第六章 无源与有源光器件—3.ppt

第6章无源与有源光器件 本章以光纤技术最有代表性 最大量的应用领域 光纤通信为背景 介绍无源光器件和有源光器件 在一般的光纤通信系统中 除了采用光发射机 含调制器 载波光源 信道耦合器 传输信道光纤光缆 中继器和光接收机 含检测器 放大器 信号处理器 等基本设备外 还需要一系列配套的功能部件 以实现系统各部分之间光路的连接转换 信道的互通 分路 合路 交换 隔离 复用 解复用 波长 频率选择 功率控制 噪声滤除 偏振选择控制以及光开关 光放大等功能 光纤通信中所用的上述全部光器件可分为两大类 无源光器件 PassiveOpticalDevice 和有源光器件 ActiveOpticalDevice 两类光器件的本质区别在于 在实现器件自身功能过程中 有源光器件一般需从外部吸取能量 即需外界电源驱动 并具有以不同方式改变信号的功能 而无源光器件则无须外界电源驱动 且对信号的作用总是相同的 即只是衰减 合并和分离信号 有源光器件按其功能性质也可以分为两类 一类是具有光电能量信号转换的功能 如光源 将电转换为光 光检测器 将光转换为电 另一类则是具有控制光信号 从而可实现控制系统行为的功能 如光开关 光放大器 放大光信号 光调制器 利用电光效应等实现调制控制等功能 波长变换器等 上述内容中有关光源和光检测器部分内容将在第9章光纤通信技术中详细介绍 无源光器件是光通信系统中一类重要的基础性光器件 其功能有许多是和相应的电子器件类似的 若按功能分类 比较重要的无源光器件包括 光纤连接器 光纤耦合器 光分路 合路器 波分复用 解复用器 光滤波器 光衰减器 光隔离器 光环行器 光偏振选择控制器等 图6 1表示了部分无源光器件在光纤通信线路中的功能与作用 当前 无源光器件门类齐全 性能得到很大提高 标准口益完善 新型器件不断出现 图6 1光纤通信线路中的部分无源光器件的布局 本章将依次概要介绍上述各类重要的无源光器件以及光开关 光放大器 光调制器等有源光器件的工作原理与结构特性 为学习光纤通信与光纤传感系统等应用奠定必要的器件基础 6 3光隔离器 光环行器 光衰减器 6 3 1光隔离器 1 基本概念 在光纤光路中 当光纤与激光器 光源 耦合时 设法阻止后向反射和散射光到达激光器 以避免影响激光器的工作稳定性具有十分重要的意义 因为光纤系统中应用的半导体激光器对于反馈光的影响十分敏感 千分之几的反馈光就能使系统的误码率增加几个量级 为此 必须在激光器与光纤之间加入光隔离器 这对高速光纤通信系统 相干光纤通信系统 频分复用光纤通信系统以及精密光学测量等系统中的应用都是十分重要的问题 光隔离器是只允许光信号沿一个方向传输的双端口光器件 即当光信号沿正向传输时 具有很低的损耗 光路连通 而当光信号沿反向传输时 损耗很大 光路被阻断 光隔离器也是一种光非互易传输耦合器 即当输入与输出端口互换时 器件的工作特性是不一样的 2 主要性能参数 光隔离器主要性能参数是正向插入损耗 反向 逆向 隔离度 回波损耗 其定义分别为 1 正向插入损耗 2 反向 逆向 隔离度 由以上即可定义反向 逆向 隔离度为 反向插入损耗与正向插入损耗之差 表为 其定义为 输入端口自身返回光功率与输入光功率之比 光隔离器加入到光路中 对其要求是 正向插入损耗越小越好 典型值为1dB 反向隔离度越大越好 典型值为40 50dB 3 光隔离器的类型与工作原理 光隔离器的工作机理是基于偏振与法拉第磁光效应 如图6 26所示 当光波通过置于磁场中的法拉第旋转器时 迎着外加磁场的磁感应强度方向观察 光波的偏振方向总是沿与磁场 H 方向构成右手螺旋的方向旋转 而与光波的传播方向无关 这样 当光波沿正向和沿反向两次通过法拉第旋转器时 其偏振方向旋转角将叠加而不是抵消 如在互易性旋光片中的情形 此即法拉第效应的旋向不可逆性 这种现象称之为 非互易旋光性 图6 26法拉第磁光 旋光 效应示意图 光隔离器有两种类型 基本类型和复杂类型 两种类型隔离器的基本原理是一致的 基本类型的光隔离器结构 