第3章 光纤通信器件.ppt

第3章光纤通信无源器件 内容要求3 1连接器3 2耦合器3 3可调谐滤波器3 4波分复用 解复用器件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波长转换器3 11偏振复用器 3 1连接器 连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件 连接器是把两个光纤端面结合在一起 以实现光纤与光纤之间可拆卸 活动 连接的器件 对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤 连接器 跳线 用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连 对连接器的要求 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 因此 需要精密的机械和光学设计和加工装配 以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配 并保特适当的间隙 图3 1 1连接损耗的机理 图3 1 1连接损耗的机理 连接器的基本结构包括接口零件 光纤插针和对中三部分 光纤插针的端面有平面 球面 PC 或斜面 APC AngledPhysicalContact 对中可以采用套管结构 双锥结构 V形槽结构或透镜耦合结构 插针可以是微孔结构 三棒结构或多层结构 因此 连接器的结构也是多种多样的 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 得到了广泛的应用 如图3 1 2 b 所示 图3 1 2活动连接器结构和特性 连接器的种类 两插头与转接器的连接有FC型 SC型和ST型 FC 表示用螺纹连接 SC Square SubscriberConnector 表示轴向插拔矩形外壳结构 ST SpringTension 表示弹簧带键卡口结构 通常我们把光纤插针端面结构和两插头与转接器的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类型 通常有FC PC FC APC SC PC SC APC和ST PC型等 表3 1 1各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标 3 2耦合器 耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出 耦合器对线路的影响是附加插入损耗 可能还有一定的反射和串音 选择耦合器的主要依据是实际应用场合 T形耦合器是一种3端耦合器或2 2耦合器 它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给2根光纤 这种耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器 或局域网终端的光输入或光输出耦合器 星形耦合器是一种N N耦合器 它的功能是把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 耦合器基本结构 耦合器的光学特性参数 1 插入损耗 InsertionLoss IL 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值 2 分光比 CouplingRatio CR 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值 3 3可调谐光滤波器 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 光频滤波根据其基理可分为干涉型 衍射型和吸收型三类 每一类根据其实现的原理又可以分为若干种 根据其调谐的能力又可分为光频固定滤波器和可调谐滤波器 3 3可调谐光滤波器 3 3 1法布里 珀罗 FP 滤波器3 3 2马赫 曾德尔 MZ 滤波器3 3 3布拉格 Bragg 光栅滤波器3 3 4阵列波导光栅 AWG 滤波器3 3 5调谐滤波器性能比较 3 3 1法布里 珀罗 FP 滤波器 基本法布里 珀罗干涉仪 F PI 见图3 3 2 由两块平行镜面组成的谐振腔构成 一块镜面固定 另一块可移动 以改变谐振腔的长度 镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板 图中略去输入和输出光纤及透镜系统 而集中讨论腔体本身 由光纤输入的光经过谐振腔反射一次后 聚焦在输出光纤端面上 借助改变谐振腔的长度达到从波分复用信道中选取所需信道的目的 图3 3 1可调谐光滤波器的基本功能 基本法布里 珀罗干涉仪 F PI 由两块平行镜面组成的谐振腔构成 一块镜面固定 另一块可移动 以改变谐振腔的长度 图3 3 2基本F P干涉仪 图3 3 3光纤F P滤波器 光纤法布里 珀罗 FF P 干涉仪滤波器 光纤法布里 珀罗 FF P 干涉滤波器 如图3 3 3所示 光纤端面本身就充当两块平行的镜面 如果将光纤 即F P的反射镜面 固定在压电陶瓷上 通过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩作用来改变谐振腔的长度 同样可以从复用信道中选取所需要的信道 这种结构可实现小型化 光纤法布里 珀罗 FF P 干涉滤波器 间隙型FF P滤波器 内波导型FF P滤波器 光纤FF P调谐滤波器的基本物理机理 与1 3 3节讨论过的光多次干涉和谐振特性类似 对于无源F P滤波器 因为滤波器只能允许满足谐振腔单纵模传输的相位条件的频率信号通过 所以传输特性与波长有关 图3 3 5F P滤波器的传输特性 它具有多个谐振峰 每两个谐振峰间的频率间距为自由光谱区FSR 光纤FF P调谐滤波器 每两个谐振峰间的频率间距FSR为 式中 n是构成F P滤波器的材料折射率 L是谐振腔长度 FSR就是滤波器的自由光谱区 假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过 如图3 3 5 c 中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰 所以只有fj f1的信道才能通过滤波器 而其它信道被抑制了 F P滤波器的精细度F 它决定滤波器的选择性 即能分辩的最小频率差 从而也决定所能选择出的最大信道数 精细度的概念与F P干涉仪理论中的相同 假如谐振腔内部损耗忽略不计 则精细度由镜面反射率R决定 假设两个镜面的R相等 此时 3 3 2马赫 曾德尔 MZ 滤波器 马赫 曾德尔 Mach Zehnder 干涉滤波器由两个3dB耦合器串联组成一个马赫 曾德尔干涉仪 干涉仪的两臂长度不等 光程差为 L 图3 3 7马赫 曾德尔干涉滤波器 马赫 曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论 为两臂长度差产生的相位差式中n是波导折射率指数复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下 