第3章光无源器件-电子通信专业

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1、有源器件有源器件:无源器件无源器件:光源光源:LED,LD光检测器光检测器:PD,PIN,APD光放大器光放大器:EDFA连接器连接器耦合器耦合器光开关光开关隔离器隔离器波分复用器波分复用器调制器调制器需外加电源驱动无需外加电源驱动光纤连接器光纤连接器:用于光纤线路与光端机(光发射机,光接收)或其他之间的连接的器件,是可以插拔的,有时也叫光纤活动连接器。3.1 连接器(Connectors)连接器连接器插头插头插座插座1.1.基本结构及工作原理基本结构及工作原理工作原理工作原理:采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95以上的光能通过连接器。基本结构基本结构:套管结构套管结构光纤套

2、管插针粘结剂3.1 连接器连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中接口零件、光纤插针和对中三部分1.1.基本结构及工作原理基本结构及工作原理3.1 连接器光纤插针光纤插针的端面有:平面、球面(PC,Physical Contact)或斜面(APC,Angled Physical Contact)。APC8o o三种常见的物理接触三种常见的物理接触芯芯包皮包皮凸球面凸球面平面平面斜面斜面PC1.1.基本结构及工作原理基本结构及工作原理3.1 连接器套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。对中对中可以采用:双锥结构双锥结构V形槽结构形槽结构球面定心结构球面定心结构透镜耦合结构透镜耦合结构

3、2.2.对连接器的要求对连接器的要求3.1 连接器按功能分类按功能分类:3.1 连接器3.3.连接器的种类连接器的种类按连接方式及外形分类按连接方式及外形分类:3.1 连接器3.3.连接器的种类连接器的种类ST(Spring Tension)：有有FC型、型、SC型和型和ST型型FC(Ferrule Connector)：SC(Square/Subscriber Connector):表示用螺纹连接表示轴向插拔矩形外壳结构表示弹簧带键卡口结构。FCSCST3.1 连接器3.3.连接器的种类连接器的种类如如 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和和 ST/PC 转接器的通常表示转接

4、器的通常表示连接器的类型连接器的类型/光纤插针端面结构光纤插针端面结构各种单模光纤连接器的结构特点和性能指标各种单模光纤连接器的结构特点和性能指标4.4.连接器的损耗连接器的损耗3.1 连接器固有损耗固有损耗: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纤芯尺寸失配纤芯尺寸失配3.1 连接器外部损耗外部损耗:轴向倾角轴向倾角q q菲涅尔反射菲涅尔反射端面粗糙端面粗糙横向偏移横向偏移x端面间隙端面间隙d.主要性能指标主要性能指标插入损耗插入损耗:插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数Loutin10lg/IPP 回波损耗回波损耗:又称后向

5、反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数Lrin10lg/RPP 重复性和互换性重复性和互换性:连接器多次插拔或互换后，插入损耗的变化.3.1 连接器.接头接头3.1 连接器接头接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接接头制作方法接头制作方法热熔连接：热熔连接：高压电弧加热把两个光纤端面熔合机械连接：机械连接：用V形夹具使光纤准直，用热固化及环氧树脂粘结加固V V形槽形槽光纤光纤1 1光纤光纤2 2光耦合器光耦合器:将光信号进行分路和合路的器件.3.2 光耦合器光耦合器(Optical Coupler)光耦合器连接三个或三个以上点光信号必须

6、在多个输出端口分配,信号强度降低光耦合器分类光耦合器分类光功率耦合器光波长(合/分波）耦合器从功能上从功能上:从端口形式上从端口形式上:X 形(2 2)Y 形(1 2)星形(M N,N2)树形(1 N,N2)T 形(1 2)3.2 3.2 光耦合器光耦合器分类分类常用耦合器的类型常用耦合器的类型T形星形(M N)l1l2lNl1l2lN树形(1 N)波分复用器/解复用器(即合波器/分波器)2314X 形定向耦合器(2 2)3.2 3.2 光耦合器光耦合器22定向光纤耦合器是构成其它光学元件的基础，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给 2 根光纤，可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器12

