【文章內(nèi)容簡介】 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。合成光波的電場強(qiáng)度和輸出光功率可以表示為 （ 622） （ 623） 定義輸出光功率與輸入光功率的比值為透射率，透射率的表達(dá)式為 （ 624） 12( / ) ( / ) l12 [ e e ]2i t L v i t L vAE E E i????? ? ? ?2* 2 2120 1 2()[ 1 c o s ] c o s [ ( ) ]2LLAp E E A L Lvv? ?? ?? ? ? ? ? ?2o i 1 2/ c o s [ ( ) ]T P p L Lv??? ? ?式中， ? 是光功率， ?=2??。 圖 （ b）給出透射率隨光頻率變化的曲線，可以看出它的濾波效應(yīng)。 圖 MZ濾波器的結(jié)構(gòu)和透射譜 ? 非線性環(huán)路鏡 非線性環(huán)路鏡（ NonLinear Optical Loop Mirror， NOLM）是一個(gè)可以具有多種用途的快速開關(guān)器件，在消除脈沖序列的背景噪聲、光時(shí)分復(fù)用（ OTDM）系統(tǒng)和光邏輯器件的研究中有廣泛的應(yīng)用。 NOLM的典型結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 非線性環(huán)路鏡的典型結(jié)構(gòu) 由 2?2光纖耦合器和光纖構(gòu)成，光纖與耦合器的兩個(gè)壁相連構(gòu)成閉合環(huán)路。當(dāng)光信號輸入到耦合器時(shí)，被按一定比例分成兩束，在光纖環(huán)路中沿不同方向傳輸，然后再耦合器中再次相遇，輸出光功率的大小取決于兩束光在線性疊加時(shí)的相位差。 光強(qiáng)度引起的光纖折射率的變化與輸入光功率有關(guān)，相位差的大小也與輸入功率有關(guān)，從而使相位差隨輸入光功率的增強(qiáng)而增大，輸出光功率隨輸入功率的變化如圖 。 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）。 圖 改進(jìn)的非線性環(huán)路鏡 盡管耦合器將輸入光等分成兩束，但沿順時(shí)針方向傳輸?shù)墓庀冉?jīng)過放大器，以高功率通過光纖環(huán)路；而沿逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓庠诃h(huán)的末端才被放大，主要以低功率通過環(huán)路。兩束光回到耦合器時(shí)有相同的功率電平，但由于折射率被光強(qiáng)的非線性調(diào)制效應(yīng)，兩束光具有不同的相位差，出現(xiàn)與圖 。 非線性環(huán)路鏡可以用于不同的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)不同的目的。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。所謂 OTDM，就是將幾路數(shù)字光信號先變成窄脈沖，然后在光域時(shí)分復(fù)用成高速信號在光纖中傳輸。圖 （ a）所示的機(jī)構(gòu)的基本原理與上述的 NOLM類似，但有以下幾點(diǎn)需要注意。 （ 1）在光纖環(huán)的一端配置有 WDM耦合器，通過它將幀同步信號（控制信號）耦合進(jìn)來； （ 2）當(dāng)幀同步信號與某一路數(shù)字信號同步，并一起沿順時(shí)針方向傳輸時(shí)，強(qiáng)的控制信號使折射率發(fā)生變化，群速度也發(fā)生相應(yīng)的變化，而逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓庑盘柌皇苡绊懀? （ 3）適當(dāng)?shù)恼{(diào)整幀同步脈沖的強(qiáng)度和光纖環(huán)的長度，可以使與幀同步脈沖同步傳輸?shù)囊宦沸盘枏妮敵龆吮贿x擇出來，實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用信號的解復(fù)用功能。 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應(yīng)用實(shí)例 光鎖相環(huán) 光鎖相環(huán) （ OPLL） 的功能與電鎖相環(huán)一樣 ， 可實(shí)現(xiàn)接收信號與本地振蕩信號即基準(zhǔn)信號的同頻同相 ， 從而實(shí)現(xiàn)二者的同步 。 它由調(diào)諧激光器 、 光電二極管平衡器件和濾波器等構(gòu)成 ， 下圖給出了其原理框圖 。 平衡二極管器件檢測本地激光器的頻率與接收的光信號的頻率 ， 當(dāng)兩個(gè)頻率完全相同時(shí) ， 二極管平衡電路處于靜止?fàn)顟B(tài) 。 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) 。 圖中 ， 增益控制放大器的作用是使本地激光器和接收到的光功率電平相一致 。 光學(xué)無源器件 ? 偏振分束器 先將大量路數(shù)的波分復(fù)用信號分成奇偶兩組，然后對這兩組信號進(jìn)行偏振服用是超大容量的光纖通信系統(tǒng)的一種解決方案，在這種系統(tǒng)中需要偏振分束器。除此之外，偏振分束器在波長變換等領(lǐng)域也有很多應(yīng)用。 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。 雙折射材料的特征是：不同偏振方向的光場分量在經(jīng)過雙折射材料時(shí)有不同的折射率。若輸入光中含有垂直偏振和水平偏振分量，它們在雙折射材料中被分開，傳輸時(shí)將產(chǎn)生相位差。 圖 雙折射棱鏡型偏振分束 當(dāng)一束光入射到圖 棱鏡的外表面上時(shí)，由于雙折射而分成尋常光和異常光，當(dāng)入射角為布儒斯特角，則異常光全透射過去，尋常光從兩個(gè)棱鏡的分界面上反射回來，從而起到偏振分束的作用。 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)。 ? 光隔離器 光隔離器是光單向傳輸器，可以防止光反射的發(fā)生，在光通信中有廣泛的作用。 光隔離器應(yīng)允許正向輸入光以最小的損耗通過，并能最大的阻止反向光通過，對正向光和反向光的損耗分別用插入衰減和隔離度表示。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。 