《光纤通信器》 (2)ppt课件

1、第三章第三章 光纤通讯器件光纤通讯器件 本章内容本章内容 3.1 衔接器衔接器 3.2 耦合器耦合器 3.3 光滤波器光滤波器 3.4 波分复用波分复用/解复用器件解复用器件 3.5 调制器调制器 3.6 光开关光开关 3.7 光隔离器光隔离器 3.8 光环行器光环行器 3.9 光分插复用器光分插复用器 3.10 波长转换器波长转换器 衔接器衔接器 n活动衔接、固定衔接活动衔接、固定衔接 n衔接器设计根底衔接器设计根底-尽量减小衔接损耗尽量减小衔接损耗 衔接损耗机理衔接损耗机理 纤芯尺寸失配纤芯尺寸失配 数值孔径失配数值孔径失配 纤芯不同心纤芯不同心 折射率分布失配折射率分布失配 (a)固有损

2、耗(a)固有损耗 (b)外部损耗(b)外部损耗 端面间隙端面间隙轴向倾角轴向倾角 横向偏移横向偏移菲涅尔反射菲涅尔反射端面粗糙端面粗糙 x d 活动衔接器构造活动衔接器构造 n接口零件、光纤插针和对中三部分。接口零件、光纤插针和对中三部分。 插针构造及端面外形 (b)(a)(b) 套管式衔接器 (a) 衔接插座； (b) 衔接插针 活动衔接器的种类活动衔接器的种类FC、SC、ST、LC FC型：用螺纹衔接型：用螺纹衔接 SC型：轴向插拔矩形外壳型：轴向插拔矩形外壳 ST型：弹簧带键卡口构造型：弹簧带键卡口构造 LC型：所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、 FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，

3、提高了 光配线架中衔接器的密度。 表表3.1.1 各种单模光纤活动衔接器的构造特点和性能目的各种单模光纤活动衔接器的构造特点和性能目的 类型类型 结构和特性结构和特性 FC/PCFC/APCSC/PCSC/APCST/PC 插针套管插针套管(包括光纤包括光纤) 端面形状端面形状 凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面 连接方式连接方式螺纹螺纹螺纹螺纹轴向插拔轴向插拔轴向插拔轴向插拔卡口卡口 结结 构构 特特 点点 连接器形状连接器形状圆形圆形圆形圆形矩形矩形矩形矩形圆形圆形 平均插入损耗平均插入损耗（dB） 0.2 0.3 0.3 0.3 0.2 最大插入损耗最大插入损耗

4、（dB） 0.3 0.50.50.50.3 重复性重复性（dB） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 互换性互换性（dB） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 回波损耗回波损耗（dB） 40 60 40 60 40 插拔次数插拔次数 1000 1000 1000 1000 1000 性性 能能 指指 标标 使用温度范围使用温度范围 40 +800C 40 +800C 40 +800C 40 +800C 40 +800 C 用途用途长距离干线网长距离干线网, 用户网或局域网用户网或局域网 长距离干线网长距离干线网, 高速率数字系统高速率数字系统 或模拟视频系统或模拟视频系统 用户网用户网

5、 或局域网或局域网 用户网用户网 或局域网或局域网 用户网用户网 或局域网或局域网 光纤固定衔接光纤固定衔接-死接头死接头 n 光纤熔接机的不断改良是运用微处置器，实现自动光纤熔接机的不断改良是运用微处置器，实现自动 对准、自动熔接、自动检测，并估算衔接损耗。对准、自动熔接、自动检测，并估算衔接损耗。 n机械衔接机械衔接 n毛细管黏结衔接毛细管黏结衔接 把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固 化粘结剂固定，对端面进展抛光；在支架上用紧化粘结剂固定，对端面进展抛光；在支架上用紧 缩弹簧把毛细管挤压在一同。调理光纤位置，使缩弹簧把毛细管挤压在一同。调理光纤位置

