光电子-第6章光通信器件

第6章光纤通信无源器件技术,2,内容提要,典型的光无源器件,3,光电子学的发展,4,3,6.1 光纤通信基本知识,光纤传输系统的基本组成光纤通信：以光导纤维（光纤）为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。光纤传输系统的基本组成,光纤线路,光源,光调制器,光检测器,基带处理,基带处理,基带电信号,基带电信号,调制电信号,解调电信号,已调,光信号,光发射机,光接收机,4,光纤传输系统的基本组成,5,光通信的历史,最早的光通信烽火？手势？旗语？1883: Alexander Graham Bell光电话实验：200米，太阳光 关键问题可靠的光源相干性合适当传播介质损耗低可靠性高,6,1960 Maiman：红宝石激光器1962 GaAs二极管激光器：脉冲方式，77K.1966 高锟、Hockham及Werts：石英光纤的损耗可以减小到适合作为传输介质1970两大重要突破康宁公司：单模光纤，损耗 20dB/km，传输介质的阈值贝尔实验室：室温连续AlGaAs半导体激光器波长850nm寿命几分钟数小时结构： GaAs材料上外延生长双异质结AlGaAs,光通信的历史,7,随后的其它技术突破：多模光纤： 4dB/km， SiO2 掺 GeO2AlGaAs激光二极管：寿命-几十万小时 (1978107 小时）第一代光纤通信系统1976-45 Mb/s 野外实验， Atlanta， MMF， 0.85m1977-45 Mb/s 芝加哥，商业应用，2办公室， 7km 第二代光纤通信系统1976两大进步NTT：MMF，损耗 1dB/km0.5dB/km， 1.3m & 1.55mLincoln实验室：室温长波长InGaAsP/InP激光器1981，1.3m MMF 通信系统-第二代光通信系统.,光通信的历史,8,第三代光纤通信系统 1.3m, SMF, 0.5dB/km, 140Mb/s (1984) 1.3m, SMF, 565Mb/s, 1.7Gbits/s (1986生产， 1987商用) 2.488Gbits/s (1991商用化 ) 实验：10Gb/s,光通信的历史,9,1986第四代光纤通信系统两大技术革新：波分复用（WDM）光放大器（EDFA）1.55m, SMF, 0.2dB/km商用:410Gb/s 40Gb/s (Nortel)810Gb/s 80Gb/s (Lucent)805Gb/s 400Gb/s (Lucent: wavestarTM OLS 400G )实验: Tb/s,光通信的历史,10,下一代光孤子？全光网络？智能光网络？对器件要求集成化小型化,光通信的历史,11,一.光纤,1.光纤的组成构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。,n1,n2,n1,SIF,GIF,12,一.光纤,2.光纤的分类突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径5060m，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径50m，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10 m，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。,13,一.光纤,3.光纤传输特性传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85m附近，损耗24dB/km;（2）1.31 m附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 m附近，损耗约0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。中继器间距受损耗限制和色散限制。色散限制用距离带宽积（Mbpskm）表示。三类光纤中SMF最高，GIF次之，SIF最低。,14,一.光纤,4.实用光纤标准G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离；G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31 m处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输；G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55 m色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654： 1.55 m损耗最小的SMF， 1.31 m处色散为零；G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。,15,二.光发射机,1.