏振旋转镜沿光束走离方向分成两部分，第19页/共380页将来自分束/合束镜的两束光变成偏振方向相同的光束，并将发往分束/合束镜的两束光变成偏振方向垂直的光束，偏振旋转镜的每一部分都为90非互易旋转器，由45法拉第旋转器和一个/2波片组成。90非互易旋转器的一种结构如图3.7所示。图3.8（a）是一束偏振光沿z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况；图3.8（b）是一束偏振光沿-z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况。显然正方向通过的光的偏振方向旋转了90，反方向通过的光的偏振方向不变。光束变换器为双折射晶体平行平板。第20页/共380页图3.5透射式光环行器结构示意图(a)在xz平面上的投影；(b)在yz平面上的投影第21页/共380页图3.6分束/合束镜第22页/共380页图3.790非互易旋转器的一种结构第23页/共380页图3.8偏振光沿z方向通过旋转器时偏振态的变化(a)沿z轴；(b)沿-z轴第24页/共380页在该环行器中，光由端口1到端口2过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3.9（a）所示。由端口1输入的光经分束/合束镜1后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜1后，偏振方向都变成沿y方向，再通过光束变换器后，光束偏振态和位置不发生变化，这两束光通过偏振旋转器2后，偏振方向变成互相垂直，分别沿x和y方向，最后由分束/合束镜2合成一束光由端口2输出。第25页/共380页图3.9环形器中光束偏振态和位置的变换第26页/共380页在该环行器中，光由端口2到端口3过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3.9（b）所示。由端口2输入的光经分束/合束镜2后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜2后，偏振方向都变成沿x方向，再通过光束变换器后，光束偏振态不发生变化，但在x方向却发生位置变化，这两束光通过偏振旋转器1后，偏振方向变成互相垂直，分别沿x和y方向，最后由分束/合束镜1合成一束光由端口3输出。第27页/共380页在该环行器中，光由端口3到端口4过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3.9（c）所示。由端口3输入的光经分束/合束镜1后变成与偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜1后，偏振方向都变成沿y方向，再通过光束变换器后，光束偏振态和位置不发生变化，这两束光通过偏振旋转器2后，偏振方向变成互相垂直，分别沿x和y方向，最后由分束/合束镜2合成一束光由端口4输出。第28页/共380页光环形器的技术指标包括插入损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗、偏振模色散及回波损耗等。光环形器的插入损耗、隔离度、偏振相关损耗、偏振模色散的定义与光隔离器的基本相同，只不过对环形器而言，均指具体的两个相邻端口之间的指标，如端口1、2之间的或端口2、3之间的插入损耗、PDL、PMD等。光环形器的串音指两个不相邻端口之间理论上不能接收到光信号但实际中由于种种原因而接收到的功率以dB表示的相对值，如端口1输入信号时，在端口3接收到的功率相对于输入功率的dB值。第29页/共380页3.2 光纤的连接 3.2.1光纤活动连接器光纤活动连接器是连接两根光纤或光缆使其成为光通路可以重复装拆的活接头。它常被用于光源到光纤、光纤到光纤以及光纤与探测器之间的连接。在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中，光纤活动连接器的使用非常广泛。因此实用的连接器必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点，第30页/共380页还要求能承受机械振动和冲击，适应一定的温度和湿度环境条件。另外，光纤活动连接器还需要有装拆时防止杂质污染的保护措施。光纤活动连接器的种类五花八门，式样繁多。光纤活动连接器可分为单芯型和多芯型，单芯型光纤活动连接器用于单根光纤之间的连接，多芯型光纤活动连接器用于多根光纤之间的连接。光纤活动连接器也有多模和单模之分，单模光纤之间的连接需采用单模光纤活动连接器，多模光纤之间的连接需采用多模光纤活动连接器。