第6章光器件技术

1、第6章 光器件技术第6章 光器件技术n6.1光源n6.2半导体光电二极管n6.3光放大器n6.4光隔离器、光环行器n6.5光耦合器n6.6波分复用器n6.7光纤光栅n6.8电光调制器6.1光源n激光物理基础1.光的波粒二象性光的波粒二象性 1905年，爱因斯坦提出了光波也是由分立粒子组成的假设，从而解释了光电效应。这种粒子化的能量称为光子。从此，光由波动性和粒子性去诠释。单光子具有的能量E与光波频率的关系为E=h，其中h=6.625*10-34J.s为普朗克常数。光子的能量与光波的频率成正比，与光波的波长成反比。光子能量越大意味着光波的频率越高，波长越短。6.1光源n激光物理基础2.原子能级结

2、构和晶体的能带结构原子能级结构和晶体的能带结构 原子能级：电子在原子核的势场中运动时，其能量只能是特定的离散值，把这些离散的能量值称为能级(a)能级 (b)能带6.1光源n激光物理基础2.原子能级结构和晶体的能带结构原子能级结构和晶体的能带结构 晶体的能带：在大量原子组成晶体时，原子的相互靠近导致电子共有化运动，孤立原子中电子的能级分裂成能带(a)能级 (b)能带6.1光源n激光物理基础2.原子能级结构和晶体的能带结构原子能级结构和晶体的能带结构 允带与禁带：这些允许电子占有的能带称为允带，两个允带之间的能量间隔称为禁带，禁带不允许电子占据(a)能级 (b)能带6.1光源n激光物理基础2.原子

3、能级结构和晶体的能带结构原子能级结构和晶体的能带结构 半导体导带与价带：价电子所占据的允带称为价带，价带之上的允带称为导带，价带和导带之间由禁带隔开，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示导带禁带价带6.1光源n激光物理基础3.光与物质相互作用光与物质相互作用 （1）自发辐射处在高能级的电子的状态是不稳定的，会自发地向低能级跃迁，其能量的损失以光子的形式释放出来，即光子的能量为 E2和E1分别为高能级和低能级的能量，h为释放光子的能量。这种自发地从高能级到低能级的跃迁辐射光，称为自发辐射。自发辐射发出的光子的相位、频率、偏振和传播方向是随机的，属于非相干光。21hEE6.1光源n激光物理基础3.光与物

4、质相互作用光与物质相互作用 （2）受激辐射处在高能级上的电子在外来光子的诱导下的跃迁。这种跃迁辐射称为受激辐射。这种辐射是有条件的辐射，要求入射光子 辐射的光子和外来光子是一样的，即相位、频率、偏振和传播方向均相同。，受激辐射发出的光是相干的。21hEE6.1光源n激光物理基础3.光与物质相互作用光与物质相互作用 （3）受激吸收电子在能级间的另一种跃迁是从低能级到高能级的跃迁，这种跃迁显然需要获得能量，获得的能量是光能，则称为受激吸收。对于半导体材料而言，电子跃迁是在导带和价带之间完成的。所以，其吸收和辐射光子的能量要大于等于禁带宽度。6.1光源n半导体激光二极管1.PN结的能级结构结的能级结

5、构 零偏时的能带：费米能级EF以下，电子的占有率大于1/2，在费米能级EF以上，电子的占有率小于1/2 6.1光源n半导体激光二极管1.PN结的能级结构结的能级结构 正偏时的能带：导带：Efn以下，电子的占有率大于1/2;价带：Efp以上，电子的占有率小于1/2;结区：粒子数反常分布，辐射大于吸收 6.1光源n半导体激光二极管1.PN结的能级结构结的能级结构 PN结区发生粒子数反常分布的区域有一定厚度t，该区域就是所谓的有源区。该区载流子浓度比其两侧区域的载流子浓度要高，因此，该区的折射率比其两侧区域的折射率要略高，从而形成一平面光波导，该波导对辐射的光波在侧向有一定的限制作用，减小光波的侧向

