第 五 讲
光波分复用器
2004.9.28
内容提要
?1,熔融拉锥型 波分复用器；
?2,光纤光栅型 波分复用器；
?3,组 合 型 波分复用器；
内容回顾
?1.干涉膜滤光 型光波分复用器；
SiO2
多
层
介
质
膜
LH
H
H
H
L
L
L
基于多层介质薄膜滤波器的
波分复用 /解复用器
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
窄带滤波器
光纤
?
1
?
3
?
5
?
7
?
1
,?
2
,… ?
8
光纤
?
2
?
4
?
8
?
6
玻璃衬底
光纤
干涉滤光膜型 DWDM的一种工艺方案
输入光纤
?1 ?4?3?2
干涉滤光膜
?1— ?16
?1— ?15
?16
干涉滤光膜型 DWDM的一种工艺方案
?1— ?14
?15
内容回顾
? 2.衍射光栅 型光波分复用器。
? 对于给定间隔 d（光栅常数）的光栅，当用
多色光照明时，不同波长的同一级亮线 (除零级外 )
均不重合 。
...)2,1,0m(md s i n ???? ??
(a) 透射光栅； (b) 反射光栅
光栅平面 影像平面
?2
?1
?d1 ?d2
?i
?1＋ ?2
光栅平面影像平面
?2
?1
?d1?d2
?i
?1＋ ?2
(a) (b)
二、光栅型波分复用器
输入光
?1
?4?3
?2
1,体光栅型
?几个概念：
1、插入损耗；
2、附加损耗；
3、串音；
4、分光比或耦合比
1、插入损耗 (Li)
? 穿过耦合器的某一光通道所引入的功率损耗，通常
以某一特定的端口（ 3或 4）的输出功率 P0与某一
输入端口（ 1或 2）的输入功率 Pi之比的对数 Li来表
示。
]dB[
P
P1 0 lgL
i
0
i ?
1
2
3
4
2、附加损耗 (Le)
?某一端口的输入功率 Pi与各输出端口功率
和的比值的对数。对于 2X2四端口光纤耦
合器：
?对于理想的耦合器,Le=0，即输入功率 =
输出功率；
?但实际上由于存在散射或接头，使得 Le不
为 0，但应尽量小。
][
PP
P1 0 l gL
03
i
e dB??
3、串音（ Lc）
?由 1端口输入功率 P1泄露到 2端口的功率
P2比值的对数。
]dB[
P
P
10 lgL
1
2
c ?
]dB[
P2
P1
1 0l g?隔离度
4、分光比或耦合比 (SR)
?某一输出端口（ 3或 4）光功率 Pi与各端口总
输出功率之比，即：
%1 0 0]
P
P
[S
i
i
i
R ??
?
一个器件 —— 环行器
环形器 1
2
3
在理想的 3端口环行器中：
1端口的输入功率从 2端口输出；
2端口的输入功率从 3端口输出；
3端口的输入功率从 1端口输出。
波导 型耦合器
玻璃 衬底
嵌 入波导
熔融拉锥波分复用器
?主要应用于双波长的复用,
?1） 1310nm/1550nm；
?2）掺铒光纤放大器 (EDFA):980nm/1550nm
1480nm/1550nm
?3）光学监控系统应用,1551nm/1550nm
监控波长 信号光波长
4）基本结构
将几根光纤去涂覆后排列在一起，
用熔拉双锥技术制作成光耦合器。
制作方法
?将两根（或多根）除去涂覆层的裸光纤以一
定的方式（打绞或用夹具）靠近；
?在高温下加热熔融，同时两侧拉伸；
?利用电脑监控其光功率耦合曲线，并根据 耦
合比与拉伸长度关系 (如图 )控制停火时间，
最后在加热区形成 双锥波导 结构。
工作原理：
光功率的比例分配与锥形的长度和包层的厚度有关
21 ?? ?
1?
2?