光源： 发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。 激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。2.光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。,16,三.光接收机,光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。,17,四.光纤通信发展阶段,1966年高琨指出了用光纤进行信息传输的可能性和技术途径；第一阶段（19661976年），从基础研究到商业应用的开发时期，实现了短波长（0.85 m ）低速率（45或34Mb/s）多模光纤通信系统，无中继距离约10km；,18,四.光纤通信发展阶段,第二阶段（19761986年），大发展时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长发展到长波长（1.31和1.55 m ）,实现了1.31m、传输速率140565Mb/s的单模光纤传输系统（PDH） ，其无中继距离为50100km；第三阶段（1986年），全面深入开展新技术研究，实现了1.55 m单模光纤通信系统（SDH） ，速率达2.510Gb/s,无中继距离为100150km；1996年后，研发波分复用光纤通信系统，每波长传输速率10或40G及光波网络。,19,五.光纤通信特点与应用,传输容量很大：2.5G10G/波长；每光纤采用波分复用技术，可容纳几十至上百个波长；每根光缆可含几十至上百根光纤。传输质量很高，误码率很低（小于109）中继距离很长（50150km）抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好应用广泛：大容量骨干网、计算机局域网与广域网、光纤接入网、有线电视网等,20,6.2 波分复用,内容提要 信道复用技术 光波分复用原理 点对点光波分复用传输系统,21,一.信道复用技术,信道复用：在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息（N1） ，其基本方法是将该信道划分为N个子信道。频分复用（FDM）：各子信道占用不同的频带，用滤波器分路；新发展的技术有正交频分复用（OFDM）、编码正交频分复用（COFDM）,22,一.信道复用技术,时分复用（TDM）：各子信道占用不同的时隙，用门分路；又有同步时分复用和异步时分复用（又称统计时分复用）之分。码分复用（CDM）：各子信道采用不同的相互正交的码序列，用相关器分路。光波分复用（WDM）：各子信道采用不同的光载波，用光滤波器分路。,23,二.光波分复用原理,光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。发送端复用（OMUX）：组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中。接收端解复用（ODMX）：分离不同波长的光信号并作进一步处理。中继放大：经过一定距离的传输后，要用宽带放大器对光信号进行放大；目前普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）。,24,二.光波分复用,波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。发送端复用（OMUX）：组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中。接收端解复用（ODMX）分离不同波长的光信号并作进一步处理。中继放大：经过一定距离的传输后，要用宽带放大器对光信号进行放大；目前普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）。,25,WDM原理图,26,波分复用技术的发展概况,BWDM：利用1.3和1.55m附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统DWDM：在1.55 (1.501.60) m窗口，同时用8，16或更多个波长，其中各波长之间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应于200GHz,100GHz或更窄的频率间隔，得到广泛应用（以下用WDM表示）。DWDMEDFAG.655光纤光子集成，是长途光纤宽带传输的主要技术方向。