光环行器是在光通信中应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是3端口和4端口器件，图6.27所示为一个3端口和4端口光环行器的基本结构。
环行器的工作特点是：当光从任意端口输入时，只能在环行器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。
光环行器可以设计成对称结构，如图6.27（b）所示，最后一个端口输入的光传输到第一个端口输出，但在很多应用中光不需要循环回去而将光环行器设计成非对称结构，如图6.27（a）所示。
图6.27 光环行器示意图
光环行器可以有不同的结构，可以使用不同的器件构成，但其最基本的原理是利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输。图6.28所示是一个3端口光环行器的结构以及端口1到端口2的光路图，它的各个组成部分的功能如下：
（1）偏振分束器：将输入光分解成偏振正交的两束光；
（2）法拉第旋转器：偏振面产生45º旋转，旋转方向如上节所述；
（3）λ/8平板：将光的偏振面旋转45º。
图6.28 3端口光环行器中端口1到端口2的光路图
参考图6.28的光路示意，简要说明光环行器的工作原理。从端口1输入的光波被偏振分束器（PBS）分离成水平和垂直偏振光，垂直偏振光被折射，如图中沿上面的光路传输，水平偏振光沿下面的光路传输，然后进入法拉第旋转器。旋转器和λ/8平板各将两束光旋转45º，是原来的垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。这两束光被另一个偏振分束器合到一起从端口2输出。
输入到端口2的光经历类似的过程，但由于法拉第旋转器的不可逆性质，两束正交的偏振光在经过λ/8平板和旋转器后保持原来的偏振方向，被偏振分束器合成后导向端口3，而不是端口1。
插入损耗、隔离度、偏振敏感性、回波损耗是反映光环行器性能的主要指标。 现在环行器的插入损耗可以降到0.6dB以下，隔离度达到70dB以上，偏振敏感性低于0.05dB，回波损耗大于50dB。
自聚焦透镜（GRIN）是应用广泛的无源光器件，主要作用是准直光束。自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件，其折射率分布同自聚焦光纤，只是直径远大于自聚焦光纤芯径，规格为零点几毫米到几十毫米不等。自聚焦光纤的折射率分布近似为：
在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹如图6.29所示。
图6.29 自聚焦透镜中光线的轨迹
在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹r（z）及其导数为：
其中，r0是入射端面（z=0）上射线的径向位置；r0´是入射端面上入射光的斜率；Ln为节距，表示入射光线的周期。
在自聚焦透镜中，入射光线的轨迹是一条正弦曲线，而且所有的入射光线都有相同的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示为Ln。对于入射端面的光斑，在z=Ln处，可形成一个1:1的正立的实像；在z=Ln/2处可形成一个1:1的倒立的实像；从入射端面上某一点发出的光线，在z=3Ln/4处变为平行光。即是说，长度为Ln/4的自聚焦透镜对入射光线有准直作用，像透镜一样，它将入射光线准直成平行光。
F-P腔也称为法布里-玻罗干涉仪或法布里-玻罗波长标准具，其基本结构是由两个反射界面构成，可以由两个镜面作为反射面，也可以由不同的介质的分界面构成，图6.30所示局势不同介质构成的F-P腔。中间介质的折射率是n，两边介质的折射率是n´，当光束入射到两个介质的分界面时，会在两个界面之间反复地发生反射和折射，反射波和透射波都是无穷多束光波的线性叠加，叠加的结果与相邻波束的相位差有关。如图6.30（a）所示。
图6.30 折射率不同的介质构成的F-P腔
两束透射波A1和A2的路程差为：
它们的相位差为：
当相位差为2π的整数倍时，所有的透射波同相相长，形成强的输出光束，对应的透射波长为：
F-P腔的滤波特性液界面的反射率R有关，如图6.30（b）所示。
广义上讲，任何一个具有周期性空间结构或周期性光学性质的衍射屏都是一个光栅。在光通信中经常使用反射型平面衍射光栅，作为波长选择滤波器用于波分复用系统中。这种光栅可以用光刻的方法在很多材料上刻蚀出周期性结构，周期结构可以呈锯齿状、闪烁状、矩形等，如图6.31所示。
图6.31 光栅形状
基本的光栅方程可以表示为
式中，λ表示入射光的波长，b表示光栅常数，θm是入射角，θd是输出光束与法线的夹角，k是整数，表示光栅的衍射级数。
光栅的形状与衍射角度没有关系，但与各级衍射光束的相对强度有关。因此，我们可以通过适当的设计尽可能使大部分的光功率进入某一衍射级，而避免功率的发散和损耗。图6.31（b）所示的闪烁光栅是最常用的平面光栅，因为它能在一定的波长范围内将很高比例的光功率集中在第一级衍射光束中。
色散本领和色分辨本领是角色散元件的主要性能指标。角色散本领是相距为单位波长的光波散开角度，其表达式为：
式中，λ和θ分别为散开的角度和光波长。角色散本领只反映不同波长的谱线中心分离的程度，它不能说明两条谱线是否重叠，色分辨本领可以反映器件分辨波长很接近的谱线的能力。光学元件的色分辨本领定义为
式中，δλmin是瑞利判据所规定的角色散元件能够分辨的两谱线的最小波长差。
光栅的角色散本领为：
色分辨本领为：