7、341-2和3-4 为直通臂1-3和2-4 为耦合臂如1端输入,则2和3端输出,4端无输出223.2 3.2 光耦合器光耦合器22定向光纤耦合器定向光纤耦合器88星形耦合器 1234567891011123.2 3.2 光耦合器光耦合器.N N星形耦合器星形耦合器NN星形耦合器的功能是把 N 根光纤输入的光功率组合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。2 22 2耦合器组成的星形耦合器耦合器组成的星形耦合器光纤耦合器的特性参数光纤耦合器的特性参数3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向耦合器为例插入损耗插入损耗(Insertion Loss):

8、L)(log1012dBPPL23141P4P2P3P表示特定的端口到另一端口路径的损耗.如从输入端口1到输出端口2的插入损耗为，用L表示3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向耦合器为例隔离度隔离度(Degree of Isolation):or 串话串话(音音)干扰干扰(Crosstalk)由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出.但实际上端4还是有少量光功率输出P4,其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为)(log10144,1dBPPA23141P4P2P3P一般要求：A20dB3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向耦合器为例分光比分

9、光比(Splitting Ratio)or 耦合比耦合比(Coupling Ratio):CR23141P4P2P3P1)两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率，则端2和端3分光比:CR=P2/P3,一般为1:11:10%100322PPPCR2)一个输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向耦合器为例附加损耗附加损耗(Excess Loss):Le)log(10132PPPLe23141P4P2P3P由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，用全部输出端的光功率总和与输入端的光功率总和的比3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器(Tunable Opti

10、cal Filter)可调谐光滤波器可调谐光滤波器：是一种波长（或频率）选择器件，它的功能是从许多不同频率的输入光信号中选择出一个特定频率的光信号HOF-DW 1.6 ITU波长滤波器Alpha 可调式F-P型光滤波器3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器1.光滤波器分类光滤波器分类根据工作原理分:干涉型根据其调谐的能力:光频固定滤波器衍射型吸收型可调谐滤波器法布里珀罗(F-P:Fabry-Perot)滤波器马赫-曾德尔(M-Z:Mach-Zehnder)滤波器布拉格(Bragg)光栅滤波器阵列波导光栅(AWG)滤波器3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器2.法布里法布里 珀罗珀罗

11、(F-P)滤波器滤波器1)1)结构组成结构组成可调谐滤波器可调谐滤波器 压电陶瓷管内外壁施加电压时管可伸长,以调节F-P腔长L入射光透射光镜面L光纤压电陶瓷管 玻璃或陶瓷套管+v反射镜固定波长滤波器固定波长滤波器两块镜面均固定由法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪(F-PI:Fabry-Perot Interferometer)构成滤波器.3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器2)2)滤波原理滤波原理L L平面镜平面镜入射光入射光平面镜平面镜透射光透射光)2/(ljnL vcjnL/2l驻波条件驻波条件:j 为整数 纵模纵模:nLcjv2纵模间隔纵模间隔:nLcvL2nL22llor or

12、 3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器3)3)滤波示意图滤波示意图信道间隔最高频率信道和最低频率信道间的频率差滤波器的传输函数滤波器带宽调谐滤波器调谐控制电压inputoutputsv)(vPinivchvvv)(vPoutiv纵模间隔vFPv)(vTLvRRjcvFP1l3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器3.马赫马赫-曾德尔曾德尔(M-Z)滤波器滤波器1)结构组成34输入21,ll1l2lLLLt延迟12输出热敏薄膜 耦合器 3 dB 耦合器 3 dB3 dB耦合器:插入损耗为3dB,即两输出光功率均分输入光功率马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉滤波器由两个3 d

13、B耦合器串联组成.干涉仪的两臂长度不等(L)或存在折射率差(n)3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器2)工作原理34输入21,ll1l2lLLLt延迟12输出热敏薄膜 耦合器 3 dB 耦合器 3 dB双臂干涉.lLn2若在输出端3,l2满足相长条件,而l1满足相消条件,则输出l2光ljLn222即:l)12(21jLn输出位相差3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器34输入21,ll1l2lLLLt延迟12输出热敏薄膜 耦合器 3 dB 耦合器 3 dBljLn22一般式:ljLnvjcLn/LncjvLncv3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器3)级联M-Z干涉滤波器

