1、光纖的制造工藝和光器件第1頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件2光纖的制造工藝原料(SiO2和摻雜物質)制作預制棒對檢驗合格的預制棒進行拉絲原料檢驗成品預制棒檢驗第2頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件3光纖預制棒的制作 光纖預制棒簡稱光棒，是一種在橫截面上有一定折射率分布和芯/包比的的透明的石英玻璃棒。根據折射率的不同光棒可從結構上分為芯層和包層兩個部分，其芯層的折射率較高，是由高純SiO2材料摻雜折射率較高的高純GeO2材料構成的，包層由高純SiO2材料構成。 光纖預制棒制造

2、技術是光纖制作工藝的核心，光纖的制作方法取名于預制棒的制造方法。第3頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件4光纖預制棒的制作制作方法 四十年來，發(fā)展出很多種光纖制造工藝，經淘汰選擇，目前比較流行且保持批量生產的有四種。 OVD VADMCVD PCVD外部氣相沉積法； 氣相軸相沉積法； 改進的化學氣相沉積法； 等離子化學氣相沉積法。 外包技術。第4頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件5拉絲第5頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信

3、器件6拉絲 拉伸爐使預制棒在高溫下(200022000C)熔融，在重力的作用下往下垂，并形成細絲，經直徑監(jiān)控設備檢測達到標準后， (最初的一滴熔融熱玻璃從預制棒的底部拉出，延展成光纖的起點，一般情況這一起始段都是廢品)，就可以穿過涂覆器，這樣光纖表面就涂上了保護層。再經過紫外固化爐的固化，涂層就緊密結合在光纖表面，涂覆后的光纖由牽引輪牽引收到線軸上。 正確地控制拉絲溫度、收絲速度是至關重要的。 第6頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件7成品光纖的測試：性能測試：帶寬、損耗、拉力強度等。 光纖的外徑為1251m，涂覆后的直徑為25010m

4、。單模光纖的波段劃分(單位：nm)O(原始)波段:1260-1360E(擴展)波段:1360-1460S(短)波段:1460-1530C(常規(guī))波段:1530-1560L(長)波段:1560-1625U(超長)波段:1625-1675第7頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件8其他材料制作的光纖(1) 多組分玻璃光纖：特點是纖芯-包層折射率變化范圍大，NA大，但材料損耗大；(2) 塑料光纖：成本低，但損耗很大，溫度性能差；(3) 中紅外光纖：大于1.55um散射損耗低；(4) 液芯光纖：纖芯為液體，可以滿足特殊需要；(5) 晶體光纖：纖芯

5、為晶體，可用于制造各種有源和無源光器件。第8頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件9*自聚焦透鏡（Grade index Lens） 漸變折射率材料有徑向漸變和軸向漸變折射率材料，自聚焦透鏡是使用徑向漸變折射率材料制成的透鏡，其折射率分布式沿徑向漸變的柱狀光學透鏡。具有準直、聚焦和成像功能。 光線在空氣中傳播當遇到不同介質時，由于介質的折射率不同會改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過控制透鏡表面的曲率，從而完成聚焦和成像功能的。 自聚焦透鏡同普通透鏡(球透鏡)的區(qū)別在于，自聚焦透鏡材料不僅能夠使沿徑向傳輸的光產生折射，而且其沿徑向逐漸減小

6、的折射率分布，能夠實現出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點。第9頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件101、均勻折射率分布材料2、依靠彎曲的光學界面 實現光學成像3、通過非球面來克服像差， 提高成像質量1、漸變折射率分布材料2、依靠光線軌跡的彎曲 實現光學成像3、通過優(yōu)化折射率分布， 提高成像質量第10頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件11自聚焦光纖：折射率按平方分布的光纖光纖的傳播軌跡為正弦曲線經一周期后又會聚到另一點。自聚焦透鏡原理上就是一段自聚焦光纖。不同點：芯徑大(2mm或

7、更大)，長度短(僅12個周期)，數值孔徑大(0.20.6，可由長短決定大小)；制作工藝也不同，采用離子交換工藝。第11頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件12優(yōu)點：1、直徑小，體積微型化，焦距超短；2、端面平面，便于光學加工、系統(tǒng)調節(jié)；3、長度和折射率改變可引起透鏡焦距和成像特 性的變化，可以起幾個普通透鏡的作用； 4、像差可通過改變透鏡材料組分和離子交換工 藝來控制； 5、還可用于彎曲傳像; 6、光線軌跡為sin或cos曲線，可形成“自聚焦”。主要應用：光纖通信中的光無源器件、復印傳真機、攝影物鏡、顯微物鏡和醫(yī)用內窺鏡等。第12頁，共

8、122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件13 自聚焦透鏡利用了梯度變折射率分布沿徑向逐漸減小的變化特征，其折射率變化由下式表述。N0 表示自聚焦透鏡的中心折射率A 表示自聚焦透鏡的折射率沿徑向分布的常數(聚焦參數)，可以是A或 。 折射率分布的簡化表示：第13頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件14自聚焦透鏡的重要特性：重要性能參數：焦距：f = -1/n0A1/2sin(A1/2L)聚焦參數：A = 2D/a2數值孔徑：NA = n0(2D)1/2自聚焦透鏡的直徑：D節(jié)距：P = 2p/

