【正文】 ? 熱光開(kāi)關(guān) 熱光開(kāi)關(guān)也是一種易制作成端口數(shù)較多的光開(kāi)關(guān)，基本結(jié)構(gòu)有兩種：一種是 Y型分路器結(jié)構(gòu)，另一種是 Much－Zahnder（ MZI）干涉儀型結(jié)構(gòu)。 ? 微機(jī)械光開(kāi)關(guān) 微機(jī)械（ MicroElectroMechanicalSystem,MEMS）光開(kāi)關(guān)是指由半導(dǎo)體材料（如 Si）構(gòu)成的微機(jī)械電控結(jié)構(gòu)。 隨著光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種光開(kāi)關(guān)相繼出現(xiàn)，光開(kāi)關(guān)可分為自由空間型和波導(dǎo)型，每一類(lèi)又可以采用不同的物理效應(yīng)（如電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電 機(jī)械效應(yīng)等）、不同的材料（ LiNbO硅基、聚合物、液晶等）和不同的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入的光能量（由 TE模和 TM模攜帶）經(jīng)輸入偏振器分解為 TE模和 TM模，然后各自通過(guò)波導(dǎo)與聲波相互作用，最后經(jīng)輸出偏振器合成輸出。 表 復(fù)用器參數(shù)要求 表 WDM系統(tǒng)解復(fù)用器參數(shù)要求 隨著復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)的不斷增加，一種稱(chēng)為波長(zhǎng)交織器的復(fù)用、解復(fù)用器問(wèn)世。圖 （ b）為一個(gè) 8波陣列波導(dǎo)光柵型解復(fù)用器的通帶特性。濾光片由多層介質(zhì)薄膜構(gòu)成，它可以通過(guò)介質(zhì)膜系的不同選擇構(gòu)成長(zhǎng)波通、短波通和帶通濾光器。通帶特性是指波分復(fù)用器的各個(gè)信道的濾波特性，可以用 ?、 ?3dB帶寬和 ?20dB帶寬來(lái)表示。在光通信中經(jīng)常使用反射型平面衍射光柵，作為波長(zhǎng)選擇濾波器用于波分復(fù)用系統(tǒng)中。 ? 自聚焦透鏡 自聚焦透鏡（ GRIN）是應(yīng)用廣泛的無(wú)源光器件，主要作用是準(zhǔn)直光束。一種制造偏振無(wú)關(guān)的光隔離器的方法是將輸入光先分成偏振正交的兩束光，分別處理，然后再合在一起。性能良好的隔離器的插入損耗可以降到 ，隔離度可以達(dá)到 70dB以上。 （ 1）在光纖環(huán)的一端配置有 WDM耦合器，通過(guò)它將幀同步信號(hào)（控制信號(hào)）耦合進(jìn)來(lái)； （ 2）當(dāng)幀同步信號(hào)與某一路數(shù)字信號(hào)同步，并一起沿順時(shí)針?lè)较騻鬏敃r(shí)，強(qiáng)的控制信號(hào)使折射率發(fā)生變化，群速度也發(fā)生相應(yīng)的變化，而逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)墓庑盘?hào)不受影響； （ 3）適當(dāng)?shù)恼{(diào)整幀同步脈沖的強(qiáng)度和光纖環(huán)的長(zhǎng)度，可以使與幀同步脈沖同步傳輸?shù)囊宦沸盘?hào)從輸出端被選擇出來(lái)，實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用功能。由于兩波導(dǎo)的長(zhǎng)度不同，傳輸時(shí)延不同，到達(dá)第二個(gè) 3dB耦合器時(shí)，兩束光的電場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為 （ 620） （ 621） 式中， ? 為光波的角頻率， ? 是光纖中光的傳輸速度。 圖 光纖布拉格光柵原理示意圖 FBG 的結(jié)構(gòu)和 DFB 激光器周期性波紋結(jié)構(gòu)的作用一樣，提供周期性的耦合點(diǎn)，使單模光纖中入射的基膜根據(jù)光柵和不同傳輸常數(shù)決定的相位條件。當(dāng)光纖線(xiàn)圈被轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光纖中的快軸和慢軸也發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此，通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈的方向可以獲得所需要的任意的偏振方向。 ( 2 1 ) , 1 , 2 , 3 ,2z m m?? ? ? ? 圖 熔融拉錐法制作 4 ?4耦合器 耦合器的特性可以用一下幾個(gè)性能參數(shù)來(lái)描述。圖 2?2和 1 ?2光耦合器（ Y型分路器）。 第一種方法是使用保護(hù)套來(lái)最小化連接和拆開(kāi)光纜時(shí)產(chǎn)生的彎曲損耗 。 