《光电子技术基础》(第二版)朱京平.pptVIP

第8章光通信无源器件技术,第8章光通信无源器件技术,8.1光纤连接器8.2光衰减器8.3光耦合器8.4光波分复用器8.5光隔离器8.6光开关,光纤通信、光纤传感及其他光纤应用领域不可缺少的光器件，工作原理：遵守光线理论和电磁波理论，各项技术指标、计算公式、测试方法等与纤维光学、集成光学息息相关。,8.1光纤连接器,以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来的器件方法采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准性能实现光路接续，保证光纤网络90%以上光通过。分类：永久性：采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现活动性，光纤活动连接器。指标插入损耗(简称插损)、回波损耗(简称回损)、以及谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等等；对于活动光纤连接器还有重复性和互换性,8.1.1光纤连接器主要指标(1)插损,光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的分贝数：其中IL为插损，Pi为输入端光功率，Po为输出端光功率。插损越小越好，ITU建议应不大于0.5dB。多模光纤连接器注入的光功率应当经过稳模器以滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，以准确衡量连接器插损,8.1.1光纤连接器主要指标(2)回损(后向反射损耗),用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输入光功率的份额。会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射飘移等，使通信系统性能恶化。光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数：其中RL为插损，Pi为输入端光功率，Pr为后向反射光功率。回损越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响。典型值初期要求应不小于25dB，现要求不小于38dB。,8.1.1光纤连接器主要指标(3)重复性与互换性,重复性光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用dB表示。互换性连接器插头与转换器两部分的任意互换或有条件互换的性能指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志，用户和厂家一般要求互换连接器的附加损耗应限制在小于0.2dB的范围内。,8.1.2影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗,由于纤芯横向错位(如图8-1a)引起的损耗。连接损耗的重要原因,8.1.2影响插入损耗的各种因素(1)纤芯错位损耗,芯径2a渐变多模光纤模式稳态分布时错位d引起的损耗：单模光纤传输半径w的高斯分布时错位d引起的损耗：其中令错位损耗为0.1dB多模渐变光纤芯径50m、，算得横向错位2.46m;统计值3m单模光纤芯径10m，算得横向错位0.72m;统计值0.8m。理论与实践符合良好,8.1.2影响插入损耗的各种因素(2)光纤倾斜损耗,由于两光纤轴线的角度倾斜(如图8-2a)而引起在连接处的光功率损耗。,8.1.2影响插入损耗的各种因素(2)光纤倾斜损耗,多模渐变光纤模式稳态分布时倾角引起的倾斜损耗为：其中单模光纤传输半径w的高斯分布时倾角引起的损耗表示为：图8-2(b)实际光纤倾斜损耗统计平均值，倾角以弧度表示，包层折射率n2=1.455，芯折射率n1=1.46，=1.31m。损耗0.1dB对应多模渐变型光纤倾角0.7，单模光纤0.3。实际生产中倾角可控制在0.1内常可忽略不计,8.1.2影响插入损耗的各种因素(3)端面间隙损耗,由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗多模渐变光纤在模式稳态分布时，端面间隙损耗：n0：空气折射率，Z:端面间隙。