光纤通信-光器件课件

3.3光无源器件光纤通信原理与技术第三章ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products3.3光无源器件光器件概述3.3.1光连接器Connector3.3.2光耦合器Coupler3.3.3光隔离器与环行器

（Isolators&Circulators）3.3.4光调制器Modulators3.3.5光开光Switches3.3.6光衰减器Attenuator光器件概述作用: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、有源包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等发展趋势：集成化、全光纤化3.3光无源器件光器件概述3.3.1光连接器Connector3.3.2光耦合器Coupler3.3.3光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4光调制器Modulators3.3.5光开光Switches3.3.6光衰减器Attenuator

3.3.1连接器和接头

连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。

表3.5光纤连接器一般性能40~50PC型陶瓷-40~+80陶瓷-20~+70不锈钢工作温度/ºC不锈钢寿命（插拔次数）35~40FC型反射损耗/dB互换性/dB重复性/dB0.2~0.3插入损耗/dB性能型号或材料项目3.3.1光连接器—Connector技术指标：插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。重复性和互换性损耗来源活动连接器方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯插入损耗目前水平0.2dB减低反射技术：APC类型：FC、SC、ST其它：多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光纤连接器FC型：螺纹连接。外部材料为金属SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。固定连接器—接头包括：熔接法、V形槽法和套管法光器件概述3.3.1光连接器Connector3.3.2光耦合器Coupler3.3.3光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4光调制器Modulators3.3.5光开光Switches3.3.6光衰减器Attenuator3.3光无源器件3.3.2光耦合器—Coupler定义：对同一波长的光功率进行分路或合路性能指标：附加插入损耗、反射损耗和串扰类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型结构：全光纤型、微光元件型、集成光波导型功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。13212431、工作原理消逝场耦合。PutthecorescloseenoughtogethertogetacouplingeffectAllnowdependsonthelengthofthecouplingsectionCommoncommercialdevices2、基本结构－光纤型C--耦合系数22光纤耦合器P4P0输入功率P1直通功率P3串扰P2耦合功率L锥形区域L锥形区域Z耦合区域被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。1、插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i到输出端口j的路径中的插入损耗为：2、附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。3、串扰：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例：技术指标：4、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比串扰＝P0P1P2P3散射矩阵表示法以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析:输入场强a1a2b1b2S11S22S21S12输出场强b＝Saa1输入的大部分功率出现在输出端口b1，就必须小。这表示a2中相同波长光功率耦合进入b1的光功率数值变小了，结果是在无源22耦合器中，使用相同的波长将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口是不可能的。最好的方法是将每路输入功率的一半发送到同一输出端。然而，如果两个输入端的波长不同，就可以把大部分功率耦合进同一根光纤中。波长相同的两束光，分别从a1和a2两个端口输入，能否将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口？散射矩阵表示法假如从端口a1输入的光功率中有比例为(1－)的部分出现在输出端口b1，剩余的部分出现在端口b2。散射矩阵：a1a2b1b2令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1

，输出功率为：

Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P03dB耦合器，＝0.5，输出场强：3dBcouplerLANandMANnetworksStarCoupler:Ninputaremixedandmadeavailableon8outputsReflectiveCoupler:inputcanbeonanyfiberandoutputissplitequallyamongallfibersP1PNPi1iN(P1+P2+…+PN)/NIftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areinjectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!Theperiodoftheshiftisdifferentforthetwodifferentwavelengths.Eachcoupler/splittermustbedesignedfortheparticularwavelengthstobeused.WavelengthSelectiveCoupling/Splitting1，221直通臂耦合臂12P0

P1P2熔锥光纤型波分复用器结构和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂2、基本结构－微器件型微器件型用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成。

折射率分布1个周期（Pitch）自聚焦透镜（SelfocLens）光学不变原理：光束的宽度和发散角的乘积为常数。SelfocLens通过对光束进行扩束，达到准直目的。光纤P/4自聚焦透镜P/4自聚焦透镜光纤单模光纤准直器结构80

图3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复用器衍射光栅型波分复用器结构示意图光纤透镜光栅1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透镜的光栅型WDM光纤棒透镜光栅1+2+31231+2+31232、基本结构－波导型波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。PlanarWaveguideCouplerY-Coupler(Splitter)光纤技术难实现，一般利用平面波导技术。port1port2(50%)＋port3(50%)Butlightenteringonport2willexitonport1attenuatedby50%(3dB)!ThusifwetrytocombinetwoinputsignalsbyusingaY-junction,thesignalsarecombinedbuteachsignalwilllosehalfofitspower!图3.32波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；3.3光无源器件光器件概述3.3.1光连接器Connector3.3.2光耦合器Coupler3.3.3光隔离器与环行器

