光无源器件概述.ppt

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1、3/6/20231光纤无源及有源器件光纤无源及有源器件技术及应用技术及应用3/6/20232主要内容：主要内容：光纤无源器件技术光纤无源器件技术 光纤放大器技术光纤放大器技术 光纤激光器技术光纤激光器技术pp 光纤光栅、滤波器、调制器等pp 多波长光纤激光器、锁模光纤激光器、单频光纤激光器等pp 掺铒光纤放大器、拉曼放大器等3/6/20233光器件光器件 用途用途:实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能，是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。类型：无源、有源类型：无源、有源

2、无源器件主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光波分复用/解复用器、隔离器、环行器、滤波器、光调制器、光开光等。有源器件主要包括：激光器、光探测器、光放大器等。3/6/20234光纤无源器件技术光纤无源器件技术 3/6/20235 光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。无源器件功能无源器件功能连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换、开关复用、解复用调制、解调编码、解码色散处理缓存、存储逻辑处理光无源器件的功能：3/6/20236内容内容光连接器 Connector光耦合器

3、 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器与环行器 Isolator/Circulator光衰减器 Attenuator光起偏器与偏振控制器 Polarizer/Polarization Controller滤波器 Filter光调制器 Modulators光开关 Switches3/6/20237 光连接器件是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤之间可拆卸（活动）连接的光无源器件，它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。影响连接损耗的因素：光纤连接时，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横

4、向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗。光纤连接器光纤连接器3/6/20238精密套管结构连接器简图 光纤连接器示意图光纤连接器示意图3/6/20239 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。光纤连接器特性光纤连接器特性 (1)插插入入损损耗耗 插入损耗是指由于增加光无源器件而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，通常用dB表示，即 其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。(dB)3/6/202310光纤连接器特性光纤连接器特性 其中Pi为发送进输入端口的光功率，Pr为

5、从同一个输入端口接收到的返回光功率。(2)回回波波损损耗耗 回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：（3）重复性和互换性）重复性和互换性 重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。3/6/2023114050PC型型陶瓷陶瓷-40+80陶瓷陶瓷-20+70不锈钢不锈钢工作温度工作温度/C不锈钢不锈钢寿命（插拔次数）寿命（插拔次数）3540FC型型反射损耗反射损耗/dB互换性互换性/dB重复性重复性/dB0.20.3插入损耗插入损耗/dB性能性能型号或材料型号或材

6、料项目项目光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能3/6/202312常用光纤接头类型常用光纤接头类型3/6/202313 光耦合器（Coupler）是一类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。从端口形式上划分，它包括X型(22)耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器以及树形耦合器等。光纤耦合器光纤耦合器 Coupler3/6/202314光纤耦合器光纤耦合器 Coupler11-：耦合分束比，耦合分束比，3dB coupler=0.5 熔锥形光纤耦合器示意图光纤耦合器示意图光纤耦合器示意图3/6/202315 熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的

7、光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。熔融拉锥系统示意图熔融拉锥系统示意图3/6/202316光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数（1）插入损耗）插入损耗（定义同前）（定义同前）（2）附加损耗）附加损耗 附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总 和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学 表达式为：式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。3/6/202317光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数（3）分光比（）分光比（Coupling R

8、atio）分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为：例如对于标准X形耦合器，11或5050代表了同样的分光比，即输出为均分的器件，通常称为3dB耦合器。3/6/202318（4）方向性（串扰）方向性（串扰）方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数式中：Pin1代表总

9、注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。3/6/202319(5)偏振相关损耗偏振相关损耗 偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数 在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件的偏振相关损耗足够小。3/6/202320光纤耦合器的技术参数光纤耦合器的技术参数(6)工作波长范围工作波长范围 工作波长范围是指无源器件能够按照规

10、定的性能要求下工作的波长范围(min到max)。3/6/20232122光纤耦合器内的光功率分布光纤耦合器内的光功率分布k 是耦合系数50:503/6/202322-40+70工作温度工作温度/C0.82.0稳定性稳定性/dB4055方向性方向性/dB3.45.6/1.810.8/0.7插入损耗插入损耗/dB分光比分光比 0.5/0.5 0.3/0.7 0.1/0.91.31或或1.55工作波长工作波长/22型型耦合器耦合器耦合器的性能参数耦合器的性能参数3/6/202323例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW

11、，P3=6.3 nW，求耦合比，附加损耗，插入损耗（0口到1口），插入损耗（0口到2口），以及串扰。3/6/202324例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW，P3=6.3 nW，可以求得为：3/6/202325 将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复复用用器器(也也叫叫合合波波器器)，反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器解复用器(也叫分波器也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光波分复

12、用器和解复用器是WDM光纤通信系统中的关键部件。光复用解复用器光复用解复用器3/6/202326 1 2P 0 P1 P2熔锥光纤型波分复用器结构和特性熔锥光纤型波分复用器结构和特性 1 1，2 2 2 2 1 1直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2公共臂公共臂3/6/202327衍射光栅型波分复用器结构示意图衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+2+3 1+2+3 1+1+2+2+3 3 1 1 2 2 3 33/6/2023

13、28采用棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+2+3 1 2 3 1 1+2 2+3 1 2 33/6/202329波导型波分解复用器3/6/202330光波分复用解复用器光波分复用解复用器波分复用器l1l2l3l4l1,l2,l3,l4波分解复用器l1l2l3l4光波复用器解复用器应用示意图光波复用器解复用器应用示意图3/6/202331 耦耦合合器器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件互易器件。隔隔离离器器就是一种非非互互易易器器件件，光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，它的作用是防止光路中由

14、于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。光隔离器光隔离器3/6/202332 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应实现其功能。光隔离器的特性是：插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器分偏振相关与偏振无关隔离器。光隔离器光隔离器光纤隔离器示意图光纤隔离器示意图3/6/202333 光环形器是由多个光隔离器单元组合而成的、控制光束传播方向的无源器件。光环形器光环形器 三端口光环形器 四端口光环形器 箭头方向代表了允许光传输的方向。光纤环形器示意图光纤环形器示意图3/6/202334光发射机1光发射机2光接收机1光接收机2123321光环行器用于双向传输系统光环行器用于双

15、向传输系统3/6/202335 光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为固定衰减器和可变衰减器。光衰减器光衰减器3/6/202336光衰减器光衰减器3/6/202337固定衰减器固定衰减器 固定衰减器对光功率衰减量固定不变，主要用于调整光纤传输线路的光损耗。输入光纤输出光纤光纤连接器光纤连接器透镜透镜衰减部分3/6/202338 可变衰减器可变衰减器 可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。(a)光路和结构(b)连续衰减片厚薄3/6/202339 用 于 从 自 然 光 中 获 得 偏 振 光

16、 的 无 源 器 件 称 为 起 偏 器(Polarizer).光起偏器光起偏器3/6/202340光偏振控制器光偏振控制器 光偏振控制器主要用于对入射光的偏振态改变及控制。理论上，偏振控制器能将输入的任何一种偏振态的光（椭圆偏振，圆偏振，线偏振）转变成任意指定偏振态的输出。三环型机械式偏振控制器采用了三个固定延迟的波片，通过调节波片的角度可使输出光偏振态完全覆盖Poincare球表面。3/6/202341 进行波长选择的无源光器件，即光滤波器光滤波器。光滤波器光滤波器l1 光滤波器l1,l2,l3,l4l,l,l234梳状滤波器梳状滤波器 光滤波器l1,l2,ln宽带光源带通滤波器带通滤波器

17、光滤波器示意图光滤波器示意图3/6/202342几种常用光滤波器 法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器 马 赫-曾 德 尔 干 涉 仪(MZI:Mach-Zehnder Interferometer)光纤光栅3/6/202343光滤波器的带宽光滤波器的带宽带通滤波器的带宽带通滤波器的带宽3/6/202344 滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自自由由光谱范围光谱范围(FSR：Free Spectral Range)；用FWHM（Full width at half maximum）表示传递函数的半高宽半高宽；比 值 FSR/FWHM称 作 FP滤 波 器 的 精精 细细 度

18、度(F:Finesse),则（7.12）滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数3/6/202345滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数滤波器参数标识滤波器参数标识3/6/202346 法法布布里里-珀珀罗罗(FP:Fabry-Perot)滤滤波波器器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的。这种滤波器也叫F-P干干涉涉仪仪，传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器F-P滤波器滤波器输入信号输入信号F-P腔腔反射反射同相相加后的同相相加后的输出信号输出信号3/6/202347 法法布布里里-珀珀罗罗(FP:Fabry-Perot)滤滤波波器

