【文章內(nèi)容簡介】 2( / ) l2 e2i t L vAEi? ??兩束光波在第二個 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度。合成光波的電場強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。 圖 MZ濾波器的結(jié)構和透射譜 ? 非線性環(huán)路鏡 非線性環(huán)路鏡（ NonLinear Optical Loop Mirror， NOLM）是一個可以具有多種用途的快速開關器件，在消除脈沖序列的背景噪聲、光時分復用（ OTDM）系統(tǒng)和光邏輯器件的研究中有廣泛的應用。 NOLM的典型結(jié)構如圖 。 圖 非線性環(huán)路鏡的典型結(jié)構 由 2?2光纖耦合器和光纖構成，光纖與耦合器的兩個壁相連構成閉合環(huán)路。當光信號輸入到耦合器時，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的相位差。 光強度引起的光纖折射率的變化與輸入光功率有關，相位差的大小也與輸入功率有關，從而使相位差隨輸入光功率的增強而增大，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，實現(xiàn)不同的目的，圖 路鏡，它的結(jié)構采用 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)構為非線性放大環(huán)路鏡（ NALM）。 圖 改進的非線性環(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有相同的功率電平，但由于折射率被光強的非線性調(diào)制效應，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，實現(xiàn)不同的目的。圖 NOLM可以作為一個光邏輯與門，在光時分復用（ OTDM）系統(tǒng)中實現(xiàn)解復用的功能。所謂 OTDM，就是將幾路數(shù)字光信號先變成窄脈沖，然后在光域時分復用成高速信號在光纖中傳輸。圖 （ a）所示的機構的基本原理與上述的 NOLM類似，但有以下幾點需要注意。 （ 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）耦合進來； （ 2）當幀同步信號與某一路數(shù)字信號同步，并一起沿順時針方向傳輸時，強的控制信號使折射率發(fā)生變化，群速度也發(fā)生相應的變化，而逆時針方向傳輸?shù)墓庑盘柌皇苡绊懀? （ 3）適當?shù)恼{(diào)整幀同步脈沖的強度和光纖環(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，實現(xiàn)光時分復用信號的解復用功能。 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應用實例 光鎖相環(huán) 光鎖相環(huán) （ OPLL） 的功能與電鎖相環(huán)一樣 ， 可實現(xiàn)接收信號與本地振蕩信號即基準信號的同頻同相 ， 從而實現(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 ， 當兩個頻率完全相同時 ， 二極管平衡電路處于靜止狀態(tài) 。 否則 ， 這種靜止狀態(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 。 光學無源器件 ? 偏振分束器 先將大量路數(shù)的波分復用信號分成奇偶兩組，然后對這兩組信號進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域也有很多應用。 圖 ，它是由兩個雙折射材料制成的棱鏡粘合在一起構成的。 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，傳輸時將產(chǎn)生相位差。 圖 雙折射棱鏡型偏振分束 當一束光入射到圖 棱鏡的外表面上時，由于雙折射而分成尋常光和異常光，當入射角為布儒斯特角，則異常光全透射過去，尋常光從兩個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，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。 ? 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)效應來解釋，即將某些晶體放入強磁場中時，晶體中傳輸?shù)墓獾钠衩鏁l(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與磁場的強度和晶體的長度成正比，表示為 （ 625） 式中， ? 是材料的費爾德常數(shù)， H 是沿光傳播方向的磁場強度， 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?，而沿相反方向傳輸?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)構主要有兩個偏振濾光片和一個法拉第旋轉(zhuǎn)器構成，兩個偏振濾光片的偏振方向相差 45186。 圖 光隔離器結(jié)構和原理的示意圖 正向輸入光進入第一個偏振濾光片后形成垂直方向的偏振光，然后耦合進法拉第旋轉(zhuǎn)器。適當?shù)卦O計旋轉(zhuǎn)器的長度和施加其上的磁場強度，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)正好與第一個偏振濾光片的偏振方向垂直而沒有輸出，從而構成光的單向傳輸器件。 這種結(jié)構的 一個缺點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間變化，隔離器的插入損耗也將隨時間變化，造成對信號的嚴重干擾。因此隔離器總是設計成與偏振無關。一種制造偏振無關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用廣泛的微光學器件，它具有多個端口，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。 環(huán)行器的工作特點是：當光從任意端口輸入時，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)行器可以設計成對稱結(jié)構，如圖（ b）所示，最后一個端口輸入的光傳輸?shù)降谝粋€端口輸出，但在很多應用中光不需要循環(huán)回去而將光環(huán)行器設計成非對稱結(jié)構，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，可以使用不同的器件構成，但其最基本的原理是利用法拉第電磁旋轉(zhuǎn)效應實現(xiàn)光的單向傳輸。圖 3端口光環(huán)行器的結(jié)構以及端口 1到端口 2的光路圖，它的各個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窆猓粗嗳?。這兩束光被另一個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。 現(xiàn)在環(huán)行器的插入損耗可以降到 ，隔離度達到 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）是應用廣泛的無源光器件，主要作用是準直光束。自聚焦透鏡是一種圓柱棒狀微光學元件，其折射率分布同自聚焦光纖，只是直徑遠大于自聚焦光纖芯徑，規(guī)格為零點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 1:1的正立的實像；在 z=Ln /2 處可形成一個 1:1的倒立的實像；從入射端面上某一點發(fā)出的光線，在 z=3Ln/4 處變?yōu)槠叫泄狻＜词钦f，長度為 Ln/4 的自聚焦透鏡對入射光線有準直作用，像透鏡一樣，它將入射光線準直成平行光。 ? FP腔濾