实验五光衰减器一、实验目的1.了解光减器的原理与应用。2.了解光减器的性能指标。3.了解光减器的应用范围。二、实验内容1.介绍光减器的原理与应用。2.介绍光隔离器的发展。三、实验仪器1.光纤实验系统1台。2.光纤跳线1根。3.光可变衰减器1个。4.光功率计1台。四、实验原理光衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤CATV中的一个不可缺少的器件。到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。becn1.衰减器的衰减原理光衰减器的类型很多，不同类型的衰减器分别采用不同的工作原理。①、位移型光衰减器众所周知，当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小的损耗传输过去。反过来，如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制其衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时，发生一定的错位。使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的，位移型光衰减器又分为两种：横向位移型光衰减器、轴向位移型光衰减器。横向位移型光衰减器是一种比较传统的方法，由于横向位移参数的数量级均在微米级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器的制作中，并采用熔接或粘接法，到目前仍有较大的市场，其优点在于回波损耗高，一般都大于60dB。轴向位移型光26
26 实验五 光衰减器 一、实验目的 1.了解光减器的原理与应用。 2.了解光减器的性能指标。 3.了解光减器的应用范围。 二、实验内容 1.介绍光减器的原理与应用。 2.介绍光隔离器的发展。 三、实验仪器 1.光纤实验系统 1 台。 2.光纤跳线 1 根。 3.光可变衰减器 1 个。 4.光功率计 1 台。 四、实验原理 光衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤ＣＡＴＶ中的一个不可缺少的器 件。到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种 系列。 １.衰减器的衰减原理 光衰减器的类型很多，不同类型的衰减器分别采用不同的工作原理。 ①、位移型光衰减器 众所周知，当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小 的损耗传输过去。反过来，如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制其衰减量。位 移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时，发生一定的错位。使光能量损失一 些，从而达到控制衰减量的目的，位移型光衰减器又分为两种：横向位移型光衰减器、轴向 位移型光衰减器。横向位移型光衰减器是一种比较传统的方法，由于横向位移参数的数量级 均在微米级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器的制作中，并采用熔接或 粘接法，到目前仍有较大的市场，其优点在于回波损耗高，一般都大于 60dB。轴向位移型光
衰减器在工艺设计上只要用机械的方法将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的。这种原理主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。②、薄膜型光衰减器这种衰减器利用光在金属薄膜表面的反射光强与薄膜厚度有关的原理制成。如果玻璃衬底上蒸镀的金属薄膜的厚度固定，就制成固定光衰减器。如果在光纤中斜向插入蒸镀有不同厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底，使光路中插入不同厚度的金属薄膜，就能改变反射光的强度，即可得到不同的衰减量，制成可变衰减器。③、衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，达到衰减光信号的目的，这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器。2.光衰减器的性能指标①、衰减量和插入损耗衰减量和插入损耗是光衰减器的重要指标，固定光衰减器的衰减量指标实际上就是其插入损耗，而可变衰减器除了衰减量外，还有单独的插入损耗指标，高质量的可变衰减器的插入损耗在1.0dB以下，一般情况下普通可变衰减器的该项指标小于2.5dB即可使用。在实际选用可调衰减器时，插入损耗越小越好。但这势必会牵扯到价格。②、光衰减器的衰减精度衰减精度是光衰减器的重要指标。通常机械式可调光衰减器的衰减精度为其衰减量的0.1倍。其大小取决于机械元件的精密加工程度。固定式光衰减器的衰减精度很高。通常衰减精度越高，价格就越高。ech③、回波损耗在光器件参数中影响系统性能的一个重要指标是回波损耗。回返光对光网络系统的影响是众所周知的。光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出的光能量之比。高性能光衰减器的回波损耗在45dB以上。事实上由于工艺等方面的原因，衰减器实际回波损耗离理论值还有一定差距，为了不致于降低整个线路回波损耗，必须在相应线路中使用高回损减器，同时还要求光衰减器具有更宽的温度使用范围和频谱范围。3、光衰减器的应用范围固定式光衰减器主要用于对光路中的光能量进行固定量的衰减，其温度特性极佳。在系统的调试中，常用于模拟光信号经过一段光纤后的相应衰减或用在中继站中减小富余的光功率，防止光接收机饱和；也可用于对光测试仪器的校准定标。对于不同的线路接口，可使用27