目前水平：商用系统：4010Gb/s 实验室：8240Gb/s=3.28Tb/s基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心网,27,WDM的特点,利用多个波长并行传输，突破电子电路的速率极限，减小了光纤色散的影响，充分利用光纤的巨大带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几十倍甚至几百倍各波长的信道相对独立，可同时传输不同类型、不同速率的信号 可降低对O/E，E/O器件要求在光域传输的透明性好高度的组网灵活性、经济性和可靠性,28,光波分复用传输系统,双 纤 双 向 单 纤 双 向,IP,29,WDM系统波长信道中心频率,30,光电子器件类型（通信）,有源,激光器光放大器探测器光调制器波长转换器,光隔离器光耦合器光滤波器光开关光衰减器色散补偿器偏振控制器偏振模补偿器,无源,6.3 光无源器件,31,概述,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,32,分类,按功能分光连接器件光耦合器件光隔离器件光开关器件光滤波器件,光交换器件光存储器件光逻辑器件光复用器件光调制器件光编码器件,33,2. 按结构类型分光纤器件光纤光栅器件平面波导器件微光机械器件集成器件,34,一.光连接器件,概述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。,35,连接器的主要指标:插入损耗回波损耗 在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率的分贝数。3. 重复性和互换性,一.光连接器件,36,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。1. 纤芯错位损耗,一.光连接器件,37,其中,2. 光纤倾斜损耗,一.光连接器件,38,3. 光纤端面间隙损耗,其中Z是端面间隙，K=n1/n2,4. 光纤端面多次反射（Snell反射）引起的损耗,一.光连接器件,39,5. 纤芯（或模场）尺寸失配引起的连接损耗6. 数值孔径失配引起的连接损耗,NA1NA2,NA1NA2,一.光连接器件,40,改进回波损耗的方法1.光纤的端面加工成球面或斜球面2.将端面镀膜,41,光纤活动连接器,光纤活动连接器1.套管结构(主流),42,光纤活动连接器,光纤活动连接器1.套管结构(主流),43,光纤活动连接器,光纤活动连接器1.双锥结构,44,光纤活动连接器,光纤活动连接器1.V型槽,45,光纤活动连接器,光纤活动连接器1.透镜耦合结构,46,光纤准直器,光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学元件，它由四分之一节距的自聚焦透镜(GRIN透镜)和单模光纤组成，如图3.3所示，具有低插入损耗、高回波损耗、工作距离长、宽带宽、高稳定性、高可靠性、小光束发散角、体积小和重量轻等特点。其用途是将光纤端面射出的发散光束变换城平行光束或者将平行光束会聚并高效耦合入光纤，是制作多种光纤器件的基础器件，,47,因此被广泛应用于光束准直、光束耦合、光隔离器、环形器、光开关、衰减器、光波分复用器之中。,48,连接器的品种、型号,连接器的组成部分：连接器插头、光缆跳线、转换器、变换器、裸光纤连接器。1. FC系列连接器 FC型连接器是一种罗纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器。,一.光连接器件,49,FC型连接器的插头、转换器和内部结构,一.光连接器件,50,2. SC系列连接器 SC型连接器采用插拔连接，外壳使用工程塑料制作、矩形结构，便于密集安装，可以制成多芯连接器。,SC型插头,SC型转换器,一.光连接器件,51,3. ST型连接器 ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构。,ST型连接器的插头与转换器,一.光连接器件,52,4. 不同型号插头相互连接的转换器 FC/SC，FC/ST，SC/ST5. 不同种类的变换器 SCFC，STFC，FCSC，FCST，SCST，STSC6. 各种裸光纤转接器,一.光连接器件,53,固定连接器,固定连接器1.电弧式光纤熔接机2.V型槽固定接头3.毛细管固定接头4.套管式固定接头,54,二.光耦合器件,概述 光耦合器(Coupler)是光通信技术中另一类重要无源器件，它能使传插中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合并进行再分配。早期它多用于从传输干路取出一定的功率进行监控等。近年随着光纤通信、光纤用户网、光纤CATV、无源光网络(PON)、光纤传感技术等领域的迅猛发展，其应用越来越广，已形成多功能、多用途的产品系列。,55,二.光耦合器件,1.分类从功能上看，它可分为光功率分配器(splitter)以及光波长分配(合分波)耦合器(WDM coupler)；从端口形式上划分，它包括x形(2x 2)耦合器、Y形(1x 2)耦合器、星形(N x N，N2)耦合器以及树形(L x N，N2)耦合器等：从工作带宽的角度划分，它分为窄带耦合器和宽带耦合器；由于传导光模式的不同，它又有多模耦合器和单模耦合器之分；从结构上又可分为分立光学元件组合型、全光纤型、平面波导型等类。,56,二.