《光无源器件》PPT课件.ppt

1、第七章 光无源器件,信息与通信学院 陈 明 ,Chap. VII Passive Optical Devices,光无源器件,功能： 1）连接 2）合路分路 3）功率耦合 4）功率调节（衰减、放大、均衡） 5）单向传输 6）波长选择（滤波） （隔离、环行） 7）交换、开关 8）复用/解复用 9）调制/解调 10）编码/解码 11）色散处理 12）缓存/储存 13）逻辑处理,光无源器件,光分路器/耦合器：1xN（树型）、NxN（星型） 波分复用器： 合波器和分波器、滤波器 光纤连接器： 固定、活动（FC、ST、SC等） 适配器 （直通） 光开关： 光衰减器： 固定、可变 光隔离器： 单方向传输光

2、的器件 极化器：,1.1 光连接器件,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。,连接器的主要性能指标,1. 连接损耗 2. 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,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。,活动连接器,插入损耗目前水平0.2dB 减低反射技术：APC(Angled Physical Con

3、tact) 常见类型：FC、 SC、 ST,1. 纤芯错位损耗 2. 光纤倾斜损耗,3. 光纤端面间隙损耗 4. 光纤端面多次反射（Snell反射）引起的损耗 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,光纤连接损耗及其影响因素,光纤结构参数失配引起的损耗 (f) 两光纤相对位置偏离设计要求引起的损耗(b)(c)(e) 端面形状与间隙引起的损耗(d)(e)(a),2,n,1,n,0,n,（,a,）,（,c,）,q,（,b,）,d,（,d,）,z,（,e,）,1,a,2,a,a,1,x,2,x,x,1,2,a,2,2,a,纤芯直径,1,D,2,D,1,g,2,g

4、,数值孔径,折射率分布,（,f,）,光,纤,参,数,端,面,反,射,横,向,错,位,角,向,倾,斜,端,面,间,隙,端,面,状,态,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。,FC型：外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣,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。,FC型连接器的插头、转换器和内部结构,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,3. S

5、T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,光纤跳线的结构种类,永久性连接：光纤的熔接,4. 不同型号插头相互连接的转换器 FC/SC，FC/ST，SC/ST 5. 不同种类的变换器 SCFC，STFC，FCSC， FCST，SCST，STSC,光纤连接器的结构-光纤适配器(法兰),6. 各种裸光纤转接器,1.2 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。,插入损耗：是指一个指定输入端口

6、的输入光功率Pi和一个指定的输出端口的输出功率Po的比值 附加损耗：全部输入端口的输入光功率总和与全部输出端口的输出光功率总和的比值 分光比或耦合比：某一个输出端口的输出光功率与全部输出端口的输出光功率总和的比值 串扰：一个输入端口的输入光功率Pi与由耦合器泄漏到其他输入端口的光功率Pr的比值,光耦合器技术指标,P1,P3,P4,P2,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,光耦合器分类,从端口形式 X型、Y型、星型以及树型 从工作带宽的角度 单工作窗口的窄带 单工作窗口的宽带 双工作窗口的宽带 从传导光模式 多模与单

7、模 从器件工艺实现方式 分立光学元件组合型 光纤型光耦合器 集成波导型,几种常见光耦合器结构示意图,几种常见光耦合器结构示意图,星形耦合器拼接示意图,树形耦合器拼接示意图,1.3 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 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

8、光通过该物质时其偏振面发生旋转。,3 偏振器（Polarizer）,a. 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,光隔离器的结构和工作原理,1. 偏振相关型光隔离器,2. 偏振无关型光隔离器,偏振无关型光隔离器结构二,偏振无关型光隔离器结构三,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。,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）,1.4 光环行器,光环行器是一种三端口的

9、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,起偏器、检偏器、旋光器,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,光环形器应用,光环形器的两种基本应用：OADM制作；单纤双向传输,基于FBG和多口光环形器的BOADM结构,1.5 光衰减器,光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为固定衰减器和可变衰减器。,光衰减器的基本原理,在玻璃基片上蒸镀透射系数（或反射系数变化很小的

