第10章光网络器件.ppt

第十章 光网络用器件,用途:实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。,类型：无源、有源无源主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光等有源主要包括：激光器、光检测器、光放大器等,分类：常用器件：光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、环行器、激光器、光调制器、光检测器波分复用器件：光滤波器、光复用器、光解复用器、光放大器光网络用器件：光开光,发展趋势：集成化、全光纤化,10.1 光 纤 连 接 器10.2 光纤耦合器10.3 光 开 关10.4 光纤激光器,10.1 光 纤 连 接 器,10.1.1 光纤连接器的结构与种类 光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。,光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图10.1所示。,图10.1 光纤活动连接器基本结构,1.光纤连接器的结构光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过，目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。,(1)套管结构套管结构的连接器由插针和套筒组成。(2)双锥结构双锥结构连接器是利用锥面定位。(3)V形槽结构V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准。,图10.2 V形槽结构,(4)球面定心结构球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。(5)透镜耦合结构透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，其结构分别如图10.3、图10.4所示。,图10.3 球透镜耦合结构图10.4 自聚焦透镜耦合,连接器的类型按接头外形分类,FC,SC,LC,NTT公司开发。其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣,日本NTT公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转，具有安装密度高的特点。,ST,由Bell lab开发出来。采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中连接器的密度。目前，在单模光纤方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位。,由ATT开发出来，是双锥型连接器。ST光纤连接器有一个直通和卡口式锁定机构。,10.1.2 光纤连接器特性评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。1.插入损耗 插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为：Ac-10lgP1/P0(dB)式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1为输出端的光功率。,2.回波损耗 回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：Ar-10lgPR/P0(dB)式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR表示后向反射光功率。,3.重复性和互换性 重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。,10.2 光纤耦合器,光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。,P1/N,P1/N,P1/N,耦合器的每个输入端的光功率被分配到所有输出端口,10.2.1 光纤耦合器的分类和应用 制作光耦合器可以有多种方法，大致可分为光纤型、微器件型、波导型等。,光纤耦合器,波导耦合器,衬底,SiO2,耦合器的应用,PASSIVESPLITTER,主要用途：功率分配,密集波分复用（DWDM）,光纤通信：损耗低、距离远、容量大,DWDM：光传输的划时代的革命,增加容量：时分复用、空分复用,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,1、光纤型,熔锥光纤型波分复用器结构和特性,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,公共臂,22 的光纤耦合器,熔融拉锥法的原理：熔融拉锥法就是将两根(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，实现传输光功率耦合的一种方法。,耦合光功率,耦合光功率P2跟以下参数有关：拉伸区长度2L+W拉伸区内逐渐变小的光纤半径r耦合区中两根光纤的半径差Dr,22光纤耦合器内的光功率分布,假设耦合器无损耗,两根光纤交替成为驱动光纤,k 是耦合系数,50:50,被驱动光纤与驱动光纤相位相差90 度,例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW，P3=6.3 nW，可以求得为：,光纤耦合器的散射矩阵表示法,假设器件无损耗,其中S为散射矩阵，sij=|sij|exp(jfij)为耦合系数,e 为光功率从端口1到端口2的耦合比例,例,设e=0.5，那么输出场Eout,1和Eout,2可以从输入场Ein,1和Ein,2得到，此时的散射矩阵可以写成令Ein,2=0，则有那么可以得到两个端口的输出功率为,和,NN 星型耦合器,多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器,级联的办法构造大规模光耦合器,由12个22耦合器组成的88星形耦合器,构成一个NN耦合器所需3 dB耦合器的数量：,一个NN星形耦合器附加损耗：,级联光耦合器的损耗,其中FT(01)为通过每个3 dB耦合器的输出功率与输入功率比,图 10.9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)光栅式解复用器,2、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)等微光学器件构成，如图所示。,衍射光栅型波分复用器结构示意图,光 纤,透 镜,光 栅,采用棒透镜的光栅型WDM,光 纤,棒 透 镜,光 栅,光栅,光栅是材料中的一个周期性结构或周期性扰动。这种结构使光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性。这种特性可以使用光栅方程描述：不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。