第31页/共380页对于单芯型的光纤活动连接器，其结构可分为调心型和非调心型,所谓调心型是指光纤活动连接器内部装有调心机构,它可调整光纤纤芯的位置,使之达到最佳耦合,非调心型光纤活动连接器内部没有调心机构,它靠光纤活动连接器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦合,常用的非调心型结构有以下几种：套管结构、双锥结构、V形槽结构、微透镜结构以及自聚焦透镜结构等。按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式。各种活动连接器的基本结构和特点列于表3.1中。第32页/共380页表3.1光纤活动连接器第33页/共380页第34页/共380页第35页/共380页单模光纤的模场直径约为10m，为了减少损耗，被光纤活动连接器连接的两根光纤的同轴度须小于1m。可见，光纤活动连接器的加工精度要求很高，需要超精细加工技术，包括机械切削加工和光学冷加工工艺技术来加以保证。常用的套筒结构主要由两部分组成，一是套筒，二是插针。套筒和插针都是精密的机械结构和光学结构，它们精密配合在一起，确保了光纤间的对准，使绝大部分的光能够从一根光纤传递到另一根。插针是连接器中的关键部件，其作用是将光纤固定在其中保护起来，并使套筒中的光纤对准，第36页/共380页其结构有三棒或四棒结构等。不管何种插针结构，都应使光纤外径与插针管内径匹配不留间隙。插针端面设计有各种形状，如平面式（FC型）、球面式（PC型）、8斜面式（APC）和超级球面式（UPC）。一般来说，为减少插入损耗，光纤端面之间距离要很小，为减少端面上的菲涅尔反射，端面上都镀有光学增透膜层。上述连接器的插针和套筒可用不锈钢、硬质合金制作，也可用陶瓷材料制作。陶瓷材料比合金较为优越，因为陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，容易吻合。此外，实验证明陶瓷插针和套筒的活动连接器的插拔次数在几千甚至上万次，也就是说使用寿命很长。第37页/共380页光纤活动连接器的主要性能指标有：(1)插入损耗：因接入光纤活动连接器对光信号带来的附加损耗，一般在0.5dB以下。(2)重复性：即每次插拔后其损耗的变化范围，一般应小于0.1dB。(3)互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损耗的变化范围，一般应小于0.1dB。(4)插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插拔的次数，一般应在千次以上。第38页/共380页(5)回波损耗：指对来自于光纤耦合面的反射光的损耗，一般应大于45dB。(6)工作温度：在工作温度范围内（一般在-2570范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范围内变化。光纤连接时，产生的损耗主要来自制造技术和光纤本身的不完善。光纤的横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度以及纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆度、偏心度等都会影响连接质量。其中,轴心错位和间隙造成损耗影响最大,如图3.10所示。第39页/共380页图3.10影响光纤连接质量的几种因素第40页/共380页在众多的光纤活动连接器中，使用最广泛的是非调心型对接耦合式光纤活动连接器。表3.2、表3.3介绍了几种典型的国产单模光纤活动连接器、多模光纤活动连接器的主要性能指标。第41页/共380页表3.2单模光纤活动连接器性能指标第42页/共380页表3.3多模光纤活动连接器性能指标第43页/共380页实际当中，光纤连接器多采用类似图3.11所示的方式表示。指定一个光纤连接器必须确定光纤的模式类型（单模还是多模）、接头的类型、连接器所连光纤的长度以及光纤外径的尺寸。例如OFCSFC/PC3010表示单模光纤活动连接器、FC/PC型接头、光纤外直径3mm、长度10m。OFCMFC/PC0905表示多模光纤活动连接器、FC/PC型接头、光纤外直径0.9mm、长度5m。第44页/共380页图3.11光纤连接器的表示第45页/共380页以上所述各种符号表示：（1）光纤端面为平面型连接器（FC、APC型）。这种连接器也可用FC、/APC表示。分母FC指内部光纤的端面是平面形，分母APC指内部光纤是8倾斜平面形。它具有结构简单、操作方便、制造容易的优点。缺点是插入损耗大，FC的回波损耗小，对沾污较敏感。