27 衰减器在工艺设计上只要用机械的方法将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的 目的。这种原理主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。 ②、薄膜型光衰减器 这种衰减器利用光在金属薄膜表面的反射光强与薄膜厚度有关的原理制成。如果玻璃衬 底上蒸镀的金属薄膜的厚度固定，就制成固定光衰减器。如果在光纤中斜向插入蒸镀有不同 厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底，使光路中插入不同厚度的金属薄膜，就能改变反 射光的强度，即可得到不同的衰减量，制成可变衰减器。 ③、衰减片型光衰减器 衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，达到衰 减光信号的目的，这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器。 ２.光衰减器的性能指标 ①、衰减量和插入损耗 衰减量和插入损耗是光衰减器的重要指标，固定光衰减器的衰减量指标实际上就是其插 入损耗，而可变衰减器除了衰减量外，还有单独的插入损耗指标，高质量的可变衰减器的插 入损耗在 1.0dB 以下，一般情况下普通可变衰减器的该项指标小于 2.5dB 即可使用。在实际 选用可调衰减器时，插入损耗越小越好。但这势必会牵扯到价格。 ②、光衰减器的衰减精度 衰减精度是光衰减器的重要指标。通常机械式可调光衰减器的衰减精度为其衰减量的 ±0.1 倍。其大小取决于机械元件的精密加工程度。固定式光衰减器的衰减精度很高。通常衰 减精度越高，价格就越高。 ③、回波损耗 在光器件参数中影响系统性能的一个重要指标是回波损耗。回返光对光网络系统的影响 是众所周知的。光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路 反射出的光能量之比。高性能光衰减器的回波损耗在 45dB 以上。事实上由于工艺等方面的原 因，衰减器实际回波损耗离理论值还有一定差距，为了不致于降低整个线路回波损耗，必须 在相应线路中使用高回损衰减器，同时还要求光衰减器具有更宽的温度使用范围和频谱范围。 ３、光衰减器的应用范围 固定式光衰减器主要用于对光路中的光能量进行固定量的衰减，其温度特性极佳。在系 统的调试中，常用于模拟光信号经过一段光纤后的相应衰减或用在中继站中减小富余的光功 率，防止光接收机饱和；也可用于对光测试仪器的校准定标。对于不同的线路接口，可使用
不同的固定衰减器：如果接口是尾纤型的，可用尾纤型的光衰减器焊接于光路的两段光纤之间；如果是在系统调试过程中有连接器接口，则用转换器式或变换器式固定衰减器比较方便。在实际应用中常常需要衰减量可随用户需要而改变的光衰减器。所以可变衰减器的应用范围更广泛。例如由于EDFA、CATV光系统的设计富余度和实际系统中光功率的富余度不完全一样，在对系统进行BER评估，防止接收机饱和时，就必须在系统中插入可变光衰减器，另外，在纤维光学（如光功率计或OTDR）的计量、定标也将使用可变衰减器。从市场需求的角度看，一方面光衰减器正向着小型化，系列化、低价格方向发展。另一方面由于普通型光衰减器已相当成熟，光衰减器正向着高性能方向发展，如智能化光衰减器，高回损光衰减器等。五、实验注意事项1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。六、实验步骤1.关闭实验系统。按以下方式用连信号连接导线连接：数字信号源模块1310数字光发模块P300-P100（数字信号输出一）（数字光发信号输入）2.用光纤跳线连接1310nm光发模块的光纤活动连接器和光可变衰减器。3.用光纤跳线连接光可变衰减器和光功率计。3.将1310nm数字光发模块的拨码开关J100第一位拨到ON状态，第二位拨到OFF状态将1310nm数字光发模块的手调电位器向左旋到最大。4.打开系统电源。将数字信号源输第一路的拨码开关U311全拨到OFF状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为"1"。5.旋转光可变衰减器的螺纹观察光功率计的读数P1的变化。8.关闭系统电源，拆除实验导线，将各实验仪器摆放整齐。七、实验报告1.光可变衰减器的插入损耗是多少。2.光可变衰减器的衰减范围是多少。28