9、A1/2，沿正弦軌跡傳播，完成一個正弦波周期的長度即成為一個截距P；長度Z自聚焦透鏡的長度為透鏡兩端面軸心間的距離 。 成像特性：與透鏡長度有關：1/4 節(jié)距透鏡1/2 節(jié)距透鏡0.23節(jié)距透鏡0.29 節(jié)距透鏡第14頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件150.25P lens: on axis第15頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件160.25P lens：off axis雙光纖準直器, 波分復用器件第16頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月

10、 2022 光纖通信器件170.23P lens：angle compress第17頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件180.29P lens：facula compress第18頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件19自聚焦透鏡的應用：(1) 聚焦與準直 透鏡在聚焦時存在著結構尺寸大，結構復雜，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺點，但自聚焦透鏡在聚焦時克服了這些缺點。根據自聚焦透鏡的傳光原理，對于Z=1/4P節(jié)距的自聚焦透鏡，當從一端面輸入是一束平行光時，經過自聚焦透鏡后光線匯聚

11、在另一端面上，由球差理論可得自聚焦透鏡聚焦點光斑的尺寸公式為： R為焦點處光斑的半徑, NA為數值孔徑, f為焦距, N0為軸上的折射率。準直是聚焦功能的逆向運用，根據自聚焦透鏡的傳光原理，對于Z=1/4P節(jié)距的自聚焦透鏡，當匯聚光從自聚焦透鏡一端面輸入時，經過自聚焦透鏡后會轉變成平行光線。第19頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件20(2) 光耦合 由于自聚焦透鏡可以通過水平端面完成聚焦功能，加之其簡單圓柱外形，使得其在進行光能量鏈接及轉換中有著很廣泛的用途，自聚焦透鏡的這種聚焦功能使其能夠應用于多種光耦合場所，從而改善普通透鏡的光耦

12、合效果。第20頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件21 為了達到更好的聚焦效果，會在平端面透鏡一端面加工一個13mm的曲面，此曲面與使得透鏡彌散斑小，因此球面自聚焦透鏡可減小聚焦光斑尺寸。第21頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件22 L1為光源或光纖到自聚焦透鏡端面的距離，Z為自聚焦透鏡的長度，L2為自聚焦透鏡端面到光纖的距離。為了使光源或光纖發(fā)出的光經過自聚焦透鏡聚焦后能夠有效地耦合進光纖，需要調節(jié)L1 和L2的距離來達到最佳耦合效率。 第22頁，共122頁，2022年，5月

13、20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件23準直透鏡：許多應用中需要將光纖發(fā)出的發(fā)散光束變換為平行光束，可通過在光纖輸出端加一準直透鏡來實現。準直透鏡是將光纖置于自聚焦透鏡的焦點上。經自聚焦透鏡后，輸出端光束的半徑和發(fā)散角為其中為光纖纖芯半徑，為數值孔徑；Z為自聚焦透鏡的長度，稱為透鏡的聚焦常數。第23頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件24上式中，若透鏡長度Z取為節(jié)距的1/4時， ，上式成為這表明，光束的束寬(半徑)正比于光纖的數值孔徑，而發(fā)散角正比于光纖纖芯半徑。單模光纖(芯徑10m,數值孔徑0.1)：光束直徑

14、為0.67mm，光束發(fā)散角為1.5mrad,是很好的平行光束。多模光纖(芯徑50m,數值孔徑0.2)：光束直徑為1.33mm，光束發(fā)散角為7.5mrad,光束平行度稍差些。第24頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件25耦合透鏡：將光源(LD或另一光纖輸出光)的功率有效地耦合進入光纖時，可利用自聚焦透鏡作為耦合透鏡，將光纖置于自聚焦透鏡端面上，也可將多個自聚焦透鏡級聯。這時有式中，l是光源到透鏡前端面的距離；是經透鏡輸出光光斑最大半徑；是經透鏡輸出光束的張角；是光源半徑；是光源輸出光張角對應的數值孔徑?？梢钥吹?，選擇合適的物距l(xiāng)值與透鏡長

15、度Z，與接收光纖參數匹配，可以使與盡可能地小，可取得最良好的耦合效果。第25頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件26(3) 自聚焦透鏡成像 自聚焦透鏡除了具備一般曲面透鏡的成像功能還具備端面成像的特性。對于P/2及1P截距的自聚焦透鏡其端面成像機理如圖2.5所示。P/2截距的自聚焦透鏡其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦透鏡其端面成等大正像。對于P/4截距的自聚焦透鏡物在無窮遠處時象在其后端面（只要物距遠遠大于透鏡長度時可理解為無窮遠）。第26頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件