分子表示其外部连接方式，为FC时，套管为金属件，固定方式是卡口螺旋式；为SC时，外部连接方式是插拔耦合式，外壳是矩形，操作十分方便，适合于大量接头连接。第46页/共380页（2）光纤端面为凸球面形连接器（PC、UPC型）。这种连接器也可用PC、APC表示。分母PC指内部光纤端面为凸球面形物理端面接触，分母UPC指内部光纤端面为超级凸球面形。它们的结构复杂、制造不易，但其插入损耗小，回波损耗大，对沾污不敏感，其外部连接与FC型相同。（3）多芯光纤连接器。这种连接器，由于利用了透镜的聚焦和准直作用，光纤之间的光耦合比较容易，因而对机械的加工可以放宽要求。第47页/共380页3.2.2光纤的熔接光纤的固定连接是指一对光纤之间形成永久性的连接，这种连接用于不需要拆卸或重复使用的场合。光纤的固定连接方法有熔接法、V型槽法、毛细管法等。熔接法在实际中应用最为普遍，是光纤通信干线中光纤连接的主要方法，它是利用电弧放电、氢焰或激光等方法加热从而将光纤熔融结合在一起。电弧放电是熔接法中应用最广的方法。利用电弧放电进行光纤熔接的设备称为光纤熔接机。光纤熔接机由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电弧放电机构以及控制机构等四部分构成，如图3.12所示。第48页/共380页图3.12光纤熔接机结构框图第49页/共380页同活动连接一样，光纤端面的质量与光纤纤芯之间的位置都会对熔接的质量带来影响。进行光纤熔接之前，需要对光纤进行处理，利用光纤剥皮钳去掉光纤外的套塑层，利用光纤切割刀切割光纤端面，达到端面平整，并使端面与光纤轴线垂直，偏差小于1。光纤熔接时，将制造好端面的光纤放入准直与夹持机构中固定，通过手动或自动装置使纤芯在空间三个方向上移动，保证需要熔接的两根光纤完全对准，消除纤芯的横向错位、角度偏差，并将端面之间的间距调整到预定大小。第50页/共380页根据光纤的类型，选择合适的放电电流、放电时间，进行电弧放电，对端面加热，实现光纤的熔接。熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。熔接机的电弧放电由两根电极完成。电极由钼丝制成，电极尖端为3040尖角，电极之间间隙为12mm，电弧放电多采用20kHz的高频电源，放电电压为20004000V，放电电流为1520mA。第51页/共380页 3.3 光衰减器和光开关 3.3.1 光衰减器光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源器件。它是光功率调节所不可缺少的器件。实用光衰减器衰减光功率的工作机理主要有三种，如表3.4所示：第52页/共380页表3.4 光衰减器第53页/共380页（1）耦合型光衰减器。它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。（2）反射型光衰减器。它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。为了避免反射光的再入射影响衰减器性能的稳定，光线不能垂直入射到衰减片上，需将两块衰减片按一定倾斜角对称地排列为八字形。第54页/共380页（3）吸收型光衰减器。它是采用光学吸收材料制成的衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，从而可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得较小。光衰减器按其衰减量的变化情况可分为三种类型：固定式衰减器，即衰减量一定；步进可变式衰减器，即阶跃式可变，如5步进式的，每步为10dB，即10dB5；以及连续可变式衰减器，如060dB。光衰减器的主要技术指标是：插入损耗、衰减量变化范围、精度以及温度的影响。第55页/共380页3.3.2光开关光开关是一种光路控制器件，起着进行光路切换的作用，可以实现主/备光路切换，光纤、光器件的测试等，在光纤通信中有着广泛的应用。随着光纤通信技术的发展和密集波分复用技术的应用，全光网成为未来光纤通信系统的方向。光开关的这种光路切换功能可以用来实现光交换，实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。光开关已成为构建新一代全光网络的关键器件。第56页/共380页光开关的主要性能参数包括：(1)交换矩阵的大小。光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同。随着通信业务需求的急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，如在骨干网上要有超过10001000的交换容量。