6、辐射损失，有利于受激辐射增强6.1光源n半导体激光二极管2.半导体双异质结半导体双异质结 热平衡状态下和正向偏压下的能带图：与同质结一样，在热平衡状态下，在有源区的粒子处于正常分布，没有光辐射，在正向偏压时，有源区载流子的粒子处于反常分布，有光辐射6.1光源n半导体激光二极管2.半导体双异质结半导体双异质结 对光场和载流子的限制作用：势垒：限制载流子折射率差：波导作用限制光6.1光源n半导体激光二极管3.条形激光二极管条形激光二极管 增益波导型激光二极管的结构：电极氧化物P-限制层有源层N-限制层6.1光源n半导体激光二极管3.条形激光二极管条形激光二极管 折射率波导型激光二极管的结构：电极半

7、绝缘层有源区6.1光源n半导体激光二极管4.纵模控制纵模控制 激光二极管的纵模条件为= 2nL/N，其中n为半导体有源区折射率，L为谐振腔腔长，N为一整数。同时，还应满足Egh(EFn-EFp)这一条件，因为有源区能辐射这一能量范围的光子。6.1光源n半导体激光二极管5.动态单纵模激光二极管动态单纵模激光二极管 普通激光二极管在工作电流增加时，由于模式竞争而会使多个纵模中的一个或几个纵模功率较大，其他的纵模则被抑制，工作电流越大，功率较大的纵模数量会越少。当工作电流增加到一定程度时，仅有一个纵模占据大部分功率，此时激光二极管工作于单纵模状态，但这只是静态工作电流下的单纵模。6.1光源n半导体激

8、光二极管5.动态单纵模激光二极管动态单纵模激光二极管 激光二极管处于动态工作状态，即激光二极管工作电流不只有静态电流还有调制电流，若激光二极管输出的光就不再是单纵模，则激光二极管工作在动态多纵模状态6.1光源n半导体激光二极管5.动态单纵模激光二极管动态单纵模激光二极管 若在动态工作条件下，激光二极管仍处于单纵模工作状态，则称其为动态单纵模激光二极管实现动态单纵模可从两个方面着手：一是对不同纵模选择不同的增益系数，另一是对不同的纵模有不同的损耗系数。6.1光源n半导体激光二极管5.动态单纵模激光二极管动态单纵模激光二极管 （1）分布反馈激光器分布反馈（Distributed Feedback，

9、DFB）激光二极管可以实现动态单纵模，结构如图所示。在激活区附近的异质结中合并了光栅，其工作原理与镜子类似，但它仅选择反射波长为B的光 B = 2neff式中B是光栅的反射波长，为光栅周期，neff是有源区有效折射率。6.1光源n半导体激光二极管5.动态单纵模激光二极管动态单纵模激光二极管（2）分布布拉格反射激光二极管 分布布拉格反射（Distributed Bragg reflector，DBR)激光二极管，用布拉格光栅取代了半导体激光二极管的自然解理面作为谐振腔的反射面，并只反射布拉格波长。布拉格光栅的结构如图所示。6.1光源n半导体激光二极管5.动态单纵模激光二极管动态单纵模激光二极管

10、（3）外腔激光二极管 如图所示，外腔激光二极管的谐振腔是由半导体有源区和外腔组合的复合谐振腔。半导体有源区是腔的一部分，和外腔相接的端面被镀增透膜，外腔由光栅作为反射面和介质（或者空气）共同组成。复合谐振腔对光栅的反射波长形成正反馈，输出激光的波长由复合腔选择。 6.1光源n半导体激光二极管5.动态单纵模激光二极管动态单纵模激光二极管 （4）量子阱激光二极管 为了提高发射效率，使用特殊制造技术来得到特别薄的激活区（4nm20nm），称为量子阱（QW）激光二极管，图为一单量子阱激光二极管的结构图。量子阱激光二极管的有源区很薄，使得它有极小的阈值电流。 接触层覆盖层限制层限制层覆盖层基层量子阱6.

