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1、1第3章 光纤线路技术及器件第第3章 光纤线路技术及器件章 光纤线路技术及器件3.1 光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器3.2 光纤的连接光纤的连接3.3 光衰减器和光开关光衰减器和光开关3.4 光纤耦合器光纤耦合器3.5 光纤光栅光纤光栅3.6 波分复用器件波分复用器件3.7 平面及矩形光波导技术及器件平面及矩形光波导技术及器件3.8 光放大器光放大器3.9 色散补偿技术色散补偿技术第3章 光纤线路技术及器件3.1 光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器3.1.1 光隔离器光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光
2、对光源以及光路系统产生的不良影响。例如，在半导体激光源和光传输系统之间安装一个光隔离器，可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。在高速直接调制、直接检测光纤通信系统中，第3章 光纤线路技术及器件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
3、系统中具有重要的作用。第3章 光纤线路技术及器件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3章 光纤线路技术及器件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
4、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章 光纤线路技术及器件图3.1 偏振相关型光隔离器结构示意图45起偏器光隔离器 通光方向检偏器旋光器光偏振方 向45当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/2第3章 光纤线路技术及器件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
5、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3章 光纤线路技术及器件反之，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3章 光纤线路技术及器件2.偏振无关型光隔离器上述
6、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3章 光纤线路技术及器件由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
7、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3章 光纤线路技术及器件图3.2 偏振无关型光隔离器准直器准直器P1FR正向输入光输出光反向输入光P2第3章 光纤线路技术及器件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
8、入损耗IL为10lg()oiPILdBP= (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。当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/3第3章 光纤线路技术及器件（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 10lgriPRLP= (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3章 光纤线路技术及器件（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 10lg()o so iPIdBP
9、= (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3章 光纤线路技术及器件（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3章 光纤线路技术及器件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
10、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3章 光纤线路技术及器件图3.3 光环形器示意图端口1端口2端口3端口4第3章 光纤线路技术及器件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
11、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。当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/4第3章 光纤线路技术及器件图3.4 光环形器用于单纤双向通信示意图123光纤213接收发送发送接收第3章 光纤线路技术及器件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
12、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3章 光纤线路技术及器件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3章 光纤线路技术及器件将来自分束/合束镜的两束光变成偏振方向相同的光束，并将发
13、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3章 光纤线路技术及器件图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平面上的投影光纤准直器分束/合束镜1分束/合束镜2x端口1端口2端口4光束变换器1光纤准直器z
14、y光束变换器分束/合束镜1端口32345偏振旋转镜1偏振旋转镜2z端口1端口3分束/合束镜2端口2端口4偏振旋转镜1偏振旋转镜26(a)(b)第3章 光纤线路技术及器件图3.6 分束/合束镜D0光轴当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/5第3章 光纤线路技术及器件图3.7 90非互易旋转器的一种结构x快轴y法拉第 旋 转 器 /2波片后45第3章 光纤线路技术及器件图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45光传输方向光传输方向 /2波片后法拉第 旋转器后45法拉第 旋转器前 /2波片后45法拉第 旋转器后法拉第 旋转器前45(a
15、)(b)第3章 光纤线路技术及器件在该环行器中，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3章 光纤线路技术及器件图3.9 环形器中光束偏振态和位置的变换y1光传输方向光传输方向23456x(a)123456yx(b)123456yx光传输方向(c)第3章 光纤线路技术及器件在该环行器中
16、，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3章 光纤线路技术及器件在该环行器中，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
