光纤通信光器件.ppt

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1、3.3 光无源器件,光纤通信原理与技术第三章,3.3 光无源器件,光器件概述3.3.1 光连接器Connector3.3.2 光耦合器Coupler3.3.3 光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4 光调制器Modulators3.3.5 光开光Switches3.3.6 光衰减器Attenuator,光器件概述,作用: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 包括：光连接器、光衰减器、

2、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、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等,发展趋势：集成化、全光纤化,3.3 光无源器件,光器件概述3.3.1 光连接器Connector3.3.2 光耦合器Coupler3.3.3 光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4 光调制器Modulators3.3.5 光开光Switches3.3.6 光衰减器Attenuator,3.3.1 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

3、的连接。,3.3.1 光连接器Connector,技术指标：插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。重复性和互换性,损耗来源,活动连接器,方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯,插入损耗目前水平0.2dB减低反射技术：APC类型：FC、SC、ST其它：多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光纤连接器,FC型：螺纹连接。外部材料为金属,SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。,ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。,固定连接器接头包括：熔接法、V形槽

4、法和套管法,光器件概述3.3.1 光连接器Connector3.3.2 光耦合器Coupler3.3.3 光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4 光调制器Modulators3.3.5 光开光Switches3.3.6 光衰减器Attenuator,3.3 光无源器件,3.3.2 光耦合器Coupler,定义：对同一波长的光功率进行分路或合路性能指标：附加插入损耗、反射损耗和串扰类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型结构：全光纤型、微光元件型、集成光波导型功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。,1、工作原理,消逝场耦合。,Put the cores cl

5、ose enough together to get a coupling effectAll now depends on the length of the coupling section,Common commercial devices,2、基本结构光纤型,C-耦合系数,22光纤耦合器,被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。,耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。,1、插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i到输出端口j的路径中的插入损耗为：,2

6、、附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。,3、串扰：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例：,技术指标：,4、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比,串扰,散射矩阵表示法,以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析:,bSa,a1输入的大部分功率出现在输出端口b1，就必须小。这表示a2中相同波长光功率耦合进入b1的光功率数值变小了，结果是在无源22耦合器中，使用相同的波长将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口是不可能的。最好的方法是将每路输入功率的一半发送到同一输出端。然而，如果两个输入端的波长不同，就可以把大部分功率耦合进同

7、一根光纤中。,波长相同的两束光，分别从a1和a2两个端口输入，能否将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口？,散射矩阵表示法,假如从端口a1输入的光功率中有比例为(1)的部分出现在输出端口b1，剩余的部分出现在端口b2。散射矩阵：,a1,a2,b1,b2,令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1，输出功率为：Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0 Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0,3dB耦合器，0.5，输出场强：,3dB coupler,LAN and MAN ne

8、tworks,Star Coupler:N input are mixed and made available on 8 outputsReflective Coupler:input can be on any fiber and output is split equally among all fibers,P1,PN,Pi,1,i,N,(P1+P2+PN)/N,If two mixed signals(of different wavelengths)are injected into a coupler the power transfer between the waveguid

9、es has a different period for each wavelength.The coupling lengths are strongly wavelength dependent!,The period of the shift is different for the two different wavelengths.Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used.,Wavelength Selective Coupling/Splitting,熔锥光纤型

10、波分复用器结构和特性,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,公共臂,2、基本结构微器件型,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。,折射率分布,1个周期（Pitch）,自聚焦透镜（Selfoc Lens）,光学不变原理：光束的宽度和发散角的乘积为常数。Selfoc Lens 通过对光束进行扩束，达到准直目的。,P/4 自聚焦透镜,光纤,单模光纤准直器结构,80,图 3.31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,衍射光栅型波

11、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,2、基本结构波导型,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。,Planar Waveguide Coupler,Y-Coupler(Splitter)光纤技术难实现，一般利用平面波导技术。port1port2(50%)port3(50%),But light entering on port2 will exit on port1 attenuated by 50%(3dB)!Thus if w

12、e try to combine two input signals by using a Y-junction,the signals are combined but each signal will lose half of its power!,图3.32 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；,3.3 光无源器件,光器件概述3.3.1 光连接器Connector3.3.2 光耦合器Coupler3.3.3 光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4 光调制器Modulators3.3.5 光开光Switches3.3.6 光

13、衰减器Attenuator,3.3.3 光隔离器和环行器,3.3.3 光隔离器与环行器,Isolators&Circulators 非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：低的插入损耗(对正向入射光，1dB)高的隔离度(对反向反射光，4050dB)原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。,Faraday效应：不具有旋光性的材料，在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。这种效应与材料的固有旋光效应不同，在

14、固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关(互易)。,外加磁场,外加磁场,Faraday旋磁材料,外加磁场,外加磁场,固有磁光材料,磁光材料的光偏转角：,l 材料厚度（毫米）,H 磁场强度（奥斯忒）,V维尔德常数（度/奥斯忒毫米）,与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理,Blocked,起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转450，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴

15、垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。,光隔离器的原理,外加磁场,外加磁场,450,起偏器,解偏器,偏振无关光隔离器的工艺结构,RR(450)FR(450),RR(450)FR(450),o,e,e,e,o,o,o,e,PBS,图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器,光纤输出,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,SOP,光纤输入,(a),光纤输出,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,光纤输入,(b),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 Walk off 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，