单模光纤端面间隙Z引起的损耗：n2=1.455，n1=1.46，=1.31m，Z=1m时，芯径50m多模渐变光纤端面间隙损耗为0.006dB芯径10m单模光纤端面间隙损耗为0.089dB只要端面间隙控制在1m之内，端面间隙损耗即可忽略不计。这一点目前工艺可保证,8.1.2影响插入损耗的各种因素(4)菲涅耳反射损耗,由于光纤两个端面间隙中存在不同的介质，当光进入其中时就会产生多次反射，从而产生的损耗，表示为n0：空气折射率，n1:纤芯折射率。n1=1.46，=1.31m时算得菲涅耳反射损耗为0.32dB,8.1.2影响插入损耗的各种因素(5)芯径失配损耗,多模渐变光纤芯径失配损耗：单模光纤芯径失配损耗：图8-3为实际单模光纤芯径失配损耗曲线,光从纤芯半径为a1的光纤射向纤芯半径为a2(a240dB,甚至60dB手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜(减小菲涅耳损耗),8.1.4光纤活动连接器(俗称活接头)(1)基础,用于连接两根光纤或光缆形成连续光路的可重复使用的无源器件应用：光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器仪表中功能：连接光纤与光纤、光纤与有源器件、光纤与其他无源器件、光纤与系统和仪表等，目前使用数量最多的光无源器件基本结构含：对中：可以采用套管、双锥、V型槽、透镜耦合等结构插针：可以是微孔、三棒、多层等结构，端面：有平面、球面、斜面等结构。,8.1.4光纤活动连接器(2)类型根据功能分,连接器插头(PlugConnector)：实现光纤在转换器或变换器间插拔跳线(Jumper)：将一根光纤的两头都装上插头就形成跳线转换器(Adaptor)：将光纤插头连在一起变换器(Converter)：转变光纤插头类型裸光纤转接器(BareFiberAdaptor)。可以单独使用，也可结合为组件使用。我国一套光纤活动连接器一般包括两个连接器插头和一个转换器。,8.1.4光纤活动连接器（2）类型根据插针+对中类型分,套管结构两个插针和一个套筒组成。插针为一带有微孔的精密圆柱体，将光纤插入微孔后用胶固定并加工形成插针体。套筒是一种加工精密的套管，有开口和不开口两种，开口套筒使用最普遍。对准时，以插针的外圆柱面为基准面，插针插入套筒并与其实现紧配合，以保证两根光纤精密对准。连接器发展主流。设计合理、能通过加工达到要求精度，量产容易，为FC、SC、ST、D4等型号连接器的基本结构,8.1.4光纤活动连接器（2）类型根据插针+对中类型分,双锥结构插针外端面加工成圆锥面，基座内孔也加工成双圆锥面。两个插针插入时利用锥面定位进行对接。加工精度要求极高，插针和基座常采用聚合物模压成型，内外锥面的结合不仅保证纤芯对中，而且保证两光纤端面间距恰好符合要求。AT产生的波长相关相移使阵列波导呈衍射光栅特性，使输出端按波长顺序输出光波阵列波导输出光波通过2nd平板耦合器传输到相应输出波导端除具有干涉、光栅法器件的光学特性之外，还具有组合分配功能。,图8-37AWG型DWDM,8.4.2光波分复用器结构与工作原理,5.FBG,利用光纤制造中的缺陷，用紫外光照射光纤，令光纤纤芯折射率分布呈周期变化，从而使得入射多波长光在满足布拉格光栅条件的波长上全反射，而其余的波长则透过,图8-38FBG型DWDM滤波作用,8.5光隔离器,为避免回返光对光源等器件的工作产生影响并对回返光进行抑制光通信系统中光传输会经过许多光学界面，界面反射产生的回返光逆原光路传回光源，使光源工作不稳定，致频率漂移、幅度变化等，影响系统工作。作用：对正向传输光具有较低插入损耗，而对反向传输光有很大衰减，可抑制反射对光源的不利影响，确保光通信系统的工作质量，一般置于光源后，为一种非互易器件工作原理：磁光晶体的法拉第效应。,8.5.1光隔离器元件,1.光纤准直器(OpticalFiberCollimator),由1/4节距GRIN透镜和单模光纤组成，一般成对使用，中间可插光学元件。对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤耦合效率。,图8-39光纤准直器,2.