光方向 耦合器
耦合级联 —— 制作 DWDM方案
1× 2型
2× 2型
级联
1× N型
N× N型
光纤光栅型波分复用器
光纤光栅的概念
?光纤光栅是利用紫外（ UV）激光诱导光纤纤
芯折射率分布呈周期性变化的 机械形成 的折
射率光栅。
?让特定波长的光通过反射和衰减实现波长选
择，便可制成波分复用器件。
短周期光纤光栅
?按折射率周期分
长周期光纤光栅
UV
?光纤布拉格（ Bragg）光栅（ FBG）
FBG是直接用紫外激光写入在光纤纤芯上，
且其反射波长的反射率几乎可达 100%，
因此可以采用 FBG构成 DWDM用波分复
用 /解复用器。
光纤布拉格 (Bragg)光栅工作原理
布拉格光栅?
1— ?16 ?1— ?15
?16
?
?16 ?16
?1— ?15,?16 ?1— ?15,?16FBG
环形器
光纤光栅的应用
利用 FBG构成的波分复用器
?三种构型实现解复用功能。
?试比较其三者的优缺点。
组合型波分复用器
?为了实现更优性能和更高密集度的波分复用，
可以使用几种器件进行组合。这就是美国 E--
TekDynamics公司推出的组合型波分复用器。
?它采用熔融拉锥型耦合器、切趾 Bragg光栅
和 带通波分复用器（ BWDM）组合构型，其
信道间隔可达 0.4nm（ 50GHz）
组合型 8信道波长复用器
原理描述
组合型 8信道波长解复用器
原理描述
三、阵列波导光栅型波分复用器 (AWG)
阵列波导光栅
阵 列 波 导 光 栅 (AWG,Arrayed Waveguide
Grating) 它由两个多端口耦合器和连接它们的阵列
波导构成 。 AWG可用作 n× 1波分复用器和 1× n波分
解复用器 。
AWG损耗低, 通带平坦, 容易集成在一块衬底
上 。 AWG也可用作静态波长路由器,
阵列波导光栅 (AWG)
输出耦合器输入耦合器
输出波导
阵列波导
输入波导
基于 AWG的静态波长路
由器
A W G
?
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 1 1 1
?
1
,?
2
,?
3
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4
2 2 2 2
?
1
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2
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3
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4
3 3 3 3
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4 4 4 4
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2
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3
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4
3 4 1 2
?
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 3 4 1
输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成 m部分, 它们
之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输
的距离来决定, 输入波导 i和阵列波导 k之间的距离用 表示,
阵列波导 k的长度比阵列波导 (k-1)的长度长 ΔL,同样, 阵列波
导 k和输出波导 j之间的距离用 表示 。
inikd
outkjd
下面我们简单地分析一下 AWG的工作原理 。
设 AWG的输入端口数和输出端口数均为 n,输入耦合器
为 n× m形式, 输出耦合器为 m× n形式, 输入和输出耦合器之
间由 m个波导连接, 每相邻波导的长度差均为 ΔL。 MZI是
AWG n=m=2情形下的特例 。
因此, 光信号从输入波导 i到输出波导 j,经历了 i与 j之间 m
条不同通路后的相对相位为：
其中 n1为输入和输出耦合器的折射率, n2为阵列波导的折
射率, λ为光信号的波长 。 在输入波导 i的光信号的波长中, 满
足 Φijk为 2π的整数倍的波长将在输出波导 j输出 。
于是, 通过适当设计, 可以做成 1× n波分解复用器和 n× 1
波分复用器 。
mkdnLkndn outkjiniki j k,...,2,1)(2 121 ?????? ??