28 不同的固定衰减器；如果接口是尾纤型的，可用尾纤型的光衰减器焊接于光路的两段光纤之 间；如果是在系统调试过程中有连接器接口，则用转换器式或变换器式固定衰减器比较方便。 在实际应用中常常需要衰减量可随用户需要而改变的光衰减器。所以可变衰减器的应用范围 更广泛。例如由于ＥＤＦＡ、ＣＡＴＶ光系统的设计富余度和实际系统中光功率的富余度不 完全一样，在对系统进行ＢＥＲ评估，防止接收机饱和时，就必须在系统中插入可变光衰减 器，另外，在纤维光学（如光功率计或ＯＴＤＲ）的计量、定标也将使用可变衰减器。从市 场需求的角度看，一方面光衰减器正向着小型化，系列化、低价格方向发展。另一方面由于 普通型光衰减器已相当成熟，光衰减器正向着高性能方向发展，如智能化光衰减器，高回损 光衰减器等。 五、实验注意事项 1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。 六、实验步骤 1.关闭实验系统。按以下方式用连信号连接导线连接： 数字信号源模块 （数字信号输出一） P300—P100 ————→ 1310 数字光发模块 （数字光发信号输入） 2.用光纤跳线连接 1310nm 光发模块的光纤活动连接器和光可变衰减器。 3.用光纤跳线连接光可变衰减器和光功率计。 3.将 1310nm 数字光发模块的拨码开关 J100 第一位拨到 ON 状态，第二位拨到 OFF 状态， 将 1310nm 数字光发模块的手调电位器向左旋到最大。 4.打开系统电源。将数字信号源输第一路的拨码开关 U311 全拨到“OFF”状态，即输入到 1310nm 数字光发模块的信号始终为“1”。 5.旋转光可变衰减器的螺纹观察光功率计的读数 P1 的变化。 8.关闭系统电源，拆除实验导线，将各实验仪器摆放整齐。 七、实验报告 1.光可变衰减器的插入损耗是多少。 2.光可变衰减器的衰减范围是多少
实验六光开关一、实验目的：1.了解光开关应用。2.了解光开关的制造工艺。3.了解光开关有哪些参数。二、实验内容：1.介绍光开关的原理与应用。2.介绍光开关的新工艺。三、实验仪器1.光开关。四、实验原理1、光开关技术分类与性能比较随着DWDM（密集波分复用）系统的成熟及大量被投入使用，高速大容量DWDM光传输和交换正在成为现在通信网络的主要发展方向，而作为系统节点核心器件的开关元件，其性能的好坏成为决定节点性能和网络性能的关键。不论是网络的构造，还是网络故障下的恢复，都需要对光开关的智能控制。而且，随着各种业务的数量上和质量上的高速发展，将需要越来越大的网络带宽，这样，网络节点如OXC或OADM都必须有大量的端口，同时也必须能容纳大量的波长通道，这些都要求必须存在大规模的集成开关矩阵。因此，光开关一方面必须具有良好的性能，另一方面必须能够集成为大规模开关矩阵，以适应现代网络的要求。就目前的光开关发展现状而言，按照光束在开关中传输的媒质来分类，可分为自由空间型和波导型光开关。按照开关机理来分类，主要有机械光开关、热光开关和电光开关。在机械光开关中，包括以新型的微机械工艺为基础的微机械光开关，自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射镜和棱镜等折射镜的移动或旋转来进行开关动作。波导型光开关主要是利用波导的热光、电光或磁光的效应来改变波导的性质，从而实现开关动作。光开关的性能主要表现在开关的插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模和开关尺寸等。光交叉连接和光交换对开关的要求主要有低插损（10dB以下）、低串扰29
29 实验六 光开关 一、实验目的： 1.了解光开关应用。 2.了解光开关的制造工艺。 3.了解光开关有哪些参数。 二、实验内容： 1.介绍光开关的原理与应用。 2.介绍光开关的新工艺。 三、实验仪器 1.光开关。 四、实验原理 1、光开关技术分类与性能比较 随着ＤＷＤＭ（密集波分复用）系统的成熟及大量被投入使用，高速大容量ＤＷＤＭ光 传输和交换正在成为现在通信网络的主要发展方向，而作为系统节点核心器件的开关元件， 其性能的好坏成为决定节点性能和网络性能的关键。不论是网络的构造，还是网络故障下的 恢复，都需要对光开关的智能控制。而且，随着各种业务的数量上和质量上的高速发展，将 需要越来越大的网络带宽，这样，网络节点如ＯＸＣ或ＯＡＤＭ都必须有大量的端口，同时 也必须能容纳大量的波长通道，这些都要求必须存在大规模的集成开关矩阵。因此，光开关 一方面必须具有良好的性能，另一方面必须能够集成为大规模开关矩阵，以适应现代网络的 要求。 就目前的光开关发展现状而言，按照光束在开关中传输的媒质来分类，可分为自由空间 型和波导型光开关。按照开关机理来分类，主要有机械光开关、热光开关和电光开关。在机 械光开关中，包括以新型的微机械工艺为基础的微机械光开关，自由空间型光开关主要是利 用各种透射镜、反射镜和棱镜等折射镜的移动或旋转来进行开关动作。波导型光开关主要是 利用波导的热光、电光或磁光的效应来改变波导的性质，从而实现开关动作。 光开关的性能主要表现在开关的插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关 规模和开关尺寸等。光交叉连接和光交换对开关的要求主要有低插损（10dB 以下）、低串扰