式中，k是光栅的衍射级数。由式（6-36）、（6-37）可知，光栅的角色散本领与光栅常数d成反比，与k成正比；光栅的色分辨本领与光栅的总槽数N和k成正比。因此，要得到性能好的光栅，总槽数N应尽量多，光栅常数d应尽量小，并尽量选用高的衍射级数。
波分复用（WDM）器件是波分复用系统的重要组成部分，是关系波分复用系统性能的关键部件。对波分复用器件的主要要求是：
插入损耗小，隔离度大，串扰小；
带内平坦，带外插入损耗变化陡峭；
温度稳定性好，工作稳定、可靠；
复用通路数多，各路插入损耗相差不大，尺寸小。
波分复用、解复用器件的性能参数除了前面介绍的插入损耗、回波损耗、反射系数、偏振相关损耗等外，下面再介绍几个重要参数。
（1）中心波长和通带特性
中心波长是指各信道的中心波长。通带特性是指波分复用器的各个信道的滤波特性，可以用−0.5dB带宽、−3dB带宽和−20dB带宽来表示。
（2）信道隔离度和串扰
信道隔离度定义为第i信道输出端口测得的信号功率Pi（λi）与第j信道在第i输出端口测得的串扰功率Pj（λi）（i≠j）之比，为第j信道对第i信道的隔离度。以dB表示，即：
隔离度和串扰是一对相关联的参数，其绝对值相等，符号相反。WDM系统要求相邻信道隔离度大于25dB，非相邻信道的隔离度大于22dB。
目前，WDM复用系统中常用的复用、解复用器主要有光栅型、干涉型、光纤方向耦合器型和光滤波器型等。本节着重介绍光栅型、干涉膜滤波器型和阵列波导光栅型三种在密集波分复用系统中常用的复用、解复用器件。
图6.32所示是光栅型解复用器的三种结构，前两种都是用闪耀光栅组成的反射型器件。当入射光被准直后，照射到光栅上，由于光栅的角色散作用，不同波长的光以不同角度出射，然后经透镜汇聚到不同的输出光纤，从而完成波分解复用功能。图6.32（a）所示的结构用传统的透镜作准直器件，图（b）用自聚焦透镜作准直器件。为减小服用信道的串音，复用信道的波长间隔应远大于器件能够分辨的最小波长差。图（c）是用体光栅制成的解复用器。
图6.32 光栅型解复用器的三种结构
当入射光被准直成平行光后照射到光栅上，被光栅的周期性槽沟衍射，向各个方向传播，在成像平面上，来自各个槽沟的同波长光干涉叠加形成具有最大和最小强度变化的干涉条纹，主最大强度的方向可以由下式给出：
上式说明各个波长在一个确定的角度上有它的主最大，即不同波长的主最大相互分开一个角度，这就是光栅能够将多波长信号进行解复用的原因。对上式求导，我们可以得到k=1时光栅的角色散本领。
光栅型解复用器是一种并行器件，它可以同时分开多路不同波长的信号，使各路的插入损耗都一样，具有解复用路数多，分辨率较高等优点，目前被广泛应用于DWDM系统中。
干涉膜滤波器型解复用、复用器的基本结构如图6.33所示。它是由自聚焦透镜和滤光片组成。滤光片由多层介质薄膜构成，它可以通过介质膜系的不同选择构成长波通、短波通和带通滤光器。其基本原理可以通过每层薄膜的界面上多次反射和透射光的线性叠加来解释。
在复用器件中使用自聚焦透镜对光束进行准直，长度为四分之一节距，准滞后的平行光入射到滤光片上，滤光片将λ1的光几乎全透射过去，而将λ2的光几乎全反射回去，透射光和反射光再经过自聚焦透镜汇聚，分别耦合进输出光纤，这样通过两个自聚焦透镜和中间的干涉滤光片就可以实现两个波长的分波和合波，如图6.33所示。
图6.33 基本的干涉膜滤波器型解复用器件的结构
图6.34 安装在透镜轴上的波分复用器件
从自聚焦透镜的成像性质，我们不难发现当光纤离开自聚焦棒的轴线安装时，经四分之一节距的GRIN透镜准直后的平行光和透镜轴线成一定角度，即准直后的光斜入射到滤光片上。这时，干涉滤光片对不同极化方向的光的透射率是不同的，偏角越大，差别也越大，极化效应越明显，导致复用器件对偏振敏感，性能下降。当光纤安装在GRIN透镜的轴上时，准直后的光束垂直于滤光片，这样就可以避免极化效应发生，所以图6.34所示的结构更适合于波分复用器件。
干涉膜滤波器型解复用器具有插入损耗小、隔离度高、工作稳定等优点。它是一种串行器件，当复用路数较多时，各路的插入损耗差异较大，但各信道间的串扰可以做到较小。
图6.35所示是一个商用的8波长干涉膜滤波器型解复用器的输出光谱图，波长间隔为1.6nm。可以看出，此解复用器通带特性良好，顶部平顶较大，边沿较陡峭。
图6.35 商用8波解复用器的输出光谱图
图6.36所示是用集成光学方法研制的N×N阵列波导光栅型（Arrayed Wavequide Grating，AWG）复用、解复用器。它是由出入波导，两个平面耦合波导，阵列波导和输出波导构成的。当多波长信号被激发进某一输入波导时，此信号将在第一个平面波导中发生衍射而耦合进阵列波导。
阵列波导由很多长度依次递增的波导路径构成，光经过不同的波导路径到达第二个平面耦合波导时，产生不同的相位延迟，在第二个耦合波导中相干叠加。这种阵列波导长度差所起的作用和光栅沟槽平面所起的作用相同，从而表现出光栅的功能和特性，这就是阵列波导光栅名称的来源。
精确设计阵列波导的路径数和长度差，可以使不同波长的信号在第二个平面耦合波导输出端的不同位置形成主极强，分别耦合到不同的输出波导中，从而起到解复用的作用。图6.36（b）为一个8波阵列波导光栅型解复用器的通带特性。
图6.36 AWG的原理结构和输出特性
由图6.36（a）可知AWG的结构，它将N个输入波导、N个输出波导、两个聚焦平面波导（星形耦合器）和通道阵列波导集成在单一衬底上，使得输入/输出波导的位置和阵列波导的位置满足罗兰圆规则。为了降低阵列波导与平面波导的耦合损耗，阵列波导的输入/输出端口设计为楔型，如图 6.37 所示。
图6.37 平面波导的罗兰盘结构（R为罗兰圆半径）
另外，阵列波导的数量要足够多，以充分接收平面波导区的衍射光功率，这样阵列波导和两个平面波导区就构成了1:1的光学成像系统。传输过程中，波前形变很小。阵列波导是由一系列不等长度的通道波导构成的，相邻两波导的长度差为常数△L，这种结构产生的波长相关相移使阵列波导呈现衍射光栅的特性，其光栅方程为：