（ 7.14）
如果设计输入耦合器和输出耦合满足
dinik=dini+kδini
和
doutkj=doutj+kδoutj
mknLnnkdndn outjinioutjinii j k,.,,,2,1)(2)(2 12111 ???????? ?????? （ 7.15）
在 输 入 波 导 i 输 入 的 那 些 波 长 中 若 满 足, n1δin
i+n2ΔL+n1δoutj=pλ,p为整数, 则波长为 λ的光将在输出波导 j输出 。
光方向 耦合器
光波分复用器
2004.9.28
内容提要
?1,熔融拉锥型 波分复用器；
?2,光纤光栅型 波分复用器；
?3,组 合 型 波分复用器；
内容回顾
?1.干涉膜滤光 型光波分复用器；
SiO2
多
层
介
质
膜
LH
H
H
H
L
L
L
基于多层介质薄膜滤波器的
波分复用 /解复用器
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
透镜
窄带滤波器
光纤
?
1
?
3
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5
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1
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2
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8
光纤
?
2
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4
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8
?
6
玻璃衬底
光纤
干涉滤光膜型 DWDM的一种工艺方案
输入光纤
?1 ?4?3?2
干涉滤光膜
?1— ?16
?1— ?15
?16
干涉滤光膜型 DWDM的一种工艺方案
?1— ?14
?15
内容回顾
? 2.衍射光栅 型光波分复用器。
? 对于给定间隔 d（光栅常数）的光栅，当用
多色光照明时，不同波长的同一级亮线 (除零级外 )
均不重合 。
...)2,1,0m(md s i n ???? ??
(a) 透射光栅； (b) 反射光栅
光栅平面 影像平面
?2
?1
?d1 ?d2
?i
?1＋ ?2
光栅平面影像平面
?2
?1
?d1?d2
?i
?1＋ ?2
(a) (b)
二、光栅型波分复用器
输入光
?1
?4?3
?2
1,体光栅型
?几个概念：
1、插入损耗；
2、附加损耗；
3、串音；
4、分光比或耦合比
1、插入损耗 (Li)
? 穿过耦合器的某一光通道所引入的功率损耗，通常
以某一特定的端口（ 3或 4）的输出功率 P0与某一
输入端口（ 1或 2）的输入功率 Pi之比的对数 Li来表
示。
]dB[
P
P1 0 lgL
i
0
i ?
1
2
3
4
2、附加损耗 (Le)
?某一端口的输入功率 Pi与各输出端口功率
和的比值的对数。对于 2X2四端口光纤耦
合器：
?对于理想的耦合器,Le=0，即输入功率 =
输出功率；
?但实际上由于存在散射或接头，使得 Le不
为 0，但应尽量小。
][
PP
P1 0 l gL
03
i
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3、串音（ Lc）
?由 1端口输入功率 P1泄露到 2端口的功率
P2比值的对数。
]dB[
P
P
10 lgL
1
2
c ?
]dB[
P2
P1
1 0l g?隔离度
4、分光比或耦合比 (SR)
?某一输出端口（ 3或 4）光功率 Pi与各端口总
输出功率之比，即：
%1 0 0]
P
P
[S
i
i
i
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?
一个器件 —— 环行器
环形器 1
2
3
在理想的 3端口环行器中：
1端口的输入功率从 2端口输出；
2端口的输入功率从 3端口输出；
3端口的输入功率从 1端口输出。
波导 型耦合器
玻璃 衬底
嵌 入波导
熔融拉锥波分复用器
?主要应用于双波长的复用,
?1） 1310nm/1550nm；
?2）掺铒光纤放大器 (EDFA):980nm/1550nm
1480nm/1550nm
?3）光学监控系统应用,1551nm/1550nm
监控波长 信号光波长
4）基本结构
将几根光纤去涂覆后排列在一起，
用熔拉双锥技术制作成光耦合器。
制作方法
?将两根（或多根）除去涂覆层的裸光纤以一
定的方式（打绞或用夹具）靠近；
?在高温下加热熔融，同时两侧拉伸；
?利用电脑监控其光功率耦合曲线，并根据 耦
合比与拉伸长度关系 (如图 )控制停火时间，
最后在加热区形成 双锥波导 结构。
工作原理：
光功率的比例分配与锥形的长度和包层的厚度有关
21 ?? ?
1?
2?