6、，使 输出功率到达最大，从而实现对中，用光学兼容输出功率到达最大，从而实现对中，用光学兼容 环氧树脂粘结构成接头。这种衔接方法接头损耗环氧树脂粘结构成接头。这种衔接方法接头损耗 很低。很低。 耦合器耦合器 n功能：光功率分配功能：光功率分配 T形T形 星形星形 方向方向波分波分 1 N 1 + + N 根本构造 22熔拉双锥耦合器熔拉双锥耦合器 总拉伸长度 光约束在 纤芯中传播 光纤半径减小 V明显减小 部分光在 纤芯外传播 发生耦合 P3 P1 P2 P0 光输入 后向反(散)射光 直通功率 耦合功率 火焰宽度决议拉伸时决议 分光原理：经过改动光纤间的消逝分光原理：经过改动光纤间的消逝 场相

7、互耦合长度，以及改动光纤纤场相互耦合长度，以及改动光纤纤 径来实现不同大小的分支量。径来实现不同大小的分支量。 熔拉双锥星形耦合器熔拉双锥星形耦合器 (a)(a) (b)(b) 5 5 6 6 7 7 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 9 9 1010 1111 1212 传输型传输型 反射型反射型 (c) 由由 12 个单模光纤耦合器组合的个单模光纤耦合器组合的 88 星形耦合器星形耦合器 阵列波导光栅阵列波导光栅AWG星形耦合器星形耦合器 200 30 mm P 500 自由空间区 D Q 输入阵列输出阵列 m m 4.5 m 相位中心星形耦合器外形原理图相位中心星形耦合器外形原理图

8、 自在空间区的设计自在空间区的设计1 1： 输入出波导辐输入出波导辐 射段法线方向直接射段法线方向直接 指向输出入阵指向输出入阵 列波导辐射段的相列波导辐射段的相 位中心位中心P PQ Q点点 自在空间区的设计自在空间区的设计2：光栅圆中心耦合区原理图：光栅圆中心耦合区原理图 o R/2 R 光栅圆 罗兰圆 P Q 输入输入/ /输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规那么，即输入输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规那么，即输入/ /输出波输出波 导的端口以等间距设置在半径为导的端口以等间距设置在半径为R R的光栅圆周上，并对称地分布在的光栅圆周上，并对称地分布在 聚焦平板波导的两侧，输入出波导端面法

9、线方向指向右左聚焦平板波导的两侧，输入出波导端面法线方向指向右左 侧光栅圆的圆心侧光栅圆的圆心P PQ Q点，两个光栅圆周的圆心在中心输入点，两个光栅圆周的圆心在中心输入/ /输出输出 波导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点波导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点 处。处。 方向耦合器方向耦合器 n把光功率发送到一个根据传播方向确定的输出端。把光功率发送到一个根据传播方向确定的输出端。 n根本原理与光开关类似。根本原理与光开关类似。 光纤耦合器光纤耦合器 NN1N 光开关光开关 功能：转换光路，以实现光信号的交换。功能：转换光路，以实现光信号的交换。 分类

10、：分类： 机械光开关机械光开关 微机电光开关微机电光开关 波导光开关波导光开关 机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光 纤、棱纤、棱 镜、反射镜等光学元件实现光镜、反射镜等光学元件实现光 路转换。路转换。 移动臂移动臂 光纤光纤 准直头准直头 固固 定定 输输 出出 光光 纤纤 12 3 4 N N 光纤光纤 旋转轴旋转轴 反射镜反射镜 输入输入 光纤光纤 -1 （a）1 N移动光纤开关移动光纤开关（b）1 2移动反射镜开关移动反射镜开关 棒透镜 棱镜 1 12 2挪动棱镜光开关挪动棱镜光开关 机械式光开关优缺陷机械式光开关优缺陷 n优点：插入损耗小，串扰

11、小，适宜各种光纤，优点：插入损耗小，串扰小，适宜各种光纤， 技术成熟技术成熟 n缺陷：开关速度慢几十缺陷：开关速度慢几十ms-ms，构，构 造不紧凑，容易受振动、冲击的影响，开关造不紧凑，容易受振动、冲击的影响，开关 尺寸较大，而且不易集成。尺寸较大，而且不易集成。 微机电光开关微机电光开关MEMS光开关光开关 一种在半导体衬底资料上，用传统的半导体工艺一种在半导体衬底资料上，用传统的半导体工艺 制造出可前倾后仰、上下挪动或旋转的微反射镜制造出可前倾后仰、上下挪动或旋转的微反射镜 阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换 到不同输出光纤的微机电系统。

