【正文】 DM）器件是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，是關(guān)系波分復(fù)用系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件。光學(xué)元件的 色分辨本領(lǐng)定義為 （ 635） 式中， ??min是瑞利判據(jù)所規(guī)定的角色散元件能夠分辨的兩譜線的最小波長差。圖 （ b）所示的閃爍光柵是最常用的平面光柵，因?yàn)樗茉谝欢ǖ牟ㄩL范圍內(nèi)將很高比例的光功率集中在第一級(jí)衍射光束中。這種光柵可以用光刻的方法在很多材料上刻蝕出周期性結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)可以呈鋸齒狀、閃爍狀、矩形等，如圖。如圖 （ a）所示。即是說，長度為 Ln/4 的自聚焦透鏡對(duì)入射光線有準(zhǔn)直作用，像透鏡一樣，它將入射光線準(zhǔn)直成平行光。 00( ) c o s s i nrr z r z z?????39。自聚焦透鏡是一種圓柱棒狀微光學(xué)元件，其折射率分布同自聚焦光纖，只是直徑遠(yuǎn)大于自聚焦光纖芯徑，規(guī)格為零點(diǎn)幾毫米到幾十毫米不等。 輸入到端口 2的光經(jīng)歷類似的過程，但由于法拉第旋轉(zhuǎn)器的不可逆性質(zhì)，兩束正交的偏振光在經(jīng)過 ??8平板和旋轉(zhuǎn)器后保持原來的偏振方向，被偏振分束器合成后導(dǎo)向端口 3，而不是端口 1。從端口 1輸入的光波被偏振分束器（ PBS）分離成水平和垂直偏振光，垂直偏振光被折射，如圖中沿上面的光路傳輸，水平偏振光沿下面的光路傳輸，然后進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器。圖 3端口光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)以及端口 1到端口 2的光路圖，它的各個(gè)組成部分的功能如下： （ 1）偏振分束器：將輸入光分解成偏振正交的兩束光； （ 2）法拉第旋轉(zhuǎn)器：偏振面產(chǎn)生 45186。 ? 光環(huán)行器 光環(huán)行器是在光通信中應(yīng)用廣泛的微光學(xué)器件，它具有多個(gè)端口，最常用的是 3端口和 4端口器件，圖 3端口和 4端口光環(huán)行器的基本結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)的 一個(gè)缺點(diǎn)是對(duì)輸入光的偏振敏感，輸入光的偏振方向必須與輸入端濾光片的偏振一致才能獲得最大的耦合效率，否則將增加插入損耗。對(duì)于反向傳輸光（包括反向入射光或端面反射光）開始的偏振面與垂直方向成 45186。 圖 和原理的示意圖，這種結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)偏振濾光片和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成，兩個(gè)偏振濾光片的偏振方向相差 45186。 光隔離器的基本工作原理可以用法拉第電磁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)來解釋，即將某些晶體放入強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，晶體中傳輸?shù)墓獾钠衩鏁?huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與磁場(chǎng)的強(qiáng)度和晶體的長度成正比，表示為 （ 625） 式中， ? 是材料的費(fèi)爾德常數(shù)， H 是沿光傳播方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度， L 是光和磁場(chǎng)相互作用的長度。 偏振分束器有多種不同的結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)的偏振分束器的工作原理都與材料的雙折射有關(guān)。 圖 ，它是由兩個(gè)雙折射材料制成的棱鏡粘合在一起構(gòu)成的。 否則 ， 這種靜止?fàn)顟B(tài)將被破壞 ， 使得二極管平衡電路有不平衡電流輸出 ， 該電流被放大后送濾波器濾除高頻分量 ， 濾波后的低頻直流分量去控制本地激光器的輸出頻率 ， 直至二者的頻率完全相同 ， 然后電路處于平衡狀態(tài) 。 從上面的分析可以看出， NOLM具有光與門的功能，如圖 （ b）所示。