,(1)干涉法干涉法是利用双光束干涉原理，将一束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。(2)相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。,光纤光栅的产生,外部写入法,紫外掩模写入法：1.用两束紫外光照射光纤并发生干涉2.掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加3.光栅永久写入光纤,光纤光栅应用波长滤波器,光纤光栅的应用,光滤波器光分插复用器色散补偿器传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变 温度6度的变化导致0.6 nm的中心波长的漂移,窄带滤波器,Dt,图10.10 波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；,3、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。,Mach-Zehnder Interferometer(MZI)解/复用器,22 MZI解复用工作原理,从端口1输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2+bDL+p/2,从端口2输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2+bDL-p/2,如果在输入端的波长满足bDL=kp(k为奇)两个支路的光在上输出端口相差2p的整数倍，在下端口的光相差p的整数倍，因此，光最终从上端口输出如果在输入端的波长满足bDL=kp(k为耦)那么光信号由下输出端口输出因此不同的波长可以解复用到不同输出端,b：传播常数,22 MZI复用器,选择合适的波长，或者说当DL满足关系：时，l1和l2可以被复用在一起。,多端口的MZI复用器,图10.15 波导阵列光栅,阵列波导光栅,基于相位阵列的WDM器件,AWG应用,1.复用解复用器2.波长路由选择开关,配合波长变换器可成为动态的波长路由选择器,10.2.2 光纤耦合器的特性1.插入损耗插入损耗(Insertin Loss，IL)定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为 其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口测到的光功率值；Pin是输入端的光功率值。,2.附加损耗附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学表达式为 式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。,3.分光比分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为 例如对于标准X形耦合器，11或5050代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。,4.方向性（串扰）方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：,式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。,5.均匀性均匀性就是衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为 式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。,6.偏振相关损耗偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：,在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。,7.隔离度隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着线路之间的“串话”小。其数学表达式为 式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输入功率值。,10.3 光 开 关,随着Internet的迅速普及和宽带综合业务数字网体系的发展，全光网络应运而生，而实现全光网络必须依赖于超高速率、超大容量信息比特的载入与传送、用户信息上下话路与分插复用、网络间信息的快速交换与共享和高效率经济的路由选择，这一切都离不开光开关或光开关矩阵。就目前而言，光开关主要应用是光交换系统和主备倒换系统，即利用光开关实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。随着全光网络的日益成熟和完善，100信道以上的光通信系统还需要光分插复用（OADM）技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（OXC）技术，这些都离不开超高速大规模集成的光开关矩阵。,10.3.1 光开关的应用范围,光开关（Optical Switching:OS）是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。,光开关基本的形式,光开关基本的形式是22:即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接 a)平行状态 b)交叉状态 大型的空分光交换单元可以由基本的22光开关以及相应的12光开关级联、组合构成。,光开关和光开关矩阵在全光网络中起着重要作用,在WDM传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取；在光时分复用（TDM）系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是OXC的关键器件，也是波长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为11、12，1N、22、2N、MN等多种，它们在不同场合中有不同用途。,光开关应用范围主要有：,(1)光网络的保护倒换系统(2)光纤测试中的光源控制(3)网络性能的实时监控系统(4)光器件的测试(5)构建OXC设备的交换核心(6)光分插复用(7)光传感系统(8)光学测试,10.3.2光开关的分类和主要性能参数,按其工作原理:机械式和非机械式两大类;按光开关利用光自由度的方式:空分型、波分型、时分型、自由空间型;依据光开关的交换介质:自由空间交换光开关、波导光开关、全光开关和其它类型的开关。,光开关主要性能参数,1.交换矩阵的大小 光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开关处于网络不同位置，对交换矩阵大小的要求也不同。在高速、大容量DWDM光传送网中，随着通信业务的急剧增长，光域内需要交换的波长数量大大增加。为适应将来电信业务的发展，需要提高光开关的交换能力，如在骨干网上要有超过1000 1000的交换容量。,2.