nsdsinθi+nc△L+nsdsinθ0=mλ （6-41）
其中：ns、nc是平面波导和通道阵列波导的有效折射率；θi和θj是输入/输出平面波导中的衍射角；d是阵列波导的间距；m是光栅衍射级；λ是光波长；i、j是输入/输出波导的序号。定义中心波长为λ0，它满足：
nc△L=mλ0 （6-42）
相应的输入/输出波导序号（i，j）＝（0，0），即由中心波导输入到中心波导输出。
由方程（6-41）可以得到列阵波导的角色散为：
其中，c是光速，ng是通道阵列波导的群折射率。
频率间隔是色散角对应的频率范围：
其中，Lf是平面波导的焦距，即图中的罗兰盘圆半径；△x是输入/输出波导在平面波导端面处的间隔。波长范围表示为：
AWG是一种很有前途的集成光学器件，在WDM全光网中具有多种用途。作为WDM器件，它的插损较小，但串扰不容易达到最小。
干涉膜滤波器型、光栅型和AWG型是目前8路、16路和32路的WDM系统中常用的解复用器，这些器件也可用作复用器。除此之外，人们也用M-Z结构和平面波导构成WDM复用器件。为降低成本，也常用光波导型或光纤型耦合器作为复用器。我国国标规定的复用器和解复用器的相关参数应满足表6.1和表6.2的要求。
表6.1 复用器参数要求
表6.2 WDM系统解复用器参数要求
随着复用波长数的不断增加，一种称为波长交织器的复用、解复用器问世。这种器件是一种梳状滤波器，可以对信号的频谱进行梳理和交织，也称为光数字波分复用器，如图6.38所示。
图6.38 波长交织器
利用这种器件，可以把复用的多波长信号分解成按奇、偶波长排列的两组光束，每组光束的波长间隔为原复用信号的二倍，从而使密集的DWDM系统可以进一步分解为两组较稀疏的DWDM信号，或者反过来将两组较稀疏的DWDM信号合成为一组更密集的DWDM信号，即通过交织对两组波长进行复用、解复用。梳妆滤波器一般是利用高阶光学干涉途径实现，可以利用麦克尓逊干涉原理、F-P干涉原理、M-Z干涉原理等制成，可以是光纤型的，也可以是晶体型的。
声光可调谐滤波器（AOTF）
AOTF是一个通用器件，可以同时选择几个波长，是目前已知的惟一的可调谐的滤波器，可以用作WDM合波器、波长路由器等。
（1）AOTF的结构
AOTF是基于声（波）与光相互作用原理制成的光器件，下图给出了它的一种结构。它由一个波导、偏振器和声音换能器构成。波导由双折射材料制成，只允许最低次模TE和TM模在其中传播。偏振器放置在波导的输出端，只让TM模的光波通过。声音换能器将电能转换成声波在波导中传输，如果输入光波的波长为λ1、λ2…λN，由于声波在波导中传播引起的介质折射率的周期性变化，其作用相当于形成了光栅，当光波的波长满足布拉格（Bragg）条件时，则TE模的能量会转移到TM模，因而能通过偏振器输出，其余的被拒绝。
声光可调谐滤波器（AOTF）的一种结构
布拉格条件为：
nTE、nTM分别为TE、TM模的折射率，Λ为光栅周期。对于LiNbO3晶体，nTE、nTM模折射率的差为△n=0.07，因而布拉格方程为：
λ=Λ（△n）
因△n=0.07，选择中心波长λ=1.55μm，则由布拉格方程知，Λ=22μm，声波在LiNbO3中的速度约为3.75km/s，则相应的电驱动RF频率为170MHz。由于RF的频率是很容易调谐的，因而AOTF对波长的选择也是很容易实现的。
上面讨论的AOTF是假设所有输入的光能集中在TE模，因而是与偏振有关的器件。实际上，AOTF可以是与偏振无关的器件，即其输入的光能量不一定非由TE模来携带。下图给出了一个与偏振无关的AOTF的原理框图。输入的光能量（由TE模和TM模携带）经输入偏振器分解为TE模和TM模，然后各自通过波导与声波相互作用，最后经输出偏振器合成输出。
与偏振无关的AOTF的原理框图
（2）AOTF的原理
AOTF的工作原理如下：两个构成马赫-曾德尔结构的钛（Ti）波导被镂蚀在LiNbO3双折射半导体中。进入的光被输入偏振器分成TE波和TM波。作为例子，TE波沿上图的上臂移动，而TM波沿下臂传播。一个转换器产生表面声波（SAW）。这个SAW在LiNbO3中引起变形，从而产生LiNbO3折射率周期性波动，这些波动作为动态布拉格光栅工作。
由于光栅相互作用，满足谐振（相位匹配）条件波长的TE模光能被转到在上臂的TM模，TM模光能被转到在下臂的TE模。输出偏振器组合TE模和TM模。波长不满足谐振条件的信道将不被改变地通过这个结构。
（3）AOTF的通带
布拉格条件决定了被选择的波长，滤波的通带宽度是由声光相互作用的长度决定的，相互作用的长度越长，滤波器的通带越窄，这可由AOTF的功率转换透过率函数与波长的关系得到证明。功率转换函数T（λ）由下式给出：
这里，△λ=λ-λ0，λ0为满足布拉格条件的波长，△=λ21/L△n是衡量滤波器通带大小的物理量，其曲线如下图所示。L为声光相互作用长度，可以证明，T（λ）的半峰值全宽（FWHM）即滤波器的通带B≈0.8△，虽然L越长带宽越窄，但另一方面，L越长，调谐速度越慢，因为它由声波在AOTF中的传播时间决定，相互作用长度越长，时间越长。
声光可调谐滤波器的功率转换与波长的关系曲线
光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备的核心器件，也是光网络实现保护倒换的必需器件，其主要性能除了插入损耗、隔离度、开关速度和偏振敏感性等外，还有消光比和阻塞性质。消光比是指开关on和off时输出功率之比（常用dB表示），阻塞性质是指任一输入端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的性质。
