2.8光隔离器与光环形器、 光纤光栅、 光开关在线视频

同学们好

上一节我们讲了光耦合器

光复用与解复用器

这一节我们来讲

无源光波导器件里面的光隔离器

与光环形器

光纤光栅

光开关

首先来看一下光隔离器和光环形器

首先来看光隔离器

光隔离器的功能是

让光沿一个方向通过的器件

它的原理如图所示

我们先看图的上部

可以看出

入射光经过偏振器1

它变成了竖直方向的偏振光

再通过法拉第旋转器

这里我们给法拉第旋转器

加上一定的磁场

它就会让线偏光发生偏转

这里我们加的磁场

让这个偏振光旋转45°

就变成了如图所示方向的偏振光

这样我们将偏振器2

取成45°方向的偏振方向

那这样这个偏振光就可以通过

那反过来如果光在后边被反射

那这个45°的偏振光

再经过一次法拉第旋转器

又会旋转45°

这样它就变成了水平方向的偏振光

这样它就无法通过刚开始的起偏器

这就是光隔离器的工作原理

也就是说它只能让光沿一个方向通过

而沿反方向是没有办法来通过的

我们再看一下光环形器

光环形器和光隔离器在功能和设计上

实际上是非常相近的

它也是让光沿一个单行道

通过一系列的端口

这里它与光隔离器的区别是它的端口比较多

如这个图所示意的

比如说从1口进它只能从2口出

从2口进只能从3口出

从3口进只能从4口出

就是这样一个工作的原理

它的具体的制作方法

可以利用损耗较大的隔离器串

也就是刚才我们讲的隔离器

一个一个串起来的方法

做成光环形器

另外一种方法就是利用高效的偏振分束器

法拉第旋转器

和波片进行组合

它的效率会比较高

那波片和法拉第旋转器的主要的区别是

波片的旋转方向

在正方向和反方向通过的时候

它的旋转的方向是不一样的

而法拉第旋转器

不管正向和反向

它的旋转方向都会朝着一个方向来旋转

这就是光环形器

那我们再来看一下下一个器件

光纤光栅

光纤光栅是在光纤的芯区它的折射率

沿传输方向规律性变化的光纤器件

1978年

由希尔等首先发现了光纤的光敏效应

光纤的光敏效应指的是在光纤中掺入

锗锡硼等元素后

光纤的折射率

在某些波长的光的照射下

会发生永久性的改变的这样一种现象

光纤芯区光敏性的峰值波长一般的来说

位于240纳米的紫外区

而光纤的包层对这个波段

实际上是透明的

所以我们可以通过紫外曝光的方法

将相干场的图样写入纤芯

使其折射率沿轴向周期性的变化

即形成空间相位光栅

1989年

由G.Meltz等首先制造出了谐振波长

位于通信波段的光纤光栅

这样实际上为光通信

包括光电子

提供了一个非常好的无源器件

我们来看一下光纤光栅的分类

光纤光栅包括四种类型

主要的有布拉格光纤光栅

闪耀光纤光栅

啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅

四种

用的非常多的是

主要的布拉格光纤光栅

首先我们来看布拉格光纤光栅

它简称为FBG

它属于短周期光栅

它的折射率的变化周期是固定的

它是最早发展并获得广泛应用的光纤光栅

光纤光栅它的工作的机理是

入射光中某一确定的光的波长会被反射

它的反射的带宽非常窄

由FBG提供的选择性反馈的激光器

可以实现激光的单纵模工作

FBG也可以用作制作温度和应变传感器

这在我们下一（第四）章会讲到

传感器的时候会介绍FBG的作用

在光通信领域

FBG还可以用来制作带通滤波器

分插复用器和波分复用器等

再看一下闪耀光纤光栅

简称为BFBG

光栅的周期和折射率的调制深度均为常数

但是它和前面的区别是

它的波矢的方向与光纤的轴线方向

不在同一个方向上

而成一个小于90°的夹角

所以我们有时候也把它称为倾斜光纤光栅

BFBG不但会引起反向导波模的耦合

而且还可以将

基模耦合进包层模中损耗掉

所以它可用于EDFA的增益平坦滤波器

以及光传播模式的转换器等

再看一下啁啾光纤光栅

我们简称为CFG

它的周期不是常数

而是沿着轴向单调的变化

由于不同的光栅周期

对应于不同的反射波长

所以CFG能够形成很宽的反射带

被广泛应用于大容量

密集波分复用系统中实现色散补偿

长周期光纤光栅

也称为透射光栅

它的折射率的变化周期

一般为几十到几百微米

所以它的周期很长

它能将一定波长内的

范围内的光

前向传播导模转换为包层模而损耗掉

所以长周期光纤光栅在传感器领域

可以用于制作微弯传感器

折射率传感器等

在光通信领域

它还可以用于制作EDFA的

增益平坦滤波器

模式转换器

带阻滤波器等器件

这是它的分类

我们来看一下光纤光栅的制作方法

短周期光纤光栅的制作一般有如下几种方法

一种是驻波法

它的核心是

将光入射

然后另外一个端面反射

入射波和反射波就会在

光纤里面干涉（叠加）形成驻波

借助这样的驻波

就可以把折射率的变化写到光栅里面

这种方法只能制作布拉格波长

与写入波长相同的光栅

第二种方法叫干涉法

用两束紫外光在光纤的侧面干涉

它的干涉图的图样

决定了折射率光栅的周期

可以通过调整入射光波长

或两相干光束间的夹角对周期进行控制

这是干涉法

第三种方法叫单脉冲逐点写入法

这个需要较为复杂的聚焦光学系统

和精确的移位技术

来逐点的写入

第四种叫相位掩膜法

它就是将电子束曝光