光方向 耦合器
耦合级联 —— 制作 DWDM方案
1× 2型
2× 2型
级联
1× N型
N× N型
光纤光栅型波分复用器
光纤光栅的概念
?光纤光栅是利用紫外（ UV）激光诱导光纤纤
芯折射率分布呈周期性变化的 机械形成 的折
射率光栅。
?让特定波长的光通过反射和衰减实现波长选
择，便可制成波分复用器件。
短周期光纤光栅
?按折射率周期分
长周期光纤光栅
UV
?光纤布拉格（ Bragg）光栅（ FBG）
FBG是直接用紫外激光写入在光纤纤芯上，
且其反射波长的反射率几乎可达 100%，
因此可以采用 FBG构成 DWDM用波分复
用 /解复用器。
光纤布拉格 (Bragg)光栅工作原理
布拉格光栅?
1— ?16 ?1— ?15
?16
?
?16 ?16
?1— ?15,?16 ?1— ?15,?16FBG
环形器
光纤光栅的应用
利用 FBG构成的波分复用器
?三种构型实现解复用功能。
?试比较其三者的优缺点。
组合型波分复用器
?为了实现更优性能和更高密集度的波分复用，
可以使用几种器件进行组合。这就是美国 E--
TekDynamics公司推出的组合型波分复用器。
?它采用熔融拉锥型耦合器、切趾 Bragg光栅
和 带通波分复用器（ BWDM）组合构型，其
信道间隔可达 0.4nm（ 50GHz）
组合型 8信道波长复用器
原理描述
组合型 8信道波长解复用器
原理描述
三、阵列波导光栅型波分复用器 (AWG)
阵列波导光栅
阵 列 波 导 光 栅 (AWG,Arrayed Waveguide
Grating) 它由两个多端口耦合器和连接它们的阵列
波导构成 。 AWG可用作 n× 1波分复用器和 1× n波分
解复用器 。
AWG损耗低, 通带平坦, 容易集成在一块衬底
上 。 AWG也可用作静态波长路由器,
阵列波导光栅 (AWG)
输出耦合器输入耦合器
输出波导
阵列波导
输入波导
基于 AWG的静态波长路
由器
A W G
?
1
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2
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3
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4
1 1 1 1
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输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成 m部分, 它们
之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输
的距离来决定, 输入波导 i和阵列波导 k之间的距离用 表示,
阵列波导 k的长度比阵列波导 (k-1)的长度长 ΔL,同样, 阵列波
导 k和输出波导 j之间的距离用 表示 。
inikd
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下面我们简单地分析一下 AWG的工作原理 。
设 AWG的输入端口数和输出端口数均为 n,输入耦合器
为 n× m形式, 输出耦合器为 m× n形式, 输入和输出耦合器之
间由 m个波导连接, 每相邻波导的长度差均为 ΔL。 MZI是
AWG n=m=2情形下的特例 。
因此, 光信号从输入波导 i到输出波导 j,经历了 i与 j之间 m
条不同通路后的相对相位为：
其中 n1为输入和输出耦合器的折射率, n2为阵列波导的折
射率, λ为光信号的波长 。 在输入波导 i的光信号的波长中, 满
足 Φijk为 2π的整数倍的波长将在输出波导 j输出 。
于是, 通过适当设计, 可以做成 1× n波分解复用器和 n× 1
波分复用器 。
mkdnLkndn outkjiniki j k,...,2,1)(2 121 ?????? ??
（ 7.14）
如果设计输入耦合器和输出耦合满足
dinik=dini+kδini
和
doutkj=doutj+kδoutj
mknLnnkdndn outjinioutjinii j k,.,,,2,1)(2)(2 12111 ???????? ?????? （ 7.15）
在 输 入 波 导 i 输 入 的 那 些 波 长 中 若 满 足, n1δin
i+n2ΔL+n1δoutj=pλ,p为整数, 则波长为 λ的光将在输出波导 j输出 。
光方向 耦合器