圖 NOLM可以作為一個(gè)光邏輯與門，在光時(shí)分復(fù)用（ OTDM）系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)解復(fù)用的功能。 圖 非線性環(huán)路鏡的輸出功率隨輸入功率的變化 非線性環(huán)路鏡可以采用多種不同的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的目的，圖 路鏡，它的結(jié)構(gòu)采用 50:50耦合器，并在光纖環(huán)的一端配制雙向光放大器，所以稱這種結(jié)構(gòu)為非線性放大環(huán)路鏡（ NALM）。 NOLM的典型結(jié)構(gòu)如圖 。 1( / ) l1 e2i t L vAEi? ??2( / ) l2 e2i t L vAEi? ??兩束光波在第二個(gè) 3dB耦合器中線性疊加，兩束光的相位差決定了合成后輸出光的強(qiáng)度。 ? 3長周期光纖光柵 如果注入光柵 FG 的光向纖芯外輻射出去，并耦合至包層，被光纖涂覆樹脂吸收而迅速消耗掉，且不存在反射，則稱具有這種功能的光柵為長周期（幾十至幾百微米）光柵 (LPG)。 我們簡單分析一下啁啾光柵補(bǔ)償色散的原理。理論分析可知，光纖光柵的長度越長，對(duì)光譜的選擇性越好， 3dB 帶寬越窄。既可以耦合成前向傳輸模式，也可以偶合成后向傳輸模式。 圖 （ 如圖（ a） 所示 ） 或掩膜法 （ 如圖 （ b） 所示 ）寫入 ， 反射光滿足布拉格條件 。通過改變兩光束的相對(duì)角度能產(chǎn)生任意周期具有不同反射波長的光柵，如圖 （ a）所示。 圖 光纖光柵的結(jié)構(gòu) 目前制作光柵的光源主要有 193 nm/248 nm 中紫外光， 334 nm 近紫外光及 μm CO2 激光。 圖 可轉(zhuǎn)動(dòng)光纖線圈型偏振控制器 ? 2． 擠壓型偏振控制器 擠壓型偏振控制器利用電磁擠壓是光纖產(chǎn)生附加的雙折射，達(dá)到控制偏振狀態(tài)的目的。這種結(jié)構(gòu)是一在底板上垂直安裝一排（一般 3或 4個(gè)）圓盤，盤可以轉(zhuǎn)動(dòng)，半徑比光纖芯徑大得多，約為 750mm，圓盤的圓周上有槽，光線可以纏繞在盤上。 它可以用絕對(duì)值或百分比給出 ， 在后一種情況下 : ( %) 1 0 0jjjPCRP???（ 614） （ 613） ? 3． 波導(dǎo)耦合器 波導(dǎo)耦合器是一種應(yīng)用廣泛的耦合器，其基本結(jié)構(gòu)和基本原理與光耦合器類似。（注：公式 ()中分母的 P1 是輸入端，分子的 P1 是輸出端。 1） 附加損耗 (excess loss) 附加損耗的定義為 ( ) 1 0 l g jexj iPP d BP???? ?????（ 69） 其中 ， Pj 是在端口 j 的輸出功率 ， Pi是端口 i 的輸入功率 。 由于熔融拉錐型耦合器中錐形變化緩慢，反射光可以忽略，所以也稱為方向耦合器。通常用分光比表示耦合器輸出端口之間光功率分配比例，表示為 （ 67） 210 c o s ( )p p z??212= 1 0 0 %ppp??分 光 比 若在兩根輸出光纖中光功率相等，則稱這種耦合器為 3dB耦合器。耦合強(qiáng)度與研磨的深度有關(guān)，若研磨沒有觸及到纖芯，屬于弱耦合，主要靠纖芯和包層界面 上的消逝波發(fā)生耦合；若研磨進(jìn)入纖芯中，纖芯中的光場(chǎng)將發(fā)生強(qiáng)耦合。以 2?2耦合器為例，端口 1（或端口 4）輸入的光信號(hào)可以按原設(shè)計(jì)的功率分配比例耦合到端口 2和端口 3輸出，端口 1和端口 4輸入的光還可以耦合在一起，并按一定的比例從端口 2和端口 3輸出。 所以可重復(fù)性是連接器的一個(gè)重要特性 。 由于制造完美的平面來實(shí)現(xiàn)理想的物理接觸是不可能的 ， 因此制造商將插針體的端面做成不同的形狀 ， 如圓弧形等 。最大損耗大約為 dB，變化范圍在 ～ dB之間。第二種方法是將加固件 （ 例如芳香族聚酰胺 ）與連接器連接在一起 ， 浙樣就釋放了光纖自身的張力 。 連接器的主要特性如下： 1） 插入損耗 連接器的一個(gè)最重要的性能參數(shù)是插入損耗 。 圖 (a) 直套筒； (b) 錐形套筒； (c) 擴(kuò)展光束 擴(kuò)展光束類型的連接器在光纖的端面之間加進(jìn)透鏡，如圖 （ c） 所示。 圖 系統(tǒng)中的兩種常用對(duì)接類型的對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，它們分別采用直套筒和錐形（雙錐形）套筒結(jié)構(gòu)。 這些連接器利用的基本耦合機(jī)理既可以是對(duì)接類型 ， 也可以是擴(kuò)展光束類型 。尺寸范圍較寬的光纖都能夠插入彈性管中。管子中心孔的尺寸稍小于待連接的光纖。 