华北电力大学无源光器件和wdm技术培训资料(编辑修改稿)

华北电力大学无源光器件和wdm技术培训资料(编辑修改稿)内容摘要：

2( / ) l2 e2i t L vAEi 两束光波在第二个 3dB耦合器中线性叠加，两束光的相位差决定了合成后输出光的强度。 合成光波的电场强度和输出光功率可以表示为 （ 622） （ 623） 定义输出光功率与输入光功率的比值为透射率，透射率的表达式为 （ 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。 图 （ b）给出透射率随光频率变化的曲线，可以看出它的滤波效应。 图 MZ滤波器的结构和透射谱  非线性环路镜 非线性环路镜（ NonLinear Optical Loop Mirror， NOLM）是一个可以具有多种用途的快速开关器件，在消除脉冲序列的背景噪声、光时分复用（ OTDM）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的应用。 NOLM的典型结构如图。 图 非线性环路镜的典型结构 由 22光纤耦合器和光纤构成，光纤与耦合器的两个壁相连构成闭合环路。 当光信号输入到耦合器时，被按一定比例分成两束，在光纤环路中沿不同方向传输，然后再耦合器中再次相遇，输出光功率的大小取决于两束光在线性叠加时的相位差。 光强度引起的光纤折射率的变化与输入光功率有关，相位差的大小也与输入功率有关，从而使相位差随输入光功率的增强而增大，输出光功率随输入功率的变化如图。 图 非线性环路镜的输出功率随输入功率的变化 非线性环路镜可以采用多种不同的结构，实现不同的目的，图 路镜，它的结构采用 50:50耦合器，并在光纤环的一端配制双向光放大器，所以称这种结构为非线性放大环路镜（ NALM）。 图 改进的非线性环路镜 尽管耦合器将输入光等分成两束，但沿顺时针方向传输的光先经过放大器，以高功率通过光纤环路；而沿逆时针方向传输的光在环的末端才被放大，主要以低功率通过环路。 两束光回到耦合器时有相同的功率电平，但由于折射率被光强的非线性调制效应，两束光具有不同的相位差，出现与图。 非线性环路镜可以用于不同的系统中，实现不同的目的。 图 NOLM可以作为一个光逻辑与门，在光时分复用（ OTDM）系统中实现解复用的功能。 所谓 OTDM，就是将几路数字光信号先变成窄脉冲，然后在光域时分复用成高速信号在光纤中传输。 图 （ a）所示的机构的基本原理与上述的 NOLM类似，但有以下几点需要注意。 （ 1）在光纤环的一端配置有 WDM耦合器，通过它将帧同步信号（控制信号）耦合进来； （ 2）当帧同步信号与某一路数字信号同步，并一起沿顺时针方向传输时，强的控制信号使折射率发生变化，群速度也发生相应的变化，而逆时针方向传输的光信号不受影响； （ 3）适当的调整帧同步脉冲的强度和光纤环的长度，可以使与帧同步脉冲同步传输的一路信号从输出端被选择出来，实现光时分复用信号的解复用功能。 从上面的分析可以看出， NOLM具有光与门的功能，如图 （ b）所示。 图 NOLM应用实例 光锁相环 光锁相环 （ OPLL） 的功能与电锁相环一样 ， 可实现接收信号与本地振荡信号即基准信号的同频同相 ， 从而实现二者的同步。 它由调谐激光器 、 光电二极管平衡器件和滤波器等构成 ， 下图给出了其原理框图。 平衡二极管器件检测本地激光器的频率与接收的光信号的频率 ， 当两个频率完全相同时 ， 二极管平衡电路处于静止状态。 否则 ， 这种静止状态将被破坏 ， 使得二极管平衡电路有不平衡电流输出 ， 该电流被放大后送滤波器滤除高频分量 ， 滤波后的低频直流分量去控制本地激光器的输出频率 ， 直至二者的频率完全相同 ， 然后电路处于平衡状态。 图中 ， 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电平相一致。 光学无源器件  偏振分束器 先将大量路数的波分复用信号分成奇偶两组，然后对这两组信号进行偏振服用是超大容量的光纤通信系统的一种解决方案，在这种系统中需要偏振分束器。 除此之外，偏振分束器在波长变换等领域也有很多应用。 图 ，它是由两个双折射材料制成的棱镜粘合在一起构成的。 双折射材料的特征是：不同偏振方向的光场分量在经过双折射材料时有不同的折射率。 若输入光中含有垂直偏振和水平偏振分量，它们在双折射材料中被分开，传输时将产生相位差。 图 双折射棱镜型偏振分束 当一束光入射到图 棱镜的外表面上时，由于双折射而分成寻常光和异常光，当入射角为布儒斯特角，则异常光全透射过去，寻常光从两个棱镜的分界面上反射回来，从而起到偏振分束的作用。 偏振分束器有多种不同的结构，但大多数的偏振分束器的工作原理都与材料的双折射有关。  光隔离器 光隔离器是光单向传输器，可以防止光反射的发生，在光通信中有广泛的作用。 光隔离器应允许正向输入光以最小的损耗通过，并能最大的阻止反向光通过，对正向光和反向光的损耗分别用插入衰减和隔离度表示。 性能良好的隔离器的插入损耗可以降到 ，隔离度可以达到 70dB以上。 光隔离器的基本工作原理可以用法拉第电磁旋转效应来解释，即将某些晶体放入强磁场中时，晶体中传输的光的偏振面会发生旋转，旋转的角度与磁场的强度和晶体的长度成正比，表示为 （ 625） 式中，  是材料的费尔德常数， H 是沿光传播方向的磁场强度， L 是光和磁场相互作用的长度。 = HL 法拉第电磁旋转效应是非可逆的，比方说，在某方向上传输的光由于法拉第电磁旋转效用向右旋转了 45186。 （ 沿光传输的方向看），而沿相反方向传输的光辉旋转同样的角度（沿光传输方向看是向左旋转）。 这意味着光片真面对饿旋转方向由磁场方向决定，而不是由光传输方向决定。 图 和原理的示意图，这种结构主要有两个偏振滤光片和一个法拉第旋转器构成，两个偏振滤光片的偏振方向相差 45186。 图 光隔离器结构和原理的示意图 正向输入光进入第一个偏振滤光片后形成垂直方向的偏振光，然后耦合进法拉第旋转器。 适当地设计旋转器的长度和施加其上的磁场强度，使光场的偏振面在旋转器中向右旋转 45186。 ，正好匹配第二个偏振滤光片的偏振方向，从而可以几乎无损耗地输出。 对于反向传输光（包括反向入射光或端面反射光）开始的偏振面与垂直方向成 45186。 角，在旋转器中又旋转 45186。 ，总共 90186。 的旋转正好与第一个偏振滤光片的偏振方向垂直而没有输出，从而构成光的单向传输器件。 这种结构的 一个缺点是对输入光的偏振敏感，输入光的偏振方向必须与输入端滤光片的偏振一致才能获得最大的耦合效率，否则将增加插入损耗。 如果输入光的偏振方向是杂乱的，附加的插入损耗将达到 30dB；如果输入光的偏振方向垂直于滤光片，可能会损耗掉所有输入光；如果输入光的偏振方向随时间变化，隔离器的插入损耗也将随时间变化，造成对信号的严重干扰。 因此隔离器总是设计成与偏振无关。 一种制造偏振无关的光隔离器的方法是将输入光先分成偏振正交的两束光，分别处理，然后再合在一起。  光环行器 光环行器是在光通信中应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是 3端口和 4端口器件，图 3端口和 4端口光环行器的基本结构。 环行器的工作特点是：当光从任意端口输入时，只能在环行器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。 光环行器可以设计成对称结构，如图（ b）所示，最后一个端口输入的光传输到第一个端口输出，但在很多应用中光不需要循环回去而将光环行器设计成非对称结构，如图 （ a）所示。 图 光环行器示意图 光环行器可以有不同的结构，可以使用不同的器件构成，但其最基本的原理是利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输。 图 3端口光环行器的结构以及端口 1到端口 2的光路图，它的各个组成部分的功能如下： （ 1）偏振分束器：将输入光分解成偏振正交的两束光； （ 2）法拉第旋转器：偏振面产生 45186。 旋转，旋转方向如上节所述； （ 3） 8平板：将光的偏振面旋转 45186。 图 3端口光环行器中端口 1到端口 2的光路图 参考图 ，简要说明光环行器的工作原理。 从端口 1输入的光波被偏振分束器（ PBS）分离成水平和垂直偏振光，垂直偏振光被折射，如图中沿上面的光路传输，水平偏振光沿下面的光路传输，然后进入法拉第旋转器。 旋转器和 8平板各将两束光旋转 45186。 ，是原来的垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。 这两束光被另一个偏振分束器合到一起从端口 2输出。 输入到端口 2的光经历类似的过程，但由于法拉第旋转器的不可逆性质，两束正交的偏振光在经过 8平板和旋转器后保持原来的偏振方向，被偏振分束器合成后导向端口 3，而不是端口 1。 插入损耗、隔离度、偏振敏感性、回波损耗是反映光环行器性能的主要指标。 现在环行器的插入损耗可以降到 ，隔离度达到 70dB以上，偏振敏感性低于，回波损耗大于 50dB。  自聚焦透镜 自聚焦透镜（ GRIN）是应用广泛的无源光器件，主要作用是准直光束。 自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件，其折射率分布同自聚焦光纤，只是直径远大于自聚焦光纤芯径，规格为零点几毫米到几十毫米不等。 自聚焦光纤的折射率分布近似为 （ 626） 22012( ) ( 1 )2n r n r a   在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹如图。 图 自聚焦透镜中光线的轨迹 在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹 r(z)及其导数为 （ 627） （ 628） （ 629） 其中， r0是入社端面（ z=0）上射线的径向位置； r0180。 是入射端面上入射光的斜率； Ln为节距，表示入射光线的周期。 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   在自聚焦透镜中，入射光线的轨迹是一条正弦曲线，而且所有的入射光线都有相同的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示为Ln。 对于入射端面的光斑，在 z= Ln 处，可形成一个 1:1的正立的实像；在 z=Ln /2 处可形成一个 1:1的倒立的实像；从入射端面上某一点发出的光线，在 z=3Ln/4 处变为平行光。 即是说，长度为 Ln/4 的自聚焦透镜对入射光线有准直作用，像透镜一样，它将入射光线准直成平行光。  FP腔滤。