[信息与通信]第六章 光无源器件.ppt

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1、光无源器件,主要内容,光纤连接器光纤耦合器波分复用/解复用器光滤波器光波导调制与开关器件光隔离器和环行器,通信用光器件光有源器件：需要外加能源驱动工作的光器件光无源器件：不需要外加能源驱动工作的光器件功能：实现系统各组成间信道的互通、分路/合路、复用/解复用、光路转接、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、反响隔离、偏振选择控制等,光有源器件,光源：半导体激光器（LD）分布反馈（DFB）激光器发光二极管（LED）光检测器：光电二极管（PD）PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）光放大器：掺铒光纤放大器（EDFA）,光无源器件,光纤连接器和接头光耦合器光隔离器与光环行器光调制器光波分复用器/解复

2、用器光开关,对光无源器件的普遍要求：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便于集成,光器件的发展趋势 尺寸小型化、微型化。低成本。多功能的集成。,无源器件的几个常用性能参数,插入损耗：指的是无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，一般用分贝为单位，定义为：,回波损耗 指的是从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比例,反射系数指的是对于给定的光谱组成、偏振和几何分布，在器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率P0之比，通常用dB表示,工作波长范围 器件能够按照规定的性能工作的从最小波长（min）到最大波长（max）的范围，是标称工作波长范围。偏振相关损耗(

3、PDL)偏振相关损耗指的是对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值。,隔离度在无源器件中，隔离度表示的是由应该被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比，通常用dB表示,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（活动连接）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。接头：是实现光纤与光纤之间的永久性连接（固定连接）主要用于光纤线路的构成,技术指标,插入损耗一般要求应不大于0.2 dB回波损耗典型值应不小于45 dB互换性和重复性重复性是指光纤(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

4、连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。,光纤连接器一般性能,光纤连接损耗及其影响因素,光纤连接点不连续现象的分类,光纤连接损耗及其影响因素,光纤结构参数失配引起的损耗两光纤相对位置偏离设计要求引起的损耗端面形状与间隙引起的损耗,光纤结构参数失配引起的损耗,纤芯直径不同引起的连接损耗两多模光纤连接，连接损耗为：两单模光纤连接时，连接损耗为,数值孔径不同引起的连接损耗,不同折射率分布的光纤的连接损耗,两光纤相对位置偏离设计要求引起的损耗,横向错位引起的损耗：阶跃多模光纤的错位损耗为：渐变光纤的错位连接损耗为：,端面不平行引起的损耗：1.阶跃多模光纤的倾斜损耗为：2.渐变多模光纤的倾斜损耗

5、为：3.单模光纤的倾斜损耗为：,端面与光纤轴线不垂直引起的连接损耗：阶跃多模光纤的连接损耗为：,端面形状与间隙引起的损耗,间隙损耗：1.阶跃多模光纤的间隙损耗为：2.单模光纤的间隙损耗为：,非平面端面间隙损耗阶跃多模光纤的端面间隙损耗为：,连接器的分类：固定连接、活动连接；多模光纤连接器、单模光纤连接器；近场连接器、远场连接器。连接器的要求：将系统不同组成部分间实现光信号的平滑无损或低损耗连接，同时考虑到使用的方便性、可靠性、重复性等要求。,光纤连接器的结构,基本结构接口零件光纤插针：微孔结构、三棒结构或多层结构端面：平面、球面（PC）、斜面（APC）对中套管结构双锥结构V型槽结构透镜耦合结构

6、,采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的运用,光纤连接器的结构,固定连接器熔接法V型槽法套管法活动连接器单芯：圆柱套筒型连接器多芯：多芯光缆连接器 带状阵列式,固定连接器-熔接法,固定连接器-熔接法,V型槽结构,V型槽机械连接,固定连接器套管法,弹性管连接,光纤活动连接器,光纤连接器常采用FC（螺纹连接）、SC（轴向插拔矩形外壳结构）、ST（弹簧带键卡口结构）三种结构。种类光纤活动连接器的品种、型号很多，其中有代表性的有：FC、ST、SC、D4、双锥、VFO(球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。,精密套管结构连接器简图,单模光纤连接器,插拔次数