严格无阻塞特性指不需要任何算法，光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端。大型或级联光开关一般要求具有严格无阻塞特性。
随着光网络的发展，各种光开关相继出现，光开关可分为自由空间型和波导型，每一类又可以采用不同的物理效应（如电光效应、热光效应、电-机械效应等）、不同的材料（LiNbO3、硅基、聚合物、液晶等）和不同的工艺来实现。
光开关的性能参数
（1）开关速度
光开关的开关速度或称开关时间是一个重要的性能指标。不同的应用场合对开关时间的要求是不一样的，如光通道的设置开关时间为1-10ms，保护倒换的开关时间为1-10μs，分组交换的开关时间为1ns，外调制器的开关时间为l0ps量级。
（2）通断消光比
通断消光比是指光开关处于通（开）状态时输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率之比。通断消光比越大，光开关性能越好，这对外调制器尤为重要。机械开关的通断消光比大约为40-50dB。
（3）插入损耗（简称插损）
插损是指由于光开关的使用而导致的光路上的能量损耗，常以dB表示。插损越小越好。当开关处于不同的输入/输出连接状态时，插入损耗有可能不一致，即插入损耗的一致性差，这对于实际的应用是不希望的。
（4）串扰
串扰是指某输出端口的功率除了有来自希望的输入端口外；还有来自不希望的输入端口的功率，二者的光功率之比称为串扰。
（5）偏振依赖损耗
偏振依赖损耗是指由于偏振引起的光功率的损耗。
典型的MEMS分为二维结构和三维结构。基于镜面的二维MEMS器件是一种受静电控制的二维微镜面阵列组成，安装在机械底座上，准直光束和旋转微镜构成多端口光开关矩阵，其原理如图6.40所示。微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接平移盘铰接点。转换状态通过静电控制使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束通过该微镜，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使光束从该微镜对应的输出端口输出。
图6.40 自由空间MEMS光开关原理图（二维）
5.1 机械光开关
根据工作原理的区别，机械光开关可以分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器等多种类型。图6.39所示为三种采用不同技术的开关结构：移动光纤、移动棱镜和转动反射镜。
图6.39 三种机械光开关的结构
机械型光开关的优点是插入损耗低（小于1dB），隔离度高（大于45dB），与波长和偏振无光，制作技术成熟。其缺点是开关动作时间较长（毫秒量级），体积偏大，不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在重复性差的问题。机械型光开关在最近几年已得到广泛的应用，但随着光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容量光传送网发展的需求。
5.2 微机械光开关
微机械（Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS）光开关是指由半导体材料（如Si）构成的微机械电控结构。它在一块芯片上将电、机械和光合成一体，透明传送不同速率、不同协议的业务，是一种有广泛的应用前景的光开关。
MEMS器件基本原理是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。MEMS有低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、易于大规模集成等优点。二维MEMS需要N2个微镜来完成N×N个自由空间的光交叉连接，其控制电路较简单，由TTL驱动器和电压变换器来提供微镜所需的电压。它很容易从开发阶段向大规模的生产，开关矩阵的规模可以允许扩展到数百个端口。
图6.41给出了一种三维MEMS光开关的结构。三维结构主要靠两个微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜能向任何方向转动，都有多个可能的位置，输入光线到达第一个阵列镜面上后，被反射到第二个阵列的预制镜面上，然后再被反射到输出端口。为确保任何时刻微镜都处于正确的位置，其控制电路需要十分复杂的驱动方法，控制精度有时要达到百万分之一度，因此，制造工艺较为困难，较二维的复杂得多。由于MEMS光开关是靠镜面转动来实现交换功能，所以任何机械摩擦、磨损或震动都可能损伤光开关。
图6.41 三维MEMS光开关
在2001年的OFC会议上，朗讯公司报道他们研制的1296×1296端口的MEMS光交叉连接节点，其单纤端口传送容量为1.6Tbit/s，总吞吐容量达到2.07Pbit/s，具有严格无阻塞特性，插入损耗为5.1dB，串扰（最坏情况）为-38dB，这使光开关的交换总容量达到新的量级。尽管由于需求不足和开发投资巨大，MEMS的研发受通信和信息的低迷而遇到很大困难，但它将对未来光交换的发展起到积极的推动作用。
5.3 热光开关
热光开关也是一种易制作成端口数较多的光开关，基本结构有两种：一种是Y型分路器结构，另一种是Much－Zahnder（MZI）干涉仪型结构。热光开关可以用硅基材料制作，也可以用聚合物材料制作。Y型分路器结构如图6.42所示。
图6.42 Y型分支热光开关结构