对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。第57页/共380页(2)交换速度。交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个毫秒时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。如对SDH/SONET来说，因故障而重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使上层感觉不到。当交换时间达到纳秒量级时，可以支持光互联网的分组交换，这对于实现光互联网是十分重要的。第58页/共380页(3)损耗。当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗，包括插入损耗、回波损耗等。光开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导交换的光开关。如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约12dB。而铌酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4dB左右。损耗特性影响到了光开关的级联，限制了光开关的扩容能力。第59页/共380页(4)消光比。消光比是描述光开关导通与非导通状态通光能力差别的主要指标，即两个端口处于导通和非导通状态时的插入损耗之差。(5)交换粒度。根据不同的光网络业务需求，对交换的需求和光域内使用的交换粒度也有所不同。交换粒度可分为三类：波长交换、波长组交换和光纤交换。交换粒度反映了光开关交换业务的灵活性。这对于考虑网络的各种业务需求、网络保护和恢复具有重要意义。第60页/共380页(6)升级能力。基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为88或3232，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城域网的OXC，而不适用于骨干网上。第61页/共380页(7)可靠性。光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。在某些极端情况下，光开关可能需要完成几千几万次的频繁动作。有些情况（如保护倒换），光开关倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。如喷墨气泡光开关，如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题。第62页/共380页很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都是影响网络性能的重要因素。当光开关进行级联时，这些参数将影响网络性能。光开关要求对速率和业务类型保持透明。实现光开关的方法很多，各有特点，适用于不同的场合。依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。第63页/共380页目前，常用的光开关有以下几种：MEMS光开关、喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、液体光栅光开关、SOA光开关等。在3.7节中我们将介绍波导开关的原理，下面我们结合具体的例子介绍其它几种光开关的实现方法和特点。第64页/共380页1.机械式光开关机械式光开关是通过机械运动实现不同光纤端口之间的相对连接，解决的办法无非是相对移动光纤或相对移动光学元件。为了达到低插入损耗，必须使两连接的光纤端口间保持一定的横向位置、纵向位置及角位置关系，因此在光开关的设计中必须考虑采用何种机械运动可以达到特性要求。另外光开关的速度也是应用中的一个重要技术指标，提高光开关的速度也是光开关设计中追求的目标。在光开关的设计中还要考虑降低成本，只有高性价比的产品才能得到市场的欢迎。图3.13为一种机械式光开关的实现结构，光纤C在机械驱动装置的驱动下分别实现与光纤A或光纤B的连接。第65页/共380页图3.13机械式光开关第66页/共380页2.微机械式光开关（MEMS）微机械式光开关可以看成是机械开关的微小尺寸实现，由于机械部件的尺寸大幅度缩小和其质量大幅度降低，这对于提高控制速度、缩小器件体积、增加集成度具有重要意义。同时，微机械式光开关中各部件的运动驱动及控制也与传统方式发生了重大变化。在微机械式光开关中，微部件的控制主要采用电磁方式来实现。