交换速度,交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度上有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms时，对业务故障的重新路由时间已经够了。对SDH来说，当故障业务重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使用户感觉不到故障。当交换时间到达ns量级时，可以支持光因特网的分组交换，这也是光路由器的目标。但目前由于读取光信头和光存储技术的不成熟，光路由器仍有很大困难。,3.插入损耗,光信号通过光开关时，能量将被损耗。插入损耗:输入端口到输出端口的光功率的损耗 光开关损耗的产生主要有两个原因：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间光开关的插入损耗低于波导型光开关的损耗。如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约1-2dB.而妮酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4dB左右。损耗特性影响到光开关的级联数，限制了光开关的扩容能力。,4.串扰：由于光开关性能的不完善，开关中接通的主光通道的功率会泄露到其他通道，形成串扰，影响输出信号的质量。串扰和开关的隔离度、消光比特性有直接的关系。5.阻塞特性：严格无阻塞特性指光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为重要。光开关要求具有严格无阻塞特性。,6.升级能力 基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为88或3232，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城域网的OXC，而不适用于骨干网上7.稳定性和可靠性 光开关应具有良好的稳定性和可靠性。在长时间使用和频繁动作的情况下，光开关应有良好的连接的稳定性、重复性和可靠性。有些情况（如用做保护倒换开关时），光开关动作的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。,10.3.3 MEMS光开关,2.3.1传统的机械光开关 机械光开关:依靠光纤或光学元件（透镜或反射镜）的移动使光路发生改变，将光直接送到或反射到输出端。,1.棱镜式光开关示意图,2.反射镜型光开关示意图,3.移动光纤型光开关,机械式光开关优缺点,优点:是插入损耗低(45dB)与波长和偏振无关，制作技术成熟。缺点:在于开关动作时间较长（ms量级）；体积偏大，且不易做成大型的光开关矩阵；有时还存在回跳抖动和重复性差的问题。机械型光开关在最近几年已得到广泛应用，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。,微机电系统,微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)构成的微机电光开关已成为DWDM网中大容量光交换技术的主流。它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。通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右)、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约5ms)，插入损耗小于1 dB。,微机械光开关优缺点,具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了它们所固有的缺点；采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那样，集成在单片硅基上；基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和康宁等公司。,微电机系统(MEMS)光开关 MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是指一种在半导体材料（如Si）上制作微机械结构的集成工艺。将MEMS技术应用于光子交换领域，出现了新型的微机械光开关(MEOMS)。基本原理：利用静电效应将外部激励转化为某种机械动作，通过微传动装置牵引光路中的自由镜面，使之发生旋转，从而改变光束传播方向。MEOMS器件将电子、机械和光路功能集合于同一芯片，既具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样开关速度较快、体积微小、易于大规模集成。对于未来的骨干光网络或大容量业务交换的应用场合，基于MEMS光开关技术的解决方案已成为主流选择。,二维微电机系统(MEMS)光开关示意图,二维MEMS开关需要N2个微镜来完成NN自由空间光交叉连接,二维微镜转动示意图,三维MEMS光开关,三维是通过光束偏转改变光束方向，实现光交叉互连。其在N路输入光纤和N路输出光纤之间使用了2N个微镜，每个微镜有N个可能的位置，从而实现NN开关矩阵。,开关微镜及其阵列的显微照片,在2001年的OFC会议上，朗讯公司已报导他们研制的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（单纤复用40个信道，每路信道传送40Gbit/s信号），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。商用的44的MEMS的开关速度为10ms左右，损耗约为3dB；而1616光开关的损耗为7dB，开关时间约20ms,10.3.4 声光开关技术,声光开关是利用介质的声光效应制作的光开关。声光效应是指声波通过材料产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。利用声致光栅使光偏转做成光开关,声光开关原理,在y方向，控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，在声波的作用下，晶体的折射率将沿声波的传输方向(y)呈周期性变化，在介质中形成一个相位光栅。当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。,10.3.5热光效应开关,热光开关和电光开关的结构可以是相同的，但是产生开关效应的机理不同。这里的热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。,热光光开关分类,目前主要有两种类型热光光开关：干涉式光开关(Interferometric Switches)数字光开关(DOS:Digital Optical Switches)也叫分支器型热光开关,干涉式光开关主要利用马赫增德尔（M-Z：Mach-Zehnder）干涉原理制造，主导思想是利用光相位特性，光的相位与光的传输距离有关，输入光被分成两路，在两个分开的光波导里面进行传输，再合并。