圖 V型槽機(jī)械連接 圖 。 圖 光纖的熔接 在 V型槽機(jī)械連接方法中，首先要將預(yù)備好的光纖端面緊靠在一起，如圖 。 這種方法首先將光纖端面對(duì)齊 ， 并且對(duì)接在一起 ， 該過程是在一個(gè)槽狀光纖固定器里 、 在帶有微型控制器的顯微鏡之下完成的 。這里介紹光纖通信中常用的連接方法 。 圖 (a) D2Ｄ 1。這些特性包括纖芯的直徑、纖芯區(qū)域的橢圓度、光纖的數(shù)值孔徑、折射率剖面等。光纖連接的兩個(gè)截面必須經(jīng)過高精度拋光和正面粘合。 傾斜錯(cuò)位有時(shí)稱為角錯(cuò)位。其耦合損耗在零點(diǎn)幾分貝到幾個(gè)分貝之間，若錯(cuò)位距離小于光纖直徑的 5%，則損耗一般可以忽略不計(jì)。 連接錯(cuò)位一般有以下幾種情況：軸向位移 、 連接間隔 、 傾斜位移 、 截面不平整 。如圖 。 圖 光連接器插入損耗的產(chǎn)生 盡管連接的兩根光纖的端面經(jīng)過研磨拋光，但連接后它們之間總會(huì)有間隙，光在端面處會(huì)發(fā)生反射。 ? 6． 隔離度 在無源器件中，隔離度表示的是由應(yīng)該被阻斷的光路中輸出的光功率與輸入光功率之比，通常用 dB表示： （ 64） b l o c k 0l o g ( / )I S p p?? 光纖和波導(dǎo)型無源光器件 ? 光連接器和光耦合器 ? 1． 光連接器 光連接器的功能是將兩根光纖連接起來，與高溫熔融連接兩根光纖不同，這是一種可以拆裝式連接。第六章 無源光器件和 WDM技術(shù) 無源器件的幾個(gè)常用性能參數(shù) 光纖和波導(dǎo)型無源光器件 光學(xué)無源器件 波分復(fù)用、解復(fù)用器件 光 開 關(guān) WDM光纖傳輸系統(tǒng) 無源器件的幾個(gè)常用性能參數(shù) ? 1． 插入損耗 插入損耗指的是無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，一般以分貝為單位，定義為 （ 61） 其中 ,P0指的是發(fā)送到輸入端口的光功率，P1指的是從輸出端口接收到的光功率。 ? 5． 偏振相關(guān)損耗 （ PDL） 偏振相關(guān)損耗指的是對(duì)于所有的偏振態(tài)，由于偏振態(tài)的變化造成的插入損耗的最大變化值。 影響光連接器的插入損耗的因素 : ?被連接的兩根光纖是否匹配，即兩根單模光纖的模場(chǎng)分布是否匹配，或兩根多模光纖的芯徑和折射率分布是否相同，被連接的兩根光纖性能參數(shù)的離散性必然導(dǎo)致插入損耗的增加； ?安裝的精度，如下圖 ，兩根光纖橫向的錯(cuò)位、縱向的分離（兩根光纖中間有間隙）和光纖的傾斜都會(huì)增加插入損耗。為了減少光的反射，可以采用斜面結(jié)構(gòu)。 內(nèi)部損耗又稱為與光纖相關(guān)的損耗 ， 這主要是由于光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性差異導(dǎo)致的損耗 。 (d) 截面不平整 軸向位移即兩根光纖連接處有軸向錯(cuò)位。如果兩根光纖通過連接器相連，則不必接觸，因?yàn)樵谶B接器接觸產(chǎn)生的相互摩擦?xí)p壞光纖。截面不平整。 除了錯(cuò)位連接之外，任何相連的光纖的幾何特性和波導(dǎo)特性的差異對(duì)光纖間的耦合損耗都有大的影響。圖 （ a）、（ b）、（ c）給出了由纖芯直徑、 數(shù)值孔徑和模場(chǎng)直徑失配所引起的損耗的示意圖。 為了實(shí)施和計(jì)算這樣的連接 ，必須考慮的因素有兩根光纖的幾何差異 、 光纖在接點(diǎn)時(shí)的對(duì)準(zhǔn)誤差和接頭的機(jī)械強(qiáng)度 。 光纖熔接是通過加熱的方法使已制備好的光纖端面連接在一起 ， 如圖 。 但是 ， 在采用這種連接方法時(shí)必須注意到 ， 由于用手接觸時(shí)產(chǎn)生的光纖表面損傷 、加熱時(shí)引起的表面損傷加深 、 光纖連接處附近的殘余應(yīng)力等都會(huì)在光纖介質(zhì)熔化時(shí)導(dǎo)致化學(xué)成分的變化 ， 從而產(chǎn)生不牢固的連接 。這種方法的連接損耗在很大程度上取決于光纖的尺寸（外尺寸和纖芯直徑）變化和偏心度（纖芯相對(duì)于光纖中心的位置）。這種連接器件基本上就是一根用彈性材料做成的管子。 這種對(duì)稱特征讓兩根待連接光纖的軸自動(dòng)準(zhǔn)確地對(duì)齊。 這三種結(jié)構(gòu)都包括單通道連接器和既可應(yīng)用于光纜對(duì)光纜 ， 也可用于光纜對(duì)線路卡連接的多通道器 。 套圈連接器對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要