第五章 无源光器件和WDM技术
目录
5.1 无源器件的几个常用性能参数 1
5.2 光纤和波导型无源光器件 2
5.2.1 光连接器和光耦合器 2
5.2.2 偏振控制器 3
5.2.3 光纤布拉格光栅 4
5.2.4 Mach-Zahnder滤波器 5
5.2.5 非线性环路镜 5
5.3 光学无源器件 6
5.3.1 偏振分束器 6
5.3.2 光隔离器 7
5.3.3 光环行器 7
5.3.4 自聚焦透镜 8
5.3.5 F-P腔滤波器 9
5.3.6 光栅 9
5.4 波分复用、解复用器件 10
5.4.1 光栅型复用、解复用器 11
5.4.2 干涉膜滤波器型复用、解复用器件 11
5.4.3 阵列波导光栅型复用、解复用器 11
5.5 光开关 12
5.5.1 机械光开关 12
5.5.2 微电机械光开关 13
5.5.3 热光开关 13
5.5.4 波长选择开关 14
5.5.5 高速光开关 14
5.6 WDM光纤传输系统 15
5.6.1 波分复用、密集波分复用和光频分复用 15
5.6.2 波分复用系统的构成 16
第五章 无源光器件和WDM技术
5.1 无源器件的几个常用性能参数
1.插入损耗
2.回波损耗
3.反射系数
4.工作波长范围
5.偏振相关损耗（PDL）
6.隔离度
5.2 光纤和波导型无源光器件
波导型无源光器件是爱硅或者其他半导体材料的平面衬底上用半导体工艺制造的，容易集成形成较大规模的光器件。
5.2.1 光连接器和光耦合器
1.光连接器
光连接器的功能：将两根光纤连接起来，且是一种可以拆装式连接。
光连接器基本都是由插头和插座组成，在插头内精密安装一个插针，光纤就固定在插针中。
影响光连接器的插入损耗的因素有两个方面，一是被连接的两根光纤是否匹配，被连接的两根光纤性能参数的离散型必然会导致插入损耗的增加。二是安装的精度。
2.光耦合器
光耦合器可以把多个光信号耦合在一起，或将光信号分到多跟光纤中。
常用的制造光耦合器的方法：研磨抛光法、熔融拉锥法和平面波导法。
3.波导耦合器
波导耦合器基本结构和光耦合器类似
波导是由不同折射率的介质构成，如图5-6（b）所示，它是由折射率较高的薄层夹在折射率较低的介质中间形成，在相互作用区的两个波导相互靠近产生光场的相互耦合，耦合强度与作用区的长度、波导的宽度、波导间隙、折射率及波长等因素有关。
5.2.2 偏振控制器
解决偏振匹配问题有两种方法，一种是采用偏振保持光纤，另一种是对输入光进行偏振控制。
偏振器的类型有波片型、电光晶体型和光纤型，其中光纤型偏振控制器因其具有抗干扰能力强、插入损耗小、易于光纤耦合等特点而得到广泛的应用。
可转动光纤线圈型偏振控制器
当光纤被缠绕在圆盘上弯曲成小圆圈时，光纤外面被拉伸，里面被压缩。这种应力引起光纤的感生双折射，使输入光在两个偏振方向上产生相移，从而起到控制偏振的作用。
挤压型偏振控制器
挤压型偏振控制器利用电磁挤压使光纤产生附加的双折射，达到控制偏振状态的问题。
5.2.3 光纤布拉格光栅
- 光纤光栅滤波器
光纤光栅时利用光纤材料的光敏性质制作的。光敏性质是指紫外线通过光纤时，光纤的折射率会随光强的空间分布发生相应的变化，并在紫外线撤销后这种变化可以永久保存下来。
光纤光栅具有体积小、插损低，与普通光纤匹配良好等特点。在光纤通信和光纤传感等领域有广泛的应用。
啁啾光纤光栅
啁啾光纤光栅是指光纤的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴线变化的光栅，其制作方法是在光纤上刻出一系列不等间距的光栅，光栅的每个点都可以看成是一个本地布拉格光栅的通带和阻带滤波器。
用啁啾光纤光栅作为色散补偿器的优点是器件的体积小，补偿效率高，其缺点是补偿带宽较窄。
5.2.4 Mach-Zahnder滤波器
马克詹德（Mach-Zahnder，M-Z）干涉结构可用作光调制器，也可用作光滤波器，在光通信中有广泛的应用。
其结构由两个3dB耦合器和两段长度不等的波导臂组成。
图b为透射率随光频率变化的曲线，可以看出它的滤波效应。
5.2.5 非线性环路镜
非线路环路镜（NOLM）是一个可以具有多种用途的快速开关器件，在消除脉冲序列的背景噪声、光时分复用（OTDM）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的应用。
NOLM典型结构如图
由2*2光纤耦合器（分光比不为50：:50）和光纤构成，光纤与耦合器的两个臂相连形成闭合环路。当光信号输入到耦合器时，被按一定比例分成两束，在光纤线路中沿不同方向传输然后在耦合器中再次相遇。
非线性环路镜可以用于不同的系统中，实现不同的目的（如可以作为一个光逻辑与门，在光复用系统（OTDM）中实现解复用的功能）。