19、器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的。这种滤波器也叫F-P干干涉涉仪仪，传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。F-滤波器的功率传递函数TFP(f)与光的频率f有关：（7.10）法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器3/6/202348若用自由空间波长表示，则：这里A表示每个镜面的吸收损耗，R为每个镜面的反射率(假设两个镜相同)，光在腔内单程传播的时延为，腔内介质的折射率为n，腔长为l,因此=nl/c，c为真空中光速。（7.11）法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器3/6/202349A=0及R=0.75、0.9和0.99时FP滤波器的功率传递函数反 射 率 R越大，相邻信道的

20、隔离度就越好。法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器3/6/202350 FP滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自自由光谱范围由光谱范围(FSR：Free Spectral Range)；用FWHM表示传递函数的半高宽；比 值 FSR/FWHM称 作 FP滤 波 器 的 精精 细细 度度(F:Finesse),则（7.12）F-P滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数3/6/202351F-P滤波器的几个重要参数滤波器的几个重要参数滤波器参数标识滤波器参数标识3/6/202352F-P级联滤波器级联滤波器F-P可调谐滤波器可调谐滤波器3/6/202353 马马赫赫-曾曾德德尔尔干干涉涉仪仪

21、(MZI:Mach Zehnder Inter-ferometer)使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出。MZI通常以集成光波导的形式出现，即用两个3 dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路，如图所示。马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪输入输入1 1输入输入2 2路程差，路程差，D DL输出输出1 1输出输出2 2马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪(MZI)结构图结构图3/6/202354 考虑MZI作为一个解复用器的情况。这时只有一个输入，假设从输入端口1输入，经过第一个定向耦合器后，功率平均分配到两臂上，但是在两臂上的信号有了/2的相差，下臂上的信号比上臂滞后/2。MZI(D

22、D L )输入输入 1输入输入2输出输出 1输出输出2马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪(MZI)方框图方框图M-Z干涉仪的工作原理干涉仪的工作原理3/6/202355 同 理，在 输 出 2处，两 信 号 总 的 相 位 差 为 +L-=L。在输入1的所有波长中，满足L=k(k为奇数)条件的波长，由输出1输出；满足L=k(k为偶数)条件的波长由输出2输出。而=,n为介质折射率，为光波长，通过适当设计就可以实现波长的解复用。如果下臂与上臂的长度差为L，则下臂信号的相位进一步滞后L,为光在MZI介质中的传输常数。在第二个定向耦合器的输出1处，来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了/2，因此，在输

23、出1处，两信号总的相位差为:+L+。M-Z干涉仪的工作原理干涉仪的工作原理3/6/202356 如果两臂长度差为L，只是输入1输入，则单个MZI的功率传递函数为:2sin2LDbT11(f)T12(f)=其中f为光频率。MZI可可用用来来作作滤滤波波器器和和波波分分复复用用器器/解解复复用用器器。在宽带滤波方面MZI非常有用，例如用来分开1.31 m和1.55 m两个波长的光信号。单级单级M-Z干涉仪干涉仪3/6/202357 如果将MZI级联就构成多多级级马马赫赫-曾曾德德尔尔干干涉涉仪仪，形成窄带滤波器。一个4级马赫-曾德尔干涉仪如图所示，其中每个MZI以及级联后整个4级MZI的传递函数曲

24、线如下页图所示。输入输入1输入输入 2输出输出1输出输出2MZI(D DL)MZI(2D DL)MZI(3D DL)MZI(4D DL)马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪(MZI)四级四级MZI级联级联M-Z干涉仪干涉仪3/6/202358MZI单级及级联后的传递函数单级及级联后的传递函数 3/6/202359光光纤纤光光栅栅是是利利用用光光纤纤材材料料的的光光敏敏性性（外外界界入入射射光光子子和和纤纤心心内内锗锗离离子子相相互互作作用用引引起起折折射射率率的的永永久久性性变变化化），在在纤纤心心内内形形成成空空间间相相位位光光栅栅，其其作作用用实实质质上上是是在在纤纤心心内内形形成成一一个个