由一对偏振方向夹角45度的线偏振器即偏振片 分别为起偏器和检偏器 和位于两者之间的一个旋光角度为45度的法拉第旋转器构成 隔离器的工作原理如图6 27所示 当正向传输时 入射光应为偏振光 否则将增加3dB的损耗 当偏振光沿 Z方向通过法拉第旋转器时 其偏振方向将沿与磁场成右手螺旋的方向旋转45度角 设磁场方向H与 Z方向一致 从而与检偏器 偏振器2 的透射光轴方向一致 故可低损耗传输 并进入单模 光纤 若光纤端面有部分反射光 如图6 27中虚线所示 沿 Z方向反向传输 则偏振器4只透过反射光中偏振方向与垂直方向成45度 即与偏振器4的透射光轴方向一致的光 经法拉第旋转器后 偏振光的方向继续旋转45度成水平方向 从而使反射光的偏振方向与偏振器1 检偏器 的透射光轴方向垂直 因而反射光不能通过偏振器1 达到了对反向光隔离的目的 从而可保护激光器的性能不会受到噪声的影响 图6 27基本类型光隔离器的工作原理 图6 28与LD集成的光隔离器结构 基本类型的光隔离器多应用于半导体激光器 LD 的输出端 因为LD的输出光为线偏振光 且由于LD本身为波导器件 具有较强的偏振选择功能 因而在光隔离器中还可充当起偏器作用 图6 28示出了一种与LD集成的光隔离器结构 其中的法拉第旋转器采用忆铁石榴石 YIG 制成的旋光晶体透镜外加恒磁场做成 兼具旋光与聚焦两种功能 其直径约为2 1mm 在1700高斯磁场作用下可使LD输出的线偏振光旋转45度 其隔离度大于30dB 耦合损耗 LD 单模光纤 小于5dB 上述基本类型光隔离器的缺点是 第一偏振器阻挡了入射光信号中非垂直偏振部分的分量通过 带来了3dB的损耗 避免这种损耗的复杂化方案是 将入射光信号分解成垂直偏振与水平偏振两部分 垂直偏振光仍按原图示方向通过隔离器 而水平偏振光则可先旋转90度 然后再通过相同的隔离器 图6 29给出了一个复杂化方 案光隔离器的原理框图 具有任意偏振态 SOP 的输入信号I 首先正向通过空间分离偏振器SWP1 如偏振分光镜 分成相互垂直的两个偏振分量 水平方向分量和垂直方向分量 垂直分量方向不变 而水平分量偏离输入方向 然后水平分量和垂直分量均经过法拉第旋转器 偏振方向旋转45度 再经过一个 2波片 为45度互易旋光片 偏振方向再旋转45度 这样水平分量正好变成垂直分量 垂直分量变成了水平分量 最后两个分量又在SWP2上合路输出为I 反之 若有反方向的输入信号I1 虚线 沿原路返回时 由于 2波片和法拉第旋转器的偏转作用相互抵消 因而垂直和水平两个分量通过这两个器件后偏振态将保持不变 在输入端的SWP1上不能合路输出 即反向光不能合路通过光隔离器 这种复杂化方案的光隔离器一般应用于光纤线路中 近年来 光隔离器正在向小型化方向发展 图6 29复杂化方案光隔离器的原理方案示意图 6 3 2光环行器 光环行器也是一种光非互易传输耦合器 其功能是 作为一个单行道使光信号只能沿规定的路径环行 依次通过一系列端口 如 否则就有很大损耗 光环行器也是一类应用广泛的光无源器件 例如在光收发机 光纤放大器 光纤布拉格光栅滤波器等器件应用中 光环行器能将光纤中沿不同方向传输的光分离开来 一般用于将一根光纤中传输的正向 输入 和反向 输出 光信号分开 从而为系统的设计带来方便 使系统结构简化 性能提高 光环行器所依据的原理与结构与光隔离器十分类似 同为法拉第磁光效应及相应结构 有区别的只是偏振分光镜的设计不同 光环行器也具有与光隔离器同样定义的主要性能参数 正向插入损耗 反向 逆向 隔离度 回波损耗等 图6 30给出了三端口光环行器 如图6 30 a 所示 和四端口光环行器 如图6 30 b 所示 的光路单向环行示意图 图6 30光环行器 光路运行示意图以三端口光环形器为例 光信号从端口1输入 只能从端口2输出 端口2输入的光信号只能从端口3输出 而从端口3输入的光信号只能从端口1输出 图6 31给出了三端口环形器实现环形定向传输 1 2 3 的原理结构示意图 它是图6 29结构的具体实现 