光无源器件-电子通信专业.ppt
第三章 光器件,光纤通信,张树东 光信息科学与技术曲阜师范大学物理工程学院,光纤通信用光学元器件,有源器件:,无源器件:,光源:LED,LD,光检测器:PD,PIN,APD,光放大器:EDFA,连接器,耦合器,光开关,隔离器,波分复用器,调制器,光器件,需外加电源驱动,无需外加电源驱动,第三章 光器件,3.1 连接器3.2 耦合器3.3 可调谐光滤波器3.4 波分复用/解复用器3.5 调制器3.6 光开关,3.7 光隔离器3.8 光环行器3.9 光分插复用器3.10 波长变换器3.11 偏振复用器,光纤连接器:用于光纤线路与光端机(光发射机,光接收)或其他光无源器件之间的连接的器件,是可以插拔的,有时也叫光纤活动连接器。,3.1 连接器(Connectors),1.基本结构及工作原理,工作原理:采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95以上的光能通过连接器。,基本结构:,套管结构,3.1 连接器,连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分,1.基本结构及工作原理,3.1 连接器,光纤插针的端面有:,平面、球面(PC,Physical Contact)或斜面(APC,Angled Physical Contact)。,1.基本结构及工作原理,3.1 连接器,套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。,对中可以采用:,双锥结构,V形槽结构,球面定心结构,透镜耦合结构,2.对连接器的要求,3.1 连接器,连接损耗(插入损耗)小；回波损耗大；多次插拨重复性好；互换性好；环境温度变化时，性能保持稳定；并有足够的机械强度,按功能分类:,连接器插头(Plug Connector)适配器(Adapter)转换器(Converter)光缆跳线(Cable Jumper)裸光纤转换器(Bare Fiber Adapter),3.1 连接器,3.连接器的种类,按连接方式及外形分类:,3.1 连接器,3.连接器的种类,ST(Spring Tension)：,有FC型、SC型和ST型,FC(Ferrule Connector)：,SC(Square/Subscriber Connector):,表示用螺纹连接,表示轴向插拔矩形外壳结构,表示弹簧带键卡口结构。,FC,SC,ST,3.1 连接器,3.连接器的种类,如 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和 ST/PC,转接器的通常表示,连接器的类型/光纤插针端面结构,各种单模光纤连接器的结构特点和性能指标,4.连接器的损耗,3.1 连接器,固有损耗:,3.1 连接器,外部损耗:,.主要性能指标,插入损耗:插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数,回波损耗:又称后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数,重复性和互换性:连接器多次插拔或互换后，插入损耗的变化.,3.1 连接器,.接头,3.1 连接器,接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接,接头制作方法,热熔连接：高压电弧加热把两个光纤端面熔合,机械连接：用V形夹具使光纤准直，用热固化及环氧树脂粘结加固,光耦合器:将光信号进行分路和合路的器件.,3.2 光耦合器(Optical Coupler),光耦合器连接三个或三个以上点光信号必须在多个输出端口分配,信号强度降低,光耦合器分类,光功率耦合器光波长(合/分波）耦合器,从功能上:,从端口形式上:,X 形(2 2),Y 形(1 2),星形(M N,N2),树形(1 N,N2),T 形(1 2),3.2 光耦合器,分类,常用耦合器的类型,T形,星形(M N),树形(1 N)波分复用器/解复用器(即合波器/分波器),X 形定向耦合器(2 2),3.2 光耦合器,22定向光纤耦合器是构成其它光学元件的基础，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给 2 根光纤，可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器,1-2和3-4 为直通臂,1-3和2-4 为耦合臂,如1端输入,则2和3端输出,4端无输出,22,3.2 光耦合器,22定向光纤耦合器,88星形耦合器,3.2 光耦合器,.NN星形耦合器,NN星形耦合器的功能是把 N 根光纤输入的光功率组合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。,22耦合器组成的星形耦合器,光纤耦合器的特性参数,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,插入损耗(Insertion Loss):L,表示特定的端口到另一端口路径的损耗.如从输入端口1到输出端口2的插入损耗为，用L表示,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,隔离度(Degree of Isolation):or 串话(音)干扰(Crosstalk),由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出.