第67页/共380页图3.14为一个二维88微机械开关的实现原理图。其中，反射镜S53实现X5端口与Y3端口的连接，反射镜S78实现X7端口与Y8端口的连接，反射镜S17实现X1端口与Y7端口的连接。反射镜在该开关结构中起着最核心的作用，它的驱动可以采用静电方式，也可以采用电磁感应方式，反射镜可以以升降式工作，也可以反转式工作。目前静电方式驱动的作用力较低，电磁感应方式驱动存在屏蔽、封装及可靠性等问题。由于二维微机械开关的集成规模有限，大端口数的微机械开关通常采用三维方式，具体原理与二维方案类似，在这里就不重述。目前二维微机械开关的插入损耗可低于4dB，开关时间小于10ns。第68页/共380页图3.14微机械式光开关(MEMS)第69页/共380页3.液晶光开关液晶是一种介于固态和液态之间的物质，它具有光学各向异性晶体所特有的双折射性，既有液体的流动性和连续性，又有分子排列的方向性。液晶分子有较强的电偶极矩，在外电场作用下易于极化；其分子间的作用力比固体弱，容易呈现各种状态，而且多数在介电常数、折射率、磁化等方面显示出较大的各向异性。因此，通过微小的外部能量电、磁、热等就能实现分子状态间的转变，从而引起它的电、光、磁的物理性质发生变化。液晶材料用于光开关，正是利用了它的光学特性随电场改变的这一特性，称为液晶的电光效应。第70页/共380页大部分液晶光开关是基于对偏振的控制，一路偏振光被反射，而另一路可以通过。通过用外电场控制液晶分子的取向，可以实现开关功能，如图3.15所示。在液晶盒内装着相列液晶，通光的两端安置两块透明的电极。未加电场时，液晶分子沿电极平板方向排列，与液晶盒外的两块正交的偏振片P和A的偏振方向成45，如图3.15(a)。这样液晶具有旋光性，入射光通过起偏器P先变为线偏光，经过液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋光和右旋光，两者的折射率不同（速度不同），第71页/共380页图3.15液晶光开关工作原理(a)导通状态；(b)关闭状态第72页/共380页有一定相位差，在盒内传播盒长距离L之后，引起光的偏振面发生90旋转，因此不受检偏器A阻挡，器件为开启状态。当施加电场E时，液晶分子平行于电场方向，因此液晶不影响光的偏振特性，此时光的透射率接近于零，处于关闭态，见图3.15（b）。撤去电场由于液晶分子的弹性和表面作用又恢复到原开启态，从而实现开关状态的变换。液晶光开光的优点在于，理论上网络重构性比较好，但目前最大端口数较少（2001年的报道为80），第73页/共380页因此许多公司认为液晶设备更适合用于较小的交换系统中。由于在液晶中，光被分成偏振方向不同的两束光，在最后把它们合起来，因此两束光的传播路径稍有不同，便会产生插入损耗，同时，开关速度可能也是个问题。有的厂商希望通过加热液晶来加快开关速度，但不可避免地使设备的功耗增加。第74页/共380页3.气泡式光开关安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出一种二维光交叉连接系统，如图3.16所示。他们把这种技术称为“光子交换平台”。这种光开关由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液。缺省条件下，入射光可沿着波导无交换地传输。当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全部反射至输出波导，以实现光路的选择、转换。第75页/共380页图3.16气泡开关(a)无光路交换；(b)光路交换第76页/共380页喷墨打印技术的引入主要反映在对气泡产生的精密控制上。气泡由封闭的系统控制，因此不会溢出，通过控制蒸气压，使其保持液、气体能共存的温度和压力状态。喷墨气泡光开关本身没有可移动部分，可靠性较好，同时具有偏振不敏感性，因此具有小的极化损耗与极化模色散，且具有低损耗、低串扰和小于-50dB的高消光比。目前，安捷伦公司已制造出3232光开关子系统，损耗为4.5dB，开关交换响应时间小于10ms，可以用于光纤的保护倒换。由于使用已有的技术，故其成本不高，同时具有较好的扩展性。第77页/共380页喷墨气泡光开关有两个重要因素要考虑：（1）如何很好地控制光开关的状态，如光开关频繁动作或长期维持气泡状态。（2）喷墨气泡光开关封装后，其内部材料和液体的生存时间问题（如典型的20年）。第78页/共380页3.4 光纤耦合器 光纤耦合器是一种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。在耦合的过程中，信号的频谱成分没有发生变化，变化的只是信号的光功率。