在两个输出光纤中的一个相长干涉 而在另一个相消干涉 如果在输出端口3 满足相长条件 满足相消条件 则输出光 如果在输出端口4 满足相消条件 满足相长条件 则输出光 图3 3 7M Z干涉滤波器 3 3 3布拉格 Bragg 光栅滤波器 布拉格 Bragg 光栅由间距为 的一列平行半反射镜组成 称为布拉格间距 如图3 3 9所示 如果半反射镜数量N 布拉格周期 足够大 那么对于某个特定波长的光信号 从第一个反射镜反射出来的总能量约为入射的能量 即使功率反射系数R很小 图3 3 9布拉格光栅 如果半反射镜数量N 布拉格周期 足够大 那么对于某个特定波长的光信号 从第一个反射镜反射出来的总能量约为入射的能量 即使功率反射系数R很小 该特定波长强反射的条件是 布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器该共振波长称为布拉格波长 图3 3 10光纤布拉格光栅 光纤布拉格光栅是一小段光纤 其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 干涉条纹周期由两光束之间的夹角决定 大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的 将纤芯直接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化 布拉格光栅 图3 3 10光纤布拉格光栅 强激光辐照掺杂光纤时 光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化 变化的大小与光强成线性关系 如用特定波长的激光干涉条纹 全息照相 从侧面辐照掺锗光纤 就会使其内部折射率呈现周期性变化 就象一个布拉格光栅 成为光纤光栅 图3 3 11光纤光栅带通滤波器 利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性 可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器如果在一个2 2光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅 则还可以构成带通滤波器 3 4 1棱镜波分复用 解复用器件 波分复用器 WDM 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 棱镜对不同波长的光有不同的折射角 当这些分开的光从棱镜进入空气时 又一次发生折射 从而进一步把复用光束分开 完成解复用 3 4 2衍射光栅解复用器 输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上 光栅对不同波长光的衍射角不一样 从而把复合信号分解为不同波长的分量 然后由透镜聚焦在每根输出光纤上 图3 4 2光栅型解复用器 a 透射光栅 b 普通透镜反射光栅 c 渐变折射率透镜反射光栅 3 4 3阵列波导光栅 AWG 复用 解复用器 阵列波导光栅 AWG 复用 解复用器工作原理 这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差 L 如图3 4 3所示 输入光从第一个星形耦合器输入 该耦合器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导 由于阵列波导中的波导长度不等 相位延迟也不等 由式 1 2 8 和式 1 3 17 可知 其相邻波导间的相位差为 AWG光栅工作原理是基于马赫 曾德尔干涉仪的原理 见3 3 2节 即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论 所以输出端口与波长有一一对应的关系 也就是说 由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后 依波长的不同就出现在不同的波导出口上 3 6光开关 光开关的功能是转换光路 实现光信号的交换 对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 光开关分类 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 图3 6 1机械式光开关 机械光开关优缺点 在插入损耗 隔离度 消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能 但开关时间较长 几十毫秒到毫秒量级 开关尺寸较大 而且不易集成 微机电系统 微机电系统 MEMS Micro Electro MichanicalSystems 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140 m 150 m 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1dB 图3 6 2可升降微反射镜MEMS光开关 图3 6 2可升降微反射镜MEMS光开关 图3 6 3可旋转微反射镜MEMS光开关 图3 6 4可立卧微反射镜MEMS光开关 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 微机械光开关进展 用贝尔实验室开发的MEMs技术 微透镜 已实现256 256的光交叉连接 交换能力10万亿比特 s 是世界上第一个10G全光交叉连接系统 2001年已达到1024 1024 它可以运行在任何光层速率 包括40Gb s以及更高的速率 互易器件和非互易器件 连接器 耦合器等大多数无源器件的输入和输出端是可以互换的 称之为互易器件 然而光通信系统也需要非互易器件 如光隔离器 光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件 某些光器件特别是激光器和光放大器 对于从连接器 接头 调制器或滤波器反射回来的光非常敏感 因此通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔离器 以消除反射光的影响 使系统工作稳定 对光隔离器的要求是隔离度大 插入损耗小 饱和磁场低和价格便宜 3 7 1磁光块状光隔离器 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 隔离器用法拉第磁光效应原理制成 隔离器工作原理 起偏器P使入射光的垂直偏振分量通过调整加在法拉第介质的磁场强度 使偏振面旋转45o 然后通过检偏器A 反射光返回时 通过法拉第介质又一次旋转45o 正好和入射光偏振面正交 因此不会使入射光受到影响 等于把入射光和反射光相互隔离开来 光隔离器 光环行器用途和原理 光环行器除了有多个端口外 其工作原理与光隔离器类似 也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 方向性一般大于50dB 端口1输入的光信号只有在端口2输出 端口2输入的光信号只有在端口3输出 在所谓 理想 的环行器中 在端口3输入的信号只会在端口1输出 但是在许多应用中 这