25、窄窄带带的的（透透射射或或反反射射）滤滤波波器器或或反反射射镜镜，使使得得光光在在其其中中的的传传播播行行为为得得以以改改变变和和控制。控制。光光纤纤在在紫紫外外光光照照射射下下产产生生的的光光致致折折射射率率变变化化的的效效应应，在在纤纤芯芯上上形形成成周周期期性性的的折折射射率率调调制制分分布布，从从而而对对入入射射光光中中相相位位匹匹配配的的频频率产生反射。率产生反射。光纤光栅光纤光栅3/6/202360光纤光栅的历史光纤光栅的历史1978年 由 加 拿 大 通 讯 研 究 中 心(CRC,Canadian Research Centre)的K.O.Hill.率先报道了光纤的光敏特性，制

26、造了第一支光纤光栅。1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发展。1993年 K.O.Hill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，使光纤光栅的大批量制造成为可能。3/6/202361 利用某种特殊光纤的光敏特性，就可在光纤中写入光栅。在传统光纤的SiO2中掺入少量锗(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯，则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化，强度高的地方纤芯折射率增加，强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化，这样就在光纤中写入了光

27、栅。也可以使用位位位位相相相相模模模模版版版版(phase(phase mask)mask)来写入光栅。位位位位相相相相模模模模版版版版是一种光衍射元件，当用光束照射它时，它将光束分离成各个不同的衍射级，这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤。光纤光栅的写入光纤光栅的写入3/6/202362光纤光敏性概念光纤光敏性概念所谓的光敏性，是指材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。光纤中的光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变的特性。在一定条件下，变化的大小与光强成线性关系并可保存下来。在通信中应用最广泛的是纤芯掺锗光纤。在光纤材料中掺入Ge以后将产生

28、位于195nm、213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等多个附加吸收带，其中240nm、195nm为强吸收带3/6/202363光纤光栅的写入装置光纤光栅的写入装置光束干涉法制备光纤光栅示意图3/6/202364光纤光栅的写入装置光纤光栅的写入装置相位模板方法制备光纤光栅示意图3/6/202365光谱测量示意图光谱测量示意图图3/6/202366 光光纤纤光光栅栅可可以以分分为为短短短短周周周周期期期期(short-period)(short-period)光光光光纤纤纤纤光光光光栅栅栅栅和长长长长周周周周期期期期(long-period)(long-period)光纤光栅

29、光纤光栅光纤光栅光纤光栅。短短短短周周周周期期期期光光光光纤纤纤纤光光光光栅栅栅栅也称光光纤纤布布喇喇格格光光栅栅，其周期可以和光波长相比较，典型值大约0.5 m；长长长长周周周周期期期期光光光光纤纤纤纤光光光光栅栅栅栅的周期比光波长大得多，从几百微米到几毫米不等。光光纤纤布布喇喇格格光光栅栅(FBG：Fiber Bragg Grating)是一种反射型光纤光栅，光栅使正正向向传传输输模模(单模光纤中即为基模)同反反向向传传输输模模之间发生耦合，光栅的波矢应等于传输模波矢的2倍，也就是说，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半，这种光纤光栅只对在布布布布喇喇喇喇格格格格波波波波长长长长

30、及其附近很窄的波长范围内的光发生反射，而不影响其它波长的光通过。光纤光栅按周期的分类光纤光栅按周期的分类3/6/202367 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配布喇格相位匹配布喇格相位匹配布喇格相位匹配条件：其中为光栅周期，则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。（7.7）（7.8）光纤光栅光纤光栅3/6/202368 设0=2neff/B，其中B为输入光的波长，neff为光纤的有效折射率。则如果B=2neff，将满足

31、布拉格条件，光波将发生反射，这个波长B就称作布布布布喇喇喇喇格格格格波波波波长长长长。随着入射光波的波长偏离布喇格波长布喇格波长布喇格波长布喇格波长，其反射率就会降低。如果具有几个波长的光同时传输到光光光光纤纤纤纤布布布布喇喇喇喇格格格格光光光光栅栅栅栅上，则只有波长等于布布布布喇喇喇喇格格格格波波波波长长长长的光才反射，而其它的光全部透射。Bragg 波长波长3/6/202369 FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为B=2neff，