但实际上端4还是有少量光功率输出P4,其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为,一般要求：A20dB,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,分光比(Splitting Ratio)or 耦合比(Coupling Ratio):CR,1)两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率，则端2和端3分光比:CR=P2/P3,一般为1:11:10,2)一个输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,附加损耗(Excess Loss):Le,由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，用全部输出端的光功率总和与输入端的光功率总和的比,3.3 可调谐光滤波器(Tunable Optical Filter),可调谐光滤波器：是一种波长（或频率）选择器件，它的功能是从许多不同频率的输入光信号中选择出一个特定频率的光信号,HOF-DW 1.6 ITU波长滤波器,Alpha 可调式F-P型光滤波器,3.3 可调谐光滤波器,1.光滤波器分类,根据工作原理分:,干涉型,根据其调谐的能力:,光频固定滤波器,衍射型,吸收型,可调谐滤波器,法布里珀罗(F-P:Fabry-Perot)滤波器,马赫-曾德尔(M-Z:Mach-Zehnder)滤波器,布拉格(Bragg)光栅滤波器,阵列波导光栅(AWG)滤波器,3.3 可调谐光滤波器,2.法布里珀罗(F-P)滤波器,1)结构组成,可调谐滤波器 压电陶瓷管内外壁施加电压时管可伸长,以调节F-P腔长L,固定波长滤波器两块镜面均固定,由法布里-珀罗干涉仪(F-PI:Fabry-Perot Interferometer)构成滤波器.,3.3 可调谐光滤波器,2)滤波原理,驻波条件:,j 为整数,纵模:,纵模间隔:,or,or,3.3 可调谐光滤波器,3)滤波示意图,信道间隔,最高频率信道和最低频率信道间的频率差,滤波器的传输函数,滤波器带宽,纵模间隔,3.3 可调谐光滤波器,3.马赫-曾德尔(M-Z)滤波器,1)结构组成,3 dB耦合器:插入损耗为3dB,即两输出光功率均分输入光功率,马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉滤波器由两个3 dB耦合器串联组成.干涉仪的两臂长度不等(L)或存在折射率差(n),3.3 可调谐光滤波器,2)工作原理,双臂干涉.,若在输出端3,l2满足相长条件,而l1满足相消条件,则输出l2光,即:,输出位相差,3.3 可调谐光滤波器,一般式:,3.3 可调谐光滤波器,3)级联M-Z干涉滤波器,输入光波的频率间隔必须精确地控制在(Dv/2)的整数倍。,光信道间隔:,3.3 可调谐光滤波器,4.布拉格(Bragg)光栅滤波器,1)结构及原理,相邻反射光程差:,lB-Bragg波长,通常j=1,布拉格(Bragg)光栅滤波器由间距为 的N个平行半反射镜组成(称为布拉格间距),某个波长的N束反射光干涉相长,从而构成反射式滤波器.,3.3 可调谐光滤波器,2)光纤布拉格(Bragg)光栅,通常j=1,输出光中滤除了l2成分,纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光照射后产生周期性地调制而成,3.3 可调谐光滤波器,3)光纤光栅带通滤波器:在22光纤耦合器输出侧的两光纤上写入同样的Bragg光栅,即可构成带通滤波器.,通常j=1,3.3 可调谐光滤波器,5.阵列波导光栅(AWG)滤波器,阵列波导光栅(AWG,Arrayed waveguide gratings):各种波长的光波从光纤(1)衍射进入自由传播区(2),然后耦合到长度不等的光栅波导区(3),经历不同波导后衍射进入自由区(4),来自不同波导同一波长光波只有在特定位置的输出端才满足相干相长叠加,从而达到滤波的目的.,3.4 波分复用/解复用器(Wavelength Division Multipexers and Demultiplexers),波分复用/解复用器：波分复用器(WDM,Wavelength Division Multiplexers)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反,复用器,解复用器,3.4 波分复用/解复用器,1.波分复用器,熔拉双锥方法制造的星形耦合器,波导技术制成的多端星形耦合器,用光耦合器可实现波分复用,3.4 波分复用/解复用器,2.波分解复用器,1)棱镜解复用器,棱镜对不同波长的光有不同的折射角,3.4 波分复用/解复用器,2)衍射光栅解复用器,不同波长光的衍射角不一样,透射光栅,普通透镜反射光栅,渐变折射率透镜反射光栅,3.4 波分复用/解复用器,3.4 波分复用/解复用器,3)阵列波导光栅(AWG)解复用器,阵列波导光栅滤波器作为解复用器.,3.5 光调制器(Optical Modulators),调制器(Modulators):,主要外调制器:,电光效应,磁光效应,声光效应,电光调制器:,声光调制器:,磁光调制器:,光信号是用电信号调制光载波产生的。,直接调制：改变光源的驱动(注入)电流直接调制光源的输出强度。,外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。,3.5 光调制器,1.直接调制和外调制示意图,直接调制,外调制,强度调制(IM:Intensity Modulation)示意图,3.5 光调制器,2.电光调制器,电光调制器是利用电光材料的线性电光效应(Pockel effect)制成,折射率n和外加电场E的关系:,-电光系数,_线性电光效应或普克尔(Pockel)效应,_二次电光效应或克尔(Kerr)效应,1)电光效应,电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化,如铌酸锂(LiNbO3)晶体,3.5 光调制器,Ex,Ey分量经传输距离L后产生的相位为：,2)相位调制器,电场沿y方向施加;线偏振光偏振方向与y轴成45度,为E=0时折射率,电光系数,3.5 光调制器,3)强度调制器,外加电压为零时,Ex和Ey相位差为0,探测器探测不到光,在电光晶体前后设置处于正交状态的起偏器和检偏器,施加外电压,输出变成椭圆偏振光，部分光通过检偏器,其强度与施加的电压有关.,4)马赫-曾德尔干涉型电光幅度调制器,在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压,电压引起折射率变化。