图中双折射光束位移器由强双折射材料制成 它可将输入的非偏振光分成垂直偏振与水平偏振两束不同偏振的光 且两束偏振光沿有微小差别的方向偏折 其中 水平偏振光沿直线通过 而垂直偏振光则向上偏折 1 2 法拉第旋转器的功能总是将偏振方向旋转45度 无论光束是从前向还是后向通过它 因而若一束光在其中通过一 图6 31光环形器原理结构示意图 个来回 则偏振方向将一共旋转90度 这是其实现光隔离功能的本质特征 位相延迟波片当光从一个方向通过它时 将使偏振方向旋转45度 而光从另一个方向通过它时 将使偏振方向旋转 45度 这意味着光束通过波片往返一次 其初始的偏振状态将不被改变 有了上述对三个关键器件功能的分析 参考光隔离器的工作机理 则易于理解图6 31所示的三端口光环形器的工作原理 6 3 3光衰减器 为防止强光可能使接收机过载 例如发射机距接收机很时 接收机接收的光信号可能很强 光路中需要使用光衰减器 光衰减器是光滤波器的一种 但它又区别于其他类型的光滤波器 在光纤系统中 光滤波器是指光透过率随波长而显著变化的光器件 例如 一个滤波器可以对1530 1565nm掺铒放大器工作波段的光透过 而对980nm泵浦波段的光却衰减50dB 但光衰减器的功能却是在整个光谱范围内均匀地减小光强 去掉多余的光能量 衰减器若对某一波长光衰减了3dB 则对其他所有波长的衰减也都应为3dB 具体衰减方法通常是通过衰减器吸收掉多余的光能量 由于光信号的这些能量相对于衰减器来说很弱 因而不会引起衰减器显著的发热现象 由于衰减器对光信号能量的吸收 因而减小了由于反射 散射等返回光对激光发射机可能产生的噪声影响 显然 光密度与衰减的定义式相差系数10 因此 光密度是以分贝单位表示的衰减的0 1倍 若知衰减器的光密度q 2dB 则其衰减应为20dB 大多数光衰减器都有以分贝定义的衰减固定值 通常以透过光亮度 光强度 T的百分比或光密度的百分比来表征光衰减器的衰减能力和程度 定义光密度q为 6 4光纤光栅 6 4 1光纤光栅的功能与机理 光纤光栅是一类重要的无源光器件 也是一类重要的特种光纤 它能有选择地反射和透射某此波长的光 1 基本概念 光纤光栅的结构特征是 一段光纤其纤芯玻璃的折射率沿光纤长度方向呈周期性的变化 如先增大 后减小 再次增大 纤芯折射率的周期性变化将导致通过光纤的光发生散射 这种效应与分布在反射性表面上一排高度平行的条纹或槽构成的衍射光栅所产生的不同波长光谱展开的现象类似 光纤光栅中 条纹 处的折射率高于纤芯中其他部分的折射率 这种折射率变化的分布结构 将使通过其中的光发生布拉格散射效应 最终使光纤光栅能选择性地反射某些选定的波长 而使其他波长的光波透射 为此 光纤光栅又称为反射型或短周期光栅 亦称为 光纤布拉格光栅 FiberBraggGrating BFG 1990年光纤布拉格光栅开始出现 2 功能机理 光纤光栅的布拉格散射与衍射光栅的散射并不完全相同 光纤布拉格光栅能有选择性地反射某一窄带波长的机理可做如下分析 参见图6 32 每当光照射到光纤光栅的高折射率区域一次 就有一部分光被散射回去 若某一波长与光纤中高折射率区域的间隔相匹配 即满足相位匹配条件时 则从每个高折射率区域散射的光就会发生相长干涉 从而产生强反射 与此同时 高折射率区域也散射其他波长的光 但散射光波之间的相位不同 它们通过相消干涉而相互抵消 于是这些非谐振波长就以较低的损耗透射出光栅 结论是 布拉格效应选择性地反射与光纤周期相匹配的波长光 3 制作方法 光纤光栅的制作方法是 通过紫外光照射掺锗石英玻璃纤芯 破坏纤芯中的原子键来形成光栅 纤芯玻璃成分配方应调整到使这种破坏效应最强 具体照写光栅的方法是相位掩模法 参见图6 33 一台外置的紫外激光器通过一块薄的贴近相位掩模 板的平板照射光纤 平板底部刻蚀有由高度平行的沟槽构成的图案 凹槽的周期与光栅周期成比例 紫外激光被调制成 1级衍射光 两光叠加于光纤芯部并形成干涉条纹 它能沿两个方向衍射大部分光 产生干涉花样覆盖在光纤上面 由于高 低强度区域交错分布 