11、1光源n半导体发光二极管1.半导体面发光二极管半导体面发光二极管 PN结在正向偏压下其有源区发生粒子数反转，产生光辐射，光辐射由P区表面出射。由于其谐振腔的作用弱，正反馈作用不强，功率输出导致损耗增加，因此，其辐射光是自发辐射光，相干性较差，带宽较小。但其驱动电流大、出光功率高、温度特性较好。 6.1光源n半导体发光二极管2.半导体边发光二极管半导体边发光二极管 半导体边发光二极管的结构如图所示，和半导体激光二极管结构极为相似所不同的是其端面反射率更低，没有谐振腔效应，发光以自发辐射为主，发光光谱更宽。光纤通信用的LED多采用边发光型LED。因为边发光型LED与光纤耦合效率较高，带宽较宽，线宽

12、较窄，所以得到广泛使用。6.2半导体光电二极管nPN光电二极管 PN光电二极管的结构如图所示，光从半导体光电二极管P区端面入射，进入光电二极管内部被价带电子所吸收而到达导带。6.2半导体光电二极管nPN光电二极管 光功率被吸收的情况如图所示。6.2半导体光电二极管nPN光电二极管 光生电流的形成如图6.15（c）所示。当然，只有光子能量E =h=hc/Eg的光才能被吸收。6.2半导体光电二极管nPIN光电二极管2.半导体边发光二极管半导体边发光二极管 在PN光电二极管的P区和N区增加一I层就构成了PIN光电二极管，如图所示.I层的加入，增加了势垒区的宽度6.2半导体光电二极管nPIN光电二极管

13、 PIN光电二极管的电场分布场区扩展，提高了响应速度6.2半导体光电二极管nAPD光电二极管 结构如图所示。从图中可以看出，光从P区端面入射，在i区被大量吸收，产生的光生载流子进入增益区被放大，产生更多的载流子对，形成更大的光生电流。和PIN相比，增加了一增益区，该区需要有很强的电场才能具有增益作用。6.2半导体光电二极管nAPD光电二极管 在强电场区，光生载流子被强电场加速获得很高的速度，高速载流子与晶格发生碰撞，损失部分能量，并使晶格产生新的电子空穴对，这些电子空穴对又被强电场加速而再次与晶格发生碰撞，再次激发出电子空穴对，如此不断重复的过程，就像雪崩一样产生出大量的电子空穴对，这就是雪崩

14、效应。在APD光电二极管中，雪崩发生在具有强场的增益区。要实现在增益区的强电场，P区和N区要进行重掺杂，并在P区和i区中间加入一P层作为碰撞电离区。6.3光放大器n半导体光放大器（SOA） 半导体激光二极管作为光放大器使用时，工作电流的大小应小于但接近阈值电流。此时，激光二极管没有形成自激振荡，而具有放大功能。当没有信号光进入时，半导体激光二极管输出自发辐射噪声；当有信号光进入放大介质时，信号光将被放大介质放大而输出，这种FP型半导体光放大器工作电流受到限制，从而导致增益受到限制。6.3光放大器n半导体光放大器（SOA） 当端面反射率小于0.1%时，半导体激光二极管的谐振腔效应基本可以消除，输

15、入光一次性地通过放大介质而被放大，这样的半导体光放大器称为行波型半导体光放大器。6.3光放大器n半导体光放大器（SOA） 从光纤中出射的信号光经隔离器后进入镀有增透膜的PN结，处在正向偏置电压的PN结利用粒子数反常分布对信号光实现放大，并把信号光通过隔离器送入接收光纤。隔离器的作用是使信号光单向传输，避免前后端的反射形成谐振腔效应。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA） 从光纤中出射的信号光经隔离器后进入镀有增透膜的PN结，处在正向偏置电压的PN结利用粒子数反常分布对信号光实现放大，并把信号光通过隔离器送入接收光纤。隔离器的作用是使信号光单向传输，避免前后端的反射形成谐振腔效应。6.3光放

