【正文】 介紹 。 2. 耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型 ， 其中比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型 、 微器件型和波導(dǎo)型 ， 圖 ~圖 三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu) 。 圖 (a)定向耦合器； (b) 8 8星形耦合器； (c) 由 12個(gè) 2 2耦合器組成的8 8星形耦合器 輸 入 光光 強(qiáng) 度光纖 a光纖 b 輸 出 光2341( a )( b )123456789101112( c ) 光纖型把兩根或多根光纖排列 ， 用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件 。 這種方法可以構(gòu)成 T型耦合器 、 定向耦合器 、 星型耦合器和波分解復(fù)用器 。 圖 (a)和 (b)分別示出單模 2 2定向耦合器和多模 n n星形耦合器的結(jié)構(gòu) 。 單模星形耦合器的端數(shù)受到一定限制 ， 通?？梢杂?2 2耦合器組成 ， 圖 (c)示出由 12個(gè)單模 2 2耦合器組成的 8 8星形耦合器 。 圖 (a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用 /解復(fù)用器 。 如圖 ， 光纖 a(直通臂 )傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿?Pa， 光纖 b(耦合臂 )的輸出光功率為 Pb， Pa=cos2(CλL) () Pb=sin2(CλL) 圖 光纖型波分解復(fù)用器原理 ? ?2?1?2?1?2耦 合 長(zhǎng) 度光功率ababba 式中 ， L為耦合器有效作用長(zhǎng)度 ， Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù) 。 設(shè)特定波長(zhǎng)為 λ1和 λ2， 選擇光纖參數(shù) ， 調(diào)整有效作用長(zhǎng)度 ，使得當(dāng)光纖 a的輸出 Pa(λ1)最大時(shí) ， 光纖 b的輸出 Pb(λ1)=0；當(dāng)Pa(λ2)=0時(shí) ， Pb(λ2)最大 。 對(duì)于 λ1和 λ2分別為 μm的光纖型解復(fù)用器 ， 可以做到附加損耗為 dB， 波長(zhǎng)隔離度大于 20 dB。 微器件型 用自聚焦透鏡和分光片 (光部分透射 ， 部分反射 )、 濾光片 (一個(gè)波長(zhǎng)的光透射 ， 另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射 )或光柵 (不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向 )等微光學(xué)器件可以構(gòu)成 T型耦合器 、 定向耦合器和波分解復(fù)用器 ， 如圖 。 圖 (a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復(fù)用器； (d) 光柵式解復(fù) 光纖自 聚 焦 透 鏡自 聚 焦 透 鏡光纖濾 光 片? ?2?1?2?1?2?3?1＋ ?2＋ ?3光纖自 聚 焦 透 鏡硅 光 柵光纖自 聚 焦 透 鏡 分 光 片1342( b )( a )( c )( d) 波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo) ， 襯底作支撐體 ， 又作波導(dǎo)包層 。 波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來(lái)選擇 ， 一般是 SiO2， 橫截面為矩形或半圓形 。 圖 出波導(dǎo)型 T型耦合器 、 定向耦合器和用濾光片作為波長(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器 。 3. 說(shuō)明耦合器參數(shù)的模型如圖 ， 主要參數(shù)定義如下。 ???? NnonocOtOCppPPCR1圖 波導(dǎo)型藕合器 光 波 導(dǎo)開(kāi)角( a )( b )( c )多 模 波 導(dǎo)多 層 膜 濾 光 片單 模 波 導(dǎo)1 . 5 5 ? m1 . 5 5 ? m1 . 3 ? m1. 3 ?m由此可定義功率分路損耗 Ls： Ls=10lg )1(CR 附加損耗 Le由散射 、 吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗 ， 是全部輸入端的光功率總和 Pit和全部輸出端的光功率總和 Pot的比值 ， Le=10 lg ???????????NnNnotitP inP inpP11lg10 插入損耗 Lt是一個(gè)指定輸入端的光功率 Pic和一個(gè)指定輸出端的光功率 Poc的比值 ， 用分貝表示 Lt=10lg ocicpp 方向性 DIR(隔離度 )是一個(gè)輸入端的光功率 Pic和由耦合器反射到其它端的光功率 Pr的比值 ， 用分貝表示 DIR=10lg ocicpp 一致性 U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性 ， 或者不同輸出端耦合比的等同性 。 表 、 表 μm或 (和 ) μm單模光纖型耦合器和波分復(fù)用器 /解復(fù)用器的一般性能 。 耦合器和其他大多數(shù)光無(wú)源器件的輸入端和輸出端是可以互換的 ， 稱之為互易器件 。 然而在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件 。 