法拉第旋转器(FaradayRotator),法拉第效应：线偏振光通过厚L的磁光晶体时旋转角为：,材料越长、磁场强度越大，则旋转角越大。旋角与磁场方向有关，与光传播方向无关,8.5.1光隔离器元件,3.偏振器(Polarizator),双折射晶体：基于单轴晶体各向异性性能而工作，一般加工成楔形。薄膜起偏分束器SWP：两种人造各向异性介质周期层迭制成，厚400m，性能稳定线栅起偏器：由金属和电介质周期交替层迭构成，厚几十m，但消光比却很高；玻璃偏振器线：在玻璃上掠射溅银并激化制成，偏振输出很高，主透射系数也很高，接收角大于60，体积小，化学稳定性和热稳定性优良。,4.特种光纤,磁敏光纤：在光纤的制作过程中掺稀土元素(如铽)在外磁场作用下有良好透光性和法拉第旋光性，配起偏器可制成光隔离器。扩束光纤(TEC光纤)：将SiO2光纤中掺GeO2经热处理后形成。可使隔离器不再需要自聚焦透镜。,8.5.2光隔离器(Isolator)的结构与工作原理,根据光隔离器的偏振特性分偏振相关型：不论入射光是否为偏振光，出射光均为线光偏振无关型：对输入光偏振态依赖性很小(典型值0.2dB)，利用有角度分离光束原理制成根据隔离器的内部结构分块状型：通过分立的棒透镜、偏振器和法拉第旋转器将光纤间接耦合起来光纤型：将光纤断面作适当抛光、镀膜等实现，其它元件几乎不介入光路波导型：采用Ti:LN经波导工艺制成磁光波导，再与其它元件及光纤耦合根据其外部结构分在线型(尾纤型+连结器端口型)偏振无关型光隔离器则常作成在线型微型化型偏振相关型光隔离器常作成微型化型,8.5.2光隔离器(Isolator)的结构与工作原理,以微型空间型偏振相关光隔离器为例了解隔离器工作原理。,包括两个透光方向夹角45的偏振器和一个法拉地旋转器。入射平行光往返一次时，偏振角变化90，反向光不能通过P1，实现反向隔离。,图8-40微型空间型偏振相关光隔离器典型结构,8.5.3光隔离器的性能指标,光通讯系统对光隔离器性能要求：正向插入损耗低、反向隔离度度高、回波损耗高、器件体积小、环境性能好,1.插入损耗,来源于偏振器、法拉第旋转器和光纤准直器的插损。偏振相关光隔离器的插损表达式,偏振无关光隔离器插入损耗(在线式典型值0.30.4dB)主要来源：法拉第旋转器出射o光和e光的会聚效果偏振器/法拉第旋转器消光比o光和e光所经过的光学界面的反射率准直器的耦合效率各元件存在的尺寸和装配误差等。,微型化偏振相关光隔离器可达0.1dB以下,8.5.3光隔离器的性能指标,偏振相关光隔离器,3.回波损耗,指正向入射到隔离器中的光功率与沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比,由各元件和空气折射率失配并形成反射引起，主要来源于入射光的准直光路部分。,4.偏振相关损耗PDL,当输入光偏振态发生变化而其它参数不变时，器件插入损耗的最大变化量衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标，主要产生在折射率发生突变的界面上。偏振无关隔离器中存在能引起偏振的元件，当输入光信号偏振态不同时会引起PDL,2.反向隔离度,当光从隔离器输出端入射时，输入端反向出射光功率与入射光功率的比值,表征隔离器对反向传输光的衰减能力,8.5.3光隔离器的性能指标,5.30dB隔离度带宽,以30dB带宽表示的光隔离器能够覆盖的工作波长范围，一般在-2020nm左右。,6.偏振模色散PMD,指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。偏振无关光隔离器中双折射晶体产生的两束线偏光以不同相速和群速度传输，形成的色散，称偏振无关隔离器的偏振模色散PMD，用双折射晶体中两束线偏振光的光程差L表示为：,式中，Lo表示整个器件中o光传播的光程，Le表示整个器件中e光传播的光程。,8.6光开关,一种具有一个或多个可选择的传输端口、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，用途：光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统。