3 无源器件测量.ppt

第三节无源器件参数测量 3 1光纤连接器3 2光纤衰耗器3 3光纤耦合器3 4光电耦合器3 5光隔离器和光环形器3 6波分复用 解复用器3 7光开关 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 3 1光纤连接器 光纤活动连接器光纤 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 套管结构套管结构的连接器由插针和套筒组成 双锥结构双锥结构连接器是利用锥面定位 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 V形槽结构 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 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 球透镜耦合结构自聚焦透镜耦合 光纤活动连接器的种类 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 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 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 A c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 下图示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1 m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 1dB 大大改善 套管结构连接器简图 3 2光纤衰耗器 衰耗器能透射一部分光以降低光强衰耗器在整个频谱范围内均匀地减小光强衰耗器不能将不需要的光返回 以免在激光发射机中造成噪声 3 3光纤耦合器 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 光纤耦合器的结构与原理 常用耦合器的类型 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 光纤耦合器的特性 1 插入损耗 插入损耗 InsertinLoss 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 ExcessLoss 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 CouplingRatio 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 1 1或50 50代表了同样的分光比 即输出为均分的器件 4 方向性 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 PolarizationDependentLoss 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 定义 发光器件与光接受器件的组合器件 类型 光电耦合 隔离器 在电路之间传递信息 又能实现电路间的电气隔离和消除噪声 光传感器 用于检测物体的位置或物体有无的状态 发光器件 灯等光接受器件 光电二极管 三极管 光电池 光敏电阻 3 4光电耦合器 工作原理与特点 发光器件与光接受器件封装一体 但不接触 有很强的电气绝缘性 信号通过光传输 特点 具有电隔离 欧姆 功能 信号传输单向 脉冲或直流 适用于模拟 数字信号 具有抗干扰和噪声能力 响应速度快 微 纳秒 直流 兆赫兹 体积小 寿命长 使用方便 既有耦合特性 又有隔离功能 光电耦合器件的应用 代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号 失真小 代替继电器使用 做光电开关用 把不同电位的两组电路互连 完成电平匹配和电平转移 作为计算机主机与输入 输出端的接口 大大提高计算机的可靠性 在稳压电源中作为过流保护器件 简单可靠 光电位置敏感器件 PSD PSD用于测量光斑的位置或位置的移动量光束入射光敏层 在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷 该电荷形成的光电流 I1 I2 由信号电极1和2输出 为公共电极X 位置信号I0 I1 I2 CCD CCD是一种电荷耦合器件 ChargeCoupledDevice CCD的突出特点 是以电荷作为信号 而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生 存储 传输和检测 CCD的结构 MOS光敏元 构成CCD的基本单元是MOS 金属 氧化物 半导体 结构 型层 电极 在栅极加正偏压之前 P型半导体中的空穴 多子 的分布是均匀的 加正偏压后 空穴被排斥而产生耗尽区 偏压增加 耗尽区向内延伸 当UG Uth时 半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高 以致于将半导体内的电子 少子 吸引到表面 形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层 反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能 电荷存储 电荷的转移 耦合 电荷的转移 耦合 第一个电极保持10V 第二个电极上的电压由2V变到10V 因这两个电极靠得很紧 间隔只有几微米 它们各自的对应势阱将合并在一起 原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有 若此后第一个电极电压由10V变为2V 第二个电极电压仍为10V 则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中 这样 深势阱及电荷包向右移动了一个位置 CCD电极间隙必须很小 电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极 对绝大多数CCD 1 m的间隙长度是足够了 主要由三部分组成 信号输入 电荷转移 信号输出 输入部分 将信号电荷引入到 的第一个转移栅极下的势阱中 称为电荷注入 电荷注入的方法主要有两类 光注入和电注入电注入 