12、到不同输出光纤的微机电系统。 入射光入射光 沟渠沟渠 可升降悬臂可升降悬臂 微反射镜微反射镜 波导波导 波导波导 硅衬底硅衬底 通过光通过光 （a）平行连接状态（a）平行连接状态 电极电极 顶视图顶视图 侧面图侧面图 V=0=0 PLC 入射光入射光 沟渠沟渠 微反射镜微反射镜 波导波导 波导波导 硅衬底硅衬底 反射光反射光 （a）交叉连接状态（a）交叉连接状态 静电力静电力 电极电极 顶视图顶视图 侧面图侧面图 V V PLC 可升降微反射镜可升降微反射镜 MEMS光开关光开关 可旋转微反射镜可旋转微反射镜 MEMS 光开关光开关 微反微反 射镜射镜 输出输出 波导1波导1 输入输入 波导波

13、导 衬底衬底 控制控制 信号信号 V V 入射光入射光 出射光出射光 出射光出射光 输出输出 波导2波导2 取向1取向1 取向2取向2 可立卧微反射镜可立卧微反射镜 MEMS 光开关光开关 微反射镜微反射镜 输出输出 光纤1光纤1 硅衬底PLC硅衬底PLC 控制控制 信号信号 入射光入射光 出射光出射光 输出输出 光纤2光纤2 镜面镜面 旋转轴旋转轴 光纤光纤 MEMS光开关优缺陷光开关优缺陷 n具有机械光开关和波导光开关的优点，却抑制了具有机械光开关和波导光开关的优点，却抑制了 它们所固有的缺陷；它们所固有的缺陷； n采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那采用了机械光开关的原理，但又能象

14、波导开关那 样，集成在单片硅基上；样，集成在单片硅基上； n基于围绕微机械中枢转动的自在挪动镜面。基于围绕微机械中枢转动的自在挪动镜面。 n主要开发商有美国主要开发商有美国LucentLucent、德克萨斯仪表公司和、德克萨斯仪表公司和 康宁等公司。康宁等公司。 波导光开关：利用固体物理效应波导光开关：利用固体物理效应 n电光开关电光开关 n热光开关热光开关 n磁光开关磁光开关 马赫马赫-曾德尔曾德尔11光开关光开关 LiNbO 3 tV 共共平平面面 条条形形电电极极 偏偏振振光光输输入入 波波导导 3 LiNbO-Ti 输输出出 D C Ea + +- - - A A B B 控控制制信信

15、号号 控控制制信信号号 t t t t 输输出出光光 tV tA E coscos2 output 电光效应是在电场作用下电光效应是在电场作用下 改动资料的折射率和光的改动资料的折射率和光的 相位，再利用光的干涉或相位，再利用光的干涉或 偏振等使光强突变或光路偏振等使光强突变或光路 转变。转变。 热光波导开关热光波导开关 1 2 3 4 薄膜加热器 W加热 AB 薄膜 衬底 截面图 A B (a) 俯视图 波导波导 薄膜 L Cr Si (b) 00.51.0 0 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 热驱动功率 相 对 输 出 功 率 热电光开关响应曲线 /W /W (c) 2 2 x 热

16、光效应是经过电流加热热光效应是经过电流加热 的方法，使介质的温度变的方法，使介质的温度变 化，导致光在介质传输的化，导致光在介质传输的 折射率和相位发生改动的折射率和相位发生改动的 物理效应。物理效应。 磁光开关磁光开关 n法拉第法拉第Faraday磁致旋光效应磁致旋光效应 n在外加磁场作用下，某些本来各在外加磁场作用下，某些本来各 向同性的介量变成旋光性物质，偏振向同性的介量变成旋光性物质，偏振 光经过该物质时其偏振面发生旋转。光经过该物质时其偏振面发生旋转。 y H 法拉第介质 反 射 镜 反射光 E 光 源 偏振器 2 E E E 磁场 L HL 磁致旋光不可逆性磁致旋光不可逆性 磁光式