它采用光刻法或湿式化学刻蚀法在硅基底或聚合物基底上生成Y型波导，波导旁有多个微型薄膜加热器，薄膜是由Ti或Cr在波导分支表面沉积而成。当电功率被加载到其中一个分支上的加热器时，加热器下面的波导温度升高，折射率减小，从而阻止光沿着该分支传输，同时光功率转向另一侧分支。该结构的光开关插入损耗一般为3-4dB，消光比为20dB左右。
图6.43 MZI型热光开关
MZI干涉仪型热光开关的主导思想是利用光相位特性。结构如图6.43所示。MZI波导一般生成在硅基底上，两个波导壁具有相同的长度，其上渡有金属薄膜加热器形成相位延迟器。如图中所示，信号光由1端口输入，若薄膜加热器处于关闭状态，此时MZI产生的相位差为0，当光波经过3dB耦合器时，沿耦合输出方向和沿直通输出方向相比存在π/2的相位滞后。
在1'输出端口，经过耦合器的两次耦合的光波与经过耦合器的两次直通的光波累积相位差为π，从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至关断。在2'输出端口，两束光分别经历了一次直通，一次耦合，总的相位保持同步从而发生相干相长现象，即入射光的能量几乎全部从2'端口输出。因此，从整个2×2热光开关的工作方式来看，此时处于交叉连接状态。
如果对金属膜通电使其发热，将会导致其下面的波导折射率发生变化，从而改变了MZI干涉臂的传播光程，引入相位差。调节移相器使之形成π相移，那么在1'端和2'端两束光的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，整个热光开关也由原先的交叉方式变换至平行连接状态。这样，通过控制热光薄膜移相器在0和π两个状态之间动态转换，就可以实现光开关的动作。
以1×2和2×2光开关单元为基础，其它4×4、8×8、16×16等光开光矩阵可通过这两种光开关单元集成而得到，图6.44所示为NTT公司制造的集成8×8热光开关结构图。这种结构有效地减小了波导长度，降低了开关损耗，提高消光比，降低串扰水平。工作带宽覆盖了整个EDFA增益谱。
图6.44 8×8热光开关结构图
由理论分析可知波导材料折射率随温度的变化率越大，波导材料的热导率越小，则热光开关的功耗越小，性能越好。波导材料在开始阶段经常采用Si或SiO2，由于聚合物的导热率很低，而热光系数却很高，现在人们则把更多的研究转向了聚合物波导。典型的4×4聚合物（polymer）热光开关串扰小于-35dB，开关时间小于8ms。
5.4 其它类型的光开关
5.4.1 LiNbO3波导型电光开关
LiNbO3波导型光开关利用电光效应达到改变波导材料的折射率来实现的光开关，主要优点：开关速度快、集成方便，是未来光交换技术中需要的高速器件。缺点：插入损耗较大，偏振相关损耗和串扰较高，价格昂贵。
LiNbO3波导型光开关的结构、原理与LiNbO3电光调制器的类似，通常也使用Much-Zehnder干涉仪型结构。
LiNbO3材料是一种电光材料，通过外加电压改变波导壁的折射率，实现开关的通断。由于这种光开关没有机械可动部分，可以将若干2×2开光集成在同一块衬底上形成多端口的光开关。目前，4×4、8×8、16×16等样品均已能应用，速率可达10Gbit/s，但由于其昂贵的价格和技术尚不十分成熟，应用范围还很受限。
5.4.2 半导体光放大器门型开关
半导体光放大器（SOA）是一种用途广泛的光放大器件，属于有源器件。与半导体激光器类似，SOA的原理也是增益介质的受激辐射带来的光放大。由于SOA在不同泵浦状态下表现出对入射光的吸收或放大两种作用，利用这一特性可以构成基本的门型开关单元。
当注入SOA的电流较小时，介质处于吸收状态，对入射光不透明，门型开关处于关断（OFF）状态：当注入SOA的电流足够大，使有源区实现了粒子数反转分布，入射光波穿过SOA，并同时能获得增益，此时门型开光处于导通（ON）状态。
下图6.45所示是一种用4个SOA光门构成的2×2光开关的实现方案，4个SOA通过波导连接，控制各路SOA的通断状态，可以实现信号由任意输入端到任意输出端的定向连接或广播连接功能。
SOA开关是一种有源器件，泵浦增益补偿了开光损耗，可以实现无插损开关，也可以同时获得光增益（大约10dB左右的增益）。此外，SOA型光开关还具有开光速度快（小于1ns）、易于集成等特点，在未来的光联网应用中是颇具潜力的光开关类型。
图6.45 2×2型半导体光放大器开关示意图
5.4.3 喷墨气泡光开关
喷墨气泡光开关是Agilent公司在成熟的SiO2平面光波电路（PLC）技术基础上，结合喷墨打印驱动原理开发出的一种新型光开关器件。整个开关分为上下两层结构：顶层由Si材料构成，用于制作热喷墨元件；下面是SiO2衬底层，集成了纵、横分布的两束波导，每束波导又包括若干平行的波导线路，如下图6.46所示。
图6.46 喷墨气泡光开关示意图
此外，位于每个交叉点上方的硅片内还设计了微型的加热电极。正常情况下入射到波导中的光信号无障碍地穿越与其它波导线路的交叉点，保持同一方向传输，当需要改变光线传播路由时，通过电极加热匹配液在相应的波导交叉位置产生一个极小的气泡（bubble），借助微泡的全内反射作用将光信号引导至合适的输出波导中。开关芯片的封装采用带状光缆通过V型槽实现波导与外部光纤的耦合。
气泡光开关动作的关键在于对微泡产生（微电极加热）的精密控制上，及解决如何长时间维持已生成微泡的问题。尽管喷墨气泡光开关具备对偏振不敏感、低损耗、低串扰、高消光比等特点，但能否可靠、有效地实现状态的连续控制（包括频繁的切换动作和气泡状态的长时间维持），还有待继续进行研究和试验。
几种光开关的主要性能比较如下表：
各种光开关的性能比较
光纤通信发展的30多年来，传统的电时分复用光纤通信系统的速率几乎以每10年100倍的速度稳定增长，但其发展速度最终受到电子器件速率响应瓶颈的限制，在40Gbit/s以上很难实现。20世纪90年代密集波分复用（DWDM）技术兴起并迅速发展，广泛应用到通信网中，引发了光通信系统和网络的重大变革。