5.3 光学无源器件
5.3.1 偏振分束器
先将大量路数的波分复用信号分成奇偶两组，然后对这两组信号进行偏振复用时超大容量的光纤通信系统的一种解决方案，在这个系统中需要偏振分束器。
偏振分束器是由两个双折射材料制成的棱镜粘合在一起构成的。
双折射材料的特征：不同偏振方向的光场分量在经过双折射材料时有不同的折射率
5.3.2 光隔离器
光隔离器是光单向传输器，可以防止光反射的发生，在光通信中有广泛的应用。
光隔离器应允许正向输入光以最小的损耗通过，并能最大地阻止反向光通过。对正向光和反向光的损耗分别用插入衰减和隔离度表示。性能良好的隔离器的插入损耗可以降到0.3dB以下，隔离度可以达到70dB以上。
典型的光隔离器主要有两个偏振滤光片和一个法拉第旋转器构成，两个偏振滤光片的偏振方向相差45°。
5.3.3 光环行器
环行器特点：当光从任意端口输入时，只能在环行器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。
光环行器可以有不同的结构，可以使用不同的器件构成，但其最基本的原理是利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输。如图是一个3端口光环行器的结构以及端口1和端口2的光路图，它的各个组成部分功能如下。
偏振分束器：将输入光分解成偏振正交的两束光。
法拉第旋转器：偏振面产生45°旋转。
旋光板：将光的偏振面旋转45°。
光环行器工作原理：从端口1输入的光波被偏振分束器（PBS）分离成水平和垂直偏振光，垂直偏振光被折射，如图中沿上面的光路传输，水平偏振光沿下面的光路传输，然后进入法拉第旋转器。旋转器和旋光版将两束光旋转45°，使原来的垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。这两束光被另一个偏振分束器合到一起从端口2输出。
5.3.4 自聚焦透镜
自聚焦透镜（GRIN）是应用广泛的无源光器件，主要作用是准直光束。自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件，其折射率分布同自聚焦光纤，只是直径远大于自聚焦光纤纤芯，规格为零点几毫米到几十毫米不等。
5.3.5 F-P腔滤波器
F-P腔也称为法布里-玻罗干涉仪或法布里-玻罗波长标准具，其基本结构是由两个反射界面构成，可以由两个镜面作为反射面，也可以由不同的介质的分界面构成。
5.3.6 光栅
广义上讲，任何一个具有周期性空间结构或周期性光学性质的衍射屏都是一个光栅。在光通信中常使用反射型平面衍射光栅，作为波长选择器勇于波分复用系统中。
基本的光栅方程可以表示为
5.4 波分复用、解复用器件
波分复用器件（WDM）是波分复用系统中的重要组成部分，是关系波分复用系统性能的关键器件。
对波分复用器件的主要要求是：
插入损耗小，隔离度大，串扰小；
带内平坦，带外插入损耗变化陡峭；
温度稳定性好，工作稳定、可靠
复用通路数多，各路插入损耗相差不大，尺寸小。
5.4.1 光栅型复用、解复用器
光栅型复用器的三种结构：用传统的透镜作准直器件、用自聚焦透镜作准直器件、体光栅型解复用器。
光栅型解复用器是一种并行器件，他可以同时分开多路不同波长的信号，使各路的插入损耗都一样，具有解复用路数多，分辨率等优点，目前被广泛应用于DWDM系统中
5.4.2 干涉膜滤波器型复用、解复用器件
干涉膜滤波器型解复用、复用器是由自聚焦透镜和滤光片组成，滤光片由多层介质薄膜构成，它可以通过介质膜系不同的选择构成长波通、短波通和带通滤波器。其基本原理，可以通过每层薄膜的界面上多次反射和透射光的线性叠加来解释。
干涉膜滤波器型复用器具有插入损耗小、隔离度高、工作稳定等优点。它是一种串行器件，当复用路数较多时，各路的插入损耗差异较大，但各信道间的串扰可以做的很小。
5.4.3 阵列波导光栅型复用、解复用器
由输入波导，两个平面耦合波导、阵列波导和输出波导构成的。
当多波长信号被激发进某一输入波导时，此信号将在第一个波导平面中发生衍射而耦合进阵列波导。阵列波导由很多长度一次递增的波导路径构成，光经过不同的波导路径到达第二个平面耦合波导时，产生不同的相位延迟，在第二个耦合波导中相干叠加，这种阵列波导长度差所起的作用和光栅沟槽平面所起的作用相同，从而表现出光栅的功能和特性，这就是阵列波导光栅名称的来源。
精确设计阵列波导的路径数和长度差，可以使不用波长的信号在第二个平面耦合波导输出端的不同位置形成主极强，分别耦合到不同的输出波导中，从而起到解复用的作用。
5.5 光开关
光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备的核心器件，也是光网络实现保护倒换的必须器件。其主要性能除了插入损耗、隔离度、开关速度和偏振敏感性等外，还有消光比和阻塞性质。