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(xiàn)路卡連接的多通道器 。 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 。 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。 內(nèi)部損耗又稱(chēng)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 。第六章 無(wú)源光器件和 WDM技術(shù) 無(wú)源器件的幾個(gè)常用性能參數(shù) 光纖和波導(dǎo)型無(wú)源光器件 光學(xué)無(wú)源器件 波分復(fù)用、解復(fù)用器件 光 開(kāi) 關(guān) WDM光纖傳輸系統(tǒng) 無(wú)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(wú)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。 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 。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。 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 。 這些連接器利用的基本耦合機(jī)理既可以是對(duì)接類(lèi)型 ， 也可以是擴(kuò)展光束類(lèi)型 。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 。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。 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 。 圖 可轉(zhuǎn)動(dòng)光纖線(xiàn)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。既可以耦合成前向傳輸模式，也可以偶合成后向傳輸模式。 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(xiàn)性疊加，兩束光的相位差決定了合成后輸出光的強(qiáng)度。 從上面的分析可以看出， NOLM具有光與門(mén)的功能，如圖 （ b）所示。 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(lái)解釋?zhuān)磳⒛承┚w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(zhǎng)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(zhǎng)度。 ? 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)。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。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。 （ 2）信道隔離度和串?dāng)_ 信道隔離度定義為第 i 信道輸出端口測(cè)得的信號(hào)功率 Pi(?i)與第 j信道在第 i 輸出端口測(cè)得的串?dāng)_功率 Pj(?i)(i?j)之比，為第 j 信道對(duì)第i 信道的隔離度。其基本原理可以通過(guò)每層薄膜的界面上多次反射和透射光的線(xiàn)性疊加來(lái)解釋。 圖 AWG的原理結(jié)構(gòu)和輸出特性 由圖 （ a）可知 AWG的結(jié)構(gòu)，它將N個(gè)輸入波導(dǎo)、 N個(gè)輸出波導(dǎo)、兩個(gè)聚焦平面波導(dǎo)（星形耦合器）和通道陣列波導(dǎo)集成在單一襯底上，使得輸入 /輸出波導(dǎo)的位置和陣列波導(dǎo)的位置滿(mǎn)足羅蘭圓規(guī)則。這種器件是一種梳狀濾波器，可以對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行梳理和交織，也稱(chēng)為光數(shù)字波分復(fù)用器 ，如圖 。 與偏振無(wú)關(guān)的 AOTF的原理框圖 2. AOTF的原理 AOTF的工作原理如下：兩個(gè)構(gòu)成馬赫 曾德 爾結(jié)構(gòu)的鈦 (Ti) 波導(dǎo)被鏤 蝕在LiNbO3雙折射半導(dǎo)體中 。 光開(kāi)關(guān)的性能參數(shù) （ 1）開(kāi)關(guān)速度 光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度或稱(chēng)開(kāi)關(guān)時(shí)間是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。