光无源器件概述.ppt

光纤无源及有源器件技术及应用 主要内容 光纤无源器件技术光纤放大器技术光纤激光器技术 光纤光栅 滤波器 调制器等 多波长光纤激光器 锁模光纤激光器 单频光纤激光器等 掺铒光纤放大器 拉曼放大器等 光器件 用途 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 有源无源器件主要包括 光连接器 光衰减器 光耦合器 光波分复用 解复用器 隔离器 环行器 滤波器 光调制器 光开光等 有源器件主要包括 激光器 光探测器 光放大器等 光纤无源器件技术 光无源器件是一种能量消耗型器件 主要功能是对信号或能量进行连接 合成 分叉 转换以及有目的的衰减等 在光纤通信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件 无源器件功能 连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换 开关 复用 解复用调制 解调编码 解码色散处理缓存 存储逻辑处理 光无源器件的功能 内容 光连接器Connector光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器与环行器Isolator Circulator光衰减器Attenuator光起偏器与偏振控制器Polarizer PolarizationController滤波器Filter光调制器Modulators光开关Switches 光连接器件是把两个光纤端面结合在一起 以实现光纤之间可拆卸 活动 连接的光无源器件 它还具有将光纤与有源器件 光纤与其它无源器件 光纤与系统和仪表进行活动连接的功能 影响连接损耗的因素 光纤连接时 由于光纤纤芯直径 数值孔径 折射率分布的差异以及横向错位 角度倾斜 端面间隙 端面形状 端面光洁度等因素的影响 都会产生连接损耗 光纤连接器 精密套管结构连接器简图 光纤连接器示意图 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 光纤连接器特性 1 插入损耗插入损耗是指由于增加光无源器件而产生的附加损耗 定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比 通常用dB表示 即 其中Pi为发送进输入端口的光功率 Po为从输出端口接收到的光功率 dB 光纤连接器特性 其中Pi为发送进输入端口的光功率 Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率 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 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 光纤连接器一般性能 常用光纤接头类型 光耦合器 Coupler 是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合 并进行再分配的器件 从端口形式上划分 它包括X型 2 2 耦合器 Y形 1 2 耦合器 星形 N N N 2 耦合器以及树形耦合器等 光纤耦合器Coupler 光纤耦合器Coupler 1 1 耦合分束比 3dBcoupler 0 5 熔锥形光纤耦合器示意图 光纤耦合器示意图 熔融拉锥法是将两根 或两根以上 除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢 在高温下熔融 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 熔融拉锥系统示意图 光纤耦合器的技术参数 1 插入损耗 定义同前 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 光纤耦合器的技术参数 3 分光比 CouplingRatio 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 通常称为3dB耦合器 4 方向性 串扰 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 光纤耦合器的技术参数 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 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 光纤耦合器的技术参数 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的偏振相关损耗足够小 光纤耦合器的技术参数 6 工作波长范围工作波长范围是指无源器件能够按照规定的性能要求下工作的波长范围 min到 max 2 2光纤耦合器内的光功率分布 k是耦合系数 50 50 耦合器的性能参数 例2 2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 