光耦合器从端口形式上划分，包括X形（22）耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器、树形（1N，N2）耦合器等。第79页/共380页光纤耦合器可以从传输线路中提取出一定的功率，实现对线路的监控；也可以用于光纤CATV、光纤用户网、无源光网络（PON）、光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。从分光和耦合的原理上看，光分路耦合器大体上可分为两种类型：一类是采用光学分束原理；另一类是利用消逝场耦合原理。表3.5列出了这两类光分路耦合器中几种结构示意图。为了与纤芯较细的光纤耦合，采用光学分束技术的光分路耦合器一般都含有微型分光和聚光光学器件。微型聚光光学器件起聚光、耦合的作用，其主要是微透镜、微透镜阵列、自聚焦棒。第80页/共380页微型分光光学器件起分光和合光的作用，其主要是镀有半透半反光光学膜层的分光镜或是直接在表面上镀光学膜的聚光光学器件。采用消逝场耦合的光分路耦合器一般都含有重叠在一起的两根或多根光波导，光能通过两纤芯之间电磁场重叠从一根光纤传输到另一根光纤。由于光纤消逝场是一个按指数规律衰减的场，因此两芯光纤的纤芯必须靠得很近，这样有利于耦合效率的提高。由于光纤尺寸很小，不易与光学元件耦合，因此实用化的光分路耦合器大都是利用消逝场原理制成的。第81页/共380页在表3.5中所列的采用熔融拉制法制造的光纤星形耦合器是一种重要的器件。它是将两根或多根裸光纤，在高温熔融状态下，拧绞成麻花状并向两边拉伸而制成的。其中间腰部细而两头发散，故称双锥体。它的工作原理是这样的：在双锥体的前半部，随着光纤逐渐变细，原来在光纤中传播的芯模逐渐变成包层模并向前传播。在双锥区光信号发生了光耦合。在双锥体后半部分，随着光纤逐渐变粗，包层模又逐渐转换为芯模，使光功率按比例分配到各个光纤中。光纤星形耦合器的主要参数有：第82页/共380页（1）插入损耗。它是耦合器总的功率衰减量。定义为(3.5)其中，Poi为对应于输入端第m根光纤中输入光功率Pim时，输出端第i根光纤的输出光功率。n为光纤星形耦合器输出端的光纤根数。第83页/共380页（2）均匀性。它是表示耦合器输出各端口的功率与功率平均值最大偏差。偏差越小，则光功率分配越均匀。其定义如下：(3.6)其中，P imax为对应于输入端某根光纤中输入光信号时，n个输出端中最大的输出光功率，而P imin为最小的输出光功率。均匀性越小，则表示输出端越均匀。第84页/共380页第85页/共380页第86页/共380页第87页/共380页（3）方向性。它是表示在输入端主光纤传输方向与任一根非主光纤非传输方向上的功率比。方向性常用光隔离度来表示，它定义为其中，Pim为输入端第m根光纤的输入光功率，Pib为输入端除第m根光纤之外任意第b根光纤的后向传输光功率。(3.7)第88页/共380页（4）分光比。它定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，具体应用 中 常 用 相 对 输 出 总 功 率 的 百 分 比 来 表 示，如 5050、8020、25252525等，或 用 各 端 口 之 间 输 出 功 率 之 比 表 示，如 11、41、1111等。除此之外，还有偏振相关损耗、偏振模色散等。表3.6、3.7给出了某公司单模光纤星形耦合器及树形耦合器的性能指标，图3.17给出了相应的产品表示形式。对于光纤耦合器必须说明其输入/输出端口数目、工作波长、连接器类型等。例如SSCB04131FC/PC表示B级、44端口、工作波长为 1310nm、FC/PC连接器输入输出的单模光纤星形耦合器。第89页/共380页表3.6单模光纤星形耦合器性能指标第90页/共380页表3.7 单模光纤树形耦合器性能指标第91页/共380页图3.17光纤耦合器的表示第92页/共380页3.5 光 纤光栅 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。根据特定的光栅结构，光纤光栅可以作成滤波器、反射器、色散补偿器等。利用光纤光栅可以制成满足各种光纤通信要求的有源和无源器件。由于光纤光栅器件易于与光纤连接，对偏振不敏感（适应光纤中光偏振态的随机变化），因此，在光纤通信中与其它光波导器件相比有着明显的优势。第93页/共380页光纤中的光敏特性于1978年由Hill等人首次发现并成功用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，1989年Meltz提出的横向写入制造方法及Hill等人于1993年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，使得光纤光栅的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤光栅器件在光纤通信及光纤传感领域有着广泛的应用，被认为是继掺饵光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一重大突破。