它在一塊芯片上將電、機(jī)械和光合成一體，透明傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)，是一種有廣泛的應(yīng)用前景的光開(kāi)關(guān)。熱光開(kāi)關(guān)可以用硅基材料制作，也可以用聚合物材料制作。盡管由于需求不足和開(kāi)發(fā)投資巨大，MEMS 的研發(fā)受通信和信息的低迷而遇到很大困難，但它將對(duì)未來(lái)光交換的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。機(jī)械型光開(kāi)關(guān)在最近幾年已得到廣泛的應(yīng)用，但隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種開(kāi)光難以適應(yīng)未來(lái)高速、大容量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。大型或級(jí)聯(lián)光開(kāi)光一般要求具有嚴(yán)格無(wú)阻塞特性。下圖給出了一個(gè)與偏振無(wú)關(guān)的AOTF的原理框圖。我國(guó)國(guó)標(biāo)規(guī)定的復(fù)用器和解復(fù)用器的相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足表 。 精確設(shè)計(jì)陣列波導(dǎo)的路徑數(shù)和長(zhǎng)度差，可以使不同波長(zhǎng)的信號(hào)在第二個(gè)平面耦合波導(dǎo)輸出端的不同位置形成主極強(qiáng)，分別耦合到不同的輸出波導(dǎo)中，從而起到解復(fù)用的作用。它是由自聚焦透鏡和濾光片組成。 （ 1）中心波長(zhǎng)和通帶特性 中心波長(zhǎng)是指各信道的中心波長(zhǎng)。 c o s 2 2 c o sc o s c o sll A B B C l l? ???? ? ? ? ? ?2 ln??? ? ? ??2 c o sTnlm?? ?? 光柵 廣義上講，任何一個(gè)具有周期性空間結(jié)構(gòu)或周期性光學(xué)性質(zhì)的衍射屏都是一個(gè)光柵。 現(xiàn)在環(huán)行器的插入損耗可以降到 ，隔離度達(dá)到 70dB以上，偏振敏感性低于，回波損耗大于 50dB。因此隔離器總是設(shè)計(jì)成與偏振無(wú)關(guān)。 光隔離器應(yīng)允許正向輸入光以最小的損耗通過(guò)，并能最大的阻止反向光通過(guò)，對(duì)正向光和反向光的損耗分別用插入衰減和隔離度表示。圖 （ a）所示的機(jī)構(gòu)的基本原理與上述的 NOLM類(lèi)似，但有以下幾點(diǎn)需要注意。輸入光功率 Pi經(jīng)第一個(gè) 3dB耦合器后等分為 Pi1和 Pi2兩部分 ,光功率可以表示為 （ 617） （ 618） （ 619） i i ip E E??li e itE A i??2i1 i 2 2App?? 圖 MZ濾波器的結(jié)構(gòu)和透射譜 它們分別在長(zhǎng)度為 L1和 L2的光波導(dǎo)中傳輸，為簡(jiǎn)化分析，暫不考慮耦合器對(duì)兩束光帶來(lái)的相移。圖 原理示意圖。 這種應(yīng)力引起光纖的感生雙折射，使輸入光在兩個(gè)偏振方向上產(chǎn)生相移，從而起到控制偏振的作用。用熔融拉錐法制作耦合器成本低，器件的性能穩(wěn)定，插入損耗小，在實(shí)際系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 ? 2． 光耦合器 （ Couplers） 光通信中經(jīng)常需要把多個(gè)光信號(hào)耦合到一起，或?qū)⒐庑盘?hào)分到多根光纖中，光耦合器可以實(shí)現(xiàn)這些功能。 為了減小插入損耗 ， 可使用三種方法 。 圖 彈性管連接 （ 3） 常用的幾種連接器 光纖連接器常采用螺絲卡口 、 卡銷(xiāo)固定 、推拉式三種結(jié)構(gòu) 。 這種技術(shù)產(chǎn)生非常小的連接損耗 （ 典型的平均值小于 dB） 。 ，則耦合損耗不會(huì)超過(guò) dB。外部損耗又稱(chēng)為機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差或連接錯(cuò)位損耗 ， 它顧名思義是由于光纖之間的連接錯(cuò)位引起的損耗 。 1010 l og ( )pILp??? 2． 回波損耗 回波損耗指的是從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比例 ， 定義為 （ 62） 其中 ， P0是發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率 ，Pr指的是從同一個(gè)輸入端口接收到的返回的光功率 。 這些損耗如圖 。由于這些參數(shù)與生產(chǎn)廠(chǎng)家相關(guān)，因而使用者不能控制特性的變化。然后將兩根光纖使用粘合劑連接在一起或先用蓋片將兩根光