光无源器件介绍

1、Optical Passive Devices 光无源器件,Title,概述,简介 是一种光学元器件 工艺原理遵循光学的基本原理，即光线理论 以及电磁波理论 光通信设备的重要组成部分 工艺涉及多种加工工艺，特别复杂,概述,光无源器件主要分为以下几种 光纤准直器（Fiber Collimators ） 光纤连接器（Connector） 光耦合器件（Coupler） 光衰减器（Attenuator） 光隔离器（Isolator） 光波分复用器（WDM） 偏振光合波器（PBC） 光开关(Switch) 光环形器（Circulator）,概述,PPT内容介绍 各种无源器件的基本原理 各种无源器件的种类

2、 各种无源器件的性能技术指标,光纤准直器（Collimator),1. 光纤准直器（Fiber Collimator）,光纤准直器（Collimator),原理与作用 光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处， 使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得 到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间 距L 相关。 光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大 的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加 对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样 可使两准直器之间保持较长的距离，可以插入光学元件以实现 器件性能。如下图所示；,

3、光纤准直器（Collimator),原理示意图,腰斑较大 发散角小,Grin Lens （1/4透镜）,Fiber Pigtail,束腰半径小 发散角大,Glass Sleeve,近高斯光束,折射率径向变化示意图,玻璃套管,光纤尾纤,光纤准直器（Collimator),种类,C-Lens光纤准直器: Cylindrical-Lens,球端面透镜技术准直器 G-Lens光纤准直器: Grin Lens,斜端面折射率径向渐变技术准直器 C-Lens 可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比G-Lens 改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而在普通应 用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在Fi

4、lter 型WDM 中，需 要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens端面为平面易于贴片。,光纤准直器（Collimator),UV胶,Epoxy环氧树脂,制作工艺 Lens组装,玻璃管,Lens,光纤准直器（Collimator),制作工艺 Pigtail组装,对齐后作标记,斜面对齐,光纤准直器（Collimator),制作工艺 Lens Holder套管组装,Lens Holder,主要性能技术指标：,Wavelength（波长） = 1520 1580 nm Insertion Loss（插入损耗） 65 dB Tensile Load （拉力） 5 N Working Distanc

5、e（工作距离）: 10 mm,光纤准直器（Collimator),连接器（Connector）,2. 连接器（Connector）,连接器（Connector）,基本原理 光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学机构，是两根光纤的纤心对准，保证90以上的光可以通过。 光纤连接器是光学元器件中的基础元件，除了实现光纤之间的连接外，它还具有将光纤光缆、有源器件、其他无源器件、系统与仪表实现连接的功能。,连接器（Connector）,种类,1、活动连接器： a、连接器插头（Plug Connector） 使光纤（缆）在转换器或变换器中完成插拔功能的器件 b、转换器（Adaptor） 把光纤（缆）插头

6、连接在一起，从而实现光纤接通的器件 c、跳线（Jumper Connector） 一根光纤（缆）的两端都装上插头 d、变换器（Converter） 使某种型号的插头换成另一种型号插头的器件 e、裸光纤转换器（Bare Fiber Adaptor） 使裸光纤与光源、探测器、各类光仪表连接的器件 2、固定连接器：主要为光纤熔接（Fiber Fusing Splicing）,连接器（Connector）,基本制造类型,各种制造标准,连接器（Connector）,连接器（Connector）,插针端面 PC： Non-angled Physical Contact connector 无角度接触连接器

7、 APC： Angled Physical Contact connector 有角度接触连接器 这里端面一般为球面，球面增加回损。比较两种连接器，APC斜球端面连接器可以在接触时产生更大的回波损耗，其数值可以达到50-70dB，而一般的PC端面连接器回损约为30-40dB，只是由于角度位置的要求，APC连接器制作工艺会稍微复杂。,连接器（Connector）,部分连接器图例,SC/PC,SC/APC,FC/PC,FC/APC,连接器（Connector）,LC/PC,LC/APC,连接器（Connector）,MU/PC,MU/APC,连接器（Connector）,ST/PC,连接器（Con