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)磁場中時(shí)，晶體中傳輸?shù)墓獾钠衩鏁l(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與磁場的強(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強(qiáng)度， L 是光和磁場相互作用的長度。 = HL?? 法拉第電磁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)是非可逆的，比方說，在某方向上傳輸?shù)墓庥捎诜ɡ陔姶判D(zhuǎn)效用向右旋轉(zhuǎn)了 45186。（ 沿光傳輸?shù)姆较蚩矗叵喾捶较騻鬏數(shù)墓廨x旋轉(zhuǎn)同樣的角度（沿光傳輸方向看是向左旋轉(zhuǎn)）。這意味著光片真面對餓旋轉(zhuǎn)方向由磁場方向決定，而不是由光傳輸方向決定。 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。 圖 光隔離器結(jié)構(gòu)和原理的示意圖 正向輸入光進(jìn)入第一個(gè)偏振濾光片后形成垂直方向的偏振光，然后耦合進(jìn)法拉第旋轉(zhuǎn)器。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)器的長度和施加其上的磁場強(qiáng)度，使光場的偏振面在旋轉(zhuǎn)器中向右旋轉(zhuǎn) 45186。 ，正好匹配第二個(gè)偏振濾光片的偏振方向，從而可以幾乎無損耗地輸出。對于反向傳輸光（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。 角，在旋轉(zhuǎn)器中又旋轉(zhuǎn) 45186。 ，總共 90186。 的旋轉(zhuǎn)正好與第一個(gè)偏振濾光片的偏振方向垂直而沒有輸出，從而構(gòu)成光的單向傳輸器件。 這種結(jié)構(gòu)的 一個(gè)缺點(diǎn)是對輸入光的偏振敏感，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。如果輸入光的偏振方向是雜亂的，附加的插入損耗將達(dá)到 30dB；如果輸入光的偏振方向垂直于濾光片，可能會損耗掉所有輸入光；如果輸入光的偏振方向隨時(shí)間變化，隔離器的插入損耗也將隨時(shí)間變化，造成對信號的嚴(yán)重干擾。因此隔離器總是設(shè)計(jì)成與偏振無關(guān)。一種制造偏振無關(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。 ? 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)。 環(huán)行器的工作特點(diǎn)是：當(dāng)光從任意端口輸入時(shí)，只能在環(huán)行器中沿單一方向傳輸，并在下一端口輸出。 光環(huán)行器可以設(shè)計(jì)成對稱結(jié)構(gòu)，如圖（ b）所示，最后一個(gè)端口輸入的光傳輸?shù)降谝粋€(gè)端口輸出，但在很多應(yīng)用中光不需要循環(huán)回去而將光環(huán)行器設(shè)計(jì)成非對稱結(jié)構(gòu)，如圖 （ a）所示。 圖 光環(huán)行器示意圖 光環(huán)行器可以有不同的結(jié)構(gòu)，可以使用不同的器件構(gòu)成，但其最基本的原理是利用法拉第電磁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸。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。 旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向如上節(jié)所述； （ 3） ??8平板：將光的偏振面旋轉(zhuǎn) 45186。 。 圖 3端口光環(huán)行器中端口 1到端口 2的光路圖 參考圖 ，簡要說明光環(huán)行器的工作原理。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。旋轉(zhuǎn)器和 ??8平板各將兩束光旋轉(zhuǎn) 45186。 ，是原來的垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。這兩束光被另一個(gè)偏振分束器合到一起從端口 2輸出。 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。 插入損耗、隔離度、偏振敏感性、回波損耗是反映光環(huán)行器性能的主要指標(biāo)。 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。 ? 自聚焦透鏡 自聚焦透鏡（ GRIN）是應(yīng)用廣泛的無源光器件，主要作用是準(zhǔn)直光束。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。自聚焦光纖的折射率分布近似為 （ 626） 22012( ) ( 1 )2n r n r a???? ? ? 在自聚焦透鏡中，近軸光線的軌跡如圖 。 圖 自聚焦透鏡中光線的軌跡 在自聚焦透鏡中，近軸光線的軌跡 r(z)及其導(dǎo)數(shù)為 （ 627） （ 628） （ 629） 其中， r0是入社端面（ z=0）上射線的徑向位置； r0180。是入射端面上入射光的斜率； Ln為節(jié)距，表示入射光線的周期。 00( ) c o s s i nrr z r z z?????39。39。00( ) s i n c o sr z r z r z? ? ?? ? ?00d2,d znrrLz ???? ?? 在自聚焦透鏡中，入射光線的軌跡是一條正弦曲線，而且所有的入射光線都有相同的周期，稱之為自聚焦透鏡的節(jié)距，表示為Ln 。對于入射端面的光斑，在 z= Ln 處，可形成一個(gè) 1:1的正立的實(shí)像；在 z=Ln /2 處可形成一個(gè) 1:1的倒立的實(shí)像；從入射端面上某一點(diǎn)發(fā)出的光線，在 z=3Ln/4 處變?yōu)槠叫泄?。即是說，長度為 Ln/4 的自聚焦透鏡對入射光線有準(zhǔn)直作用，像透鏡一樣，它將入射光線準(zhǔn)直成平行光。 ? FP腔濾