隔離器就是一種非互易器件 ， 其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸 ， 阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸 。 隔離器主要用在激光器或光放大器的后面 ， 以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞 。 插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù) ， 對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好 ， 對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越好 ， 目前插入損耗的典型值約為 1 dB， 隔離度的典型值的大致范圍為 40~50 dB。 首先介紹一下光偏振 (極化 )的概念 。 單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài) (SOP： State of Polarization) 是在垂直于光傳輸方向的平面上電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向 。 在任何時(shí)刻 ， 電場(chǎng)矢量都可以分解為兩個(gè)正交分量 ， 這兩個(gè)正交分量分別稱為水平模和垂直模 。 隔離器工作原理如圖 。 這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光 ， 第一個(gè)偏振器的透振方向也在垂直方向 ， 因此輸入光能夠通過(guò)第一個(gè)偏振器 。 緊接第一個(gè)偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器 ， 法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成 ， 能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度 ， 例如 45176。 ， 并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無(wú)關(guān) 。 圖 隔離器的工作原理 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光偏振器S O P 法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器 ， 這個(gè)偏振器的透振方向在 45176。 方向上 ， 因此經(jīng)過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45176。 后的光能夠順利地通過(guò)第二個(gè)偏振器 ， 也就是說(shuō)光信號(hào)從左到右通過(guò)這些器件 (即正方向傳輸 )是沒(méi)有損耗的 (插入損耗除外 )。 另一方面 ， 假定在右邊存在某種反射 (比如接頭的反射 )， 反射光的偏振態(tài)也在 45176。 方向上 ， 當(dāng)反射光通過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 45176。 ， 此時(shí)就變成了水平偏振光 。水平偏振光不能通過(guò)左面偏振器 (第一個(gè)偏振器 )， 于是就達(dá)到隔離效果 。 然而在實(shí)際應(yīng)用中 ， 入射光的偏振態(tài) (偏振方向 )是任意的 ， 并且隨時(shí)間變化 ， 因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān) ， 于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了 。 一種小型的與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器 光纖輸出S W P半 波 片法 拉 弟 旋 轉(zhuǎn) 器S W PS O P光 纖 輸 入( a )光纖輸出S W P半 波 片法 拉 弟 旋 轉(zhuǎn) 器S W P光 纖 輸 入( b ) 具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過(guò)一個(gè)空間分離偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。 這個(gè) SWP的作用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量 ， 讓垂直分量直線通過(guò) ， 水平分量偏折通過(guò) 。 兩個(gè)分量都要通過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器 ， 其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn) 45176。 。 法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片 plate或 half wave plate。 這個(gè)半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45176。 ， 將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45176。 。 因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?