8、nector）,E2000/PC,E2000/APC,连接器（Connector）,F3000/PC,F3000/APC,Note: SFF Connector: Small Form Factor (1.25mm ferrule OD).,连接器（Connector）,插针A,插针B,光纤,插针,连接器（Connector）,插针套筒式连接器示意图,LC/PC连接器组装结构,连接器（Connector）,组装前,组装后,主要性能技术指标,连接器（Connector）,1、插入损耗（Insertion Loss) 2、回波损耗（Return Loss） 3、重复损耗：多次插拔的损耗 4、互换损

9、耗：连接器部件互换时损耗,光耦合器（Coupler）,3. 光耦合器（Coupler）,光耦合器（Coupler）,耦合器件的定义以及种类 光耦合器是重要的无源器件，可是传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，然后进行再分配。 种类从功能上分光功率（Splitter）和光波长分配耦合器（WDM Coupler）；从端口形式可分为X形、Y形、星形以及树形耦合器；从工作带宽分窄带耦合器、单工作窗口宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器；从传导光模式分多模耦合器、单模耦合器。 熔融拉锥型全光纤耦合器应为其良好的综合优势成为现在制作耦合器的主要方法。JDSU主要制造此类Coupler，为本章节专讲内容。

10、,熔融拉锥型全光纤耦合器的优势 1、极低的附加损耗：标准X型可达到0.05dB以下； 2、方向性好：一般超过60dB; 3、良好的环境稳定性：例如在-40度85度范围内可 保持稳定的工作特性； 4、控制方法简单、灵活； 5、成本低廉：原料为一般光纤，自动化程度高，成品 率高。,光耦合器（Coupler）,光纤结构示意图,光耦合器（Coupler）,Coating包胶层,Core纤芯,Cladding涂覆层,光耦合器（Coupler）,光线的传播,1. Meridional Ray子午光线的传播（总与光纤轴相交）,Cladding,Cladding,2. Skew Ray斜光线的传播（射入角大于

11、子午线，不与光纤轴相交）,光线的传播,光耦合器（Coupler）,光耦合器（Coupler）,耦合机理：（单模光纤耦合器）,耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过“直通臂”继续传输，另一部分由“耦合臂”传到另一光路。 基本原理是：当光线输入进入熔锥区输入端时，由于纤芯的不断变细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部分的光功率会逸出“输入臂”熔锥区的光纤包层，这时光功率是以包层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输出端，随着纤芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特定的比率捕获。,光耦合器（Coupler）,耦合机理示意图(1X2 Si

12、ngle为例),耦合区,单模输入光 （小角度单一路径）,背散射臂,输入臂,入射角度变大,逸出折射光,耦合臂,形成新的全反射,直通臂,光耦合器（Coupler）,熔融拉锥示意图,99.9氢气火焰,一定要打两个结,光耦合器（Coupler）,V-shape Quartz Tube石英基板,Shrink Tube热缩套,Silicon Rubber硅胶,Stainless Steel Tube不锈钢套,Epoxy环氧胶,UV 胶,Fiber光纤,Shrink Tube热缩套,Silicon Rubber硅胶,V-shape Quartz Tube V型石英基板,Stainless Steel Tub

13、e不锈钢套,结构示意图,光耦合器（Coupler）,主要性能技术指标,1、插入损耗 2、附加损耗（Excess Loss ）： 全部输出端口功率总和相对于全部输入功 率总和的减少值 3、分光比（Coupling Ratio）： 耦合器各输出端口的输出功率的比值 4、方向性（Directivity）： 输入侧非注入光一端的输出光功率与全部注入功率的比较值 5、均匀性（Uniformity）: 在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化值 6、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss） 当传输光信号偏振态发生360度变化，器件各端口输出光功率最大 变化量 7、