32、其中，为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。光纤光纤Bragg 光栅（概念总结）光栅（概念总结）3/6/202370光纤光纤Bragg 光栅反射及透射特性光栅反射及透射特性布喇格波长布喇格波长布喇格波长布喇格波长:B=2neff光纤光栅原理示意图光纤光栅原理示意图3/6/202371变迹光纤光栅变迹光纤光栅 采用特殊形式对光纤Bragg光栅的折射率调制深度进行调制，可形成变迹光栅，这种光栅具有丰富的谱特性，通过改变其调制函数及其他有关参数可根据需要控制其反射谱形状。3/6/202372布喇格光栅的反射谱布喇格光栅的反射谱(a)均匀折射率情形均匀折射率情形(b)变迹折射率情形变迹折射率情形 注意

33、:变迹光栅旁瓣的减少是变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。以主瓣加宽为代价的。均匀折射率及切趾光栅的反射谱均匀折射率及切趾光栅的反射谱3/6/202373 长长周周期期光光纤纤光光栅栅的的工工作作原原理理与与光光纤纤布布喇喇格格光光栅栅稍稍微微有有些些不不同同。在光纤布喇格光栅中，纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上；而在长周期光纤光栅中，纤芯中正向传输模的能量耦合到包层里的正向传输模上，包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉，因此相应波长位置的光波被衰减，出现一些损耗峰。设纤芯中模的传输常数(假定为单模光纤)为，p阶包层模的传输常数为cp，相位匹配条件为：长周期光纤光栅长周期光纤光栅（7.

34、9）其中为光栅周期。一般情况下，两个正向传输模的传输常数相差很小，为了发生耦合，通常要求是一个相当大值，一般为几百微米以上。3/6/202374 设纤芯和p阶包层模的有效折射率分别为neff和npeff，由公式=2neff/可得：当波长满足=(neff-npeff)时，纤芯模的能量便耦合到包层模上去。因此，如果我们知道了传输光的波长和纤芯、包层模的有效折射率，就可以设计合适值的长周期光栅长周期光栅长周期光栅长周期光栅来满足各种需要。长周期光纤光栅长周期光纤光栅长长长长周周周周期期期期光光光光纤纤纤纤光光光光栅栅栅栅的透射谱，特别适合用作带阻滤波器.3/6/202375 设纤芯和p阶包层模的有效

35、折射率分别为neff和npeff，由公式=2neff/可得：当波长满足=(neff-npeff)时，纤芯模的能量便耦合到包层模上去。因此，如果我们知道了传输光的波长和纤芯、包层模的有效折射率，就可以设计合适值的长周期光栅长周期光栅长周期光栅长周期光栅来满足各种需要。长周期光纤光栅长周期光纤光栅长长长长周周周周期期期期光光光光纤纤纤纤光光光光栅栅栅栅的透射谱，特别适合用作带阻滤波器.3/6/202376啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的,是一个非周期的光栅间距，可改变轴向的光栅周期或光纤纤芯折射率或同时改变两者获得。3/6/202377啁啾光栅的谱分布啁啾光

36、栅的谱分布 由 于 不同的栅格周期对应于不同的反射波长，啁啾光栅能够形成很宽的反射带。3/6/202378超结构光纤光栅超结构光纤光栅 又称取样光栅，折射率调制是周期性间断的，相当于在光纤Bragg光栅或啁啾光纤光栅的折射率调制上又加一个调制函数3/6/202379超结构光纤光栅写入和应用超结构光纤光栅写入和应用R.Kashyap写入方法采用相移相位掩模近场衍射法。B.J.Eggleton等人利用振幅掩模与相位掩模联合使用的方法也可精确地写入超结构光纤光栅。应用：超结构均匀光栅在梳状滤波器以及多波长激光器在波分复用通信系统中的色散补偿；3/6/202380相移光纤光栅相移光纤光栅 是指在光纤B

37、ragg光栅的某些点，通过一些方法破坏其周期的连续性而得到的，每个不连续连接都会产生一个相移。3/6/202381相移光纤光栅的透射谱相移光纤光栅的透射谱 其主要特点是在Bragg反射带中打开透射窗口，使波长具有更高的选择性，通过选择合适的相移点位置和相移量，能够控制透射窗口的位置。3/6/202382光纤光栅的波长调谐光纤光栅的波长调谐电磁调谐,举例：如使用103mT磁场可以实现1.1nm的调谐热调谐，Bragg波长的温度灵敏度为1.1X10-2nm/机械调谐，应力等3/6/202383 光光纤纤光光栅栅(Fiber Grating)是一种非常有吸引力的全光纤器件，其用途非常广泛，可用作光光