16、大器n掺铒光纤放大器（EDFA）1.掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理在石英光纤中掺入少量铒原子形成掺铒光纤。掺铒光纤中的铒离子分散在基质材料中，具有分立能级结构，但光纤基质结构对铒离子的影响，使铒离子的能级分离，这种效应称为斯塔克效应。分离能级的能量差很小，于是形成准能带。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）1.掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理 利用泵浦光（如波长为980nm的光）将基态能级4I15/2上的电子激发到泵浦高能级4I11/2，泵浦高能级4I11/2上的电子不稳定，迅速无辐射跃迁到受激辐射能级4I13/2，从而实现受激辐射能级4I13/2和基态

17、能级4I15/2的粒子数反常分布，具备了光放大的条件。当信号光（波长为1530nm的光）进入掺铒光纤时，信号光诱导受激辐射能级4I13/2上的电子跃迁到能级4I15/2，发生的受激辐射使光信号得到放大。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 （1）同向泵浦 同向泵浦方式的掺铒光纤放大器的结构如图所示。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 泵浦光和信号光通过波分复用器合为一路进入光隔离器，从光隔离器输出后送入掺铒光纤实现信号光放大，最后经光隔离器、光带通滤波器输出。掺铒光纤两端的光隔离器用于防止后向

18、光对前端器件的影响。光滤波器用来滤除没有被吸收的泵浦光。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 同向泵浦结构的掺铒光纤放大器结构简单，易于实现。但其饱和功率较小。因为在信号光较小时，泵浦光较大，粒子数反转激励也强，增益系数也大，信号迅速增大，但随着长度增加，泵浦光迅速减小，已被放大的光信号很容易达到增益饱和。除此之外，同向泵浦放大器的噪声较大。因为在放大器的输入端，强的粒子数反转激励使自发辐射噪声较强，并在随后被放大。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 （2）反向泵浦 反向泵浦方式的掺铒光纤放大

19、器的结构如图所示。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 信号光经过光隔离器后进入掺铒光纤，泵浦光经波分复用器从掺铒光纤的另一端反向注入。在掺铒光纤中完成对信号光的放大后经波分复用器送入光隔离器，再经光滤波器滤波输出。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 反向泵浦结构的掺铒光纤放大器不易饱和。因为在信号光较小时，泵浦光较小，粒子数反转激励也弱，随着信号光被放大，泵浦光也随之增强，粒子数反转激励也变强，所以，光信号不容易达到增益饱和。同时，反向泵浦放大器的噪声较小。因为在放大器的输入端，弱的粒子数反

20、转激励使自发辐射噪声较小。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 （3）双向泵浦 双向泵浦方式的掺铒光纤放大器的结构如图所示。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 （3）双向泵浦 信号光和一个泵浦光通过波分复用器合为一路经光隔离器后进入掺铒光纤，另一路泵浦光经波分复用器从掺铒光纤的另一端反向注入。在掺铒光纤中完成对信号光的放大后经波分复用器送入光隔离器，再经光滤波器滤波输出。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）2.掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构 （3）双向泵浦 双向泵浦结构的掺铒光

21、纤放大器不易饱和、增益高、饱和输出功率大。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）3.掺铒光纤放大器的重要指标掺铒光纤放大器的重要指标 （1）掺铒光纤放大器输出功率和输入功率 三种泵浦方式下输入信号功率与输出信号功率的关系。6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）3.掺铒光纤放大器的重要指标掺铒光纤放大器的重要指标 （2）双向泵浦方式掺铒光纤放大器的增益和噪声系数6.3光放大器n掺铒光纤放大器（EDFA）3.掺铒光纤放大器的重要指标掺铒光纤放大器的重要指标 （3）掺铒光纤放大器的带宽 掺铒光纤放大器的带宽取决于掺铒光纤的能带结构，在1.55m波段，掺铒光纤放大器的带宽为3040nm。6.3