16、27等高成像透鏡：在復印機、傳真機、印刷機等成像光學系統(tǒng)中需要采用1：1成像系統(tǒng)。這時采用自聚焦透鏡最為簡便，因為一根自聚焦透鏡可滿足正立、等倍、實像的條件。而普通透鏡至少需要三塊透鏡組合成復合透鏡。實際使用時，將物置于自聚焦透鏡物方主平面上，在像方主平面上就會成一個物等高的實像。透鏡長度應在半倍節(jié)距和一倍節(jié)距之間。采用自聚焦透鏡可使物象變換系統(tǒng)大大縮短物像共軛長度。同時，它在整條直線上成像分辯率相同，可使整個視場的傳遞函數值比較均勻，從而提高成像質量。第27頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件28光纖準直器：利用自聚焦透鏡構成體積小巧

17、的準直器。 或者逆向傳輸，實現聚焦功能，把平行光束聚焦到光纖傳輸。第28頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件292. 光環(huán)行器光環(huán)行器的基本工作原理: 通過一系列端口沿一個方向傳送光信號。即: 在端口1輸入的光信號只會在端口2輸出；在端口2輸入的光信號只會在端口3輸出；在端口3輸入的光信號只會在端口1輸出。方向性一般大于50dB。端口1端口2端口3第29頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件30-450+450-450 +450+450 +450+450 +450端口1(只有輸入)

18、端口2(輸出/輸入)端口3(輸出/輸入)端口4(只有輸出)+450 +450+450 +450-450 +450-450 +450+450 +450-450 +450+450 +450: 光束位移器: 波片: 法拉第旋轉片: 垂直偏振: 水平偏振第30頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件31光束位移器: 由強雙折射材料(晶體)制成，它將不同偏振的光沿有微小差別的方向偏折。輸入光是非偏振的，但是進入晶體后分成兩束，一束垂直偏振，另一束水平偏振；垂直偏振的一束向上偏折而水平偏振的一束直線通過。法拉第旋轉片: 對光的偏振面的旋轉具有非互異性，

19、設計成正向通過時偏振面被旋轉+450角，反向通過時依然被旋轉+450角。波片片: 對光的偏振面的旋轉具有互異性，設計成正向通過時偏振面被旋轉+450角，反向通過時被旋轉-450角。第31頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件32第32頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件33光環(huán)行器的主要應用光纖光柵型WDM；OADM以及其他波長路由器件；雙向傳輸系統(tǒng)；光發(fā)射機1光發(fā)射機2光接收機1光接收機2122331第33頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2

20、022 光纖通信器件34光環(huán)行器的主要應用反射鏡。第34頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件353. 光衰減器光衰減器是隨著光纖通信的發(fā)展出現的一種光器件，實現對光信號能量進行預期地衰減，可用于光通信線路/系統(tǒng)的評估、研究以及調整、校正等。分類位移型光衰減器直接鍍膜型光衰減器(吸收膜或反射膜型光衰減器)衰減片型光衰減器液晶型光衰減器橫向位移型光衰減器縱向位移型光衰減器第35頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件36(1) 位移型光衰減器橫向位移型光衰減器單模光纖的模場分布:光纖軸線

21、橫向錯位d后傳輸到第二根單模光纖的端面時，模場分布變化為:第36頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件37相對于第二根光纖纖芯，入射光束的模場分布發(fā)生了變化，帶來了由于模場失配產生的能量損失。忽略光纖的軸向間隙，橫向位移引起的光能量損耗為:因此，可以設計出相應于不同損耗的橫向位移參數，并通過一定的機械定位方式予以實現，得到所需要的光衰減器。通常，橫向位移參數的數量級在微米量級，所以一般不用來制作可變衰減器，僅用于固定衰減器類型。第37頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件38軸向位移

22、型光衰減器光纖端面的間隙s同樣也會帶來光能量的損失，也可以通過高斯光束失配的方法，求得由于光纖端面間的軸向間隙引起的光能量損失:在設計橫向位移型光衰減器時，只要用機械的方式將兩根光纖拉開一定距離進行對中，就可實現衰減的目的。這種類型的固定光衰減器可以看成是損耗大的光纖連接器，設計時通常與連接器的結構結合起來考慮，外形也酷似光纖連接器。第38頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件39(2) 直接鍍膜型光衰減器直接鍍膜型光衰減器通常的做法是直接在光纖端面鍍制金屬吸收膜或反射膜，利用吸收膜或反射膜來衰減光能量。(3) 衰減片型光衰減器衰減片型光

23、衰減器直接將具有吸收特性的衰減片固定在光纖的端面上或光路中，從而達到衰減光信號的目的。這種方法可以用來制作固定光衰減器，也可以用來制作可變光衰減器。第39頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件40衰減片型光衰減器的具體做法是通過機械裝置，將衰減片直接固定在準直光路中，當光信號經過第一個光纖準直器準直后，通過衰減片時光能量被衰減，再經過第二個光纖準直器聚焦耦合到輸出光纖。使用不同衰減量的衰減片，就可以得到相應衰減值的光衰減器。衰減片常用的材料主要有: 紅外有色光學玻璃、晶體、光學薄膜和濾光片等。第40頁，共122頁，2022年，5月20日，