刻好的图形掩膜置于光纤上

紫外光经这个掩膜相位调制后

衍射到光纤上形成干涉条纹

进而写入周期

为掩膜周期一半的布拉格光栅

刚才讲的是短周期光纤光栅的制作

对长周期光纤光栅它的制作

一般采用振幅掩膜法或逐点写入法

写入的这个周期可以在60μm

到1mm之间变化

这种方法对光的相干性没有特别要求

好

我们来看一下FBG的特性分析

经紫外光照射后

形成的折射率周期分布的FBG

如这里的这个图所示

这里黑色的就是表示它的折射率比较大

白色的就是表示这个折射率比较小

它相应的周期我们用Λ

假设它的长度是L

那FBG的芯区和包层折射率

我们可以用如下这个公式来表示

也就是说

它的包层的折射率仍然是原来的n₂

但是它芯区的折射率

会随着它的轴向

会有一个周期性的一个变化

那这里的Ω我们就把它叫做

光栅的空间频率

a就是光纤芯区的半径

Δn就是折射率的调制的深度

那在FBG中

正反向传播的光纤的主模间

就会发生耦合

如下面这个方程来表示

也就是说

它的正向里面会耦合进反向的能量

反向里面会耦合进正向的能量

那么

我们这个K±就是它的模式的耦合系数

可以用如下这个公式来表示

那在振幅缓变的时候

上面的公式就可以化简成这样的公式

我们这个公式里面的q＝β-Ω/2

Ω/2称为频率偏差或者失谐量

当q＝0时

我们可以推出一个非常重要的公式

就是FBG的中心波长公式

λB＝2neffΛ

这个公式我们为什么说非常重要

因为它决定了

光纤光栅的中心的反射波长

同时我们在下一（第四）章讲

光纤光栅传感器的时候

也就是基于这样一个公式

那我们求解上面的这样一个方程

就可以得到FBG正反向

传播的功率的表达式

如这个公式所示

这个公式里边的a如这里所示

由此我们就可以得到

FBG的反射率和透射率的表达式R和T

R和T

一个表示反射率就是它的反射的能量

占到输入能量的比值

透射率表示它透射的能量占输入能量的比值

当FBG的失谐较大时

那个a刚才我们定义的这个

a是一个虚数

我们定义一个a‵

这个参数

就可以得到如下的R和T

根据上面的在谐振部分

和非谐振部分的R和T的关系

我们就可以画出如下的这个图

从这个图里边大家可以看

首先看左图

可以看出它是它的FBG的反射谱

可以看到FBG

将一个中心波长为λb的光波

发生了反射

而剩下的部分看b图

就是透射

也就是说在它的很宽的入射谱里边

找出了一段很窄的

波长为λb的一段光进行了反射

而其它的都进行了透射

这就是

光纤光栅的工作的一个基本的原理

也就是它的功能就是这样一个方式

好

那我们刚才的图里边大家已经看到了

从透射端来看

FBG是一个带阻滤波器

带阻滤波器因为它把中间有一段给反射了

而从反射端来看

它是一个带通滤波器

就把那一段反射过来了

此外分析也表明

FBG的反射率和反射谱的带宽

均与它的调制的深度Δn

和光纤的长度

光纤光栅的长度L有关

好

我们把光纤光栅就讲到这

我们再看一下光开关

光开关是一种对光信号

进行逻辑操作的光学器件

主要有机械和非机械两类

而非机械的开关又有体型和波导两种

首先来看一下机械光开关

如图是机械光开关的这样一个原理图

大家可以看到

它的核心是

通过电磁铁驱动它的移动臂旋动

就可以让输入口

和不同的输出口进行连接

也就是起到了开关的这样一个作用

机械光开关的优点是技术简单

损耗低

隔离度高寿命长

但它的缺点是体积比较大

振动对其性能影响比较大

响应的速度比较慢

如图是一种MEMS的光开关

它将光

电

机械集成在半导体的芯片上

它的基本原理是通过静电的作用

让这些小的微镜面进行旋转

从而改变光的传播方向

MEMS光开关具有机械光开关低损耗

低串扰

低偏振灵敏度

和高消光比的优点

同时又有开关速度快

体积小

易于集成的优点

它是一种比较成熟的光开关技术

再看一下非机械光开关

非机械光开关

主要指利用体型或波导材料的

电光

声光

磁光

热光等效应工作的光开关

如图所示是一个电光开关的原理图

电光开关的核心

就是在中间的电光晶体上我们加上电场

加上电场以后它的折射率就会发生变化

所以输入的光的

由于它的折射率变化

那它的偏振方向就会变化

从而导致它出射的方向发生变化

而这样我们给它加上

电场以后

那它的方向会变

不加的时候它是另外一种工作状态

如这个图所示的

加上以后它转了90°

所以就相当于打开

如果不加相当于原来的方向

所以它通不过检偏器

这就是它工作的原理

它的

体型光开关的缺点是体积

和功耗都比较大

不易集成

那我们就希望利用一种波导光开关

就是小型的开关

这里给出了电光

声光

热光波导开关的工作的原理

它的核心

电光仍然是加上电场

然后声光是加上声场

然后热光是给它供热

总的来说

仍然使它的波导壁上的折射率

发生变化

或者形成光栅

从而使入射光沿不同的方向射出

所以实现了开关的功能

好我们总结一下

这一节我们讲了

无源光波导器件里面的

光隔离器与光环形器

光纤光栅包括它的分类

制作

特性分析

然后讲了光开关包括机械光开关

和非机械光开关

我们下一节讲

电光波导调制器及其应用

好我们这一节的内容就讲到这里

谢谢大家