22、光放大器n拉曼光纤放大器1.拉曼散射与拉曼散射光纤放大器原理拉曼散射与拉曼散射光纤放大器原理 拉曼散射(Raman scattering)，由印度物理学家拉曼于1928年发现，指光波在被散射后频率发生变化的现象。物质内分子振动蕴含着能量，不同的振动频率对应不同的分子能量，当光入射到物质内时，光子与振动分子发生能量交换，光子的能量发生变化，在入射光谱两边出现强度很弱的新谱线。比入射光波长长的谱线叫斯托克斯（Strokes)线，比入射光波长短的谱线叫反斯托克斯（Anti-strokes)线6.3光放大器n拉曼光纤放大器1.拉曼散射与拉曼散射光纤放大器原理拉曼散射与拉曼散射光纤放大器原理 在熔融石英

23、等非晶材料中，分子的振动频率展宽成频带，结果，石英光纤中的斯托克斯谱线可在以很宽范围内连续产生，即石英光纤的拉曼增益有一个很宽的频率范围（达40THz)，并在13THz附近有一较宽的主峰，如图所示6.3光放大器n拉曼光纤放大器1.拉曼散射与拉曼散射光纤放大器原理拉曼散射与拉曼散射光纤放大器原理 如果频率为p的泵浦光在光纤中传输时，另一频率为s的信号光也输入到光纤中，只要频率差p-s位于图6.23的增益谱内，信号光就会因拉曼增益而被放大。当泵浦功率超过某一阈值时，信号光近似指数增长，此时光纤中的拉曼散射称为受激拉曼散射（SRS)。这种利用光纤受激拉曼散射对信号光进行放大就是拉曼光纤放大器的原理6

24、.3光放大器n拉曼光纤放大器2.拉曼光纤放大器的结构拉曼光纤放大器的结构 图为分布式拉曼光纤放大器的结构图6.3光放大器n拉曼光纤放大器2.拉曼光纤放大器的结构拉曼光纤放大器的结构 两个正交偏振光的泵浦激光二极管经偏振复用器复用后，再通过WDM反向送入传输光纤，信号光从传输光纤另一端输入，经光纤放大后通过WDM送入增益平坦滤波器，增益平坦和滤波后输出放大的信号光。6.3光放大器n拉曼光纤放大器3.拉曼光纤放大器性能拉曼光纤放大器性能 （1）拉曼光纤放大器增益拉曼光纤放大器的增益GA与光纤的有效面积Aeff、拉曼增益系数gR、泵浦光功率P0和有效光纤长度Leff有关，用公式表示为式中p为光纤对泵

25、浦光的损耗系数)/exp(0effeffRAALPgG)exp(1 1LLppeff6.3光放大器n拉曼光纤放大器3.拉曼光纤放大器性能拉曼光纤放大器性能 （2）拉曼光纤放大器的带宽拉曼光纤放大器的增益带宽取决于泵浦光波长，改变泵浦波长就可改变增益谱范围。选用多个泵浦波长，就可实现多个增益谱范围叠加。所以通过泵浦波波长数量和其波长位置的选择，可以实现较宽的增益带宽，目前增益带宽已达到132nm，也可实现对任意波长光的放大。6.3光放大器n拉曼光纤放大器3.拉曼光纤放大器性能拉曼光纤放大器性能 （3）拉曼光纤放大器的噪声系数分布式拉曼光纤放大器经常和EDFA混合使用，当EDFA用作功率放大器，分

26、布式拉曼光纤放大器作前置放大器时，其等效噪声系数为式中FR、FE分别为拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器的噪声系数，GR为拉曼光纤放大器的增益。RERGFFF/6.3光放大器n布里渊光纤放大器和受激拉曼散射类似，布里渊光纤放大器中泵浦光对信号光的放大以频率下移的方式来表现的，频率下移量由非线性介质决定。与受激拉曼散射也有明显不同：它产生的斯托克斯波仅有后向传输波，而受激拉曼散射产生的斯托克斯波有向前向后两个传输方向；受激布里渊散射的频移（约10GHz）比受激拉曼散射小三个数量级；受激布里渊散射的阈值泵浦功率与泵浦波的谱宽有关，对连续泵浦，其阈值可低至1mW6.3光放大器n布里渊光纤放大器在量子力学