10、金属膜，使通过镀膜玻璃片的光功率被膜层材料吸收一部分，光强度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化合物材料，光的衰减量有膜的厚度进行控制。,固定衰减器,固定衰减器对光功率衰减量固定不变，主要用于调整光纤传输线路的光损耗。,输入光纤,输出光纤,光纤连接器,光纤连接器,透镜,透镜,衰减部分,可变衰减器,可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。,(a)光路和结构,(b) 连续衰减片,1.6 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。,光开关的性能主要表现在开关的插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间

11、、开关规模和开关尺寸等。 光交叉连接和光交换对开关的要求主要有低插损(10dB以下)、低串扰(50dB以下)、低开关时间(几个ms以下)以及无阻塞运作。,光开关的特性参数,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。,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。,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。 ERILIL0 6. 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。,各种光开关性能

12、对比,1. 机械式光开关,武汉韩正高新技术有限公司 OS系列1*N（N64）机械式光开关,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。,工作原理：利用电光效应或电吸收效应以及硅材料的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变。,3、波导光开光,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。,3dB耦合器,MZ干涉仪,4.热光开关,热光开关的基本结构有两种；一种是Y型分支器结构，一种是马赫则德尔干涉仪

13、型（MZI)结构。,Y型分支器结构,MZI型热光开关结构,5.液晶光开关,液晶(Liquid crystal)光开关是根据其偏振特性来完成交换的。 典型的液晶器件包括无源和有源部分，它实现光交换主要由以下步骤 来进行：首先把输入光分为两路偏振光，然后把光输入液晶内，液晶 根据是否加电压来改变光的偏振状态：由于电光效应，在液晶上加电 压将改变非常光的折射率，从而改变光的偏振状态；最后光射到无源 光器件上，根据光的偏振方向把光输出到预定的输出端口。,6、磁光效应光开关,7、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

14、入光的现象。利用声致光栅使光偏转做成光开关。,8、微电子机械光开关,它采用微机械技术，既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度，小体积、易于大规模集成等优点。 MEMS光开关与信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行光处理过程中不需要进行光电或电光转换。特别是大规模光开关阵列，几乎非MEMS技术而不能实现，OXC必须使用大规模的光开关阵列，所以MEMS是其不二选择。 未来大规模光网络中光变换系统的又一发展趋势和最佳选择。,工作原理：通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜，利用这些微镜片的二维或三维空间运动，将光直接反射到

15、不同的输出端 特点：低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、集成度高、开关速度快,MEMS光开关,MEMS开关阵列图,micro-electro-mechanical-systems,封装外形尺寸为150mm400mm300mm的80信道光通信开关样品，具有1ms的开关速度,9、喷墨气泡技术光开关,10.全息光开关,利用电全息技术。 该技术由以色列耶路撒冷大学的Aharon Agranat发明。光纤光栅的全息图被写到晶体上，当没有电压时，晶体是全透明的，当有电压时，hologram全息产生，对特定波长光反射。晶体的行和列对光进行选路。,11、双稳光开关,光学双稳态器件是指光信号的输 出

16、与输入关系呈S型曲线的光学器件。 在一定的输入范围内对给定的输入 光强存在着两种可能的输出光强状 态(如图所示，虚线部分不稳定)， 而且可以用纯光学方法或者光电混 合方法实现两态间的可逆转换，光 学双稳器件的这种特性被称为光学 双稳性(Optical Bistablity)。,光学双稳 = 非线性 + 反馈,光双稳开关的开关时间均为63ps (5.73psx11=63.03ps)，光双稳的 开关功率密度为,W/cm2，相当入射激光功率为77mW， 输入激光脉冲的幅值功率约为4.699W,双稳光开关,双稳光开关,1.7 光滤波器,光滤波器是光选择器件。 按滤波特性分有带通滤波器、带阻滤波 器、低

17、通滤波器、高通滤波器等； 按调节作用分有可调滤波器、固定滤 波器； 按结构类型分有光纤光栅滤波器、 薄膜干涉滤波器、M-Z滤波器等。,光纤Bragg光栅(FBG),Fiber Bragg Grating(FBG)是衍射光栅概念的发展，其衍射是由光纤内部折射率的变化实现的。 FBG好象一个窄带的反光镜，只反射一个波长而透射其余的波长。 被反射的波长称为Bragg波长，满足条件： 2neff =B,这里neff 是纤芯的等效折射率；是光栅周期（相邻折射率最大点间的距离）。,Bragg光栅的特点,抗电磁干扰 小巧 化学稳定性高 便于与光纤连接 可波分复用,1 、驻波法,光纤光栅的制作方法,2 干涉法