（Isolators&Circulators）

3.3.4光调制器Modulators3.3.5光开光Switches3.3.6光衰减器Attenuator3.3.3光隔离器和环行器3.3.3光隔离器与环行器Isolators&Circulators非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：低的插入损耗(对正向入射光，~1dB)高的隔离度(对反向反射光，40~50dB)原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。Faraday效应：不具有旋光性的材料，在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。这种效应与材料的固有旋光效应不同，在固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关(互易)。外加磁场外加磁场Faraday旋磁材料外加磁场外加磁场固有磁光材料磁光材料的光偏转角：l—材料厚度（毫米）H—磁场强度（奥斯忒）V—维尔德常数（度/奥斯忒·毫米）lVH=q与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer

Polarizer

Faradayrotator

Blocked

Reflectlight

SOPLightout

Lightin

起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转450

，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。光隔离器的原理外加磁场外加磁场450起偏器解偏器偏振无关光隔离器的工艺结构RR(450)FR(450)RR(450)FR(450)oeeeoooePBS图3.35一种与输入光的偏振态无关的隔离器光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。

这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出，如图3.35(a)所示。两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45°。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片(plate或halfwaveplate)。另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图3.35(b)所示，于是就起到隔离作用。光环形器基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送顺序：1234（三端口，四端口，多端口）主要特性：

插入损耗隔离度价格三端口光环行器四端口光环行器RR(450)FR(450)eeooRR(450)FR(450)oeoe端口1端口1端口2端口2端口3反射镜偏振合波器光环行器的原理光环行器的应用

啁啾光栅色散补偿TxRxRxTx单纤双向系统IsolatorsIsolator/couplerhybrids3.3光无源器件光器件概述3.3.1光连接器Connector3.3.2光耦合器Coupler3.3.3光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4光调制器Modulators3.3.5光开光Switches3.3.6光衰减器Attenuator3.3.4光调制器Modulators光调制器：实现从电信号到光信号的转换光调制的分类：从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制--内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变--外调制（调制信号啁啾小）。按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。直接调制和外调制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外调制技术调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光调制ElectroopticEffects电致吸收Electro-AbsorptionEffects磁光调制MagnetoopticEffects声光调制AcousticModulators其中电光调制和电致吸收最为常用。电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3)

，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(rE+RE2)成正比。电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.普科尔(Pocket)效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化晶体折射率随外加电场而变化。具有非常好的消啁啾特性，适合于高速系统的超长距离传输。但调制器的插入损耗大，需要较高的驱动电压(典型值为4V)，难以与光源集成，而且对偏振敏感。V/2VVt调制电压透射光强半波电压V是把调制器从最小光强转换到最大光强所需的电压电光调制的透过率(调制器被偏置在V/2点上)(3.35)40Gb/sLiNbO3Modulator电致吸收光调制器（EA）是一种损耗器件，利用Franz-Keldysh效应和量子限制Stark效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。陡峭截止边吸收带半导体材料发生本征吸收的光波长波限

:电致吸收光调制器(EA)Franz-Keldysh效应：1958年提出，是指在电场作用下半导体材料的吸收边红移的理论。原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上偏压的增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出功率最小。使用材料：III-V族半导体材料特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低（~2V）、啁啾大于LN调制器（2.5Gb/s--640km;10Gb/s--80km)、调制码率（40Gb/s）、消光比低于LN调制器（~10dB）40Gb/sEAModulatorIntensityModulatorPhaseModulator声光效应光调制器声光效应是指声波作用于某晶体时，产生光弹性作用，使折射率发生变化，从而达到光调制的目的。特点：消光比高（~30dB）、驱动功率较低、带宽窄。磁光效应光调制器磁光效应又称为法拉第效应。当光通过介质传播时，若在垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，其旋转角与介质长度、外磁场强度成正比。调制原理：经起偏器的光信号通过磁光晶体，其偏转角与调制电流有关。由于起偏器与检偏器的透光轴相互平行，当调制电流为零时，透过检偏器的光强最大；随着电流逐渐最大，旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。3.3光无源器件光器件概述3.3.1光连接器Connector3.3.2光耦合器Coupler3.3.3光隔离器与环行器（Isolators&Circulators）3.3.4光调制器Modulators3.3.5光开光Switches3.3.6光衰减器Attenuator3.3.5光开关Switches实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关1~10ms光包交换1ns外调制10ps消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)也是光开关的重要参数机械光开关热光开关电光开关微光机电系统（MOEMS）光开关的分类机械式光开关特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关活动光纤光纤光纤固定装置热光效应光开关基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）3dB耦合器波导臂薄膜加热器相位移动磁光、电光效应式光开关电光效应光开关LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器特点：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、价格昂贵半导体光放大器SOA光开关：改变SOA驱动电流来实现特点：速度快（~ns）、无损开关，但引入ASE噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵类型大小插损(dB)串话(dB)PDL(dB)开关时间机械式883550.210ms热光开关

SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms电光开关

LiNbO3SOA44448035401Low10ps1ns光开关性能比较新型光开关——MOEMS微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技