， 反之亦然 。 最后兩個(gè)分量的光在輸出端由另一個(gè) SWP合在一起輸出 ， 如圖 (a)所示 。 另一方面 ， 如果存在反射光在反方向上傳輸 ， 半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反 ， 當(dāng)兩個(gè)分量的光通過(guò)這兩個(gè)器件時(shí) ， 其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消 ， 偏振態(tài)維持不變 ， 在輸入端不能被 SWP再組合在一起 ， 如圖 (b)所示 ， 于是就起到隔離作用 。 環(huán)行器除了有多個(gè)端口外 ， 其工作原理與隔離器類似 。 如圖 ， 典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口 。 在三端口環(huán)行器中 ， 端口 1輸入的光信號(hào)在端口 2輸出 ， 端口 2輸入的光信號(hào)在端口 3輸出 ， 端口 3輸入的光信號(hào)由端口 1輸出 。 光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中 。 圖 (a) 三端口； (b) 四端口 132( a ) ( b )1 324 為提高光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量 ， 避免直接調(diào)制激光器時(shí)產(chǎn)生線性調(diào)頻的限制 ， 要采用外調(diào)制方式 ， 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi) 。 所以在高速率系統(tǒng) 、 波分復(fù)用系統(tǒng)和相干光系統(tǒng)中都要用調(diào)制器 。 調(diào)制器可以用電光效應(yīng) 、 磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的 。 這種晶體的折射率 n和外加電場(chǎng) E的關(guān) n=n0+αE+βE2 式中 ， n0為 E=0時(shí)晶體的折射率 。 α和 β是張量 ， 稱為電光系數(shù) ， 其值和偏振面與晶體軸線的取向有關(guān) 。 根據(jù)不同取向 ， 當(dāng) β=0時(shí) ， n隨 E按比例變化 ， 稱為線性電光效應(yīng)或普克爾 (Pockel)效應(yīng) 。 當(dāng) α=0時(shí) ， n隨 E2按比例變化 ， 稱為二次電光效應(yīng)或克爾 (Kerr)效應(yīng) 。 調(diào)制器是利用線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的 ， 因?yàn)檎凵渎?n隨外加電場(chǎng) E(電壓 U)而變化 ， 改變了入射光的相位和輸出光功率 。 圖 曾德?tīng)?MZ)干涉型調(diào)制器的簡(jiǎn)圖 。 在 LiNbO3晶體襯底上 ， 制作兩條光程相同的單模光波導(dǎo) ， 其中一條波導(dǎo)的兩側(cè)施加可變電壓 。 設(shè)輸入調(diào)制信號(hào)按余弦變化 ， 則輸出信號(hào)的光功率 P=1+cos ???????? ??? U UU bS圖 馬赫 曾德?tīng)柛缮鎯x型調(diào)制器 信號(hào)電壓電極輸出光電光晶體光波導(dǎo)輸入光 式中 Us和 Ub分別為信號(hào)電壓和偏置電壓 ， Uπ為光功率變化半個(gè)周期 (相位為 0~π)所需的外加電壓 ， 并稱為半波電壓 。由式 () 可以看到 ， 當(dāng) Us+Ub=0 時(shí) ， P=2 為最大；當(dāng)Us+Ub=Uπ時(shí) ， P=0。 圖 。 用于幅度調(diào)制 (AM)的 MZ型調(diào)制器可以達(dá)到如下性能：外加電壓 11 V， 帶寬為 3 GHz時(shí)插入損耗約 6 dB， 消光比 (最小輸出和最大輸出的比值 )為 。 圖 馬赫 曾德?tīng)柛缮鎯x型調(diào)制器特性 2102π?輸 出 波 形輸 入 波 形相 位 差 ?輸出光功率 P 光開(kāi)關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路 ， 實(shí)現(xiàn)光交換 ， 它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件 。 光開(kāi)關(guān)可分為兩大類： 一類是機(jī)械光開(kāi)關(guān) ， 利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖 、 棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換； 另一類是固體光開(kāi)關(guān) ， 利用磁光效應(yīng) 、 電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換 。 機(jī)械光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小 ， 串?dāng)_ ， 適合各種光纖 ， 技術(shù)成熟； 缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度慢 。 固體光開(kāi)關(guān)正相反 ， 優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快；缺點(diǎn)是插入損耗大 ， 串?dāng)_大 ， 只適合單模光纖 。 兩類光開(kāi)關(guān)的一般性能如表 。