24、17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件41衰減片型可變光衰減器衰減片型可變光衰減器可以分為三種:a 雙輪式可變光衰減器(a) 步進式雙輪可變光衰減器盤1盤2衰減片第41頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件42這種結構的光路采用平行光路，在光路中插入兩個具有固定衰減量的圓盤，不同衰減量的衰減片分別裝在兩個圓盤上，通過旋轉兩個這兩個圓盤，使兩個圓盤上的不同衰減片相互組合，即可獲得不同檔位的衰減量。衰減片可采用鍍膜或吸收型玻璃片制作。(b) 連續(xù)可變雙輪式光衰減器步進圓盤連續(xù)可變衰減片衰減片第42頁，共122頁，2022年，5

25、月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件43連續(xù)可變光衰減器的總體結構和工作原理同雙輪式可變光衰減器相似。不同的是在衰減元件上做了相應的設計變化，它由一個步進圓盤和一片連續(xù)變化的衰減片組合而成。步進圓盤有相應的衰減檔位，這樣通過步進圓盤的粗檔和連續(xù)變化衰減片的細檔共同作用即可達到連續(xù)衰減光能量的目的。連續(xù)衰減片: 采用真空鍍膜的方法，在圓形光學玻璃片上鍍制金屬吸收膜而制成；鍍膜時，采用特殊的專用扇形裝置(可連續(xù)均勻地改變其張角)來覆蓋玻璃基片，使得所鍍的膜層厚度逐漸均勻變化，從而使衰減量連續(xù)變化。第43頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九

26、月 2022 光纖通信器件44b 平移式光衰減器這種光衰減器的衰減元件改用全量程連續(xù)變化的慮光片，慮光片的制作方法同扇形連續(xù)變化衰減片相似，使所鍍膜的光學密度隨慮光片平移的方向呈線性變化；其他元件與雙輪式結構一樣。連續(xù)可變衰減片光纖準直器1光纖準直器1第44頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件45連續(xù)變化慮光片的透過率:式中，k是常數，由慮光片吸收系數和慮光片的幾何尺寸決定；s是慮光片垂直于光路的位移量；T0是慮光片起始處的透射率。這種光學結構的衰減器，其連續(xù)變化的衰減量的線性度依賴于吸收膜的均勻性、慮光片位移面的平整性。第45頁，共1

27、22頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件46c 智能型機械式光衰減器前面所講的幾種光衰減器都采用了機械定位或機械調節(jié)調節(jié)衰減量、刻度盤讀數等方法，不可避免地或多或少帶來一定的精度誤差。智能型光衰減器通過電路控制電動齒輪，驅動可調衰減元件按預定的衰減量變化，同時將檢測到的實際衰減量作為反饋信號，反饋到電路中對衰減量進行修正，從而達到自動驅動、自動檢測和顯示光衰減量的目的。光衰減部件驅動電路監(jiān)控電路顯示電路計算機遠端控制第46頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件47(4) 液晶型光衰減器液晶型光

28、衰減器利用分子軸扭向排列的液晶。: 光束位移器: 玻璃基片: 透明電極: 液晶層第47頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件48工作原理:光纖入射的光信號被光束位移器分成兩束線偏振光，經過液晶層時，如果液晶層沒有加電壓，則兩束線偏振光的振動面同時被旋轉450角，旋轉后的偏振光再經過第二個光束位移器合為一束平行光出射，然后耦合進光纖。當液晶層加相應的電壓以后，液晶晶向旋轉角，兩束偏振方向互相垂直的線偏振光經過此時的液晶時同時被旋轉(450+)角度，經過第二個光束位移器時合為一束平行光時造成光能量的損耗。液晶晶向旋轉角隨外加電壓的變化而變化。

29、第48頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件49光衰減器基于功能的分類光衰減器的特性參數:固定光衰減器可變光衰減器a 衰減量和插入損耗；b 衰減精度；c 回波損耗。第49頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件504 光開關光開關是光纖通信中作為光路切換之用的，實現光通道的通斷和轉換。比如主用光纖和備用光纖之間的切換，或者光交換機中的光路切換，實現全光層的路由選擇、光交叉連接、自愈保護等功能。光開關是實現全光網絡的核心技術之一。光開關的性能參數:a 插入損耗: 輸出端口相對于輸入端口光

30、能量的損耗，以分貝表示。光開關是以光為核心實現光的通斷的系統(tǒng)部件，不存在光電轉換。 第50頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件51b 回波損耗: 從輸出端口返回到輸入端口的光功率與輸入端輸入的光功率的比值，以分貝表示。c 隔離度: 兩個相隔離輸出端口之間，非輸出端口的光功率與輸出端口光功率之間的比值，也以分貝表示。d 開關時間: 指開關端口從某一初始狀態(tài)轉為通或斷所需的時間，測量開關時間時從施加或撤去轉換能量的時刻開始。第51頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件52輸出光纖輸出光