根据端口数量不同可分为11（即通断开关）121N2244NM,8.6光开关分类,根据工作原理分机械式：靠光纤或光学元件移动使光路发生改变，优点：插入损耗较低(一般不大于2dB)、隔离度高(一般大于45dB)、不受偏振和波长的影响；不足：开关时间较长(一般为毫秒数量级)，有的还存在回跳抖动、重复性较差MEMS式：利用MEMS技术制作的微型化的自由空间光开关优点：结构小巧、开关时间较短、隔离度较高，不足：各通道一致性差、控制困难。集成光波导式依靠光电、磁光、声光及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变优点：开关时间短(达到毫微秒数量级甚至更低)，体积小，便于光集成或光电集成；不足：插损大，隔离度低(只有20dB左右)。,8.6.1光开关的特性参数,1.插入损耗,输入和输出端口之间以分贝表示光功率的减少：,插损与开关状态有关。,2.回波损耗（也称为反射损耗或反射率）,从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示。,回损也与开关状态有关。,3.隔离度,i端口输入时m端口测得的光功率与相隔离的n端口输出光功率的比值，以分贝表示。,8.6.1光开关的特性参数,4.远端串扰,光开关接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。对于12光开关，当第一输出端口接通时，远端串扰定义为：,5.近端串扰,其他端口接终端匹配，连接端口与另一个名义隔离端口的光功率之比。对于12光开关，当端口1与匹配终端相连接时，近端串扰定义为：,8.6.1光开关的特性参数,式中：为m、n端口导通时的插损，为非导通状态的插损。,6.消光比,两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差,7.开关时间,开关端口从某一初始态转为通或断所需的时间，从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。,机械式光开关还有回跳时间寿命重复性等波导型开关还有偏振相关性温度稳定性耐冲击与振动性环境性能,8.6.2机械式光开关,1.移动光纤型光开关,光开关的输入、输出端口中一端光纤固定，另一端活动，移动活动光纤，使之与固定光纤中的不同端口相耦合以实现光路切换。活动光纤的移动方式：机械拨动、电磁吸引或压电陶瓷伸缩效应等。结构简单、重复性好、插入损耗低，不依靠电驱动时不会产生回跳抖动。,图8-41移动光纤型光开关,“V”型槽定位方式,导杆定位方式,簧片定位式,压电陶瓷式,8.6.2机械式光开关,2.移动套管型光开关,输入、输出光纤分别固定在两套管中，其一固定在底座上，另一个可带着光纤相对固定套管移动，实现光路转换。活动套管移动方式：机械外力拨动、电磁铁吸引、双稳态移动。活动套管需通过插针定位法或侧壁定位法以很高的精度定位在两个或多个位置上。,图8-42移动套管型光开关,插针定位法22光开关动作前后状态。动作前，1通3、2通4，动作后1通4、2通3,8.6.2机械式光开关,3.移动透镜型光开关,输入输出端口光纤均固定，依靠微透镜精密的准直而实现输入、输出光路的连接光从入纤进入输入透镜后变成平行光，装在由微处理器控制的步进电机或其他移动机构上的输入透镜移动，可使得光准直到输出透镜或零位置。当两透镜成互相准直状态后，光被输出透镜，聚焦进入输出光纤。微处理器控制步进电机可实现精密的定位活动套管移动方式：机械外力拨动、电磁铁吸引、双稳态移动。活动套管需通过插针定位法或侧壁定位法以很高的精度定位在两个或多个位置上。,8.6.2机械式光开关,4.移动反射镜型光开关,出入纤均固定，依靠旋转球面或平面反射镜，使输入光与不同的输出端口接通。,图8-43移动反射镜型光开关,8.6.2机械式光开关,5.移动棱镜型光开关,出入纤与其准直光学元件(如自聚焦透镜、平凸棒透镜、球透镜等)相连接，并固定不动，通过移动棱镜而改变输入输出端口间的光路,图8-44移动棱镜型光开关,8.6.2机械式光开关,6.移动自聚焦透镜型光开关,适用于光纤与光纤的远场耦合，广泛应用于各种光学器件中。除P/4GRIN透镜可用于准直耦合外，P/2的自聚焦透镜还可用作移动光束的开关,图8-45移动自聚焦透镜型光开关,8.6.3MEMS式光开关,利用MEMS技术制作的微型化的自由空间光学平台,能将光束从入纤移到出纤。,1.微反射镜型MEMS光开关,通过偏转微反射镜来改变入射光束的方向，实现光开关。,图8-