27、中，受激布里渊散射过程可以看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生了一个斯托克斯光子和一个声学声子。它们之间满足动量和能量守恒，则有下列关系 A = p s kA = kp ks 式中p和s分别是泵浦波和斯托克斯波的频率，kp和ks分别是泵浦波和斯托克斯波的波矢6.3光放大器n布里渊光纤放大器声波频率A和波矢kA满足色散关系 A = |kA | vA = 2vA | kp | sin(/2) 式中为泵浦波和斯托克斯波的夹角从光纤两端分别注入泵浦光和信号光，若信号光的频率与斯托克斯波频率相等，则信号光被放大，这就是布里渊光纤放大器的原理6.4光隔离器、光环行器n光隔离器、光环行器的属于光学非互易器件，

28、需要某种非互易的光学特性或光学现象n法拉第磁致旋光效应就是目前实现光隔离器、光环行器所利用的非互易效应，在偏振特性上实现非互易，需要实现偏振控制旋光材料B光方向光方向2n偏振态的控制在现代光学系统中，偏振态如同波长、幅度、相位其他光信号的基本特性一样，也越来越受到关注，用于光电信息的获取、传输与处理。包括：偏振态的旋转、偏振分束/合束等，偏振旋转器、偏振分束/合束器就是实现相应功能的器件。n偏振旋转器使光信号的偏振方向发生旋转互易偏振旋转器：波片非互易偏振旋转器：利用非互易的法拉第磁致旋光效应实现45法拉第旋 转 器半波片光传输方向光传输方向n偏振分束/合束器可以将任意偏振态的输入分解成两束偏

29、振方向垂直的偏振分量。反过来，将两束偏振方向垂直的偏振按相应的端口输入，即可以将这两束光合成一束光，即实现偏振合束。D0光轴6.4.2光隔离器n偏振相关光隔离器4545偏振片1光传输方向偏振片245法拉第旋光器45光传输方向光纤准直器光纤准直器n组成：两个光纤准直器、两个偏振片和45法拉第旋光器三部分光纤准直器：将光纤内传输的变成平行光输出，或者把空间中的平行光耦合至单模光纤内偏振片：透光轴之间成45的夹角，按光信号先后到达顺序分别起起偏器、检偏器的作用。法拉第旋光器旋转45n偏振无关光隔离器偏振分束/合束器P145法拉第旋光器光纤准直器光纤准直器偏振分束/合束器P2正向输入光输出光反向输入光

30、输出光6.4.3光环行器n结构光纤准直器偏振分束/合束器1 偏振分束/合束器2ZX端口1端口3端口2端口4光束变换器偏振旋转器1 偏振旋转器2位置：1 2 3 4 5 6光纤准直器光纤准直器ZY端口1端口3端口2端口4光束变换器偏振分束/合束器1 偏振分束/合束器2偏振旋转器1 偏振旋转器2光纤准直器XY1 2 3 4 5 6光传输方向XY光传输方向1 2 3 4 5 6XY光传输方向1 2 3 4 5 6端口1端口2端口2端口3端口3端口46.5光耦合器n工作原理分为两种：光学分束原理MLL123LLL12RLRLM消逝场耦合原理：研磨抛光法、熔融拉锥法等光源光检测器光检测器计算机光纤夹具夹

31、具火焰纤芯纤芯包层24包层13XXLB(1)(3)(2)(4)CD(a)2daXX(b)(sin)(cos2020CLPPCLPPct)/11 (132322VanC6.6波分复用器n波分复用通信系统的核心光学器件n是光分波器和光合波器的统称n可以将在一根光纤中传输多个波长的光信号分离开来或者将多个来源不同的波长不一的光信号送入一根光纤传输。n从原理上看，主要有：色散型干涉滤波片型阵列光波导型熔锥型等6.6.1色散型波分复用器n最简单的解释就是棱镜或彩虹n复色光（包含多个波长的光）通过折射、反射等效应，不同波长的光会从空间分开n光栅是指具有周期性透射或反射结构的器件。当不同频率的光照射到光栅上

