光纤通信基本知识-无源器件X.ppt

第4章 光纤通信无源器件,光 无 源 器 件,一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。,无源器件,连接器和接头p92光纤耦合器、波分复用器p94光纤隔离器、光纤环行器p99光调制器p102光开关p98光纤光栅,常用连接器类型,常用连接器类型,FC Type,SC Type,SC2 Type,FDD Type,常用连接器类型,BICONIC Type,D4 Type,SMA 905 Type,SMA 906 Type,MINI BNC Type,连接头端面类型,4.1连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。表3.5给出光纤连接器的一般性能。接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器，其特性主要取决于结构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜大规模生产，因而得到很广泛的应用。,表 3.5 光纤连接器一般性能,图示给出精密套管结构的连接器简图，包括用于对中的套管、带有微孔的插针和端面的形状(图中画出平面的端面)。光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接。要求光纤与微孔、插针与套管精密配合。对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在1m以内，轴线倾角小于0.5。普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触(PC)型。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命(插拔次数)和工作温度范围(插入损耗变化0.1 dB)大大改善。,一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成2纤或4纤连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精密V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。这种多纤连接器配合高密度带状光缆，适用于接入网或局域网的连接。对于实现固定连接的接头，国内外大多借助专用自动熔接机在现场进行热熔接，也可以用V形槽连接。热熔接的接头平均损耗达0.05 dB/个。,耦合器实物图,无源器件,耦合器（coupler）主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用,无源器件,耦合器（coupler）p94基本结构耦合器是双向无源器件基本形式有树型、星型与耦合器对应的有分路器（splitter）,无源器件,耦合器以图1形表示图1,4.2光耦合器 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。1.耦合器类型p94 图2给出常用耦合器的类型，它们各具不同的功能和用途。T形耦合器这是一种22的3端耦合器，其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。,图 2 常用耦合器的类型,这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器。星形耦合器这是一种nm耦合器，见下图3（a），其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分配器。定向耦合器这是一种22的3端或4端耦合器，其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。见图3(c)，光信号从端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。,波分复用器/解复用器(也称合波器/分波器)这是一种与波长有关的耦合器，见图2(d)。波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。2.基本结构 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，图3图6示出这三种类型的有代表性器件的基本结构。,图 3光纤型耦合器(a)定向耦合器；(b)88星形耦合器；(c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器,光纤型把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。这种方法可以构成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解复用器。图3(a)和(b)分别示出单模22定向耦合器和多模nn星形耦合器的结构。单模星形耦合器的端数受到一定限制，通常可以用22耦合器组成，图3(c)示出由12个单模22耦合器组成的88星形耦合器。图3(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。如图4，光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到 Pa=cos2(CL)(4-1)Pb=sin2(CL),图 4 光纤型波分解复用器原理,式中，L为耦合器有效作用长度，C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。设特定波长为1和2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得当光纤a的输出Pa(1)最大时，光纤b的输出Pb(1)=0；当Pa(2)=0时，Pb(2)最大。对于1和2分别为1.3m和1.55m的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度大于20 dB。微器件型用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和波分解复用器，如图5所示。,图5微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复,波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。图6示出波导型T型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。3.主要特性 说明耦合器参数的模型如图6所示，主要参数定义如下。,图6 波导型耦合器,由此可定义功率分路损耗Ls：Ls=10lg,附加损耗Le由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示 Le=10 lg,插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示,Lt=10lg,方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示,DIR=10lg,一致性U是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。下表列出波长为1.31m或(和)1.55m单模光纤型耦合器和波分复用器/解复用器的一般性能。,耦合器的一般性能,无源器件,波分复用器p100WDMWavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。,无源器件,波分复用器（图例）,波分复用器的一般性能,光纤耦合器的制作-制作方法：,1.蚀刻法：最先是由Sheem和Giallorenzi发明，将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包层，从而使光纤纤芯相接近，实现两光纤间的耦合。这种方法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而且对环境温度的变化很敏感，缺乏使用价值。2.研磨法：Bergh等人发明了光纤研磨法，是将每根光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光通量，研磨结束后，在磨面上加以小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。这种办法克服了分立元件法的一些缺点，并可做成分光比可调的耦合器（目前仍是制作这类器件的一种选择），器件的实用性也有所提高，但制作困难，成品率低，环境特性也不理想。,光纤耦合器的制作-制作方法：,3.熔融拉锥法：具体是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光的耦合。常用的加热源是氢氧焰或氢焰等，加热源有的采用固定式，有的采用可移动式。这种方法可以用计算机较精确地控制各种过程参量，并随时监控光线输出端口的光功率变化，从而实现制作各种器件的目的。