200mW 另外三个端口的输出功率分别为P1 90mW P2 85mW P3 6 3nW 求耦合比 附加损耗 插入损耗 0口到1口 插入损耗 0口到2口 以及串扰 例2 2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 200mW 另外三个端口的输出功率分别为P1 90mW P2 85mW P3 6 3nW 可以求得为 将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器 也叫合波器 反之 经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器 也叫分波器 从原理上讲 这种器件是互易的 双向可逆 即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用 就是复用器 光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中的关键部件 光复用解复用器 熔锥光纤型波分复用器结构和特性 衍射光栅型波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 光波分复用解复用器 光波复用器解复用器应用示意图 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 隔离器就是一种非互易器件 光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件 它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响 光隔离器 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应实现其功能 光隔离器的特性是 插入损耗低 反向隔离度高 回波损耗高 光隔离器分偏振相关与偏振无关隔离器 光隔离器 光纤隔离器示意图 光环形器是由多个光隔离器单元组合而成的 控制光束传播方向的无源器件 光环形器 三端口光环形器四端口光环形器箭头方向代表了允许光传输的方向 光纤环形器示意图 光环行器用于双向传输系统 光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中 是对光功率有一定衰减量的器件 根据衰减量是否变化 可以分为固定衰减器和可变衰减器 光衰减器 光衰减器 固定衰减器 固定衰减器对光功率衰减量固定不变 主要用于调整光纤传输线路的光损耗 可变衰减器 可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化 用于测量光接收机灵敏度和动态范围 a 光路和结构 b 连续衰减片 厚 薄 用于从自然光中获得偏振光的无源器件称为起偏器 Polarizer 光起偏器 光偏振控制器 光偏振控制器主要用于对入射光的偏振态改变及控制 理论上 偏振控制器能将输入的任何一种偏振态的光 椭圆偏振 圆偏振 线偏振 转变成任意指定偏振态的输出 进行波长选择的无源光器件 即光滤波器 光滤波器 梳状滤波器 带通滤波器 光滤波器示意图 几种常用光滤波器 法布里 珀罗 FP Fabry Perot 滤波器马赫 曾德尔干涉仪 MZI Mach ZehnderInterferometer 光纤光栅 光滤波器的带宽 带通滤波器的带宽 滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自由光谱范围 FSR FreeSpectralRange 用FWHM Fullwidthathalfmaximum 表示传递函数的半高宽 比值FSR FWHM称作FP滤波器的精细度 F Finesse 则 7 12 滤波器的几个重要参数 滤波器的几个重要参数 滤波器参数标识 法布里 珀罗 FP Fabry Perot 滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的 这种滤波器也叫F P干涉仪 传统上用作干涉仪 现在也用在WDM系统中作滤波器 法布里 珀罗滤波器 F P滤波器 法布里 珀罗 FP Fabry Perot 滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的 这种滤波器也叫F P干涉仪 传统上用作干涉仪 现在也用在WDM系统中作滤波器 F 滤波器的功率传递函数TFP f 与光的频率f有关 7 10 法布里 珀罗滤波器 若用自由空间波长 表示 则 这里A表示每个镜面的吸收损耗 R为每个镜面的反射率 假设两个镜相同 光在腔内单程传播的时延为 腔内介质的折射率为n 腔长为l 因此 nl c c为真空中光速 7 11 法布里 珀罗滤波器 A 0及R 0 75 0 9和0 99时FP滤波器的功率传递函数 反射率R越大 相邻信道的隔离度就越好 法布里 珀罗滤波器 FP滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自由光谱范围 