WDM技术以较低的成本、较简单的结构形式成几倍、数十倍、数百倍地扩大单根光纤的传输容量，使其成为光网络中的主导技术。WDM+EDFA也被称为20世纪90年代中新一代光纤通信系统。
在上一节中我们已经讨论了波分复用、解复用器件，本节主要讲述WDM光纤传输系统。
光纤具有丰富的低损耗带宽资源（见图6.47），可以采用波分复用技术扩大传输容量。
图6.47 1.3μm和1.55μm窗口带宽
波分复用技术是指不同波长的多个独立光信号复用在一起，在同一光纤中同时传输。这些光信号可以独立地进行路由选择和检测，其波长还可以作为源、宿或者路由的标识地址来确定通信的路径。为了允许特定波长的传输、检测和路由，必须要有具有波长选择功能的光器件来实现，也就是说波分复用、解复用器件是实现波分复用技术的关键。
波分复用技术可以有WDM、DWDM、OFDM等不同的提法，实际上，WDM、DWDM、OFDM本质上都是光波长分割复用（或光频率分割复用），所不同的是复用信道波长间隔不同。20世纪80年代中期，复用信道的波长间隔一般在几十到几百纳米，如1300nm和1500nm波分复用，当时被称为WDM。
DWDM的发展和应用是与光纤放大器的发展与应用联系在一起的，20世纪90年代后，EDFA实用化，为了能在常规EDFA的35nm带宽内同时放大多个波长的信号，波长间隔必须减小，DWDM应运而生，其波长间隔为nm量级。
在20世纪80年代，OFDM主要指相干光通信。20世纪90年代以后，非相干的OFDM也发展起来，其复用信道间的频率间隔仅为几GHz至几十GHz。
目前WDM系统主要指密集波分复用系统，它的主要优点为：
（1）充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本；
（2）对各信道传输的信号的速率、格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容；
（3）节省光纤和光中继器，便于对已建成的系统进行扩容；
（4）可提供波长选路，使建立透明、灵活、具有高度生存性的WDM光通信网成为可能。
WDM系统可以分为单向传输方式和双向传输方式，从它对外的光接口来看，又可分为集成式WDM系统和开放式WDM系统。单向传输的集成式系统的结构如图6.48（a）所示，N个光发射机分别发射N个不同波长，经过光波分复用器合到一起，耦合进单根光纤中传输。若传输距离很长，中间可以每经过80（或120）km后加一个线路光放大器（OA）将多波长信号同时放大。
OA-光放大器 OUT-光转换器
图6.48 单向WDM系统的组成
单向开放式系统的组成如图6.48（b）所示。开放系统是在波分复用器前加有波长转换器（OTU），将SDH非规范的波长转换为标准波长。开放系统是指具有开放的对外光接口，可以接入不同厂商的SDH系统，将非规范的输入波长转换为符合G.692的标准接口，即输出光具有标准的光波长和满足长距离传输的光谱，它对输入端的信号波长没有特殊要求，满足系统的波长兼容性的要求。
在现在已商用的产品中，OTU依然是光/电/光（O/E/O）的变换设备，即先用光电二极管（PIN）或雪崩光电二极管（APD）把接收到的光信号转换为电信号，然后用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而得到新的合乎要求的光波长信号。OTU常具有3R功能，即有再定时、整形和再生功能。OUT可用于发送端，也可用于再生中继器中。在再生器中，除执行3R中继，完成光/电/光转换外，还需要具有对某些再生段开销字节进行监视的功能，如对再生段踪迹和误码监测字节（J0和B1）的监测。
图6.49所示是双向WDM系统。图中DM是具有波长选路功能的解复用/复用器。光发射机T1，T3…Tn-1发射波长为λ1，λ3…λn-1的光信号，经DM复用在一起，送入传输光纤，由西向东方向传输，在接收端，再经另一个DM的波长选择后送到各个接收机接收。λ2，λ4…λn是由东向西方向传输的信号。
图6.49 双向WDM光纤通信系统的组成
图6.50 WDM系统的参考配置
图6.50中给出了我国国标规范的WDM系统的参考配置，其中OM/OA（Optical Multiplexer/Optical Amplifier）表示光复用器/光功率放大器，OA/OD（Optical Amplifier/Optical Demultiplexer）表示光前置放大器/光解复用器。图中参数为：
S1…Sn：通路1…n在发射机光输出连接器处光纤上的参考点；
RM1…RMn：通路1…n在OM/OA的光输入连接器处光纤上的参考点；
MPI-S：OM/OA的光输出连接器后面光纤上的参考点，称为主通道接口的S点；
S'：线路光放大器的光输出连接器后面光纤上的参考点；
R'：线路光放大器的光输出连接器前面光纤上的参考点；
MPI-R：OA/OD的光输入连接器前面光纤上的参考点，称为主通道接口的R点；
SD1…SDn：是OA/OD的光输出连接器处的参考点；
R1…Rn：接收机光输入连接器处的参考点。
系统中各个接口的性能指标请见ITU-T的建议和我国关于WDM的标准。对于高速率、长距离的波分复用系统，采用nW-y.z表示无中继光放大器系统的应用代码，对于每种应用代码，nWx-y.z的含义是：
n是最大波长数目；
W是代表中继距离的字母，可为L、V或U，L代表长距离，V代表很长距离，U代表超长距离，如表5.4所示；
x是该应用代码允许的最大中继间隔的数目；
y是该波长信号的最大比特率（STM（同步传送模块等级）等级）；