7、:1000次;重复性:0.1dB;互换性:0.2dB,(1)FC系列连接器FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国家标准。(2)SC型连接器外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。,(3)ST型连接器ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。(4)不同型号插头互相连接的转换器对于上述FC、SC、ST三种连接器，在对不同型号插头连接时，需要转换器进行连接。,(5)新型多芯光纤连接器随着用户通信网规模的扩大、WDM的普及、电信网数据网的光纤化乃至多媒体大容量信息处理设备的

8、发展均推动着光缆向多芯、高密度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光纤连接器进行连接，多芯带状光纤MT连接器就应运而生。,光纤连接器的结构,光纤连接器的结构,光耦合器,功能：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耦合器类型 T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分复用器/解复用器,常用耦合器类型,T型耦合器：22的三端耦合器功能：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，输入一根光纤用作不同分路比的功率分配分配器或功率组合器,星型耦合器：NM耦合器功能：把N根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给M根光纤常用作多端功率分配器,

9、定向耦合器：22的三端或四端耦合器功能：分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。可用作分路器，不能用作合路器,定向耦合器,波分复用器/解复用器：与波长相关的耦合器称为波分复用器/解复用器波分复用器功能：把多个不同波长的光信号组合在一起，输入到一根光纤解复用器功能：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,光纤耦合器结构形式,拼接式熔融拉锥式 烧结（Fuse）,光耦合器的基本结构分类光纤型微器件型波导型,几种常见光耦合器结构示意图,光纤型耦合器,把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。结构：拼接式熔融拉锥式,光纤型耦合器,(a)定向耦合器；(b)88星形耦合器,(c)由1

10、2个22耦合器组成的88星形耦合器,光纤耦合器的耦合机理,基于光纤的消逝场耦合的模式理论,熔锥光纤型波分复用器结构和特性,微器件型耦合器,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。,微器件型耦合器,波导型耦合器,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。,波导型耦合器,Y形耦合器；定向耦合器；,(c)波分解复用器；,两种波导型耦合器,采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器,（a）NN星型耦合器外形图

11、,（b）中心耦合区,耦合器主要特性,耦合比Coupling Ratio 是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用%表示功率分路损耗Ls：,说明耦合器参数的模型,附加损耗Excess Loss：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,插入损耗 Inertion Loss：是一个指定输入端的光功率Pit和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示,方向性Directivity：输入一侧非注入光一端的输出光功率与全部注入光功率的比值，用分贝表示,隔离度Isolation 某一光路对其他光路信号

12、的隔离能力，隔离度高意味着线间“串话”小。主要是对WDM而言,均匀性 Uniformity对于要求均匀分光耦合器定义在工作带宽内各输出端口输出光功率的最大变化量,偏振相关损耗 P.D.L衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，指当传输光信号的偏振态发生360度变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量,耦合器的一般特性,光滤波器,光滤波器是光选择器件分类：按滤波特性分为带通滤波器、带阻滤波器、低通滤波器、高通滤波器等。按调节作用分为可调滤波器、光频固定滤波器按结构类型分为光纤光栅滤波器、薄膜干涉滤波器、M-Z滤波器和F-P滤波器等。按物理机制分为干涉型、衍射型和有源光滤波器。,干涉型

13、光滤波器,根据所采用的技术方案的不同分为法布里-珀罗干涉仪（FPF）可调光滤波器马赫-曾德（M-Z）干涉可调光滤波器（MZTF）电-光可调光滤波器（EOTF）声-光可调光滤波器（AOTF）基于谐振放大有增益的半导体可调有源光滤波器光纤布里渊可调光滤波器,可调谐光滤波器的基本功能,光滤波器的性能指标,调谐范围带宽可忽略的相邻信道间的串话和可选择的最大通道数调谐速度衰耗偏振相关性稳定性尺寸,法布里-珀罗滤波器,当镜面间距x=i/2n时，光在腔内产生谐振，相长干涉，光信号将透过谐振腔全部到达输出端,F-P光滤波器的功率传递函数自由谱区：表示不存在多阶干涉时可以自由调谐的频率范围,对WDM系统，应有：