38、滤滤波波器器、光光分插复用器分插复用器和色散补偿器等。色散补偿器等。其主要优点有：其主要优点有：光纤光栅的应用及优点光纤光栅的应用及优点 插入损耗小 易于与光纤耦合 对偏振不敏感 封装简单 成本较低等3/6/202384光纤光栅在光通信中的应用光纤光栅在光通信中的应用 波分复用与解复用WDM Mux/DemuxEDFA的 增 益平坦与线路色散补偿WDMAmplifiers 信号上下载复用与解复用WDMSwitchingWDM Transmitters光源中的波长锁定3/6/202385光纤光栅在光纤光栅在OADM中的应用中的应用 上图是基于光纤光栅的光分插复用器，由两个三端口光环行器和N个光纤

39、布喇格光栅构成，由光栅反射回来的波长i从环行器1的端口3取出进行下载，余下的波长继续前行。从环形器2的1端口上载信号，经光栅反射波长i通过环形器3端口输出，继续传输。3/6/202386光调制器光调制器 调制器概述 电光调制器 声光调制器3/6/202387 激激光光是是一一种种频频率率很很高高（10131015Hz)的的电电磁磁波波，具具有有很很好好相相干干性性，因因而而象象以以往往电电磁磁波波（如如微微波波等等）一一样样可可以以用用来来作作为为传传递递信信息息的的载波。载波。这种将信息加载于激光的过程称之为这种将信息加载于激光的过程称之为调制。调制。完成这一过程的装置完成这一过程的装置称为

40、称为调制器调制器。其中激光称。其中激光称为为载波载波；起控制作用的低；起控制作用的低频信息称为频信息称为调制信号调制信号。解解调调：调调制制的的反反过过程程，即即把把调调制制信信号号还还原原成成原原来的信息。来的信息。调制、解调的基本概念调制、解调的基本概念3/6/202388 激光光波的电场强度是：激光光波的电场强度是：因激光具有因激光具有振幅、频率、相位、强度等参量振幅、频率、相位、强度等参量，如使其中某一参，如使其中某一参量按调制信号的规律变化，则激光受到信号的调制，达到运载信息量按调制信号的规律变化，则激光受到信号的调制，达到运载信息的目的。的目的。激光调制按其调制的性质可以分为激光调

41、制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强调幅、调频、调相及强度调制等。度调制等。调制的分类调制的分类其中：其中：，角频率，角频率，相位。相位。按调制器的工作原理，可分为按调制器的工作原理，可分为电光调制、声光调制、磁光调制电光调制、声光调制、磁光调制等。等。3/6/202389 强强度度调调制制是是光光载载波波的的强强度度(光光强强)随随调调制制信信号号规规律律而而变变化化的的激激光光振荡振荡。激激光光调调制制通通常常多多采采用用强强度度调调制制形形式式，这这是是因因为为接接收收器器(探探测测器器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。

42、强度调制强度调制强度调制（例）强度调制（例）3/6/202390 调调制制器器可以用电电光光效效应应、磁磁光光效效应应或声声光光效效应应来实现。最常见的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。这种晶体的折射率折射率折射率折射率n n和外加电场外加电场外加电场外加电场E E的关系为 n=n0+E+E2 式中，n0为E=0时晶体的折射率晶体的折射率晶体的折射率晶体的折射率。和是张量，称为电光系数电光系数。根据不同取向，当当=0时时，n随E按比例变化，称为线线性性电电光光效效应或普克尔应或普克尔(Pockel)效应效应。当当=0时时，n随E2按比例变化，称为二二次次电电光光效效

43、应应或克克尔尔(Kerr)效应。调制器是利用线线线线性性性性电电电电光光光光效效效效应应应应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，从而改变了入射光的相位和输出光功率。电光调制器电光调制器3/6/202391 电光调制的物理基础是电光调制的物理基础是电光效应电光效应，即某些晶体在，即某些晶体在外加电场外加电场的作的作用下，其用下，其折射率将发生变化折射率将发生变化，当，当光波光波通过此介质时，其通过此介质时，其传输特性诸传输特性诸如相位、功率就会受到影响而改变如相位、功率就会受到影响而改变。电光调制器电光调制器3/6/202392 将出射光强与入射光强相比得：将出射光强与入射光强相比