z是光纤类型，如：2代表G.625光纤，3代表G.653光纤，5代表G.655光纤。
下表为2.5Gbit/s有/无中继放大器系统在G.652光缆上的色度色散容限值和目标传送距离。
| 应用代码 | L | V | U | nV3-y.2 | nL5-y.2 | nV8-y.2 | nL8-y.2 |
| 最大色散容纳值（ps/nm） | 1600 | 2400 | 3200 | 7200 | 8000 | 12000 | 12800 |
| 目标传送距离（km） | 80 | 120 | 160 | 360 | 400 | 600 | 640 |
在WDM系统中，光波长的稳定性是一个重要的问题，ITU-T已建议193.1THz（即1552.52nm）值作为WDM的参考频率，从而为WDM光信号提供较高的频率精度和频率稳定度。WDM的通道间隔是指相邻通路间的标称频率差，可以是均匀间隔，也可以是非均匀间隔的，适当设计的非均匀间隔可以用来抑制G.653光纤中的四波混频效应（FWM），减小非线性串扰。
但目前的规范和大多数的应用多采用均匀通道间隔。对通道间隔均匀的系统，ITU-T规定标准的波长间隔为0.8nm（在1.55μm波段对应100GHz频率间隔）的整数倍，如0.8nm、1.6nm、2.4nm、3.6nm等。对于超密集的WDM系统，也采用0.4nm的波长间隔。我国国标《光波分复用系统总体技术要求》中对32波以及16波、8波的WDM系统中心波长的规定如下表所示。
中心频率偏移定义为标称中心频率与实际中心频率之差。对于DWDM，解复用器带宽有限，为避免由于环境温度、温度的变化和器件的老化引起光波长偏离出解复用器的通带范围，光信道中心频率的偏移必须严格限制。我国国标规定，对于32通道和16通道WDM系统，在寿命终了时，最大中心频率偏移为±20GHz（约为0.16nm）。对于8通道WDM系统，为了将来向16通道系统升级，规定对应的最大中心频率偏移也为±20GHz。寿命终了值意味着即使在系统设计寿命终了，考虑到温度、湿度等各种因素仍能满足的数值。
有效的管理技术是WDM系统正常、经济、可靠和安全地运行的重要保证，在整个系统中发挥着举足轻重的作用。它的存在可以减少系统发生故障的几率，减少故障修复时间，增强网络的生存性和强壮性，降低运行、维护和管理成本。
由于WDM和SDH系统是处于不同“层”的信号，其网络管理也应分成不同的层面。对于实际运行的WDM系统，它既可以承载标准的SDH信号，也可以承载PDH（准同步数字系统）信号或其他的数字信号，甚至模拟信号。因此，WDM系统应有自己的独立的网管，与SDH网管平行，分别通过Q3接口同时送给上层的网络管理层。这样可以增加WDM系统承载的多样性，真正发挥WDM技术“业务透明”的特点。
带线路放大器的WDM系统需要附加光监控信道（OSC），对光层进行监控和管理。光监控信道的位置一般在EDFA的有用增益带宽外（成为带外OSC），根据我国国标的规定，光监控信道应满足以下条件：
（1）监控通路不限制光放大器的泵浦波长；
（2）监控通路不应限制两线路放大器之间的距离；
（3）监控通路不能限制未来在1310nm波长的业务；
（4）线路放大器失效时监控通路仍然可用；
（5）OSC传输应该是分段的且具有3R功能和双向传输功能，在每个光放大器中继站上，信息能被正确的接收下来，而且还可附加上新的监控信号；
（6）只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许OSC在双方向传输，以防一旦一根光纤被切断后，监控信息仍然能被线路终端接收到。
在目前的WDM系统中，监控信道使用的波长为（1510±10）nm，速率为2Mbit/s，采用伪双极性CMI码型。主光通道和光监控信道的关系如图6.51所示。
图6.51 主光通道和光监控信道的关系
由于波分复用系统的容量很大，又常常在干线网或大城市的城域网中，安全性能特别重要。点到点线路保护主要有两种保护方式：
/◇一种是基于单个波长，即在通道层实施的1+1或1:N的保护。通道层的1+1保护对所有的系统设备都需要有备份，单波长信号在发送端被永久桥接在工作系统和保护系统上，在接收端监视从这两个WDM系统收到的信号状态，择优接收。
这种方式的可靠性比较高，但是成本也较高。通道层的1:N保护可以使N条链路中的某个波长通道由保护链路中的同一波长通道来保护，从而提高了保护通道的利用率。考虑到一条WDM线路可以承载多个波长通道，因而也可以使用同一WDM系统内的空闲波长作为保护通道。
◇另一种是基于光复用段上的保护，即在光路上，同时对多个波长信号进行保护，这种保护也称为光复用段共享保护（OMSP）。此保护只在光路上对多波长信号进行保护，不对终端设备进行保护。
图6.52所示为光复用段共享保护（OMSP）框图，在发送端使用1:2光分路器将合路的光信号分送到工作系统和保护系统，在接收端，通过1×2光开关对光信号进行选路。但这种保护只有在独立的两条光缆中实施才有真正的实际意义。
图6.52 光复用段共享保护
自20世纪90年代以来，实用的WDM系统和实验系统的容量迅速增长，单根光纤传输速率的记录频繁刷新，在2001年的OFC上，NEC和ALCATEL公司分别报道实现了10.92Gbit/s和10.02Gbit/s超密集、宽带WDM试验系统。下面简单介绍当前国际上容量最大的DWDM试验系统。
日本NEC公司在2001年OFC会议上报道的10.92Tbit/sWDM实验系统，系统框图如图6.53所示。
该系统单信道的传输速率为40Gbit/s，共有273个信道，分布在3个波段，S波段含有85个信道（Ch.1～85），波长范围为1476.81nm～1508.01nm；C波段含有92个信道（Ch.86～177），波长范围为1526.83nm～1563.05nm；L波段含有96个信道（Ch.178～273），波长范围为1570.01nm～1610.06nm。每个波段又分为奇数和偶数两组，奇数组和偶数组采用偏振复用。