18、,光纤光栅的制作方法,光栅周期,光栅的反射波长满足,3 相位掩模技术,光纤光栅的制作方法,4 逐点写入法,光纤光栅的制作方法,这种方法通过一小段长度W的光纤在高性能的单脉冲下曝光， 并周期的移动光纤，直接在光纤上制作光栅。在下一个脉冲到 达之前，光纤移动-W，这样形成周期性条纹，形成光纤光栅。 逐点写入比较好时，只能由于制作长度较短的光栅，通常小 于1厘米。对光纤的移动要进行精心控制，需要将激光束聚焦 到光纤纤心内的一个小点上。 逐点写入法比较适合制作长周期光纤光栅（长周期光栅可用 于EDFA的增益谱平坦技术）。,光纤光栅的分类,均匀周期光纤光栅,谐振峰两边有一些旁瓣。 由于光纤光栅两端折射

19、率突变引起F-P效应导 致的。旁瓣分散了光能 量，不利于其应用，需 进行旁瓣抑制。,非均匀周期光纤光栅,切趾光纤光栅,切趾型光栅apodisation： 两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使反射谱不存在旁瓣。,高斯切趾,平均值为零的升余弦切趾,非均匀周期光纤光栅,相移光纤光栅,相移,非均匀周期光纤光栅,取样光纤光栅,非均匀周期光纤光栅,啁啾光纤光栅,啁啾光栅Chirped FBGs： 折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，反射谱宽增加。,非均匀周期光纤光栅,倾斜光纤光栅,可用作低反射的滤波器和模式转换器,光纤Bragg光栅在通信系统中的应用 色散补偿,光纤Bragg光栅在通

20、信系统中的应用 波分复用,用光纤光栅制作的波分复用（解复用）器,法布里泊罗(Fabry-Perot)滤波器,Fabry-Perot(F-P)滤波器是由两块平行的高反射率的镜面构成谐振腔，对特定波长 的光波发生谐振而得到频率选择性。,式中 L是腔体的长度；,谐振腔可多个串联，以改善选择性。,多层介质薄膜滤波器,这是反射镜采用多层介质薄膜的FP干涉仪，是一种带通滤波器，只允许特定波长的光通过。用多腔使通带顶部更加平坦，改善滤波性能.,腔1,腔3,腔2,反射介质,反射介质,反射介质,群组滤波器Interleaver,为实现50GHz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，2000年3

21、月的OFC展览上，多家公司纷纷提出一种群组滤波器（梳状滤波器），Chroum公司称之为Slicer, Wavesplitter, JDS Uniphase等公司称之为Interleaver。,Interleaver,Interleaver,可以说Interleaver的出现使许多传统滤波器技术在密集波分复用的新应用中重新找到了自己的位置，大大减低了器件设计制作的压力，降低了整个系统的成本。这种器件的基本工作原理还是两束光的干涉，通过合适的干涉参数设计可以使Interleaver的通过谱成为类似梳状波的形状。实现Interleaver的技术包括熔融拉锥的干涉仪，液晶，双折射晶体和光纤光栅等。,5

22、0GHz的光纤光栅Interleaver透射谱,1.8 波分复用器,一种用来合成不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源器件。（复用器/解复用器） 用于波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用 对器件的要求主要是插入损耗低、隔离度大、带内平坦、带外插入损耗变化陡峭、中心波长稳定性高等。,复用器,Wavelength Filter,Wavelength Multiplexer,Wavelength Switcher,棱镜和透射光栅复用/解复用器,衍射光栅复用器,在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。,采用渐变折射率透镜，简化了装置的校准。,采用普通透镜的WDM,光栅复用器的特点,波长通道数大（132Ch） 通道间隔小（商用0.4nm) 插损不随通道数增加(67dB) 温度敏感(0.01nm/OC)，需温度补偿(温控、材料补偿） 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）,介质膜滤波器DTF,Dielectric Thin-Film Filter 在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反射光。在高反射区之