本节首先介绍光纤光栅器件的形成机理、制造方法及工作原理，然后探讨光纤光栅器件的应用。第94页/共380页3.5.1光纤的光敏特性光纤光栅是根据光纤的光敏特性制成的。所谓光纤的光敏特性是指光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化的特性。光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，可保持永久性不变等特点，因此，利用紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光纤中，形成光纤型光波导器件。光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全研究清楚，较为普遍的观点是，由于诱导光（紫外光）的作用，光纤中原子的某些键被破坏，第95页/共380页产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现了折射率的变化；另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放诱导应力以及结构、形状的畸变等也导致了折射率的变化。这种光折变效应主要发生在近紫外波段。最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发现，具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有时根据需要为了加大折射率的变化程度，就会选用高掺杂的光纤。第96页/共380页3.5.2光纤光栅的制作基于光纤光栅的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中，形成满足各种应用要求的光纤光栅器件。光纤光栅中波导结构的特征尺寸一般在亚微米级，也有在几十到几百微米的。对于亚微米级的光栅结构，一般只能用干涉的方法形成，对几十到几百微米的长周期结构，实现方法多些。Hill等最初研究光纤光栅时采用的是纵向写入法，即将激光从光纤端面耦合进光纤，经过另一端面反射镜反射，入射光与反射光相干形成驻波，由于光纤材料的光敏性，其折射率就会发生相应的周期性变化，第97页/共380页形成光纤光栅。这种方法制作的光纤光栅的中心反射波长与写入波长相同，由于可用光源极少，限制了它的应用，目前一般不再采用。目前普遍采用的光纤光栅的制作方法是横向写入法，即光从光纤侧面照射来改变折射率分布，这种方法增加了光栅写入的自由度，可以制作不同周期、不同长度、不同位置及不同形状的光栅。光纤光栅的制作方法主要有双光束干涉法、相位掩模法和逐点写入法等。第98页/共380页1.双光束干涉法如图3.18所示，光纤放置于两相干光束的干涉场中，干涉条纹与光纤垂直，光纤中就会产生光栅周期与干涉条纹周期相同的均匀光纤光栅，为=0/(2sin)，其中0为紫外光波长，为紫外光入射角。可见，改变光束的入射角就可以得到不同周期的光栅即灵活调节中心反射波长。缺陷是对光源的相干性要求较高，对制造环境要求极严，重复性差。第99页/共380页图3.18双光束干涉法第100页/共380页图3.19相位掩模写入法第101页/共380页3.逐点写入法这是一种非相干写入技术。它利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而形成光栅，每写一个条纹，光栅移动一定距离，需用精密机构控制光纤运动位移。通过控制光纤的移动，可以方便地控制光栅的周期。这种方法一般用于制造长周期光栅。第102页/共380页3.5.3光纤光栅工作原理及特性光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构两类，分别称为均匀、非均匀光纤光栅。在亚微米级实现周期结构比较容易，但要实现非周期结构则有很大的局限性，非周期结构一般由周期结构经某种方式演变而来。周期结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期结构制造困难，其特性容易满足各种要求。光纤光栅从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅。第103页/共380页光纤光栅