17、光开关磁光式光开关 波导光开关优缺陷波导光开关优缺陷 n优点：开关速度快，反复性好，可靠性高，优点：开关速度快，反复性好，可靠性高， 运用寿命长，尺寸小，可单片集成运用寿命长，尺寸小，可单片集成 n缺陷：插入损耗大，串扰大，应予改良缺陷：插入损耗大，串扰大，应予改良 滤波器滤波器 功能：功能： 从包含多个频率分量的信号中提出所需频率的信号。从包含多个频率分量的信号中提出所需频率的信号。 调谐 滤波器 调谐控 制电压 Pf in f ch fi f s f P f out T f fi f f fi 种类种类 n法布里法布里珀罗珀罗F-PF-P滤波器滤波器 n马赫马赫- -曾德尔曾德尔M-ZM-

18、Z滤波器滤波器 n光纤布拉格光纤布拉格BraggBragg光栅滤波器光栅滤波器 F-P滤波器构造滤波器构造 入射光透射光 内部反射 镜面 L = /2 由两块平行镜面组成的谐振腔，一块固由两块平行镜面组成的谐振腔，一块固 定，另一块可挪动定，另一块可挪动 镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜 或多层介质膜的玻璃板或多层介质膜的玻璃板 光纤光纤F-P干涉仪干涉仪 经过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩经过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩 作用来改动谐振腔的长度作用来改动谐振腔的长度 任务原理任务原理-光多次干涉调和振光多次干涉调和振 )4exp()2exp( 42 kL

19、jArkLjArA BAE )2exp(1 2 kLjr A 构成驻波的条件？构成驻波的条件？ )(sin4)1 ( | 2222 2 2 kLrr A EI mLkm L c mfm 2 L c fff mmm 2 1 F f f m m 谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率fmfm？ 模间隔模间隔fm =fm =自在频谱范围自在频谱范围FSRFSR？ 频谱宽度频谱宽度fm fm ？ 谐振腔的精细度谐振腔的精细度F F？ 6 . 0 1 R R R f f F m m 当 例例:思索一个空隙间隙长为思索一个空隙间隙长为100微米的微米的F-P谐谐 振腔，镜面反射系数为振腔，镜面反射系数为0.9，

20、请计算接近波，请计算接近波 长长900nm的方式、方式间隔和每个方式的的方式、方式间隔和每个方式的 频谱宽度？频谱宽度？ F-P滤波器的传输特性滤波器的传输特性 ( ) T f 传 输 函 数 输 出 功 率 输 入 功 率 光频 光频 f Pf in fch fs Pf out fch 1.0 光频 f P1 P2P3PN f1 f2f3f N f1 f2 f 3 f N fi (a) 传输函数 (b) N 个信道 经波分复用后 加到滤波器 输入端的频谱图 (c) 滤波器输出频谱图 fLFSR= fF-P 1.0 0.5 双腔双腔F-P滤波器的级联滤波器的级联 传输函数 光频 光频 光频 T

21、 f f f f 12 34567 i=0 j=0 1 2 3456789 光输入 光输出 第一腔 第二腔 (a) 级联双腔FP滤波器 (b) 单腔 FP 滤波器的传输函数 (c) 级联用的第一个 FP 滤波器的传输函数 (d) 级联用的第二个 FP 滤波器的传输函数 (e) 级联后的复合传输函数 （b） 1/3 （b） 1/4 是图 的 是图 的 FSR FSR FSR FSR f F-P =10F , FSR=10F , FSR=10F f F-P M-Z滤波器构造滤波器构造 3 4 输入 2 1, 1 2 L LL t延迟 1 2 输出 热敏薄膜 耦合器 3 dB 耦合器 3 dB 任务

22、原理？任务原理？ 基于两个相关单色光经过不同的光程传输后的干涉实际。基于两个相关单色光经过不同的光程传输后的干涉实际。 Ln c fm 2 级联级联M-Z干涉滤波器干涉滤波器 M-Z M-Z M-Z M-Z M-Z M-Z M-Z 8 21, 7531 , 8642 , 51, 73, 62, 84, 1 3 2 4 5 7 6 8 f f2 f4 f2 f4 f4 f4 要求：输入光波的频率间隔要求：输入光波的频率间隔 必需准确地控制在必需准确地控制在 的整数倍。的整数倍。Lncf2 光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅FBG滤波器滤波器 光纤光纤 芯芯 包层包层 紫外干涉光紫外干涉光 光栅光栅 4