（-50dB以下）、低开关时间（几个ms以下）以及无阻塞运作。我们知道机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大，开关动作时间比较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且机械开关不易集成为大规模的矩阵阵列。对波导开关而言，它的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列。但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。近来在热光开关的研究上取得了重大的成果，同时也产生了一种微电子机械技术，它是机械开关的原理，但又能像波导开关那样集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时又克服了它们所固有的缺点。一般来讲，自由空间光开关的损耗较导波器件的损耗更低，基于电光效应的光开关较基于机械的开关速度更快一些。在光交叉连接及需要大规模支持大容量交换的系统中，基于MEMS技术的解决方案似乎已是主要潮流。MEMS的基本原理是通过静电的作用使微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。目前普遍使用的微镜面只能实现两种状态，因此交换容量受到限制。一些公司正在积极开发所谓的三维光开关，即可以实现微镜面连续转动的产品以实现更大的交叉连接。当MEMS技术收到追捧的同时，基于液晶技术的光开关也已面市。液晶器件的工作原理是基于电光效应来对传输光的偏振状态进行控制，使一路偏振光被反射而另一路可以通过。液晶的电光系数很高，是锯酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。液晶技术开关具有速度可达毫秒级、频道间隔度40～50dB而且不要求温度控制等诸多优点。另外还有液体光栅开关，液体光栅技术是前面所说的液晶技术和电子全息开关技术的一个综合产物，现在这种技术只有Digilens公司掌握，这种光开关基于布拉格光栅技术，加上电压时，光栅消失，晶体是全透明的，光信号直接通过光波导。如果没有电压，光栅就把一个特定波长的光反射到输出端口，这意味着这种光栅具有两种功能：取出光束中某个波长并实现交换。Digilens公司声称这种光开关的响应时间为10Ons，插损小于1dB。由于能从一束光中交换其中单个波长，所以比较适合于OADM。2、光开关的应用光开关在光交换网络中的应用主要表现在以下几个方面：1）、用于OXC光交叉连接节点中的光交换OXC是光网络的核心节点，是实现从WDM传输到WDM网络过渡的关键。OXC主要有解复用单元、复用单元和交换单元组成，交换单元由开关矩阵来实现。若光网络由N条链路，每条链路由M个波长通道，则在交换单元中，就需要有一个MN×MN矩阵开关或N个M×M30
30 （-50dB 以下）、低开关时间（几个 ms 以下）以及无阻塞运作。我们知道机械开关在插损、 隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大，开关动作时间 比较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且机械开关不易集成为大规模的矩阵阵列。对波导 开关而言，它的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵 开关阵列。但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。近来在热光开关的研 究上取得了重大的成果，同时也产生了一种微电子机械技术，它是机械开关的原理，但又能 像波导开关那样集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时又克 服了它们所固有的缺点。一般来讲，自由空间光开关的损耗较导波器件的损耗更低，基于电 光效应的光开关较基于机械的开关速度更快一些。 在光交叉连接及需要大规模支持大容量交换的系统中，基于ＭＥＭＳ技术的解决方案似 乎已是主要潮流。ＭＥＭＳ的基本原理是通过静电的作用使微镜面发生转动，从而改变输入 光的传播方向。目前普遍使用的微镜面只能实现两种状态，因此交换容量受到限制。一些公 司正在积极开发所谓的三维光开关，即可以实现微镜面连续转动的产品以实现更大的交叉连 接。 当ＭＥＭＳ技术收到追捧的同时，基于液晶技术的光开关也已面市。液晶器件的工作原 理是基于电光效应来对传输光的偏振状态进行控制，使一路偏振光被反射而另一路可以通过。 液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。液晶技术开关 具有速度可达毫秒级、频道间隔度 40～50dB 而且不要求温度控制等诸多优点。 另外还有液体光栅开关，液体光栅技术是前面所说的液晶技术和电子全息开关技术的一 个综合产物，现在这种技术只有 Digilens 公司掌握，这种光开关基于布拉格光栅技术，加上 电压时，光栅消失，晶体是全透明的，光信号直接通过光波导。如果没有电压，光栅就把一 个特定波长的光反射到输出端口，这意味着这种光栅具有两种功能：取出光束中某个波长并 实现交换。Digilens 公司声称这种光开关的响应时间为 100ns，插损小于 1dB。由于能从一束 光中交换其中单个波长，所以比较适合于 OADM。 2、光开关的应用 光开关在光交换网络中的应用主要表现在以下几个方面： １）、用于 OXC 光交叉连接节点中的光交换 OXC 是光网络的核心节点，是实现从ＷＤＭ传输到ＷＤＭ网络过渡的关键。OXC 主要有 解复用单元、复用单元和交换单元组成，交换单元由开关矩阵来实现。若光网络由Ｎ条链路， 每条链路由Ｍ个波长通道，则在交换单元中，就需要有一个ＭＮ×ＭＮ矩阵开关或Ｎ个Ｍ×Ｍ