32、时，由于衍射效应，其透射或反射光将以不同的空间角度传播。利用光栅的衍射现象，就可将不同频率的光在空间进行合波或分波，实现波分复用。n在光纤通信中，为减小器件的插入损耗，需采用闪耀光栅。6.6.2阵列波导光栅（AWG）n由输入波导、输出波导、自由空间耦合区和波导阵列构成n波导阵列是由扇形分布的多条条形波导组成，两个相邻的条形波导间的长度差为一固定值。输入波导输出波导阵列波导自由空间耦合区自由空间耦合区n多波长的输入光从输入波导的某一端口输入，经自由空间耦合区平均的把光功率分配到波导阵列的每一个波导。n由于波导阵列的波导长度不等，不同波长的输入信号产生的相位延迟也不相等。波导阵列的每一个波导的输出

33、信号经自由空间耦合区叠加，不同波长的信号在不同位置同相相加，通过合理设计输出波导端口位置，实现不同波长信号的不同输出波导的输出，实现信号的分波。n阵列波导光栅还可以用作波长路由器AWG11 21 31 4112 22 32 4213 23 33 4314 24 34 441234123411 24 33 4212 21 34 4313 22 31 4414 23 32 41n干涉滤波片型波分复用器n由多层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜组合而成，通过多层介质膜的干涉，使一些波长的光透射，而另外一些波长的光反射。n利用干涉滤波片来进行不同波长光的分离或组合，从而实现分/合波功能。入射光反射

34、光折射率高低高低高透射光n干涉滤光片透射谱的形状是器件特性的关键n窄透射谱的滤光片不仅能提供高的信道隔离度，也可以降低反射波长光信号的插入损耗。n滤光片透射峰必须有足够的平坦度，以满足ITU-T G692建议中所规定的信道通带宽度。干涉滤波片1, , n12nn-1公共端n熔锥型波分复用器件n由X型熔融拉锥光耦合器的输出可以看出，其分光效果具有一定的波长相关性n通过控制熔融拉锥参数，使某一输出口对于波长1有几乎100%的输出而对另一输出端口对于2有几乎100%的输出。这样当输入端有1和2两个波长光信号同时输入时，1和2两个信号分别从不同的端口输出，实现了两个波长的分波。反之就可以实现合波的功能

35、。n优点是制作容易，使用方便，缺点是复用的两波长差较大，不适合于密度波分复用n光梳状滤波器(Interlever)n三端口光分波/合波装置，当N个等波长间距的光信号由端口1输入时，端口2输出奇数波长信道的信号，端口3输出偶数波长信道的信号；n利用光梳状滤波器可以使波分复用的信道间距增大一倍，可以大大降低对波分复用器件的特性要求。1, 2, , N1, 3, , N2, 4, , N端口1端口2端口3n其他类型种波分复用器多波长输入信号耦合器网络光滤波器输出端输入端1、2n1光纤光栅中心波长122n环行器环行器131232光纤光栅中心波长2n-1、n n-1312n光纤光栅中心波长n-1环行器6.7光纤光栅n6.7.1光纤光栅的制作n基于光纤的光敏特性，利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中，制作光纤光栅器件。n对于亚微米级的光栅结构，一般只能用干涉的方法形成nHill等最初研究光纤光栅时采用的方法是纵向写入法n双光束干涉法、相位掩膜法和逐点写入法等n双光束干涉法n相位掩膜法n逐点写入法：非相干写入技术。一般用于制造长周期光栅。光束2光束1q纤芯入射紫外光束石英掩膜光栅光纤+1级-1级0级6.7.2光纤光栅的工作原理n均匀光纤光栅n光纤光栅中传输的前向和后向两种模式间的耦合波方程为n得光纤光栅的反射率为n有最大反射率)exp()exp(