光耦合器件,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(22)耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器以及树形耦合器等。,57,2.光耦合器的技术参数1. 插入损耗（Insertion Loss） 插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减少值。2. 附加损耗（Excess Loss） 附加损耗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。,二.光耦合器件,58,附加插入损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映器件制作过程带来的固有损耗；而附加损耗表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不同的地方。3. 分光比（Coupling Ratio） 分光比是耦合器各输出端口的输出功率与输入功率的比值。,二.光耦合器件,59,二.光耦合器件,4方向性(directivity) 方向性是光耦合器所特有的衡量器件定向传输特件的参数。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侧非注光端的输出光功率与全部注入光功率比值的分贝数,60,二.光耦合器件,5均匀性(uniformity)用来衡量均分型光耠合器“不均匀程度”的参数。定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量,61,二.光耦合器件,6.偏振相关损耗(po1arization dependent loss)衡量器件性能对传输光信号偏振态敏感程度的参数，伤称偏振灵敏度。是指当传输光信号的偏振态发生360。变化时，器件各输出瑞光功率的最大变化量,62,二.光耦合器件,7.隔离度(iso1ation) 用于反映WDM器件对不同波长信号分离能力的参数，指光纤耦合器某一光路对其他光路中光信号的隔离能力式中，只是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值c隔离度高则串扰(crosstalk)小。可见，隔离度对于分波耦合器意义更为重大，要求也更高(40dB)；而一般合波耦合器对隔离度的要求并不苛刻，20dB左右将不会给实际应用带来明显不利的影响。,63,二.光耦合器件,典型的光耦合器1. 熔融拉锥法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。,64,熔融拉锥系统示意图,二.光耦合器件,65,当传导模进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，v值不断减小，模场直径越来越比纤芯直径大，于是越来越多的光模传输到光纤包层中：在熔锥区，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，光从一根纤芯福合到另一纤芯；在逐渐离开拉锥区时，随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大光模以特定的比例重新被限制在两光纤纤芯守，实现了功率的再分配。,66,光纤耦合器的工作原理,根据耦合模理论，耦合器的振幅传输特性可以用下式表示,Ei1,Ei2,Eo1,Eo2,传输矩阵,二.光耦合器件,67,式中，l是耦合区长度，光波传输常数，是耦合系数，与耦合区宽度、纤芯折射率有关。由上式可得耦合器的功率传输矩阵,二.光耦合器件,68,二.光耦合器件,假定两根光纤相同单模光纤的功率变换式,69,二.光耦合器件,光波导型光耦合器波导型光锅台器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光耦合器件往往是在铌酸锂(LiNbO3)等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所需的波结构制成芯片；芯片与单模光纤的耦合则有端面直接耦合和通过迅衰场的表面耦合等方法。波导型耦合器具行体积小、重量轻、易于集成、机械及环境稳好、铝合分光比易于精确技制、易于制成小型化的宽带耦合器件等优点,70,二.光耦合器件,种类目前利用平面波导技术已成功地研制出包括(树形)分路器、星型耦合器、波女复用器、宽带耦合器等在内的多种无源光耦合器件。这类器件常以波导的特殊结构作为分类的依据。下面以分路器为例加以介绍。,71,二.光耦合器件,1.单模波导型单模波导型分路器是对单模光信号进行功率分配的器件，由于基本结构的不同可分为分支波导、方向耦合器和间隙渐变的方向锅台器等种类。 分支波导有对称和非对称两种基本结构，其形状如图825(a)所示。由于这和结构与光的分布耦合无关，其带宽仅取决于模色散的限制，因此极适合制作宽带么路器，单窗口带宽可达100nm。目前市场L的波导型分路器多采用这种结构。,72,图,73,方向耦合器是功率分路器的另一种重要结构，也是制作星型耦合器的基础器件其典型形状如图方向耦合器的分光比通过辐合长度来调整。