在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的,MZI型热光开关,MZI型光开关包括一个MZI和两个3dB耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在MZI的干涉臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。,原理：1.若薄膜加热器处于关闭状态，此时MZI相移量为0,考虑到3dB耦合器沿耦合臂输出方向与沿直通臂输出方向相比存在/2的相位滞后.在O2端，来自I1的两束入射光一路经过耦合器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位差为从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至关断；而在O1端，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，即入射光的能量主要从O1口输出。热光开关为交叉连接状态。,2.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兀相移，那么在O1和O2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。通过控制热光移相器在0和兀两个状态之间动态转换，就可以实现光开关的动作。,双MZ型热光开关,数字式光开关,原理：加热时下面的波导折射率减小，从而阻止光沿着该分支传输（即处于“关”的状态）,Y分支器型热光开关一般功耗比较大(200mW左右)，插损约3-4dB消光比约20dB。,数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1x2热光开关由在硅基底上制作的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬形成微加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定，在于只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功耗小，但插人损耗较大，一般为 4dB。,10.3.6 喷墨气泡光开关,气泡光开关是Agilent在成熟的Si02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Si02衬底层，采用PLC工艺集成了纵、横分布的两束波导，每束波导又包括若干平行的波导线路。纵向和横向波导大致成1200角交错排列，在经过每个线路交叉点的地方另外刻蚀出一系列沟槽，从两侧的填充孔向槽内注入某种与Si02材料折射率相匹配的液体,气泡光开关,匹配液被加热形成气泡对通过的光产生全反射,Agilent公司已制出32x32光开关子系统开关时间小于10ms,串扰做到-70dB,10.3.7 液晶光开关,液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。它既有液体的流动性，又有晶体的取向特性。当液晶分子有序排列时表现出光学各向异性，光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应 液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。,液晶光开关通过电场控制液晶分子的方向实现开关功能。其典型工作原理如图,10.3.8半导体光放大器开关,半导体光放大器开关利用半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，简写为SOA）的放大特性，实现特定波长的交换。半导体光放大器（SOA）是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器，当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。,低电压处于关断(OFF)状态时，SOA对入射光不透明，即光信号在SOA内部被吸收；高电压泵浦处于导通(ON)状态时，允许入射光线穿过SOA,并同时可获得增益。,SOA开关是一种有源器件，泵浦增益补偿了开关损耗，在实现无插损的同时可以提供大约12dB（数据由Alcatel提供）的典型增益。SOA开关还具有消光比高（大于50dB）、偏振不敏感（小于1dB）、开关速度快（小于1ns）、易于集成等特点，在未来的光联网应用中（尤其是构造高速分组光网络）代表了一类颇具潜力的光交换技术。,10.4 光纤激光器,光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质，而该光纤本身又起到导波作用的固体激光器。由工作物质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。优点：散热性能好、转换效率高、激光阈值低；谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等。可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。,10.4.1 掺杂光纤10.4.2 光纤激光器的谐振腔10.4.3 掺稀土元素的光纤激光器10.4.4 超荧光光纤激光器(SFS),10.4.1 掺杂光纤,一、掺杂元素掺稀土元素镧系Xe6S2，外层都为为5S25P66S2镧系元素电子结构的差别只在4f壳层的电子占有数。1、掺杂浓度 最佳在100ppm量级。太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。,2、掺杂光纤的基质（1）石英玻璃 石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响：产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。（2）重金属氟化物玻璃优点：通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。易于成纤。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。,二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性1、Er 3+、Nd 3+的电子能级,4I13/2,4I 15/2,Er 3+,Nd 3+,能级分裂,4F 5/2,4F 3/2,4F 5/2,2、掺稀土光纤的光谱特性,掺钕光纤：使用800nm、900nm、530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1350nm波长处得到激光。掺铒光纤：使用800nm、900nm、1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1536nm波长处得到激光。掺铒光纤存在最佳光纤长度（约10m）。,Er3+,Nd3+,3、掺杂光纤的激光特性 掺铒的三能级系统：基态E1、亚稳态 E2、高能级E3。从E3 E1，泵浦几率为WP，跃迁几率为WP。E3 非辐射E2，几率为S32；E3 自发辐射和非自发辐射E2、E1，几率为A32、A31、S31。