用于滤波 延迟线和存储器等 通过输入二极管给输入栅极施加电压 光注入 用于摄像机 用光敏元件代替输入二极管 当光照射CCD硅片时 在栅极附近的半导体体内产生电子 空穴对 其多数载流子被栅极电压排开 少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷 的工作原理 P Si 输入 栅 输入二极管 输出二极管 输出 栅 SiO2 在 栅极上施加按一定规律变化 大小超过阈值的电压 则在半导体表面形成不同深浅的势阱 势阱用于存储信号电荷 其深度同步于信号电压变化 使阱内信号电荷沿半导体表面传输 最后从输出二极管送出视频信号 为了实现电荷的定向转移 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构 一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD 简称为N型CCD 而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD 简称为P型CCD 由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率 因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多 的工作原理 CCD的特点 体积小 功耗低 可靠性高 寿命长 空间分辨率高 可以获得很高的定位精度和测量精度 光电灵敏度高 动态范围大 红外敏感性强 信噪比高 高速扫描 基本上不保留残象 电子束摄象管有15 20 的残象 集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统 无像元烧伤 扭曲 不受电磁干扰 有数字扫描能力 象元的位置可由数字代码确定 便于与计算机结合接口 CCD的特性参数 像素数量 CCD尺寸 最低照度 信噪比等像素数是指CCD上感光元件的数量 44万 768 576 100万 1024 1024 200万 1600 1200 600万 2832 2128 信噪比 典型值为46分贝感光范围 可见光 红外 CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1 电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面 并沿界面传输 表面沟道CCD 简称SCCD 2 电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内 并在半导体体内沿一定方向传输 体沟道或埋沟道器件 简称BCCD 的类型 的类型 线阵 光敏元排列为一行的称为线阵 象元数从128位至5000位以至7000位不等 由于生产厂家象元数的不同 市场上有数十种型号的器件可供选用 面阵CCD 器件象元排列为一平面 它包含若干行和列的结合 目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等 按照片子的尺寸不同有1 3英寸 l 2英寸 2 3英寸以至1英寸之分 线阵CCD 一行 扫描 体积小 价格低 面阵CCD 整幅图像 直观 价格高 体积大 面阵CCD芯片 CCD在检测方面的应用 几何量测量自动步枪激光模拟射击系统 光谱测量光谱仪输出信号测量 3 5光隔离器和环形器 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1dB 隔离度的典型值的大致范围为40 50dB 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 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 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 SpatialWalk offPolarizer 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plate或half waveplate 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 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 b 所示 于是就起到隔离作用 光环形器 3 6波分复用 解复用器 波分复用 解复用器的原理与分类1 光栅型 衍射光栅型波分复用器件是近年发展起来的 衍射光栅是利用硅衬底单晶各向异性腐蚀制作的 光栅与棱镜分光相比具有更大优势 常用来制作波分复用器的主要分光元件 2 波导阵列光栅型 由输入 输出波导 空间耦合器和波导阵列光栅构成 波导阵列光栅型DWDM 薄膜滤波器型波分复用器 集成MZI波分复用器 3 光纤光栅 光纤光栅是利用光纤制造中的缺陷 用紫外光照射 使得光纤纤芯折射率分布呈周期性变化光纤光栅滤波作用 在满足布拉格光栅条件的波长上全反射 而其余波长通过的是一种全光纤陷波滤波器 光纤光栅滤波作用 衍射光栅波分复用器 阵列波导光栅波分复用器 光纤光栅制作方法 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 波分复用 解复用器的特性 1 解复用器 以光信号波长为函数的解复用器的主要光学特性有以下几点 1 中心波长 或通带 1 2 n 1 2 中心波长工作范围 1 2 3 中心波长对应的最小插入损耗L1式中 P 1代表波长为 1的光束在输出端的光功率 P01分别代表波长为 1的光束在输入端合路信号中的光功率 4 相邻信道之间串音耦合最大值L12式中 P 1代表波长为 1的光束在输出端串扰到 2的输出端口处的光功率 P2分别代表波长为 2的光束在输出端口处的输出光功率 5 偏振相关损耗 偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时 如线偏振 圆偏振 椭圆偏振等 对应输出端口插入损耗最大变化量 2 复用器以光信号波长为函数的复用器的光学特性 可用于给定的输入端口 1 至N 端口为输入端口 0 端口为输出端口 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 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 3 7光开关 光开关的种类 1 机械式光开关