31、纖各種類型的光開關光開關可以分為機械式和非機械式光開關。(1) 機械光開關機械光開關通過移動光纖或其他光學器件從而達到改變光信號方向的目的。機械裝置控制光纖或其他光器件切換光路第52頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件53光開關器件中，準直和會聚光器件分別在輸入端和輸出端將光束進行準直以便控制以及會聚聚焦到輸出光纖。機械光開關的共同點是它們運作都涉及到光器件的移動，精確的移動設計要求非常嚴格。機械光開關是最簡單最便宜的光開關，在光通信領域得到了廣泛的應用；主要應用于保護交換、以及必要時能夠交換信號但又不經常發(fā)生光路切換的場合。機械裝置使

32、輸入光纖的一小段長度發(fā)生彎曲，或通過機械觸發(fā)/電觸發(fā)的方式改變光路方向。第53頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件54(2) 電光/磁光/聲光光開關利用晶體在外加電壓/磁場，或者聲波通過晶體材料時光學特性會相應的發(fā)生變化，最終導致光信號之間的相位變化或者偏振態(tài)發(fā)生預期的變化。第54頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件55(3) 熱光光開關熱光光開關技術主要是用來制造小型光開關，通過集成多個12光開關也可組成較大的陣列。熱光光開關產生開關效應的機理是熱光效應。熱光效應通過加熱的方法

33、，使光傳輸的介質的溫度發(fā)生變化，導致光在介質中傳播的折射率和相位發(fā)生變化。折射率隨溫度的變化關系:式中，n0為溫度變化之前的折射率，T為溫度的變化，為熱光系數，單位是/ 0C。第55頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件56溫度變化最終導致相位的變化:a 干涉式熱光光開關(M-Z干涉型)1243在Si或NiLiO3基底上生成3dB耦合器構成的對稱M-Z干涉儀，其中一個干涉臂上鍍有金屬加熱器，形成相位延遲器。多采用Si基底，因為散熱比較好。金屬膜加熱器NiLiO3基底第56頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九

34、月 2022 光纖通信器件57設定溫度為T0時，兩條干涉臂產生的相位差為0，對于3端口來說，光信號產生干涉加強輸出，而4端口干涉相消沒有光能量輸出；當溫度為(T0 +T)時，3端口和4端口正好反過來，4端口產生干涉加強輸出光信號，而3端口沒有光能量輸出，達到3端口和4端口切換光路的目的。干涉式熱光光開關結構緊湊，但是對光波長敏感，而且需要進行精密溫度控制。b 數字式熱光光開關(DOS)第57頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件58數字式熱光光開關的原理和結構比較簡單，一般是通過模式重組來實現光路切換的動作，通過加熱光路分支的折射率，從而

35、控制光路的改變。最簡單的數字式是12的Y型光纖耦合器分支結構:金屬膜加熱器式中，T0為設定室溫，TC為光通路改變的臨界溫度，為熱光系數。第58頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件59為了實現模式選擇的絕熱狀態(tài)，要求分支角很小，一般在零點幾度或者零點零幾度。通常采用熱光系數高的聚合物制作波導。不加熱時，n上大于n下，光信號從1端口輸出，加熱到一定溫度時， n上小于于n下，光信號切換到2端口輸出。數字式熱光光開關結構簡單，制作容差大、當輸入電壓控制溫度變化時光強呈階躍特性。(4) 噴墨氣泡光開關第59頁，共122頁，2022年，5月20日，

36、17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件60氣泡光開關技術是利用氣泡和波導之間的全反射來達到光路切換的目的。安捷倫(Agilent )公司的噴墨氣泡光開關第60頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件61每個溝道中填充有與波導相同折射率的匹配液，中部有一個微電阻，HP的噴墨技術控制微電阻，使其發(fā)熱產生氣泡，并使氣泡移動到交叉點，光信號在氣泡界面發(fā)生全反射，此時光信號處于關的狀態(tài)，切換到另一條光路傳輸，否則光路處于開的狀態(tài)。氣泡盡管在移動，但是氣泡光開關不存在機械移動部分，開關時間(氣泡產生消失時間)在ms量級。第61頁，共12

37、2頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件62: 波導: 溝道第62頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件63(5) 液晶光開關液晶光開關技術利用液晶晶向在外電場的作用下會發(fā)生改變，晶向又影響在液晶中傳輸的偏振光的偏振態(tài)。一般情況，設計液晶光開關時，液晶在未加電壓時對偏振光的偏振態(tài)不會施加影響，保持原來的的偏振態(tài)在液晶中傳播，當給施加一定電壓后，液晶晶向的變化導致偏振態(tài)發(fā)生改變，使其旋轉900，從而改變光信號的傳輸方向。第63頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月

38、2022 光纖通信器件64端口1端口2輸入端端口1端口2輸入端: 水平偏振: 垂直偏振: 光束位移器: 液晶第64頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件65(6) 全息光開關全息光開關利用布拉格光柵實現對光的選擇性反射。通過全息技術在晶體內部生成布拉格光柵，當沒有外加電壓時，光能直接通過晶體，從輸出端口輸出；反之，給晶體施加電壓改變布拉格光柵的結構參數，此時布拉格光柵把光信號反射到另一個輸出端口，達到切換光路的目的。 (7) 微機電系統(tǒng)(MEMS)光開關MEMS (或MOEMS: 微光學電子機械系統(tǒng))光開關被認為是全光網絡中最有應用前景的