16、水平分量偏折通过。,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3.35(a)所示。,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(plate或halfwave plate)。,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3.35

17、(b)所示，于是就起到隔离作用。,光环形器,基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送顺序：12 3 4（三端口，四端口，多端口）主要特性：插入损耗 隔离度 价格,三端口光环行器,四端口光环行器,RR(450)FR(450),e,e,o,o,RR(450)FR(450),o,e,o,e,端口1,端口1,端口2,端口2,端口3,反射镜,偏振合波器,光环行器的原理,光环行器的应用,啁啾光栅,色散补偿,Tx,Rx,Rx,Tx,单纤双向系统,Isolators,Isolator/coupler hybrids,3.3 光无源器件,光器件概述3.3.1 光连接器Connector3.3.2 光耦合器Coup

18、ler3.3.3 光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4 光调制器Modulators3.3.5 光开光Switches3.3.6 光衰减器Attenuator,3.3.4 光调制器Modulators,光调制器：实现从电信号到光信号的转换光调制的分类：从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制-内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变-外调制（调制信号啁啾小）。按

19、被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。,直接调制和外调制,光源的外调制技术,调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光调制 Electrooptic Effects电致吸收 Electro-Absorption Effects磁光调制 Magnetooptic Effects声光调制 Acoustic Modulators其中电光调制和电致吸收最为常用。,电光效应光调制器,电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3)，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(r E+R E

20、2)成正比。,电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.,晶体折射率随外加电场而变化。具有非常好的消啁啾特性，适合于高速系统的超长距离传输。但调制器的插入损耗大，需要较高的驱动电压(典型值为4V)，难以与光源集成，而且对偏振敏感。,(3.35),40Gb/s LiNbO3 Modulator,电致吸收光调制器（EA）,是一种损耗器件，利用Franz-Keldysh效应和量子限制Stark效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。,半导体材料发生本征吸收的光波长波限:,电致吸收光调制器(EA),Franz-Keldysh效应：1958年提出，是指在电 场作用下半导体材料的 吸收边红移的理论。原理

21、：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上偏压的增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出功率最小。,使用材料：III-V族半导体材料特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低（2V）、啁啾大于LN调制器（2.5Gb/s-640km;10Gb/s-80km)、调制码率（40Gb/s）、消光比低于LN调制器（10dB）,40Gb/s EA Modulator,Intensity Modulator,Phase Modulator,声光效应光调制器,声

22、光效应是指声波作用于某晶体时，产生光弹性作用，使折射率发生变化，从而达到光调制的目的。特点：消光比高（30dB）、驱动功率较低、带宽窄。,磁光效应光调制器,磁光效应又称为法拉第效应。当光通过介质传播时，若在垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，其旋转角与介质长度、外磁场强度成正比。调制原理：经起偏器的光 信号通过磁光晶体，其偏 转角与调制电流有关。由 于起偏器与检偏器的透光 轴相互平行，当调制电流 为零时，透过检偏器的光强 最大；随着电流逐渐最大，旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。,3.3 光无源器件,光器件概述3.3.1 光连接器Connector3.3.2 光耦合器Cou

23、pler3.3.3 光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4 光调制器Modulators3.3.5 光开光Switches3.3.6 光衰减器Attenuator,3.3.5 光开关Switches,实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。,消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)也是光开关的重要参数,机械光开关 热光开关 电光开关 微光机电系统（MOEMS）,光开关的分类,机械式光开关,特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(ms)只能用在OXC和OA

24、DM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关,热光效应光开关,基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）,3dB耦合器,波导臂,薄膜加热器,相位移动,磁光、电光效应式光开关,电光效应光开关,LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器特点：速度快（10ps1ns）、偏振敏感、价格昂贵半导体光放大器SOA光开关：改变SOA驱动电流来实现特点：速度快（ns）、无损开关，但引入ASE噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵,光开关性能比较,新型光开关MOEMS,微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与

25、传统光技术相结合的新型机械式光开关。MEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细。,MEMS光开关阵列,优点：可实现超大规模交叉连接可利用IC工艺，批量生产,Mirror,Detailed View of Mode-Eclipsing Optical Switch-Lucent.,1N MEMS Switch,大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使MOEMS光开关阵列成为光开关的主流,长距离系统中光交换设备市场预测(Lig

26、htwave May 2000),MOEMS光开关阵列可能成为光开关的主流,HP/Agilent Bubble 开关阵列,将成熟的喷墨打印技术与Si平面光路(PLC)结合。加热时，利用气泡的全反射，使来自输入波导的光改变反向。,3.3 光无源器件,光器件概述3.3.1 光连接器Connector3.3.2 光耦合器Coupler3.3.3 光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4 光调制器Modulators3.3.5 光开光Switches3.3.6 光衰减器Attenuator,3.3.6 光衰减器Attenuator,根据工作原理分类：,位移型光衰减器,横向位移型光衰减器,纵向位移型光衰减器,直接镀膜型光衰减器（吸收模或反射模型）,衰减片型光衰减器,液晶型光衰减器,光衰减器,技术指标：衰减量、精度、反射、插损,尾纤式,衰减量调节旋钮,支撑未来光网络的关键器件,未来光网络的发展很大程度上是基于光器件的创新,光子集成工艺的突破将引起大规模的光器件创新,光交叉器件 可调谐器件 宽带光纤放大器 新型高速光信号处理器件,