,74,2.多模波导耦合器在局域网中，目前较多采用的是多模耦合器。在多模波导中往往激励出多种不同的模式，在相同的波导结构下，这些模式在输出端口通常有不同的分配特性。为获得均匀的输出信号，必须在波导结构中实现模式混合。实际中，通过设计合适的耦合区长度，使各种模式因衍射而展宽，在侧壁上往返反射，直至横向的光强分布达到相同、从而实现光功率在各输出端口的均匀分配。,75,多模波导耦合器图,76,星形耦合器和树形耦合器的制作方法 直接拉制法和基本单元拼接法,星形耦合器拼接示意图,二.光耦合器件,77,树形耦合器拼接示意图,二.光耦合器件,78,光衰减器按照用户要求对光信号进行预期的衰减用途：光通信线路、系统评估、研究光通信线路、系统调整、校正在波分复用光纤网络中用来调整各信道信号的强弱测试仪器的光功率衰减光放大器的功率平坦模拟光纤长距离传输检测传输系统的动态范围。,三.光衰减器,79,光衰减器类型固定光衰减器可调光衰减器位移型光衰减片型波导型MEMS,三.光衰减器,80,位移型光衰减器,横向位移型,d,特点仅用于固定衰减器回波损耗大，偏振无关体器件,三.光衰减器,81,位移型光衰减器,纵向位移型,特点用于固定衰减器和一些小型可调光衰减器偏振无关体器件,三.光衰减器,82,光衰减片型,特点不具备连续可变的衰减特性体器件,准直镜,准直镜,衰减片盘,衰减片,三.光衰减器,83,波导型基本与光开关同样的结构方向耦合器MZI和对称X交叉Y分支和非对称X交叉直波导电光、热光或声光效应来控制衰减 体积小、性能好和易于集成等优点,三.光衰减器,84,Y分支型,三.光衰减器,85,直波导型,利用多模相干,三.光衰减器,86,微机电系统型（MEMS）,微机电系统型光衰减器是利用MEMS技术制造光衰减器的精密部分，然后再将他们精密的组装起来。它实际上也是一种机械式的光衰减器。 优点：在硅基体上制造，使用相当标准的半导体工艺 ，因此可以低成本大批量自动化生产 缺点：它是机械部件，应用于通讯的可靠性还有待于证实,三.光衰减器,87,光衰减器的性能光通信技术对光衰减器性能的要求是：插入损耗低、回波损耗高、分辨率线性度和重复性好、衰减旦可调范围大、衰减精度高、环境性能好。其中，分辨率线性度取决于衰减元件的特性和所采用的读数显示方式及机械调整结构；重复性也取决于所采用的读数显示方式及机械调整结构n因而本节着重讨论光衰减器的衰减量、插入损耗、衰减量精度和回波损耗四项指标。,三.光衰减器,88,1衰减量和插入损耗衰减量和插入损耗是光衰减器的重要技术指标。固定光衰减器的衰减员指标实际上就是其插入损耗指标要求。高质量可变光衰减器的插入损耗在1odB以下，普通可变光衰减器的该项指标小于3odB即可。 光衰减器的插入损耗主要来源于光纤淮直器的插入损耗和衰减单元的透过车精度及锅合工艺，其中工艺重点在于光纤准直器的制作，如果光纤和自聚焦透镜及两个光纤准直器间闻合得很好的话，则可以使整个光衰减器的插入损耗大大降低。,三.光衰减器,89,2衰减精度3回波损耗 自于三个方面的反射：单模光纤端面的反射、GRIN透镜前端面及后端面的反射。4频谱特性在一些特殊的用途中，需要衰减器在一定的带宽范围内有较高的衰减精度其袁减线线具有较好的平坦性。,三.光衰减器,90,四.光隔离器,光隔离器的作用是使光信号从输入光纤进入时，可以畅通无阻地通过，从隔离器的输出端输出，损耗很小；而光信号从相反方向进入隔离器，损耗非常大，光信号被衰减，在光纤输入端没有光信号输出。 光隔离器可分为偏振相关和偏振无关两种。光隔离器中使用的光学元件1. 光纤准直器 自聚焦透镜,91,2. 法拉第旋转器（Farady Rotator） 法拉第磁致旋光效应：在外加磁场B作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。(1) 对于给定的磁光材料，光振动面旋转的角度与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度成正比，VLBV是材料的特性常数，称韦尔代常数，单位是：分/特斯拉米。(2) 磁致旋光不可逆性。当光传播方向平行于磁场时，若法拉第效应表现为左旋，则当光线逆反时，法拉第效应表现为右旋。,四.光隔离器,92,3 偏振器（Polarizer）a. 双折射晶体（偏振分束器）,楔形双折射晶体偏振分束器,b. 薄膜起偏分束器c. 线栅起偏器d. 玻璃起偏器,四.光隔离器,93,光隔离器的结构和工作原理1. 偏振相关型光隔离器,四.光隔离器,94,2. 偏振无关型光隔离器,四.光隔离器,95,偏振无关型光隔离器结构二,四.光隔离器,96,偏振无关型光隔离器结构三,四.光隔离器,97,光隔离器的技术参数1. 插入损耗（1.0dB）2. 反向隔离度（35dB） 表征隔离器对反向传输光的衰减能力。,四.光隔离器,98,3. 回波损耗（50dB）在隔离器输入端测得的返回光功率与输入光功率的比值。4. 偏振相关损耗（PDL）（0.2dB）5. 30dB隔离度带宽（20nm）,四.光隔离器,99,五.