FSR FreeSpectralRange 用FWHM表示传递函数的半高宽 比值FSR FWHM称作FP滤波器的精细度 F Finesse 则 7 12 F P滤波器的几个重要参数 F P滤波器的几个重要参数 滤波器参数标识 F P级联滤波器F P可调谐滤波器 马赫 曾德尔干涉仪 MZI MachZehnderInter ferometer 使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出 MZI通常以集成光波导的形式出现 即用两个3dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路 如图所示 马赫 曾德尔干涉仪 马赫 曾德尔干涉仪 MZI 结构图 考虑MZI作为一个解复用器的情况 这时只有一个输入 假设从输入端口1输入 经过第一个定向耦合器后 功率平均分配到两臂上 但是在两臂上的信号有了 2的相差 下臂上的信号比上臂滞后 2 马赫 曾德尔干涉仪 MZI 方框图 M Z干涉仪的工作原理 同理 在输出2处 两信号总的相位差为 L L 在输入1的所有波长中 满足 L k k为奇数 条件的波长 由输出1输出 满足 L k k为偶数 条件的波长由输出2输出 而 n为介质折射率 为光波长 通过适当设计就可以实现波长的解复用 如果下臂与上臂的长度差为 L 则下臂信号的相位进一步滞后 L 为光在MZI介质中的传输常数 在第二个定向耦合器的输出1处 来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了 2 因此 在输出1处 两信号总的相位差为 L M Z干涉仪的工作原理 如果两臂长度差为 L 只是输入1输入 则单个MZI的功率传递函数为 MZI可用来作滤波器和波分复用器 解复用器 在宽带滤波方面MZI非常有用 例如用来分开1 31 m和1 55 m两个波长的光信号 单级M Z干涉仪 如果将MZI级联就构成多级马赫 曾德尔干涉仪 形成窄带滤波器 一个4级马赫 曾德尔干涉仪如图所示 其中每个MZI以及级联后整个4级MZI的传递函数曲线如下页图所示 级联M Z干涉仪 MZI单级及级联后的传递函数 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性 外界入射光子和纤心内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化 在纤心内形成空间相位光栅 其作用实质上是在纤心内形成一个窄带的 透射或反射 滤波器或反射镜 使得光在其中的传播行为得以改变和控制 光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化的效应 在纤芯上形成周期性的折射率调制分布 从而对入射光中相位匹配的频率产生反射 光纤光栅 光纤光栅的历史 1978年由加拿大通讯研究中心 CRC CanadianResearchCentre 的K O Hill 率先报道了光纤的光敏特性 制造了第一支光纤光栅 1989年G Melts报道了从光纤的侧面用激光的干涉曝光制作了光纤光栅 使光纤光栅得到迅速发展 1993年K O Hill提出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大发展 使光纤光栅的大批量制造成为可能 利用某种特殊光纤的光敏特性 就可在光纤中写入光栅 在传统光纤的SiO2中掺入少量锗 Ge 后就具有了光敏特性 再由紫外 UV 光照射 就可引起光纤纤芯的折射率变化 若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯 则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化 强度高的地方纤芯折射率增加 强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化 这样就在光纤中写入了光栅 也可以使用位相模版 phasemask 来写入光栅 位相模版是一种光衍射元件 当用光束照射它时 它将光束分离成各个不同的衍射级 这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤 光纤光栅的写入 光纤光敏性概念 所谓的光敏性 是指材料被外部光照射时 引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性 光纤中的光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变的特性 在一定条件下 变化的大小与光强成线性关系并可保存下来 在通信中应用最广泛的是纤芯掺锗光纤 在光纤材料中掺入Ge以后将产生位于195nm 213nm 240nm 281nm 325nm 517nm等多个附加吸收带 其中240nm 195nm为强吸收带 光纤光栅的写入装置 光束干涉法制备光纤光栅示意图 光纤光栅的写入装置 相位模板方法制备光纤光栅示意图 光谱测量示意图 