14、FSRchN,A=1，A为光通过镜面时功率损耗系数,带宽：FWHM（半高全宽）3dB带宽精细度：自由谱宽与带宽之比值,马赫-曾德尔滤波器,Mach-Zehnder干涉滤波器由两个3dB耦合器串联组成干涉仪的两臂长度不等，光程差为,3dB,耦合器,3,4,输入,3dB,耦合器,L,L,L,D,+,t,延迟,1,2,输出,Mach-Zehnder滤波器,热敏薄膜,电光可调滤波器（EOTF）,利用电光效应实现波长选择耦合机理,偏振分束器,模式转换器,偏振分束器,输出1,输出2,特点：调谐速度快（ns级）调谐范围不大（10nm）已实现16nm调谐范围，3dB带宽1nm，可分辨波长数约为10个P178

15、图,声光可调光滤波器（AOTF）,原理与EOTF类似调谐范围宽可覆盖整个1.3m1.6 m波长范围调谐时间长，速度慢（s）独特的多波长同时选择特性由于不同声波间的相互作用比较弱，当在相互作用长度上存在多个声波时，多条光通道就能同时和独立地被选择已实现间隔为2.2nm的5个波长通道的同时选择,光栅滤波器,布拉格光栅,光纤光栅工作原理,设两列波沿同一方向传播，如果传播常数b1和b2满足所谓的布拉格相位匹配条件：一个波的能量可以耦合到另一个波上去。在光纤光栅中，假设传播常数为 b0 的光波射入光栅，如果满足条件：则光波的能量可以耦合到沿传播方向相反的具有同一波长的反射光上去。将b0=2pneff/l

16、0代入上式，可以得到会发生强烈反射的波长为：,光纤光栅,原理利用光纤材料的光敏性制成的一种特殊光纤器件制作技术干涉写入技术逐点写入技术难点：如何提高光敏性,指激光照射掺锗光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布而变化,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,光纤光栅滤波器,Bragg光栅,光纤光栅带通滤波器,波分复用/解复用,WDM/deWDM原理：基于器件的波长选择机制，从不同输入端进入的不同波长信号组合在一起从共同输出端输出（复接器）或将在同一根光纤中传送的多波长光信号分解（分接器）后分送给不同的接收机WDM器件具有互易性

17、,波分复用/解复用器,波长分插复用器（WADM）,在本地分出复用波长中的某一个波长，而其余波长信号直接通过在本地分出插入同一波长的信号，实现多个波长信号插分复用,性能评价指标,插入损耗串音或隔离度通道带宽F和 通道间隔ch为保证各波长通道信号无畸变复用和解复用，F要近可能大为保证多通道信号复用和解复用而不致产生相邻波长通道间的串扰，相邻通道间隔ch也应尽可能大,限制通道数,WDM器件按通道间隔不同可分为：稀疏型WDM：通道间隔10nm100nm，通常用于2 5chWDM系统密集型WDM：通道间隔1nm10nm，通常用于5 10chWDM系统致密型WDM/FWDM：通道间隔0.1nm1nm，通常

18、用于20 1000ch以上WDM系统,温度系数指WDM/deWDM器件通道中心频率随温度变化产生的漂移要求在整个工作范围（典型值为100C），通带中心频率（波长）漂移应远小于通道间隔,波分复用器件的主要要求,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，尺寸小。,WDM/DWDM的结构原理,熔锥光纤型WDM干涉滤波器型WDM光栅型WDM体型平面或曲面光栅WDM平面阵列波导光栅WDM光纤光栅WDM,熔锥光纤型WDM,基于耦合器的耦合系数和耦合波长有波长依赖性，导致功率耦合具有一定的选择性设计熔锥区锥度，控制拉锥速度可逆器件,优点：结构简