39、一項光開關技術。第65頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件66MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)是指將微型機械、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路等集于一體的可批量制作的微型器件或系統(tǒng)。而MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical System) 把微光學應用到微機電系統(tǒng)中，這是微機電系統(tǒng)在光纖通信中的重要應用。 微光學電機械芯片是包含一個或一個以上微機械元件的光系統(tǒng)或光電子系統(tǒng)，其應用遍及光纖通信、光顯示、及光學傳感等多個方面。 第66頁，共122頁，2022年，5月

40、20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件67MEMS光開關的控制原理MEMS光開關是利用機械開關的原理，同時利用平面波導技術，將微機械系統(tǒng)集成在單片硅基底上；實用化的MEMS光開關原理十分簡單，其結構實質上是微鏡片陣列，當進行光交換時，通過移動或改變鏡片角度，把光信號直接送到或反射到光開關陣列的不同輸出端。 鏡片的移動、鏡片角度的改變多采用靜電法驅動或磁感應法驅動、光功率驅動、熱驅動、電致伸縮法驅動。不同的驅動方式決定了MEMS光開關的控制和驅動電路的形式不同，由于MEMS對光器件的改變精度要求很高，因此對相關的控制和驅動電路很嚴格。 第67頁，共122頁，2022年，5

41、月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件685 光分插復用器(OADM)OADM的作用是在通信網絡節(jié)點處分下和插入一個或多個波長的光信號，它以光信號為操作對象，直接在光層上實現中間局站業(yè)務的分出和插入，拋棄了SDH的相關電設備；SDH的分插復用速率為155Mb/s，最大是2.5Gb/s，而OADM分插光信道，每個光信道的速率可以是2.5Gb/s或者是10Gb/s甚至更大，這也是OADM的分插復用速率，有效地克服了SDH終端設備的電子瓶頸問題。第68頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件69OADM的實現方法(1)

42、光纖光柵+環(huán)行器型OADM環(huán)行器1環(huán)行器2123123n個波長輸入n個波長輸出控制部分固定多波長OADM波長可調諧OADMDEMUXdropMUXaddDEMUXdropMUXadd第69頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件70(2) 光纖光柵+M-Z干涉儀型OADM FBG dropaddn個輸入MZI3dB耦合器3dB耦合器n個輸出M-Z干涉儀的其中一個臂可以由PZT(壓電陶瓷)控制，從而控制輸出耦合器的相位。 第70頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件71環(huán)行器111111

43、11222233333332222多個波長輸入多個波長輸出濾波器2濾波器環(huán)行器光開關可變光衰減器(3) 薄膜濾波器+光開關型OADMAdd 1Add 2Add 3Add 4Drop1Drop2Drop3Drop41234123433第71頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件72(4) 波分復用器+光開關型OADMadddropn個輸入信號n個輸出信號光開關DEMUXMUX第72頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件73任意波長的業(yè)務都可以分插的OADM利用波長變換器對上下路波長業(yè)務

44、進行變換。n個輸入信號n個輸出信號DEMUXMUX波長變換器adddrop光開關陣列第73頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件74波長變換器波長變換器: 顧名思義，就是改變信號光的波長，同時又保持信號光所承載的信息不變。對早期鋪設的1310nm窗口的通信光纖不適合采用WDM系統(tǒng)進行升級擴容，因此在復用和解復用處就需要波長變換器對波長進行變換。不同的網絡管理可能沒有協(xié)調一致的波長分配，此時也需要波長變換器。波長變換有光/電/光的方法和全光方法。前者首先將光信號解復用后轉換為電信號，電信號再調制所需波長的激光器；后者還不成熟，正在研究中。第

45、74頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件75光分插復用可以在光碼分多址組網技術構成的全光網絡開放結構中按需要在光交叉連接設備的節(jié)點或光交換網絡節(jié)點之間自由分接和復用。第75頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件766 光交叉連接器(OXC)光交叉連接技術和光分插復用技術一樣，都是是全光網絡的核心技術。對于無波長變換能力的OXC構成的光網絡，路由選擇受到波長連續(xù)性限制，即一條光通道的各復用段必須采用相同的波長。這樣的光通道稱為波長通道。光交叉連接設備中的路由/波長分配對于具有(或部分

46、具有)波長變換能力的OXC構成的光網絡，路由選擇有更多的自由度。這樣的光通道稱為虛波長通道。第76頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件77波長通道必須在光通道層找到一條鏈路，在這條鏈路的所有復用段中，有一個共同的波長是空閑的，如果找不到這樣的鏈路，這個傳送請求被阻塞，采用集中控制方式；而虛波長通道因為采用了波長變換器使得業(yè)務在不同的復用段可以占用不同的波長，大大降低了業(yè)務的阻塞，采用分布式控制。從光交叉連接器的功能和內部結構角度出發(fā)，其實現形式可以分為三類:(1) 光纖交叉連接(FXC)1122MM輸入光纖輸出光纖第77頁，共122頁，