光纤光栅可以分为短周期 short period 光纤光栅和长周期 long period 光纤光栅 短周期光纤光栅也称光纤布喇格光栅 其周期可以和光波长相比较 典型值大约0 5 m 长周期光纤光栅的周期比光波长大得多 从几百微米到几毫米不等 光纤布喇格光栅 FBG FiberBraggGrating 是一种反射型光纤光栅 光栅使正向传输模 单模光纤中即为基模 同反向传输模之间发生耦合 光栅的波矢应等于传输模波矢的2倍 也就是说 光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半 这种光纤光栅只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射 而不影响其它波长的光通过 光纤光栅按周期的分类 设两列波沿着同一方向传播 其传播常数分别为 0和 1 如果满足布喇格相位匹配条件 其中 为光栅周期 则一个波的能量可以耦合到另一个波中去 在反射型滤波器中 我们假设传播常数为 0的光波从左向右传播 如果满足条件 则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去 7 7 7 8 光纤光栅 设 0 2 neff B 其中 B为输入光的波长 neff为光纤的有效折射率 则如果 B 2neff 将满足布拉格条件 光波将发生反射 这个波长 B就称作布喇格波长 随着入射光波的波长偏离布喇格波长 其反射率就会降低 如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上 则只有波长等于布喇格波长的光才反射 而其它的光全部透射 Bragg波长 FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅 通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合 而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式 形成对入射波的反射 其反射波长即布拉格波长为 B 2neff 其中 为光栅周期 neff为纤芯等效折射率 光纤Bragg光栅 概念总结 光纤Bragg光栅反射及透射特性 布喇格波长 B 2neff 光纤光栅原理示意图 变迹光纤光栅 采用特殊形式对光纤Bragg光栅的折射率调制深度进行调制 可形成变迹光栅 这种光栅具有丰富的谱特性 通过改变其调制函数及其他有关参数可根据需要控制其反射谱形状 布喇格光栅的反射谱均匀折射率情形变迹折射率情形 注意 变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的 均匀折射率及切趾光栅的反射谱 长周期光纤光栅的工作原理与光纤布喇格光栅稍微有些不同 在光纤布喇格光栅中 纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上 而在长周期光纤光栅中 纤芯中正向传输模的能量耦合到包层里的正向传输模上 包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉 因此相应波长位置的光波被衰减 出现一些损耗峰 设纤芯中模的传输常数 假定为单模光纤 为 p阶包层模的传输常数为 cp 相位匹配条件为 长周期光纤光栅 7 9 其中 为光栅周期 一般情况下 两个正向传输模的传输常数相差很小 为了发生耦合 通常要求 是一个相当大值 一般为几百微米以上 设纤芯和p阶包层模的有效折射率分别为neff和npeff 由公式 2 neff 可得 当波长满足 neff npeff 时 纤芯模的能量便耦合到包层模上去 因此 如果我们知道了传输光的波长和纤芯 包层模的有效折射率 就可以设计合适 值的长周期光栅来满足各种需要 长周期光纤光栅 长周期光纤光栅的透射谱 特别适合用作带阻滤波器 设纤芯和p阶包层模的有效折射率分别为neff和npeff 由公式 2 neff 可得 当波长满足 neff npeff 时 纤芯模的能量便耦合到包层模上去 因此 如果我们知道了传输光的波长和纤芯 包层模的有效折射率 就可以设计合适 值的长周期光栅来满足各种需要 长周期光纤光栅 长周期光纤光栅的透射谱 特别适合用作带阻滤波器 啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的 是一个非周期的光栅间距 可改变轴向的光栅周期 或光纤纤芯折射率或同时改变两者获得 啁啾光栅的谱分布 由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长 啁啾光栅能够形成很宽的反射带 超结构光纤光栅 又称取样光栅 折射率调制是周期性间断的 相当于在光纤Bragg光栅或啁啾光纤光栅的折射率调制上又加一个调制函数 超结构光纤光栅写入和应用 R Kashyap写入方法采用相移相位掩模近场衍射法 B J Eggleton等人利用振幅掩模与相位掩模联合使用的方法也可精确地写入超结构光纤光栅 应用 