19、单成本低插入损耗低（0.5dB，一般0.2dB）F/ch大温度稳定性高缺点：尺寸偏大、复用通道少、隔离度低,干涉滤波器型WDM,采用多层介质膜作为光滤波器，使某一波长的光通过，而其他波长的光被阻止多腔串联可使通带变平坦且边缘更陡峭分类：干涉滤波器吸收滤波器,介质薄膜干涉滤波器解复用器,介质薄膜滤波器,用介质薄膜滤波器构成解复用器,光栅型波分复用器,衍射光栅型波分复用器结构示意图,采用棒透镜的光栅型WDM,平面阵列波导光栅WDM,nm或m n，当n=m=2时，AWG就等效为MZI,由阵列波导光栅和星形耦合器组成的解复用器/路由器,结构原理图,组成的波导光栅路由器（WGR）功能,阵列波导长度根据相

20、邻两波导长度差L恒定不变确定,优点：损耗低，通带平坦，易于在衬底上集成性能指标优良：已制成1616、3232、128128，最小通道间隔0.2nm，插损3.5dB，通道3dB带宽11GHz，串音小于16dB,光纤光栅用作波分复用/解复用器,波分解复用器,波分复用器,光调制器,一种改变光束参量传输信息的器件，这些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态 调制的方式:内调制：改变半导体激光器的注入电流来改变光频的参数。外调制：用独立于电源之外的外调制器完成,不影响光源工作的稳定性，可得到较高的传输质量。,调制方式比较,光调制器,按被调制光波参数：强度调制器相位调制器偏振调制器调制器可以用电光效应、磁

21、光效应或声光效应来实现。,电光效应（electro-optical effect）,某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，其折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。电光效应包括：泡克耳斯(Pockels)效应：折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应。克尔(Kerr)效应：折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应。,最有用的调制器：铌酸锂(LiNbO3)晶体调制器LiNbO3晶体的折射率n和外加电场E的关系为：n=n0+E+E2 当=0时，为线性电光效应或Pockels效应。当=0时，称为二次电光效应或克尔(Ke

22、rr)效应。,相位调制器,目前大多数调制器都是用LiNbo3制成,x切割集成相位调制器,强度调制器和光开关,都利用调制电压控制输出光强的变化截止式调制器MZ型调制器定向耦合器型波导开关调制器,马赫-曾德尔（MZ）干涉仪型调制器,结构：在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，在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：,马赫-曾德尔幅度调制器,马赫-曾德尔干涉仪型调制器特性,集成波导耦合调制器,在两个紧密耦合波导中光能从一个波导转移到另一个波导,（a）波导截面图及相互扩散的渐消失场,（b）两个沿z方向紧密耦合波导的顶视图，电场从开始，逐渐耦合进

23、B波导，在所有的光已转移到B波导,（C）光波通过距离L后，从波导A到波导B的传输功率比值与相位失配的关系，由外加的电压V控制,光开关,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：机械光开关固体光开关电光晶体光开关热光开关光放大器开关,机械光开关,利用某种机械功能实现开关功能优点：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(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。,如利

24、用电动驱动机构带动活动的光纤（或微反射镜）,几种机械光开关结构,1N单模光纤开关,微机械光开关,微机械（MEMS：micro-electro-mechanicalsystems）光开关指基于半导体微细加工技术在半导体材料（如Si等）基片上制成的微反射镜阵列。基本原理是通过热力、静电或磁力的作用使可以活动的微镜面发生转动、升降或移动，从而实现改变输入光的传播方向和光通路通断的功能，使任一输入和输出端口相连接。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有体积小、易于大规模集成等优点，非常适合于骨干网或大型交换业务的应用场合。,自由空间MEMS光开关原理图（二维）,三维

25、MEMS光开关,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：Y型分路器结构MuchZahnder（MZI）干涉仪型结构,金属电极通电发热后，导致其下波导折射率发生变化：,折射率热系数,温度变化之前的折射率,Y型分支热光开关结构,MZI型热光开关,其他类型的光开关,LiNbO3波导型电光开关半导体光放大器门型光开关喷墨气泡光开关液晶光开关,光隔离器,对正向传输光具有较低插入损耗，而对反向传输光有很大衰减作用一般置于光源后，为一种两端口非互易器件。主要基于磁光晶体的法拉第效应,微型空间型偏振相关光隔离器典型结构,动画,光环行器,多端口非互易器件工作原理类似于光隔离器不允许反向通行，能实现分路或偏转，具有一种定向路由功能,（a）三端口,（b）四端口,