图6.53 10.92Tbit/s三波段、超密集WDM试验系统
为了同时放大如此之多的信道，系统采用了掺饵光纤放大器（EDFA）、增益移位的EDFA（工作在 L 波段）、新型掺铥光纤放大器（TDFA，工作在S波段）以及宽带分布式拉曼光纤放大器。该系统在接收端采用色散补偿光纤（DCF）补偿117km光纤的色散。为了抑制非线性光学效应对传输性能的影响，该系统采用大有效面积、低损耗的纯石英芯子光纤（PSCF）。这种光纤的有效面积可以达到110μm2，而损耗仅有0.17dB/km。
该实验系统显示了光纤通信巨大的、近乎无限的带宽资源，是未来信息社会最主要的传输媒质。随着光网络的发展，光纤通信不仅在传输领域，而且在交换领域必将扮演越来越重要的角色。
WDM合波/分波器
WDM合波/分波器是波分复用系统的核心部件，其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。前面介绍的光滤波器原则上都可以用来实现合波/分波器。目前，WDM合波/分波器可以有多种方法来制造，制造的器件各有特点。下面就几种常用器件作一简要介绍。
（1）多层介质薄膜MDTFF
这种器件依赖于从薄层束反射的许多光波之间的干涉效应，如下图所示。如果每层的厚度是λ/4，那么，当入射角等于零即垂直入射时，波长为λ的光在通过每层后得到相位位移π。因此，反射波与入射波相位相反，它们将成相消性干涉，也就是相互抵消。换句话说，波长为λ的光将不被反射，这意味着这个光通过，所有其他的光将被反射，这就是滤波。如果每层厚度等于λ/2，那么反射波将成相长干涉，也就是它们和入射波将同相位并相互相加。这就使它变成了一个高反射镜。
多层介质薄膜MDTFF
利用这种特性，在基底G上镀多层介质膜。多层结构增强了效果，使滤波特性接近理想状态。这个技术在光学中已应用多年，一个最流行的应用是在相机、眼镜和类似的光学仪器中的防反射涂层AR。在光纤通信技术中，这样的滤波器用微镜片技术生产。
典型的多层介质膜滤波器如下图所示。利用楔状玻璃镀λ1、λ2、λ3、λ4和λ5滤光膜，当λ1～λ5的光从同一根光纤输入时，首先λ1通过滤波器输出，其余被反射，继而λ2通过滤波器输出，依此类推，达到解复用的目的。这种结构中，棒透镜主要起构成平行光路的作用。如改变传输方向，则起波长分割复用的作用。
MDTFF复用器
多层介质膜型波分复用器一般用于多模光纤通信系统，其插入损耗为1～2dB，波长隔离度可达50～60dB。这种波分复用器是分立元件组合型，装配调试较为困难，但波长间隔可按需要制造。
（2）熔锥型
利用熔锥型耦合器的波长依赖性可以制作WDM器件，其耦合长度Lc随波长而异。对于一特定的耦合器，不同波长的理想功率耦合比（即抽头比或相对输出功率）呈正弦形，从而形成对不同波长具有不同通透性的滤波特性，据此可以构成WDM器件。下图给出了一个双波长的熔锥耦合器的耦合特性。由图可知，随着拉伸长度的改变，不同的波长耦合比不同，如当耦合长度为4.5cm时，两个波长就可实现分离。
双波长熔锥型波长耦合器的特性
熔锥型WDM器件的优点是插入损耗低（单级最大小于0.5dB，典型值为0.2dB），无需波长选择器件，十分简单，适于批量生产，并且有较好的光通路带宽/通路间隔比和温度稳定性。不足之处是尺寸很大，复用波长数少（典型应用是双波长WDM），光滤波特性对温度十分敏感，隔离度较差（20dB左右）。采用多个熔锥型耦合器级联应用的方法可以改进隔离度（提高到30～40dB），并增加复用波长数（小于6个）。
小结
无源器件的发展对光纤通信系统和网络的发展有重要的促进作用，因为器件上的每一次重大突破都会对系统和网络的演变产生深远的影响。本章先介绍了光纤通信中常用的光纤型、波导型和微光学型无源器件，介绍了它们的物理机理、外部特征和应用情况。尽管这些器件在一个大的通信系统或光网络中显得微不足道，但它们是不可或缺的，正确地使用这些器件对改善光纤通信系统和光网络的性能有明显作用。
本章后两节着重介绍了光纤通信中两种重要的无源器件：波分复用、解复用器和光开关。波分复用技术给光纤通信带来巨大的带宽和难以估量的潜在的传输容量，成为长途干线网首选的传输方式，而波分复用系统的实现离不开性能良好的复用、解复用器。本章介绍了3种密集波分复用系统中常用的复用、解复用器：光栅型、干涉膜滤波器和阵列波导光栅型。其中干涉膜滤波器是串行器件，尽管性能良好，但不太适宜制造端口数非常多的复用、解复用器件，而光栅型和阵列波导光栅型器件，适宜制造端口数非常多的复用、解复用器件。
光开关是构造光分插复用器、光交叉连接器和光交换矩阵的核心器件，在光网络中有重要应用，也是近年来发展迅速的光器件。本章着重介绍了3种最常用的光开关：机械性、微机械型和热光型光开关。
机械型光开关通过移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜等方式实现开关的通断，具有插损小、隔离度高、技术成熟等优点，但体积较大，主要以2×2或1×n的形式用于光分插复用器或光网络的保护倒换中。
微机械型光开关利用静电控制的微镜矩阵的旋转可以实现小体积和多端口，是一种有发展前途的光开关类型。
热光型光开关利用薄膜加热器改变波导局部区域的折射率，通过改变光传输的相位差实现光的通断，由于采用波导型结构，也可以构造端口数较多、体积较小的光开关。
在介绍了波分复用、解复用器的基础上，本章最后一节介绍了波分复用光纤传输系统，介绍了WDM系统的组成与参考配置、标称波长和管理技术，并给出了当前世界上容量最大的WDM传输系统的概况。