47、2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件78光纖交叉連接將任意一根輸入光纖中的所有波長業(yè)務一次性地交叉連接到任意一根輸出光纖，交換的基本單位是一路光纖，并不對多波長業(yè)務進行解復用，可以看成是自動光纖配線架。FXC結構簡單，交叉連接的顆粒度最大，可提供最簡單的配置和網絡恢復能力,對于光纖切斷的大故障，FXC是一種較好的解決方案。但是這種交叉連接器在WDM光網絡中不能實現多波長通道的靈活性，無法實現波長路由，即端到端的波長業(yè)務。第78頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件79(2) 波長選擇交叉連接(WS

48、XC)光纖1光開關DEMUXMUX光纖2光纖n光纖1光纖2光纖n12n12n12n第79頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件80波長選擇交叉連接，又稱波長固定交叉連接，將輸入光纖中任意波長交叉連接到使用相同波長的輸出光纖，不同光纖中的相同波長之間進行交換。即多路光纖中的光信號分別由各自的解復用器解復用，然后相同波長的業(yè)務進行交換，交換后的各路相同波長的業(yè)務各自輸出端的復用器，復用后最后耦合進各輸出光纖。顯然，WSXC實現了單波長粒度的業(yè)務交換，具有提供端到端的波長業(yè)務能力和波長級業(yè)務量的疏導能力，可以實現復雜網絡波長路由的保護和恢復。但

49、這種結構存在波長阻塞問題，即無法處理不同光纖中的相同波長業(yè)務進入同一條輸出光纖。第80頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件81(3) 波長交換交叉連接(WIXC)DEMUXMUX波長變換器光開關陣列光纖1光纖2光纖m光纖1光纖2光纖m第81頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件82波長交換交叉連接，或者叫波長可變交叉連接，即采用了波長變換器，具有波長變換的能力，能夠將任意一根輸入光纖中的任意波長交叉連接到使用不同波長的任意一根輸出光纖上。因此各波長光信號可以實現完全靈活的交叉連接，

50、在組網、業(yè)務提供和恢復方面有很大的靈活性。不會產生波長阻塞。這種實現方法又分為專用波長變換器和共用波長變換器。前者是每一個波長經過交換后都配有波長變換器，而后者是所有輸入波長共用一組波長變換器，經過變換后的波長業(yè)務再次由光開關交換到所需要的輸出光纖，提高了波長變換器的利用率。第82頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件83DEMUXMUX:波長變換器光開關陣列光纖1光纖2光纖m光纖1光纖2光纖m第83頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件84光交叉連接器的功能:(1) 路由選擇以及交

51、叉連接功能。為不同的光通道業(yè)務進行選路，對輸入輸出業(yè)務按照不同交換粒度的要求建立交叉連接。(2) 對業(yè)務的疏導。OXC都是處于網絡之間的節(jié)點處，可能是主干網或城域網之間，或者不同網絡之間，在這些網絡節(jié)點要求OXC對不同速率、不同波長業(yè)務的信息進行靈活的交換。(3) 網絡的保護和恢復。通過動態(tài)的網絡重構網絡，在網絡的光層直接進行重新配置，拋棄O/E/O轉換，比電層更快、更高效，滿足超大容量的網絡重構，保證數據不丟失。第84頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件85多粒度交換:(4) 模塊化升級功能。包括波長模塊化和鏈路模塊化。波長模塊化是指

52、OXC添加新波長時的升級能力；鏈路模塊化是指OXC添加鏈路時的升級能力。(5) 無阻塞的全光網絡交換功能。由于未來的全光網絡通信是超大容量的通信，阻塞對系統(tǒng)的性能影響非常大。路由的選路算法和虛波長通道。按照交換粒度的大小分，可以分為單波長粒度、波帶粒度和光纖粒度交換，這就是所謂的多粒度交換，有靜態(tài)疏導和動態(tài)疏導兩種方案。第85頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件86靜態(tài)疏導將輸入業(yè)務直接送到需要交換的端口處，即:將需要進行光纖粒度交換的業(yè)務匯聚到光纖交叉連接(FXC)端口、將需要波帶粒度交換的業(yè)務匯聚到波帶交叉連接(BXC)端口、將需要

53、波長粒度交換的業(yè)務匯聚到波長交叉連接端口(WXC)分別進行交換并將交換的業(yè)務送到輸出端。動態(tài)疏導首先讓所有的業(yè)務都通過FXC。其中需要較小粒度交換的業(yè)務將通過FXC交換到BXC輸入口，同時將需要更小粒度交換的業(yè)務交換到WXC輸入端口，然后交叉連接到對應的輸出端。第86頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件87OXC的故障恢復功能:一般情況，實現OXC的故障恢復可分為兩個功能塊: 路由功能塊和旁路功能塊。路由功能塊由分波器、光開關和波長變換器等構成，主要完成: (1)、波長交換，將輸入端任意鏈路的任意波長倒換到任意輸出端；(2)、鏈路出現故