14、隔离度（Isolation） 光纤耦合器件某一光路对其他光路中光信号的隔离能力,光衰减器（Attenuator）,4. 光衰减器（Attenuator）,光衰减器是重要的光学无缘器件，常用于在系统中吸收或反射 掉光功率余量、评估系统的损耗以及各类测试中。光衰减器可以按照用户的要求将光信号进行预期的衰减，类型 很多，不同类型衰减器分别采用不同的工作原理。,光衰减器的作用：,光衰减器（Attenuator）,光衰减器（Attenuator）,直接镀膜型光衰减器（吸收或反射膜）,纵向位移型,横向位移型,衰减片型光衰减器,液晶型光衰减器,光衰减器,位移型光衰减器,光衰减器的种类,光衰减器（Attenu

15、ator）,MEMS衰减器的原理,正视图,Air Gap,气孔,Double Core Tube,双光纤毛细管,Vane,折光叶片,Coating,镀反射模,Wedged Mirror,双折射晶体,G-Lens,格林透镜,Flex PCB,（,MEMS Chip Soldered,）,印刷线路板（,Chip,已焊接）,Epoxy 632胶,光衰减器（Attenuator）,光衰减器主要性能指标,1、Insertion Loss：插入损耗，即衰减量 2、Return Loss：回波损耗 3、Attenuation range ：衰减范围 4、Attenuation resolution ：衰减精

16、度 5、PDL：偏振相关损耗,5. 光隔离器（Isolator）,光隔离器（Isolator）,光隔离器（Isolator）,概述与光隔离器种类 光隔离器主要是解决光路中光的反射问题，它是只允许光线沿光路正向传输的非互易性无源器件。包括两种主要类型： Polarization-Dependent Free-space Optical Isolator 空间型偏振相关隔离器，简称PDFI。其工作原理是利用了磁光晶体的法拉第效应，具体结构是两个线偏振器中加一个法拉第旋转器而成。 Miniature Optical Free-space Isolator 微型空间型偏振相关隔离器，简称MOFI，是P

17、DFI的微型化，原理与其相同。 Polarization-Insensitive Fiber Isolator 偏振无关光隔离器，简称PIFI。其工作原理是采用双折射晶体，产生偏振态互相垂直的o光和e光，又经双折射晶体耦合。但反射光经法拉第旋转器偏转后，o光与e光之间的角度加大，无法耦合反射到入射口。 以下是光隔离器中常用的一些光学元件以及特性。,2、,1、,3、,法拉第旋转器（Faraday Rotator）,光隔离器（Isolator）,不具有旋光性的物质在磁场的作用下，偏振光通过改物质时其震动面将发生旋转。此现象称为磁致旋光效应，也称法拉第效应。 法拉第效应的一个重要特性是：不管光的传播

18、特性如何，迎着外加磁场的方向观察，偏振光按反时针旋转，其旋向是不可逆转的。这是制作光隔离器的基础特性。 常用材料包括YIG晶体（钇铁石榴石）、高性能磁光晶体。典型 的隔离器采用选光角度为45度的旋转器。,法拉第旋转器,光隔离器（Isolator）,自然光、偏振光与偏振片,自然光为横波 其振动态为 各向均匀振动,二向色性偏振片： 只允许与光轴平行振动态光通过 塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸奎宁晶粒,光隔离器（Isolator）,双折射晶体Wedged片 birefringent Crystal Wedged,入射光,楔形单轴双折射晶体,光轴,o光,光轴,e光,光隔离器（Isolator）,PMD补偿片

19、,Y向基模,输出端展宽，不能完全混合,PMD即Polarization Mode Dispersion,偏振模色散； 光纤为各项异性晶体，光束入射会产生双折射，光线传 输基模由两个正交的极化模组成，在理想的光纤形状情况下，两个基模传输常数相同，PMD为0；实际上由于光纤本身截面不圆度等原因、弯曲扭转等原因，两个基模传输到达时间不同，产生输出端展宽现象，不能完全混合，从而产生偏振模色散。如右图示。 单级偏振无关型光隔离器由于使用远非理想圆截面的单轴双折射晶体，PMD损失尤其明显，因此需要PMD补偿片进行补偿。双级由于原来的相位差再次经过双折射晶体而受到反向校正，不需要PMD片补偿。,X向基模,输