光环行器,光环行器是一种三端口的非互易磁性器件，在光网络中用于信号的上、下载。,1,2,3,光环行器原理和结构示意图,反射棱镜,100,光环行器的性能指标：插入损耗0.51.5dB，回波损耗50dB,光发射机1,光发射机2,光接收机1,光接收机2,1,2,3,3,2,1,光环行器用于双向传输系统,五.光环行器,101,六. 光开关,光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。 机械式光开关：插入损耗低；隔离度高；不受偏振和波长影响；开关时间长(ms)，重复性较差。 其它光开关：开关时间短(s)；体积小；插入损耗大；隔离度低。,102,六. 光开关,1. 插入损耗(Insertion loss)2. 回波损耗(Return loss) 从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。,103,3. 隔离度 两个相隔离的输出端口光功率的比值。4. 串扰 输入光功率与从非导通端口输出的光功率的比值。,六. 光开关,104,5. 消光比 两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。ERILIL06. 开关时间 开关端口从某一初状态转为通或者断所需的时间。从在开关上施加或撤去能量的时刻算起。,六. 光开关,105,六. 光开关,机械式光开关1),106,图,107,2)移动反射镜式,108,以上两种体积大，难实现集成化的开关网络。近年正大力发展一种集成的微机电系统(MEMS)开关，在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。,六. 光开关,109,3)移动微棱镜,110,4)移动自聚焦透镜式,111,六. 光开关,5)MEMS光开关反射式和透射式,112,2 电光开关 电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应，在电场作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变。,而光波传输距离L相应的相位变化为：,电光开关一般利用泡克耳斯(Pockels)效应，即折射率n随光场E而变化的电光效应。折射率变化与光场的变化关系为：,六. 光开关,113,定向耦合器的开关特性,六. 光开关,114,波导型M-Z干涉仪是一种广泛应用的光开关。它由两个3dB耦合器级联而成。,工作原理：,六. 光开关,115,在两个光波导臂的电极上分别加上电压V和-V，各产生相应电场E1和E2。因此波导臂所产生的折射率变化为：,对于对称型M-Z干涉仪，L1=L2=L，两臂的相位差为：,令时的电压为半波电压：,两臂的相位差可以表示为：,116,设端输入的电场强度为E1,从、端输出的信号的电场强度为E3 、E4,利用耦合器的传输方程，可得、端的透过率为不加电压时，V=0，T3=0，T4=1；加半波电压V时，T3=1, T4=0，实现了开关作用。,117,118,3.热光开关,六. 光开关,119,4 .液晶光开关液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可以达到纳秒级。,液晶光开关工作原理,120,5 磁光效应光开关,六. 光开关,121,5.声光开关,声光开关工作原理,声光效应是指声波通过材料产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。利用声致光栅使光偏转做成光开关。,六. 光开关,122,七.光波分复用器,概述光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件,由波分复用器和解复用组成,123,光复用/解复用器件,复用器和解复用器,光波分复用通信技术原理图,124,(一)光波分复用器的性能,1.对解复用器其光学特性可用输入端到N个输出端的各信道的波长-插损的关系来表达.解复用器波长-插损的关系曲线,125,(一)光波分复用器的性能,主要光学特性1)中心波长(或通带)2)中心波长的工作范围3)中心波长的最小插入损耗4)相邻信道的隔离度对波分复用器可以用给定输入端口到输出端口的插损-波长关系表示.其插入最小值应在端口所对应的中心波长附近.,126,(一)光波分复用器的性能,(1) 中心波长 。ITU-TL 规定在1550 nm区域，以1552.52 nm为标准波长，其他波长与之间隔为0.8nm(100G)，或其整数倍( )为复用波长。 (2) 中心波长 工作范围, ， 对于每一通道，确定了出射光的谱宽范围。 (3) 中心波长对应的最小插入损耗 , 是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好。 (4) 相邻信道之间的串音耦合最大值是另一项重要指标，数字信号通信系统要求大于 30 dB，模拟信号通信系统要求大于50 dB。,127,复用器件,128,(二)常用波分复用器件,分类,129,1.CWDM器件(