【正文】 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( ) 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L(zhǎng)n 。 00( ) c o s s i nrr z r z z?????39。 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。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。 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。 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。 ，是原來的垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。從端?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)行器可以設(shè)計(jì)成對(duì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖 （ a）所示。 ? 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)。因此隔離器總是設(shè)計(jì)成與偏振無關(guān)。 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。 ，總共 90186。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。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)器的長(zhǎng)度和施加其上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使光場(chǎng)的偏振面在旋轉(zhuǎn)器中向右旋轉(zhuǎn) 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。（ 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)）。 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(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(duì)正向光和反向光的損耗分別用插入衰減和隔離度表示。 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)。若輸入光中含有垂直偏振和水平偏振分量，它們?cè)陔p折射材料中被分開，傳輸時(shí)將產(chǎn)生相位差。 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。 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(hào)分成奇偶兩組，然后對(duì)這兩組信號(hào)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。 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) 。 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 。 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 （ 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。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。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 。 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）。當(dāng)光信號(hào)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。 NOLM的典型結(jié)構(gòu)如圖 。 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)。 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。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)兩束光帶來的相移。 ? 3長(zhǎng)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(zhǎng)周期（幾十至幾百微米）光柵 (LPG)。這種被展寬的光信號(hào)進(jìn)入啁啾光柵后，不同波長(zhǎng)的信號(hào)在與光柵周期對(duì)應(yīng)的位置被反射，即短波長(zhǎng)的信號(hào)在光柵的末端才被反射，長(zhǎng)波長(zhǎng)的信號(hào)在脈沖的起始端就被反射，于是就補(bǔ)償了群速度色散效應(yīng)，使脈沖寬度被壓縮甚至還原。 我們簡(jiǎn)單分析一下啁啾光柵補(bǔ)償色散的原理。 圖 FBG應(yīng)用示例 （ 2）啁啾光纖光柵 啁啾光纖光柵是指光纖中的折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿光柵軸線變化的光柵，其制作方法是在光纖上刻出一系列不等間距的光柵，光柵上的每一點(diǎn)都可以看成是一個(gè)本地布拉格光柵的通帶和阻帶濾波器，其周期沿傳輸方向 z的變化可以表示為 （ 616） 式中 c 是周期的線性變化斜率，數(shù)值可以取正值，也可以取負(fù)值，其結(jié)構(gòu)如圖 示。理論分析可知，光纖光柵的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)光譜的選擇性越好， 3dB 帶寬越窄。 e f f=2B n? ? 圖 的一個(gè)示例。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 原理示意圖。 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 。 1次衍射光 ， 兩光疊加于光纖芯部并形成干涉條紋 。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(zhǎng)的光柵，如圖 （ a）所示。干涉曝光法是指先形成紫外光周期模式（周期在 1 μm 以下） ,再從光纖側(cè)面進(jìn)行照射。 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 擠壓型偏振控制器 ? 光纖光柵 ? 1． 光纖光柵的結(jié)構(gòu) 光纖光柵由一段折射率沿其長(zhǎng)度周期性變化的光纖構(gòu)成。 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。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。 （ a） （ b） 圖 波導(dǎo)耦合器的結(jié)構(gòu) 可以采用多個(gè) 3dB耦合器連接的方式設(shè)計(jì)多端口星形波導(dǎo)耦合器，圖 8?8和 1?8波導(dǎo)耦合器的結(jié)構(gòu)圖。 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。 2 2耦合器的插入損耗的典型值為 dB。（注：公式 ()中分母的 P1 是輸入端，分子的 P1 是輸出端。附加損耗定量給出了實(shí)際情況和理想狀態(tài)的差別，因此附加損耗應(yīng)盡可能小。 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 。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。 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。 利用式（ 65）、（ 66）給出的關(guān)系，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)將耦合器結(jié)構(gòu)用于兩路波分解復(fù)用。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。由于被拉伸的部分光纖芯徑變細(xì)，使更多的光場(chǎng)在纖芯外傳輸而耦合進(jìn)另一光纖中。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。 圖 常用的制造光耦合器的方法有研磨拋光法、熔融拉錐法和平面波導(dǎo)法。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。 ? 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