14、输入光波的频率间隔必须精确地控制在(v/2)的整数倍。Lncvch2光信道间隔:M-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-Z821,lllL7531,llll8642,llll51,ll73,ll62,ll84,ll1l3l2l4l5l7l6l8lvv2v4v2v4v4v4Lncv3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器4.布拉格布拉格(Bragg)光栅滤波器光栅滤波器1)1)结构及原理结构及原理Bjl2相邻反射光程差:lB-Bragg波长),.,(21NinElll半反射镜),.,(31NoutElll)(2lrE通常j=1布拉格布拉格(Bragg)(Bragg)光栅滤波器光栅滤波器由间距

15、为 的N个平行半反射镜组成(称为布拉格间距),某个波长的N束反射光干涉相长,从而构成反射式滤波器.22llB3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器2)2)光纤布拉格光纤布拉格(Bragg)(Bragg)光栅光栅22llBj通常j=1光纤光纤芯芯包层包层紫外干涉光紫外干涉光光栅光栅4321l ll ll ll l2l l43l ll l1l l用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器 输出光中滤除了l2成分纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光照射后产生周期性地调制而成3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器3)3)光纤光栅带通滤波器光纤光栅带通滤波器:在22光纤耦合器输出侧的两光纤上写入同样的

16、Bragg光栅,即可构成带通滤波器.42llBj通常j=1 耦合器12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147llll17ll17ll4l4l4l 3 dB3.3 3.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器5.阵列波导光栅阵列波导光栅(AWG)滤波器滤波器阵列波导光栅阵列波导光栅(AWG,Arrayed waveguide gratings):各种波长的光波从光纤(1)衍射进入自由传播区(2),然后耦合到长度不等的光栅波导区(3),经历不同波导后衍射进入自由区(4),来自不同波导同一波长光波只有在特定位置的输出端才满足相干相长叠加,从而达到滤波的目的.输入输出自由传播区光栅波导区3.

17、4 波分复用波分复用/解复用器解复用器(Wavelength Division Multipexers and Demultiplexers)波分复用波分复用/解复用器解复用器：波分复用器(WDM,Wavelength Division Multiplexers)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反.Nl l2l l1l l LLNl l2l l1l l3l lNl l2l l1l l3l l复用器复用器解复用器解复用器3.4 3.4 波分复用波分复用/解复用器解复用器1.波分复用器波分复用器熔拉双锥方法制造熔拉双锥方法制造

18、的星形耦合器的星形耦合器波导技术制成的多波导技术制成的多端星形耦合器端星形耦合器20030 mmP500自由空间区DQ输入阵列输出阵列mm4.5m用光耦合器可实现波分复用用光耦合器可实现波分复用1lNlNll.11lNlNll.13.4 3.4 波分复用波分复用/解复用器解复用器2.波分解复用器波分解复用器1)棱镜棱镜解复用器解复用器棱镜对不同波长的光有不同的折射角.n2n1n1n1n2iq ql lq qe e2l l1l lNl lNl l2l l1l l LLpq q3.4 3.4 波分复用波分复用/解复用器解复用器2)衍射光栅解复用器衍射光栅解复用器不同波长光的衍射角不一样 光纤光纤硅

19、衍射光栅硅衍射光栅普通普通透镜透镜 l l1l l2l l3l ll ll l123 d硅光栅硅光栅渐变折渐变折射透镜射透镜 光纤光纤l l1l l2l l3l ll ll l123 入入射射光光波波dsinq qq qd12q qLl l1l l2光栅光栅成像成像平面平面y2y1透射光栅透射光栅普通透镜反射光栅普通透镜反射光栅渐变折射率透镜反射光栅渐变折射率透镜反射光栅3.4 3.4 波分复用波分复用/解复用器解复用器普通透镜反射光栅普通透镜反射光栅 光纤光纤硅衍射光栅硅衍射光栅普通普通透镜透镜l l1l ll ll l123 l l23.4 3.4 波分复用波分复用/解复用器解复用器3)阵

20、列波导光栅阵列波导光栅(AWG)解复用器解复用器输入输出自由传播区光栅波导区阵列波导光栅滤波器作为解复用器.3.5 光调制器光调制器(Optical Modulators)调制器(Modulators):主要外调制器:电光效应磁光效应声光效应电光调制器:声光调制器:磁光调制器:光信号是用电信号调制光载波产生的。直接调制：改变光源的驱动(注入)电流直接调制光源的输出强度。外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。3.5 光调制器1.直接调制和外调制示意图直接调制直接调制外调制外调制激光器 输出调制光信息电信号信息电信号输出调制光波01010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