选择工作物质要求：A32、A31和S31 S32 以及S32 WP(3-1)，N2 N1。一般选择A21较小的工作物质。,A32,因此有速率方程组：dN3/dt=(N1-N3)WP-N2 S32 dN2/dt=N1 W12+N3 S32N2 W21 N2(A21+S21)N1+N2+N3=NtNt是工作介质内的总粒子数密度。这三个方程为三能级系统的速率方程组。可见，只要WP(1-3)足够大，就能实现粒子数反转，掺稀土光纤就变成激活介质，对频率为(E2-E1)/h的信号具有放大作用。,一、FP腔1.结构M1:对泵浦光高透；对激光高反M2:对激光高反（低增益系统95%；高增益系统 75%）2.光传输特性 理论波动光学。假设：谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。,10.4.2 光纤激光器的谐振腔,光在腔内传输来回一次后的光强为：要保证激光在腔内振荡，要求：反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件)：,增益系数,平均损耗系数,纵模和横模 在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；轴线方向形成驻波，称为纵模。节数为q，为纵模序数。与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模，用LPml表示，为线性偏振模。m为方位数，表示垂直光纤的横截面内沿圆周方向方位角从0到2光场的变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数(节线数)。LP01表示基模，它的角向径向节线数没有变化，为圆形光斑。,二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器1、光纤环行谐振腔 泵浦光由1端进入，经耦合器进入环行腔。激励的激光与泵光无关。产生的激光由4端到3端。经耦合器分为2束：一束从2端输出；另一束由4端返回并被谐振放大；如此反复。其中储存了能量。,掺杂光纤,耦合器：4端出射光比1端入射光停滞后/2。,2、光纤圈反射器 普通单模光纤制成的耦合器的重要特性：只要在工作波长下单模运行，在两个输出端与输入端之间存在固定相位差，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位/2。光纤圈的功率反射率R、透射率T为：从2端的透射功率总和为0：134 2 的的顺时针光场相位差为0，与从1 4 3 2的逆时针光场的相位差为。两光场因为振幅相同、相位相反而抵消，总和为0。光从1返回。,SMF,3、光纤圈谐振腔 光纤圈为非谐振的干涉仪结构。注意分束器的取向。其中没有能量储存。,透射,反射,反射,透射,光波既可以通过另一端输出；又可以再从输入端反射。,4、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，通过一条掺杂光纤熔锥而成的全光纤激光器。激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。由此得到谐振腔的有效腔长为：,L1,L2,L,掺杂光纤,三、可调谐光纤激光器 光纤激光器有较宽的波长调节范围，比染料激光器的化学性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著。1.反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔 使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为M级，闪耀角为，光栅常数为d，则光栅方程为：,只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的入射角在 附近变化，就能实现调节波长。,可调谐激光器 采用这种结构，利用氩离子激光器的514nm的光作为泵浦光，分别激励掺铒光纤及掺钕光纤,可调谐的波长范围分别为25nm和80nm。由于分束器与光学元器件带来了腔内损耗，导致阈值功率提高。,14 nm,11 nm,四、(反射镜+光纤圈反射器形式)可调谐输出激光器光纤圈的功率反射率为：,激光反射率大于95%,泵浦光反射率为5%,通过改变温度来调节光纤圈的反射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大。,五、窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用：达到窄带输出。B是布拉格波长，d是光栅周期，ne是有效折射率。,激光线宽0.06 nm,六、光纤Fox-Smith谐振腔 一般地，14段及13段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：选择适当的l3、l4以致于在整个荧光线宽内只有一个纵模在振荡。则可以实现单纵模运转。,10.4.3 掺稀土元素的光纤激光器,1)以980 nm的半导体光源作为泵浦源；2)掺Er 3+光纤中Er 3+的受激辐射产生Laser。,一、掺Er 3+光纤激光器的示例1、Er 3+的三能级系统,能级分裂,由合适长度的掺Er 3+光纤、980nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的L.Reekie教授于1987年实现。,斜率效率=输出功率/吸收功率%=3.3%,输入镜,输出镜,吸收功率 mW,二、掺Nd3+光纤激光器的示例,由合适长度的掺Nd 3+光纤、800nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的R.J.Mears教授于1985年实现。,4F 5/2,4F 3/2,Er 3+、Nd 3+的吸收与辐射,GaAs激光二极管的输出功率 mW,光纤激光器输出功率/mW,泵浦功率与光纤激光器的输出功率,优点：不需要水冷即可工作；不容易饱和。,分类：根据泵浦光与超荧光传播方向的异同，以及光纤两端是否存在反射分类。,10.4.4 超荧光光纤激光器(Superfluorescent Fiber source),单程反向,双程前向,单程前向,双程反向,原理：由于泵浦光的激励，粒子数反转。如果亚稳态的粒子自发辐射，产生光子的传输在光纤接收角内，就能够在光纤内传输，诱发许多亚稳态的粒子受激辐射跃迁，并产生完全相同的光子而放大。如果光纤的增益足够，就称之为放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emitting,ASE）。特点：与普通光纤激光器相比，没有谐振腔。,SFS的原理、特点,双程前向及双程后向掺铒光纤激光器,Fig.2 输出功率与掺铒光纤长度的关系,超过最佳长度将被再吸收,Fig.3 不同长度光纤的泵浦功率与波长的关系,光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系,DPF:因为1535nm处的ASE信号比1550nm处的ASE信号增长快，所以小的反射率也有大的带宽DPB:反射率达到50%时，1535nm处的ASE信号饱和，而1550nm处的ASE信号继续增强，所以带宽增加。,