消光比是指开关on和off是输出功率之比，阻塞性质是指任意输入端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的性质。
5.5.1 机械光开关
机械光开关是目前常用的一种光开关器件，可以分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器等多种类型。
机械光开关的优点：插入损耗低（<1dB）、隔离度高（>45dB）,与波长和偏振无关，制作技术成熟。
缺点：开关动作时间较长（毫秒量级），体积偏大，不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在重复性差的问题。
5.5.2 微电机械光开关
微电机械（MEMS）光开关是指由半导体材料（如Si等）构成的微机械电控结构。
它在一块芯片上将电、机械和光合为一体，透明传送不同速率、不同协议的业务。
基本原理：通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变光的传播方向。
优点：既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有体积小、易于大规模集成等优点。
典型的MEMS光开关可分为二维结构和三维结构。
5.5.3 热光开关
热光开关也是一种易制作成端口数较多的光开关，其基本结构有两种：一种是Y型分路器结构，另一种是Much-Zahnder（MZI）干涉仪型结构。热光开关可用硅基材料制作也可以用聚合物材料制作。
Y型分路器结构如图所示，它采用光刻法或湿式化学刻蚀法在硅基底或聚合物基底上生成Y型波导。
MZI干涉仪型热光开关的主导思想是利用光相位特性。结构如图5-36所示，MZI波导一般生成在硅基底上，两个波导臂具有相同长度，其上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器。
以1×2和2×2光开关单元为基础，其他4×4，8×8，16×16等光开关矩阵可通过这两种光开关单元集成而得到。
5.5.4 波长选择开关
波长选择开关（WSS）在可重构光分插复用器（ROADM）中有重要应用，他的基本应用类型可分为1×N和N×1两种。1×N型WSS可以将输入的多波长信号中的任意波长和任意数目的波长组合输出到任意输出端口上。
已报道的WSS实现技术主要有3种：①基于自由空间光学技术和MEMS技术；②基于平面光路（PLC）技术；③基于硅基液晶（LCOS）阵列技术。
5.5.5 高速光开关
1.LiNbO3波导型电光开关
LiNbO3波导型光开关是利用电光效应达到改变波导材料的折射率来实现的光开关，主要优点是开关速度快、集成方便，是未来光交换技术中需要的高速器件。
不足之处是插入损耗较大，偏振相关损耗和串扰较高，价格昂贵。
半导体光放大器门型开关
半导体光放大器（SOA）是一种用途广泛的光放大器件，属于有源器件。
基本原理：增益介质的受激辐射带来的光放大。由于SOA在不同泵浦状态下表现出对入射光的吸收或放大两种作用，利用特性可以构造基本的门型光开关单元。
SOA开关是一种有源器件，泵浦增益补偿了开关损耗，可以实现无插损开关，可以同时获得光增益（大约10dB左右的增益）。此外SOA型光开关还具有开关速度快，易于集成等特点。
5.6 WDM光纤传输系统
WDM技术以较低的成本、较简单的结构形式成几倍、数十倍、数百倍地扩大单根光纤的传输容量，使其成为光网络中的主导技术。
5.6.1 波分复用、密集波分复用和光频分复用
波分复用技术是指不同波长的多个独立光信号复用在一起，在同一光纤中同时传输。
波分复用技术可以有波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、光频分复用（OFDM）等不同的提法。
目前WDM系统主要指母鸡波分复用系统，它的主要优点是：
充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本。
对各信道传输的信号的频率、格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容。
节省光纤和光中继器，便于对已建成的系统进行扩容。
可提供波长选路，使建立透明、灵活、具有高度生存性的WDM光通信网成为可能。
5.6.2 波分复用系统的构成
波分复用（WDM）系统可以分为单向传输方式和多项传输方式。从它对外的光接口来看，又可分为集成式WDM系统和开放式WDM系统。
摘录自：
[1] 顾畹仪. 光纤通信.第2版[M]. 人民邮电出版社, 2011.