,3.5 光调制器,两波导的位相差,3.5 光调制器,3.5 光调制器,调制电压施加在两臂上,3.5 光调制器,3.电吸收波导调制器,电吸收调制器(EAM,Electro Absorption Modulator)是一种p-i-n半导体器件，其i层由多量子阱(MQW)波导构成。i层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。,当p-i-n无偏置时,入射光不被i层吸收,相当于输出“1”码;,当p-i-n反向偏置时,入射光被i层完全吸收,相当于输出“0”码.,3.6 光开关(Optical Switches),机械光开关包括微机械光开关波导光开关利用电光、磁光、热光和声光效应,光开关分类,光开关的要求:是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。,光开关:是转换光路,实现光信号交换的器件。,3.6 光开关,1.机械式光开关,1N移动光纤开关,12移动反射镜开关,优点:插入损耗小、隔离度好、消光比和偏振敏感性良好缺点:开关时间长,尺寸大，不易集成。,3.6 光开关,2.微机电系统光开关,微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统.,可升降微反射镜 MEMS 光开关,3.6 光开关,可旋转微反射镜 MEMS 光开关,3.6 光开关,可立卧微反射镜 MEMS 光开关,3.6 光开关,3.波导光开关,自行分析其工作原理.,3.6 光开关,4.热光开关(TOS),热光开关(TOS,Thermo-Optic Switches)是采用马赫-曾德尔干涉仪(M-ZI)结构,用薄膜加热器加热波导臂,从而改变波导折射率,最终改变两光波的位相差.,不加热时，器件处于交叉连接状态；,加热时,波导折射率变化,器件处于平行连接状态。,3.6 光开关,5.磁光开关,磁光开关是利用法拉第(Faraday)效应制成的开关,当偏振光穿过施加了磁场的透明介质时，会发生偏振旋转。偏振平面的旋转角与磁场有关。旋转角 和磁场强度H与材料长度L的乘积成比例,法拉第旋转器使光的偏振态(SOP:State Of Polarization)顺时针旋转45度.,磁光开关(隔离器)的工作原理,3.6 光开关,偏振器1和偏振器2的透振方向成45度放置,3.6 光开关,磁光式光开关,3.7 光隔离器(Optical Isolator),只允许光线沿光路单向传输的无源器件，用于解决光纤通信中光路中光反射的问题。,隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。,光隔离器:,3.7 光隔离器,光通信用的隔离器几乎都用法拉第磁光效应原理制成;当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将旋转角度;如果反射光再一次通过法拉第介质，则旋转角度增加到2。,1.磁光块状光隔离器,3.7 光隔离器,2.磁光波导光隔离器,基于法拉第旋转器和线性偏振片的隔离器不便于集成,因而开发基于平面集成光路(PIC:Photonic Integrated Circuit)的磁光波导器件.,集成光隔离器的基本工作原理是基于磁光薄膜的磁光法拉第效应.,3.7 光隔离器,正向传输的光在出Y2分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增强；反向传输的光在出Y1分支处时的总相移为，两光相消干涉而抵消。,非互易相移MZI型波导光隔离器,3.8 光环形器(Optical Circulator),光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，是一种单向传输器件,主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中.,端口 1 输入端口 2 输出;端口 2 输入端口 3 输出,3.8 光环形器,用光隔离器构成的光环形器,port2,port2,port1,port3,分束棱镜,反射棱镜,双折射棱镜,法拉第旋转器,相位旋转器,双折射棱镜,O,E,O,E,3.9 光分插复用器(OADM),光分插复用器(Optical Add-Drop Multiplexers,OADM)是在WDM网络中，在保持其它信道传输不变的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入.,阵列波导光栅(AWG)光分插复用器可重构光分插复用器(ROADM:Reconfigurable OADM)波长选择交换(WSS:Wavelength Selective Switches)ROADM 也叫:光交叉连接器OXC(Optical Cross Connect),3.9 光分插复用器,1.固定波长光分插复用器,从那个端口分出或从那个端口插入的波长是固定的.,对光纤光栅调谐取出所需要的波长，而让其它波长信道通过,也称分插滤波器,2.可编程分插复用器,3.9 光分插复用器,3.阵列波导光栅(AWG)光分插复用器,3.9 光分插复用器,NN星形波长分插复用(ADM)互联系统,3.10 波长转换器(Wavelength Converters),波长转换(Wavelength Conversion):把信号从一个波长转换到另一个波长。,起因:当相同波长的两个信道选通同一输出端时，由于可能的波长争用而出现阻塞.,波长转换的优点：节约资源（光纤、节点规模和波长）、简化网络管理并降低网络互联的复杂性.,3.10 波长转换器,1.光电再生波长变换,3.10 波长转换器,2.在SOA中增益饱和波长变换器,3.10 波长转换器,3.相位调制波长变换器,在M-Z干涉器的臂中放入SOA构成相位调制,3.11 偏振复用器件,非极化光通过双折射晶体产生正交偏振的寻常光和非寻常光,偏振分束器（PBS:Polarizing Beam Splitter）,3.11 偏振复用器件,通过光束的偏振态与晶体类型和延迟片厚度有关.,相位延迟和补偿器件,寻常光和非寻常光在同一方向传输，但有不同的速度，出射解理面的时间不同,从而合成特定偏振态的光.,第3章完,