,熔融拉锥法-设备,熔融拉锥法-设备,4.3光隔离器与光环行器p99 耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。然而在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。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。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1 dB，隔离度的典型值的大致范围为4050 dB。,首先介绍一下光偏振(极化)的概念。单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：State of Polarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。隔离器工作原理如图7所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且其旋转方向与光传播方向无关。,图 7 隔离器的工作原理,法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图8所示。,图 8 一种与输入光的偏振态无关的隔离器,具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:Spatial Walkoff Polarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片。这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45。因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出，如图8(a)所示。,另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图8(b)所示，于是就起到隔离作用。环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图9所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。光环行器主要用于光分插复用器中。,图 9光环行器(a)三端口；(b)四端口,4.4光调制器p102 为提高光纤通信系统的质量，避免直接调制激光器时产生线性调频的限制，要采用外调制方式，把激光的产生和调制分开。所以在高速率系统、波分复用系统和相干光系统中都要用调制器。调制器可以用电光效应、磁光效应或声光效应来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。这种晶体的折射率n和外加电场E的关系为 n=n0+E+E2 式中，n0为E=0时晶体的折射率。和是张量，称为电光系数，其值和偏振面与晶体轴线的取向有关。,根据不同取向，当=0时，n随E按比例变化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。当=0时，n随E2按比例变化，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，改变了入射光的相位和输出光功率。图10是马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器的简图。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。设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率 P=1+cos,图10 马赫-曾德尔干涉仪型调制器,式中Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，U为光功率变化半个周期(相位为0)所需的外加电压，并称为半波电压。由式(3.35)可以看到，当Us+Ub=0时，P=2为最大；当Us+Ub=U时，P=0。图11给出这种调制器的工作原理。用于幅度调制(AM)的MZ型调制器可以达到如下性能：外加电压11 V，带宽为3 GHz时插入损耗约6 dB，消光比(最小输出和最大输出的比值)为0.006。,图 11 马赫-曾德尔干涉仪型调制器特性,4.5光开关p98 光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。光开关可分为两大类：一类是机械式光开关，利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换；另一类是非机械式光开关也叫固体光开关，利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。机械光开关的优点是插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度慢。固体光开关正相反，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。两类光开关的一般性能如下表所示。,移动光纤式机械光开关,热光开关,折射率受温度影响,两类光开关一般性能,4.6光纤光栅定义：光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，简称FBG）,FBG的发现与发展,光纤布拉格光栅（FBG）是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件(如右图所示)。,1978年，加拿大Hill 等人使用如左图所示的实验装置将488nm的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制，从而发现了光纤的光敏特性，并制成了世界上第一个光纤布拉格光栅。,FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为B=2neff，其中，为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。,设光纤纤芯折射率为,由耦合模理论得到光栅的反射光谱为,最大反射率为,反射谱带宽为,光纤光栅分类,类光栅掺杂浓度较低的光纤内形成较低UV曝光量局部缺陷引起折射率变化折射率变化n10-510-30温度稳定性较差（300）可使脉冲或连续激光，前者更有效A（）类光栅掺杂浓度较高的光纤内形成较高UV曝光量（500J/cm2)，结构重构引起折射率变化折射率变化n0温度稳定性较好（500）可使脉冲或连续激光类光栅极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度物理破坏引起折射率变化折射率变化n可达10-2温度稳定性好（800）只能使用脉冲激光,FBG写入技术,FBG制作对UV激光器的要求输出波长及其稳定性空间及时间相干性输出功率或脉冲能量及重复率光斑质量偏振特性光束指向稳定性用于FBG制作的UV激光器倍频氩离子激光器准分子激光器倍频铜蒸气激光器倍频可调谐染料激光器倍频可调谐OPO三倍频YAG激光器Alexandrite(紫翠玉)激光器FBG写入技术分类内部写入法双光束干涉法掩模法模板+双光束干涉法逐点写入法其它写入法,双光束干涉法掩模法,光纤滤波器是光纤通信中的一个重要的无源器件，光纤光栅的出现真正实现了全光纤型滤波器。光纤光栅滤波器成本低、与光纤兼容、易于集成等优点是光纤通信系统中理想的器件。随着光纤光栅制作技术的成熟和各种波长调节手段的丰富，现在可以实现从15201560 nm全波段单通道和多通道的宽带、高反射率的带阻滤波器和窄带、低损耗的带通滤波器，另外应用于增益平坦的光纤光栅滤波器得到了人们的广泛的关注，除此之外光纤光栅还用于SDH系统的色散补偿以及WDM系统的分插复用。,光纤光栅在通讯及滤波器中的应用,FBG在光通信中的应用,波分复用与解复用波长锁定光纤放大器增益平坦色散补偿上下路复用与解复用光CDMA,基于光纤光栅结构的光分插复用器(a)简单光分；(b)光分插,波长锁定,色散补偿,由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度、低成本以及与普通光纤良好的兼容性等优点，所以现在越来越受关注。由于光纤光栅谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以现在主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。其传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。现在光纤光栅传感器已被用于各个方面，例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、铁路、地球技术、油田气库的监测。现在传感器的一个发展方向就是多点、分布式，它们主要是利用WDM，TDM，SDM，CDMA的组合。,光纤光栅在光纤传感器种的应用,