超结构均匀光栅在梳状滤波器以及多波长激光器在波分复用通信系统中的色散补偿 相移光纤光栅 是指在光纤Bragg光栅的某些点 通过一些方法破坏其周期的连续性而得到的 每个不连续连接都会产生一个相移 相移光纤光栅的透射谱 其主要特点是在Bragg反射带中打开透射窗口 使波长具有更高的选择性 通过选择合适的相移点位置和相移量 能够控制透射窗口的位置 光纤光栅的波长调谐 电磁调谐 举例 如使用103mT磁场可以实现1 1nm的调谐热调谐 Bragg波长的温度灵敏度为1 1X10 2nm 机械调谐 应力等 光纤光栅 FiberGrating 是一种非常有吸引力的全光纤器件 其用途非常广泛 可用作光滤波器 光分插复用器和色散补偿器等 其主要优点有 光纤光栅的应用及优点 插入损耗小易于与光纤耦合对偏振不敏感封装简单成本较低等 光纤光栅在光通信中的应用 光纤光栅在OADM中的应用 上图是基于光纤光栅的光分插复用器 由两个三端口光环行器和N个光纤布喇格光栅构成 由光栅反射回来的波长 i从环行器1的端口3取出进行下载 余下的波长继续前行 从环形器2的1端口上载信号 经光栅反射波长 i通过环形器3端口输出 继续传输 光调制器 调制器概述电光调制器声光调制器 激光是一种频率很高 1013 1015Hz 的电磁波 具有很好相干性 因而象以往电磁波 如微波等 一样可以用来作为传递信息的载波 这种将信息加载于激光的过程称之为调制 完成这一过程的装置称为调制器 其中激光称为载波 起控制作用的低频信息称为调制信号 解调 调制的反过程 即把调制信号还原成原来的信息 调制 解调的基本概念 激光光波的电场强度是 因激光具有振幅 频率 相位 强度等参量 如使其中某一参量按调制信号的规律变化 则激光受到信号的调制 达到运载信息的目的 激光调制按其调制的性质可以分为调幅 调频 调相及强度调制等 调制的分类 按调制器的工作原理 可分为电光调制 声光调制 磁光调制等 强度调制是光载波的强度 光强 随调制信号规律而变化的激光振荡 激光调制通常多采用强度调制形式 这是因为接收器 探测器 一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故 强度调制 强度调制 例 调制器可以用电光效应 磁光效应或声光效应来实现 最常见的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂 LiNbO3 晶体制成的 这种晶体的折射率n和外加电场E的关系为 n n0 E E2式中 n0为E 0时晶体的折射率 和 是张量 称为电光系数 根据不同取向 当 0时 n随E按比例变化 称为线性电光效应或普克尔 Pockel 效应 当 0时 n随E2按比例变化 称为二次电光效应或克尔 Kerr 效应 调制器是利用线性电光效应实现的 因为折射率n随外加电场E 电压U 而变化 从而改变了入射光的相位和输出光功率 电光调制器 电光调制的物理基础是电光效应 即某些晶体在外加电场的作用下 其折射率将发生变化 当光波通过此介质时 其传输特性诸如相位 功率就会受到影响而改变 电光调制器 将出射光强与入射光强相比得 V 和V 2是一回事 其中的T称为调制器的透过率 根据上述关系可以画出光强调制特性曲线 由图可见 在一般情况下 调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的 强度调制特性曲线 电光调制特性曲线 若调制器工作在非线性部分 则调制光将发生畸变 为了获得线性调制 可以通过引入一个固定的 2相位延迟 使调制器的电压偏置在T 50 的工作点上 根据调制器和激光器的相对关系 可以分为内调制和外调制 内调制 是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的 即以调制信号去改变激光器的振荡参数 从而改变激光输出特性以实现调制 外调制 是指激光形成之后 在激光器外的光路上放置调制器 当激光通过调制器时 就会使光波的某参量受到调制 外调制方便 且比内调的调制速率高 约一个数量级 调制带宽要宽得多 故倍受重视 调制方式 外调制 通过光调制器 将携带信息的电信号与输入光调制器的连续光载波相作用 外调制方式 外调制方式 例 马赫 曾德尔干涉仪型调制器 MZ干涉型调制器 上图是马赫 曾德尔 MZ 干涉型调制器的简图 在LiNbO3晶体衬底上 制作两条光程相同的单模光波导 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 式中Us和Ub分别为信号电压和偏置电压 U 为光功率变化半个周期 相位为0 所需的外加电压 并称为半波电压 由公式可以看到 当Us Ub 0时 P 2为最大 当Us Ub U 时 P 0 MZ干涉型调制器 声光调制器 声光调制器由声光介质和压电换能器构成 当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时 换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质 在介质内形成折射率变化 这样声光介质在超声场的作用下就变成了一