20、入,混合后输出,光隔离器（Isolator）,光隔离器结构示意图,Pigtail,Silicone硅胶,Magnet磁铁,O-Ring橡胶圈,Pigtail Sleeve 毛细管套,Center Tube金属套管,C-Lens,Outer House金属外壳封装,Core 中心件,Isolator Core中心件示意图,PMD片划线必须在光路外,光隔离器（Isolator）,E光,O光,E-beamE光,O-beamO光,D d,E光,O光,E光,O光,PIFI光隔离器原理,光隔离器（Isolator）,MOFI光隔离器原理（单极）,光隔离器（Isolator）,Polarizer,Analy

21、zer,Faraday Rotator,Polarizer,Analyzer,Faraday Rotator,Forward transmission,MOFI光隔离器结构图（单极）,Analyzer检偏器,Faraday Rotator (Garnet)旋光片,Polarizer起偏器,Cylindrical Magnet磁环,MOFI Housing 金属外壳,MOFI Cap起偏器套,光隔离器（Isolator）,光隔离器（Isolator）,主要性能技术指标,1、Insertion Loss：插入损耗 2、Return Loss：回波损耗 3、Isolation：反向隔离度，表征隔离期

22、对反向传输光的衰减能力 4、Polarization Dependent Loss: PDL偏振相关损耗，是指当输入光 偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量 5、 Polarization Mode Dispersion：偏振模色散，是指通过器件的信号光 不同偏振态之间的相位延迟。,光波分复用器（WDM）,6、光波分复用器（WDM）,光波分复用器（WDM）,概述：,波分复用技术是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波 的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。这样大大提高了单模光

23、纤的带宽利用,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。光波分复用器件的一个端口，作为器件的输出/输入端，N个端口作为器件的输入/输出端。,光波分复用器（WDM）,制造方法,棱镜,传统光栅,光纤光栅,Grating,波导阵列光栅,AWG,光栅,色散元件,带通滤波器,截止型滤波器,限波滤波器,干涉元件,光耦合器,超窄带滤波器,（密集型,）,偏振无关器件,偏振相关器件,全光纤型,（熔融拉锥方法）,WDM,器件,光波分复用器（WDM）,980nm in,1550nm,In Out,P,C,Dual fiber,C-lens,filter,Dual stage core,Single pig

24、tail,sleeve tube R-spacer T-spacer center tube sleeve tube,washer,spring,980nm,1550nm,horizontal,IWDM结构示意图,从结构上看，IWDM与LWDM波分复用基本原理一致，外壳封装为GS 加了一个Isolator隔离器，这样可减少Amplifier上器件数目,光波分复用器（WDM）,光波分复用器件技术指标（仅指单模光纤WDM器件） 复用中心波长： 信道通道带宽：20nm，指允许的中心波长范围的变化。 插入损耗：指器件输入端和对应的输出端光功率的减小值。 隔离度：指器件输出端口的光进入非指定输出端口光能

25、量大小。 光回波损耗：指光信号从指定端口输入时，由于器件引起反向回传 的光能量。 偏振相光损耗：指光信号以不同的偏振状态输入时，（如线偏振、圆 偏振、椭圆偏振），对应输出端口插入损耗最大变化量。 温度稳定性：指器件插入损耗随温度的变化。 最大光功率：指器件允许通过的最大光功率。 工作温度：指器件正常工作时，允许的温度变化。 储存温度：指器件存放、运输的温度范围。,偏振光合束器 （PBC),7. 偏振光合束器 （PBC),偏振光合束器 （PBC),PBC是Polarization Beam Combiner的缩写，意即偏振光合（分）波器。由于生产普通光纤难以克服的椭圆度和残余应力，以及在使用过程中不可避免的外力和磁场的影响，所以普通光纤将随机改变在其中传输的二个简并模的相位差，使其偏振态随机变化。PDL、PMD等系统噪声引起的功率代价降低了系统的灵敏度。 PBC 偏振光合束器就是将两束偏振方向正交的线偏光合成一束。,概述：,偏振光合束器