44、得：V和V/2 是一回事。是一回事。其其中中的的T称称为为调调制制器器的的透透过过率率。根根据据上上述述关关系系可可以以画画出出光光强强调调制制特特性性曲曲线线。由由图图可可见见，在在一一般般情情况况下下,调调制制器器的的输输出出特特性性与与外外加加电电压压的关系是非线性的。的关系是非线性的。强度调制特性曲线强度调制特性曲线3/6/202393电光调制特性曲线电光调制特性曲线 若调制器工作在非线性部分若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的得线性调制，可以通过引入一个固定的 2相位延迟，使调制相位延迟，使调制器的电压偏置在

45、器的电压偏置在T50的工作点上。的工作点上。3/6/202394 根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制：内内调调制制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。外外调调制制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。调制方式调制方式3/6/202395 外调制：通过光调制器，将携带信息的电信号与输入光调制器的连续光载波相作用。外调制方式外调制方式外调制方式（例）外调制方式（例）3

46、/6/202396 马赫-曾德尔干涉仪型调制器MZ干涉型调制器干涉型调制器3/6/202397 上图是马赫马赫马赫马赫 -曾德尔曾德尔曾德尔曾德尔(MZ)(MZ)干涉型干涉型干涉型干涉型调制器的简图。在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率 式中Us和Ub 分别为信号电压和偏置电压，U为光功率变化半个周期(相位为0)所需的外加电压，并称为半波电压半波电压半波电压半波电压。由公式可以看到，当Us+Ub=0时，P=2为最大；当Us+Ub=U时，P=0。MZ干涉型调制器干涉型调制器3/6/202398声光调制

47、器声光调制器 声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率变化，这样声光介质在超声场的作用下就变成了一个等效的相位光栅,如果激光作用在该光栅上,就会产生衍射.衍射光的强度,频率和方向将随超声场而变化。3/6/202399 而作为声光调制器来说,无论属于哪种类型(喇曼-奈斯型衍射或布喇格型衍射),调制器都有两种工作方式,一种是将零级光束作为输出;另一种是将1级衍射光束作为输出.当声波振幅随着调制信号改变时,各级衍射光的强度也将随之发生相应变化.若将某一级衍射光和为输出,利用光阑将其它衍射级遮拦,则从光

48、阑孔出射的光束就是调制光.声光调制器声光调制器3/6/2023100 光调制器的性能参量：半波电压、消光比、调制带宽、插入损耗 光纤通信系统对调制器的要求：高的调制速率 宽的调制带宽低的半波电压 高的消光比低的插入损耗光调制器的性能参数光调制器的性能参数3/6/2023101光光 开开 关关 光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，用于改变光传输通路的器件。它是光网络通信中对光上下路信号和不同光路之间进行交叉互连的器件，也是是光交叉互联(OXC)和光分插复用(OADM)技术中的核心部件 3/6/2023102 (1)插入损耗插入损耗 插入损耗是指输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示

49、：式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输出端接收的光功率。插入损耗与开关的状态有关。光开关特性参数光开关特性参数3/6/2023103(2)回波损耗回波损耗 回波损耗(也称反射损耗或反射率)是指从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示：式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输入端口接收到的返回光功率。回波损耗与开关的状态有关。光开关特性参数光开关特性参数3/6/2023104(3)隔离度隔离度 隔离度是指两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示。式中：n、m为开关的两个隔离端口(nm)；Pin是光从i端口输入时n端口的输出光功率，Pim是光从n端口输入时在m端口测得的光功率。光

50、开关特性参数光开关特性参数3/6/2023105(4)远端串扰远端串扰 远端串扰是指光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。(5)近端串扰近端串扰 近端串扰是指当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。光开关特性参数光开关特性参数3/6/2023106(6)消光比消光比 消光比是两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。式中：ILnm为n，m端口导通时的插入损耗；ILnm0为n，m端口非导通时的插入损耗。(7)开关时间开关时间 开关时间是指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。光开关特性参