第3章光纤通信器件

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3.3.3 布拉格（Bragg） 光栅滤波器
§布拉格（Bragg）光栅由间距为 的一列 平行半反射镜组成， 称为布拉格间距，
如图3.3.9所示。 § 如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够
大，那么对于某个特定波长的光信号，从 第一个反射镜反射出来的总能量约为入射 的能量，即使功率反射系数R很小。
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耦合器基本结构
T形耦合器是一种 3 端耦合器或 2×2 耦合器，它的功能是把一根光纤输 入的光功率分配给 2 根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分 路器或功率组合器，或局域网终端的光输入或光输出耦合器。 星形耦合器是一种 NN 耦合器，它的功能是把 N 根光纤输入的光功率 组合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功 率分路器或功率组合器。
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如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那 么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜 反射出来的总能量约为入射的能量，即使功率反 射系数R很小。 该特定波长强反射的条件是:
布拉格 光栅的 基本特 性就是 以共振 波长为 中心的 一个窄 带光学 滤波器 该共振 波长称 为布拉 格波长
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图3.3.5
F-P滤波器的传输特性
它具有 多个 谐振 峰， 每两 个谐 振峰 间的 频率 间距 为自 由光 谱区 FSR
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光纤FF-P调谐滤波器
每两个谐振峰间的频率间距FSR为：
式中， n是构成F-P滤波器的材料折射率，L是谐振腔长度。 FSR就是滤波器的自由光谱区。 假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过，如 图3.3.5（c）中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰， 所以只有fj = f1的信道才能通过滤波器，而其它信道被抑制 了。
§ 通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动力 可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。
§ 这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右)、 对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约5ms)， 插入损耗小于1 dB。
§ 光纤法布里-珀罗（FF-P）干涉滤波器，如 图3.3.3所示，光纤端面本身就充当两块平行 的镜面。
§ 如果将光纤（即F-P的反射镜面）固定在压 电陶瓷上，通过外加电压使压电陶瓷产生电 致伸缩作用来改变谐振腔的长度，同样可以 从复用信道中选取所需要的信道。
§ 这种结构可实现小型化。
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3.4.3 阵列波导光栅（AWG） 复用/解复用原理
这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差L，如图 3.4.3所示。输入光从第一个星形耦合器输入，该耦合 器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每 一个波导，由于阵列波导中的波导长度不等，相位延 迟也不等，由式（1.2.8）和式 （1.3.17）可知， 其相 邻波导间的相位差为:
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微机电系统
§ 微 机 电 系 统 (MEMS ， Micro-Electro-Michanical Systems) 构 成 的 微 机 电 光 开 关 已 成 为 DWDM 网 中 大容量光交换技术的主流。
§ 它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体 工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微 反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号 可切换到不同输出光纤的微机电系统。
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•耦合器的光学特性参数
•1、插入损耗（Insertion Loss，IL） • 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
•Pin
•Coupler
•ILi=
-10×lg•Pouti •Pin
•Pou
t1
•Pout2
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•2、分光比（Coupling Ratio，CR） • 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
•Pin
•Coupler
•Pouti •CR=
•×100%
•∑Pout
•Pou
t1
•Pout2
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3.3 可调谐光滤波器
§ 可调谐光滤波器是一种波长（或频率） 选择器件，它的功能是从许多不同频率 的输入光信号中，选择出一个特定频率 的光信号。
§ 光频滤波根据其基理可分为干涉型、衍 射型和吸收型三类，每一类根据其实现 的原理又可以分为若干种；
光纤法布里-珀罗（FF-P）干涉滤波器
间隙型FF-P滤波器 内波导型FF-P滤波器
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光纤FF-P调谐滤波器的基本物理机理
§与1.3.3节讨论过的光多次干涉和 谐振特性类似。
§对于无源F-P滤波器，因为滤波 器只能允许满足谐振腔单纵模传 输的相位条件的频率信号通过， 所以传输特性与波长有关。
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对连接器的要求
§ 连接损耗(插入损耗)小； § 回波损耗大； § 多次插拨重复性好； § 互换性好； § 环境温度变化时，性能保持稳定； § 并有足够的机械强度； § 因此，需要精密的机械和光学设计和加工装配，
以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配， 并保特适当的间隙。
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图3.1.1 连接损耗的机理
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图3.1.1 连接损耗的机理
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图3.1.2 活动连接器结构和特性
连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。 光纤插针的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC, Angled Physical Contact)。 对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微 孔结构、三棒结构或多层结构。 因此, 连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固 定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的应用，如图3.1.2（b）所示。
AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理 （见3.3.2节），即两个相干单色光经过不同的光程传 输后的干涉理论。 所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说， 由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后， 依波长的不同就出现在不同的波导出口上。
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3.6 光开关
光开关的功能是转换光路，实现光信号 的交换。 对光开关的要求是插入损耗小、串音低、 重复性高、开关速度快、回波损耗小、 消光比大、寿命长、结构小型化和操作 方便。
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3.3.1 法布里珀罗 （FP）滤波器
§ 基本法布里-珀罗干涉仪（F-PI）（见图3.3.2） 由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面 固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。 镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层 介质膜的玻璃板，图中略去输入和输出光纤及 透镜系统，而集中讨论腔体本身。由光纤输入 的光经过谐振腔反射一次后，聚焦在输出光纤 端面上，借助改变谐振腔的长度达到从波分复 用信道中选取所需信道的目的。
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图3.3.11 光纤光栅带通滤波器
利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性， 可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器 如果在一个22光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同 样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器
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•3.4.1 棱镜波分复用/解复用器件
波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长的发射机输出 的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能 与波分复用器正好相反。 棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些分开的光从棱 镜进入空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分 开，完成解复用。
§ 马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉滤波器由两 个3 dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪， 干涉仪的两臂长度不等，光程差为L 。
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图3.3.7 马赫-曾德尔干涉滤波器
§ 马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相 干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
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布拉格光栅
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图3.3.10 光纤布拉格光栅
强激光辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的 空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线 性关系。如用特定波长的激光干涉条纹（全息照相） 从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周 期性变化， 就象一个布拉格光栅，成为光纤光栅
的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类 型，通常有 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC 和 ST/PC 型等。
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表3.1.1 各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标
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3.2 耦 合 器
耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多 个或一个光输出。 耦合器对线路的影响是附加插入损耗，可能还 有一定的反射和串音。 选择耦合器的主要依据是实际应用场合。
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F-P滤波器的精细度F
它决定滤波器的选择性，即能分辩的最小频率差， 从而也决定所能选择出的最大信道数。 精细度的概念与F-P干涉仪理论中的相同。假如谐振 腔内部损耗忽略不计，则精细度由镜面反射率R决定
假设两个镜面的R相等， 此时:
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3.3.2 马赫-曾德尔（MZ）滤波器
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3.4.2 衍射光栅解复用器
输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上； 光栅对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号 分解为不同波长的分量； 然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。
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图3.4.2 光栅型解复用器
§ （a）透射光栅 （b）普通透镜反射光栅 § （c）渐变折射率透镜反射光栅
图3.3.7 M-Z 干涉滤波器
§ 为两臂长度差产生的相位差 § 式中n是波导折射率指数 § 复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条
件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而 在另一个相消干涉。 § 如果在输出端口3， 满足相长条件，满足相消 条件，则输出光；如果在输出端口4， 满足相 消条件， 满足相长条件，则输出光。