21、出调制光波输出连续光LD01010强度调制(IM:Intensity Modulation)示意图3.5 光调制器2.电光调制器电光调制器是利用电光材料的线性电光效应(Pockel effect)制成 折射率n和外加电场E的关系:,-电光系数_线性电光效应或普克尔(Pockel)效应_二次电光效应或克尔(Kerr)效应.20EEnn001)电光效应电光效应 电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化,如铌酸锂(LiNbO3)晶体3.5 光调制器VdLn22302l2)相位调制器相位调制器0n22450线偏振入射光圆/椭圆/线偏振出射光VzdLxEyExEyEaEzxy晶体3.5 光调制器3)强度

22、调制器强度调制器入射光VaExy晶体起偏器检偏器 探测器yx4)4)马赫马赫-曾德尔干涉型电光幅度调制器曾德尔干涉型电光幅度调制器在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压,电压引起折射率变化。3.5 光调制器LiNbO3电极偏振光输入调制信号V(t)输出AB波导Ti-LiNbO3DCEa+-AB两波导的位相差3.5 光调制器LiNbO3电极偏振光输入调制信号V(t)输出AB波导Ti-LiNbO3DCEa+-ABnLl23.5 光调制器LiNbO3()tV共平面条形电极偏振光输入调制信号输出DCABEa+-AB波导3LiNbO-Ti调制电压施加在两臂

23、上调制电压施加在两臂上3.5 光调制器3.电吸收波导调制器+pin入射光入射光n nhMQWVpin入射光入射光n nhVttPinPout0tV0-V调制调制电信号电信号当p-i-n无偏置时,入射光不被i层吸收,相当于输出“1”码;当p-i-n反向偏置时,入射光被i层完全吸收,相当于输出“0”码.3.6 光开关(Optical Switches)光开关分类光开关分类光开关光开关:是转换光路,实现光信号交换的器件。3.6 光开关1.机械式光开关光纤光纤旋转轴旋转轴反射镜反射镜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1234NN输入输入光纤光纤-11N移动光纤开关移动光纤开关12

24、移动反射镜开关移动反射镜开关3.6 光开关2.微机电系统光开关可升降悬臂可升降悬臂微反射镜微反射镜波导波导硅衬底硅衬底电极电极V=0=0PLC可升降微反射镜可升降微反射镜 MEMS 光开关光开关3.6 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波导1 1输入输入波导波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波导2 2取向取向1 1取向取向2 23.6 光开关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光纤1 1硅衬底硅衬底PLCPLC控制控制信号信号入射光入射光出射光出射光输

25、出输出光纤光纤2 2镜面镜面旋转轴旋转轴光纤光纤3.6 光开关3.波导光开关LiNbO3电极偏振光输入调制信号V(t)输出AB波导Ti-LiNbO3DC控制信号tt输出光V(t)自行分析其工作原理.3.6 光开关4.热光开关(TOS)热光开关热光开关(TOS,Thermo-Optic Switches)是采用马赫-曾德尔干涉仪(M-ZI)结构,用薄膜加热器加热波导臂,从而改变波导折射率,最终改变两光波的位相差.1234薄膜加热器ABLCr不加热时，器件处于交叉连接交叉连接状态；加热时,波导折射率变化,器件处于平行连接平行连接状态。3.6 光开关5.磁光开关HLq磁光开关磁光开关是利用法拉第(F

26、araday)效应制成的开关,当偏振光穿过施加了磁场的透明介质时，会发生偏振旋转。偏振平面的旋转角与磁场有关。旋转角q 和磁场强度H与材料长度L的乘积成比例yH法拉第介质反射镜反射光qqE光源偏振器q2EEE磁场L法拉第旋转器使光的偏振态(SOP:State Of Polarization)顺时针旋转45度.偏振器2法拉弟旋转器偏振器1反射光阻塞入射光SOP磁光开关(隔离器)的工作原理 3.6 光开关偏振器1和偏振器2的透振方向成45度放置3.6 光开关0102030505端口端口传输损耗施加电压(V)/dB1-31-2-(b)传输损耗特性EEOO21光纤光纤透镜透镜线圈施加电压 时23光纤透