23、321 2 43 1 用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器 effB n2 内部写入法内部写入法 干涉法干涉法 相位掩模板法相位掩模板法 光纤光栅带通滤波器光纤光栅带通滤波器 耦合器 1 2 输入 共振波长为 完全相同的 的布拉格光栅 4 输出 输出 输出 147 17 17 4 4 4 3 dB 波分复用波分复用/解复用器件解复用器件 种类种类 n棱镜型棱镜型 n衍射光栅型衍射光栅型 n阵列波导光栅型阵列波导光栅型 nM-Z干涉滤波器型干涉滤波器型 棱镜解复用器棱镜解复用器 衍射光栅衍射光栅 d 入 射 光 波 波前 a (a) 有限裂缝数衍射光栅 dsin z =0 y 一种可能的 衍射光

24、束 光强 y 接收到的衍射光强分布(b) m =0 m= m= m= m= -1 -2 1 2 单个裂缝 衍射包络 零阶 一阶 二阶 一阶 二阶 mdsin 三种不同的衍射光栅三种不同的衍射光栅 入 射 光 波 衍射光束 反射光栅(b) 零阶 一阶 一阶 (c) 阶梯面反射光栅 传输光栅(a) m=-1 一阶 m =0 零阶 m=1 一阶 入射光波 m=1 一阶 与界面 垂直 入射光波 与光栅 平面垂直 d i md im )sin(sin 光栅型解复用器光栅型解复用器 a)a)普通透镜反射光栅普通透镜反射光栅b)b)渐变折射率透镜反射光栅渐变折射率透镜反射光栅 AWG型型 星形耦合器 星形耦

25、合器 输入 输出 1 2 N . . . L = 常数 neff 12N . N 1 2 R/2 R 光栅圆 罗兰圆 o Q 自由 空间区 M-Z干涉滤波器型干涉滤波器型 M-Z1 M-Z2 + + M-Z3 + 1 2 3 123 4 1 2 3 4 4 激光器 输出 调制光 信息 电信号 连续 光信号 外调 制器 信息电信号 输出调制光波 输出连续光LD 激光器 输出 调制光 信息电信号 信息电信号 输出调制光波 直接调制（a）外调制 （b） 01010 01010 调制方式比较按光源与调制信号的关系调制方式比较按光源与调制信号的关系 光调制器是经过电压或电场的变化最终调控输光调制器是经过

26、电压或电场的变化最终调控输 出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。 直接调制是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出直接调制是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出 光随电信号变化而实现的。光随电信号变化而实现的。 调制器种类调制器种类 n电光调制器电光调制器 n电吸收波导调制器电吸收波导调制器 电光效应电光效应 略去不计由于高阶项的影响很小， EEnn 2 线性电光效应系数线性电光效应系数 二阶电光效应系数二阶电光效应系数 线性电光效应珀克效应线性电光效应珀克效应 二阶电光效应克尔效应二阶电光效应克尔效应 横向线性电光效应相位调制器横向线性电光效

27、应相位调制器 45 0 线偏振 入射光 圆偏振 出射光 V z d L x E y E x E y E a E z x y晶体 施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位 差，因此出射光波的偏振态可被外电压控制差，因此出射光波的偏振态可被外电压控制 横向线性电光效应强度调制器横向线性电光效应强度调制器 入射光 V a E z x y 晶体 45 0 起偏器 检偏器探测器 V I I0 Q 光强 2 V 波片 4 ) 2 1 (sin 2 0 II LiNbO3 tV L 波导 共平面 条形电极 偏振光输入 x y z 调制信号 3 LiNbO-Ti a E d LiNbO3 缓冲层 波导 tV 调制 信号 y x 电极 3 LiNbO-Ti LiNbO3 tV 共平面 条形电极 偏振光输入 调制信号 输出 D C A B Ea +- AB 波导 3 LiNbO-Ti (a) 调制电压施加在两臂上 LiNbO3 tV 电极 偏振光输入 调制信号 输出 A B 波导 3 LiNbO-Ti D C Ea +- AB (b) 调制电压施加在单臂上 电吸收波导调制器电吸收波导调制器EAM i-MQW p n n+衬底衬底 绝缘