54、障時，將故障鏈路的工作波長倒換到備份波長并重新選擇正常的鏈路；(3)、由備份波長返回到工作波長并選擇其需要的鏈路。旁路功能塊由分波器、合波器等構成，將備份波長分配給所需要的鏈路而不經過波長變換。第87頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件887 光波長轉換器光波長轉換器（Wavelength Converter）是一種實現將光信號從某一波長的光載波轉換至另一波長光載波的器件，是波分復用光通信系統(tǒng)向光網絡演變的一個關鍵性器件。它可以在光通信網絡中廣泛地用于光交換、波長路由以及光信號的全光再生等。光/電/光式光波長轉換器全光波長轉換器第88頁

55、，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件89波長變換器的光通信網絡中的作用： 盡管DWDM的傳輸帶寬可以滿足每個用戶的要求，但是目前的可用波長數目卻大大少于實際所需的數量，因為光通信網絡中的波長數量決定了具有獨立地址的節(jié)點數或可選路由數?？捎貌ㄩL數的匱乏使DWDM通信網絡的阻塞率大大提高，同時兩個或兩個以上波長信號向相同的路由連接時，就會造成波長競爭。 如果沒有波長變換器，要在兩個節(jié)點間建立光的連接，光路上所有光路的連接必須采用同一波長。第89頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件90

56、有了波長路由器，只要各鏈路有未被占用的空閑波長，就可通過波長變換器建立通信路由，從而把路由的全局分配變?yōu)楸镜胤峙?，并實現波長的再利用，大大提高波長利用率，有效解決波長阻塞/波長競爭，動態(tài)路由選擇。 另外，波長變換器的使用，有利于網絡的運行、管理、控制和通道的保護倒換。 波長變換器使得光通信網絡變得更加靈活，可以使用非標準波長進行本地通信。 OADM和OXC也能實現在不同波長間進行交換功能，但是其結構復雜且成本高，有時候必須經過電/光、光/電轉換，存在著“電子瓶頸效應”。第90頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件91光/電/光波長轉換器結

57、構原理圖 功能定義： 首先利用光探測器將光信號轉化為電信號，再將此信號存儲于電存儲器中，然后用此電信號驅動可調諧激光器，變成另一波長的光信號。特點： (1) 信噪比高、偏振無關、轉換速率可達10Gbit/s、可實現消光比增強及信號再生、技術成熟； (2) 透明性受影響、光電轉換線路復雜，終究要受電子瓶頸的限制。(1) 光/電/光式光波長轉換器：第91頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件92(2) 全光波長轉換器(WC- Wavelength Conerter): 全光波長轉換器是將信號從一個波長變?yōu)榱硪粋€波長而不需要變換到電域，因此具有

58、高速、寬帶、透明(與信號格式無關)的特點。利用SOA中的交叉增益調制(SOA-XGM)利用SOA中的交叉相位調制(SOA-XPM)利用SOA中的四波混頻效應(SOA-FWM)第92頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件93SOA-XGM型全光波長轉換器結構原理圖 a. 基于SOA-XGM的WC工作原理：隨著輸入光功率的增加，由于受激輻射，SOA中載流子的消耗相應增加，載流子濃度下降，導致SOA增益減少，即發(fā)生增益飽和現象。此時，如果把一束波長為S（與目標波長相同）的連續(xù)探測光注入SOA，當信號光處于高功率（邏輯1）時，由于SOA的增益飽和

59、效應，探測光不能得到放大（邏輯0）；相反，當信號光處于邏輯0時，探測光被放大（邏輯1）。此即為交叉增益調制效應（XGM）。于是，強度調制信息就從信號光C加載到了探測光S上，實現了波長變換，只是輸出信號在邏輯上與原信號相反。CSFilterSSOACW第93頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件94SOA-XGM的特點優(yōu)點：可以達到較高的轉換速率，可到10Gb/s；輸出光與原信號光反相；轉換效率高；偏振無關（要求使用的SOA偏振無關）；結構簡單。缺點：比特流倒置；信號的消光比惡化。第94頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，

60、星期一02 九月 2022 光纖通信器件95b. 基于SOA-FWM的WCSOASignal SPump PFiltercSPcc=2p- sSOA-FWM型全光波長轉換器結構原理圖 第95頁，共122頁，2022年，5月20日，17點55分，星期一02 九月 2022 光纖通信器件96優(yōu)點：與信號格式無關，可實現透明的波長變換，信號比特率大于40Gbit/s，是目前唯一能對輸入信號光的調制方式和傳輸速率進行透明變換的方法；對偏振敏感?。蛔儞Q后的碼型不反轉。缺點： 轉換效率低、偏振相關、輸入信號動態(tài)范圍小、轉換效率與波長有關（即當輸入信號波長與轉換波長間隔增大時，轉換效率隨之降低）。SOA-F