27、镜方解石1方解石2方解石3透镜透镜电磁铁棱镜玻璃块Gd:YIG 石英旋转器1光纤起偏器检偏器检偏器EOOEEOO+E31光纤光纤透镜透镜线圈施加电压-时晶体起偏器检偏器棱镜玻璃块O+E晶体Gd:YIG45o+5V5V开关基本结构 (a)磁光式光开关 3.7 光隔离器(Optical Isolator)只允许光线沿光路单向传输的无源器件，用于解决光纤通信中光路中光反射的问题。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。光隔离器光隔离器:3.7 光隔离器自聚焦透镜自聚焦透镜（起偏振器）（起偏振器）（检偏振器）（检偏振器）法拉 法拉第旋转器第旋转器45450 0C

28、 C永磁铁永磁铁方解石方解石方解石方解石Gd：YIG膜Gd：YIG膜GRINGRIN透镜透镜GRINGRIN透镜透镜起偏振器起偏振器检偏振器检偏振器法拉第法拉第旋转器旋转器磁场磁场0 0o oo o45459090o o入射光入射光反射光反射光出射光出射光反射光反射光PA1.磁光块状光隔离器3.7 光隔离器2.磁光波导光隔离器基于法拉第旋转器和线性偏振片的隔离器不便于集成,因而开发基于平面集成光路集成光路(PIC:Photonic Integrated Circuit)的磁光波导器件.集成光隔离器集成光隔离器的基本工作原理是基于磁光薄膜的磁光法拉第效应.3.7 光隔离器Y12Y非互易相移MZI

29、型波导光隔离器3.8 光环形器(Optical Circulator)光环行器光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，是一种单向传输器件,主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中.光发光发射机射机1 1光发光发射机射机2 2光接光接收机收机1 1光环光环形器形器光环光环形器形器光接光接收机收机2 21 12 23 31 12 23 3光纤光纤3.8 光环形器用光隔离器构成的光环形器port2port2port1port3分束棱镜反射棱镜双折射棱镜法拉第旋转器相位旋转器双折射棱镜OEOE3.9 光分插复用器(OADM)光分插复用器光分插复用器(Optical Add-Drop Mul

30、tiplexers,OADM)是在WDM网络中，在保持其它信道传输不变的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入.3.9 光分插复用器1.固定波长光分插复用器从那个端口分出或从那个端口插入的波长是固定的.波波分分解解复复用用波波分分复复用用插入波长信道插入波长信道(Add)(Add)分出波长信道分出波长信道(drop)(drop)信号输入信号输入 WDM1l2l3l5l8l3l5l81ll信号输出信号输出 WDM81ll2.可编程分插复用器12光环形器光环形器信号信号输入输入调谐光纤光栅调谐光纤光栅分出波长信道分出波长信道WDM1 12 2光环形器光环形器信号信号输出输出插入波长信道插入波长

31、信道WDMl ln3l ln3l ln3.9 光分插复用器3.阵列波导光栅(AWG)光分插复用器3.9 光分插复用器共同输入口共同输出口分出插入复用器.l1l16l13.l1l16l13.l13l131a2a9a16a13a1b2b9b13b16b连接器.半波片N N星形波长分插复用星形波长分插复用(ADM)互联系统互联系统3.10 波长转换器(Wavelength Converters)波长转换波长转换(Wavelength Conversion):把信号从一个波长转换到另一个波长。起因起因:当相同波长的两个信道选通同一输出端时，由于可能的波长争用而出现阻塞.波长转换的优点：波长转换的优点：

32、节约资源（光纤、节点规模和波长）、简化网络管理并降低网络互联的复杂性.3.10 波长转换器1.光电再生波长变换输出光外调制器ljljLD入射光放大器 li探测器接收机发射机i t()3.10 波长转换器l1l2l2SOA有源层信号光连续光信号光滤波器2.在SOA中增益饱和波长变换器3.10 波长转换器l2l1l2输入信号光连续光输出信号光滤波器SOASOA3.相位调制波长变换器在M-Z干涉器的臂中放入SOA构成相位调制3.11 偏振复用器件主截面入射光非寻常光寻常光eo光轴 (在该页纸平面内)/EE偏振分束器（PBS:Polarizing Beam Splitter）3.11 偏振复用器件入射光光轴/EEEonzxyen3n=慢轴快轴xzLyE/Eoenn eo非寻常光寻常光相位延迟和补偿器件寻常光和非寻常光在同一方向传输，但有不同的速度，出射解理面的时间不同,从而合成特定偏振态的光.演讲完毕，谢谢观看！