高强度区域的紫外光破坏了玻璃中的原子键 从而改变了玻璃的折射率并形成光栅 基于几何关系 排列在光纤中的光栅的间隔为掩模板上条纹间隔的一半 如果相位掩模间隔为b 则光纤光栅的间隔为b 2 紫外激光波长 193nm 248nm的中紫外光或334nm的近紫外光 不影响条纹间隔 但影响光栅的强度 4 传输特性规律分析 式中 b为光栅间隔 m1为纤芯玻璃折射率 g为光纤光栅选择反射的波长 若知光栅间隔为0 5 m 折射率为1 47 则光纤光栅选择反射的波长即为1 47 m 反之 若给定对选择反射波长的要求 则可计算光纤光栅的间隔 应该注意的是 为了选出精确的波长 必须知道折射率和光栅间隔的准确值 图6 34给出了光纤光栅选择性反射与透射的谱特性曲线 图示表明 光纤光栅为一反射滤波器 它能将所选择的波长反射回去 同时将其余波长透射 它的反射在某波段范围内 窄带 会大大增强 在所选波长处反射最强 为峰值 在窄带内反射曲线的侧面接近直角 图中给出的是峰值反射波长为1538 19nm窄带内的光栅反射谱 反射曲线给出了在该波长处被反射光所占的比例 以dB表示 透射曲线则给出了在该波长处的传输损耗 曲线表明 该滤波器在所选带宽 100GHz 约为0 8nm 以外的波长能反射 30dB 10 3 的入射光 所选带宽以外的其余光可不受影响地通过光纤光栅 6 4 2光纤光栅的主要应用 光纤光栅由于具有良好的选择反射特性和较低的插入损耗 因而在光纤通信 传感等领域获得了广泛的应用 其主要应用方向如下 1 固定或可调谐滤波器 光纤光栅具有良好的滤波特性 其基本特征是选频反射 即具有选择反射一个或多个波长的能力 而且通过调整改变光栅的结构参数 即改变光纤布拉格光栅的折射率或波长 可以调谐得到具有不同反射率 不同带宽等滤波特性的光纤滤波器 光纤光栅的选频反射特性 特别是其能选择反射窄带波长的性能 非常适用于光纤通信系统 对波分复用系统或需将泵浦波长与信号波长复合 或分开 的应用场合尤显重要 由于在实际光通信系统中更多的是需要传输型的带通滤波器 最好的方法是将光纤光栅与光纤环行器结合使用 即令输入的光信号经光纤环行器进入光纤光栅 被选频反射后由光纤环行器的输出端输出 从而成为一个传输型滤波器 图6 35给出一个从传输8个信号波长 1546nm 1548nm 1550nm 1552nm 1554nm 1556nm 1558nm和1560nm 系统中 选择反射出1552nm波长的原理示意图 图中在输入端将8个波长信号首先通过一个光学环行器并耦合输入光纤光栅 光纤光栅1552nm波长的光选择反射回光纤环行器 并基于环行器通道的单向性 而被路由至 下载 端口 这一端口相当于一个滤波器 它选出1552nm波长信号并将其引向所希望的地址 与此同时 其余7个信号波长均直接通过光栅 以此类推 可将多波长系统中的多个波长信号依次地选频分开 2 光纤光栅光分插复用器 在波分多路的光通信系统中 随着光纤网中每一节点信息量的大量增加 非常需要一种只对本节点上下载的波长信号进行光电转换 而让其他波长信号直接通过节点的新型分插复用处理方式 这就是全光波分多路分插复用器 可以实现上述功能的光分插复用器的结构有 耦合器型结构 光纤光栅与光纤环行器结合型结构 光纤光栅M Z结构 图6 36给出了将光纤光栅与光分插复用器相结合 实现在中间站上下载某一波长信号的原理示意图 该通信系统共传输4个波长 即1550nm 1552nm 1554nm和1556nm 较短的3个波长必须从城镇A传到城镇C 但系统又必须将1556nm的信号从城镇A传到B 并经城镇B传到C 在中间站B下载一个信号的同时 用具有同样波长的其他信号代替原来的信号 图中 分插复用器首先通过光纤光栅的反射下载1556nm的信号 而1550nm 1552nm和1554nm的信号继续传输 光环行器在B处下载1556nm的信号 同时B处的发射机发送的从另一端口进入光纤光栅的1556nm信号也被反射 光环行器发送所有信号并通过光纤光栅到达C 同时 3 光纤色散补偿 采用光纤光栅