现代光纤通信技术5-光器件

1第五章光器件2§5.1光器件概述§5.2光连接器与衰减器§5.3耦合器与分束器§5.4复用器§5.5光隔离器与环形器§5.6光开光与光交叉连接器§5.7光波长转换器§5.8光器件测试本章内容3§5.1光器件概述光器件的分类体块型不能直接与光纤线路连接，而是要通过耦合元件（最重要的耦合元件是自聚焦棒透镜组），因而损耗较大。全光纤型体积小、重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰。特别是能够做成“在线元件”，直接接入光纤线路，因而附加损耗很低。光波导型体积小、重量轻、热和机械稳定性好、功耗低、抗电磁干扰性强、适合批量生产。4光器件概述发展趋势尺寸小型化、微型化。无论是在系统传输设备中，还是在终端用户上，光器件在提供高性能功能的同时，应占据尽可能小的空间。低成本。降低器件成本的有效途径包括提高成品率，提高器件制作自动化程度，以及规范各种光器件的标准，如达成多边协议以提高光器件间的兼容性等。多功能的集成。系统的发展对光器件功能要求也愈来愈多，要求单个器件能提供更多功能，或是将更多功能的光学元件集成在一个器件中。无论是器件尺寸的集成，还是功能上的集成，都可以降低器件成本，提高器件竞争力。5光连接器光衰减器§5.2光连接器与光衰减器6光纤连接器（opticalconnector），俗称活接头，ITU将其定义为“用以稳定地但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接，是光纤通信系统中不可缺少的无源器件。对光纤连接器要求主要是插入损耗小、回波损耗大、重复插拔的寿命长和互换性好。光连接器定义7光连接器技术指标：(dB)1001PPlgIL(dB)100PPlgRrL互换性和重复性回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光功率Pr相对输入光功率P0的比率的分贝数。插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率P1相对输入光功率P0的比率的分贝数。一般要求应不大于0.2dB典型值应不小于45dB。8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)2n1n0n（a）（c）q（b）d（d）z（e）1a2aa1x2xx12a22a纤芯直径1D2D1g2g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9活动连接器插入损耗目前水平0.2dB减低反射技术：APC(AngledPhysicalContact)常见类型：FC、SC、ST10光纤连接器的结构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。11光纤连接器的结构12光衰减器定义光衰减器（opticalattenuator）是对光功率进行预定量衰减的器件，它可分为可变光衰减器和固定光衰减器。前者主要用于调节光功率电平，后者主要用于电平过高的光纤通信线路。对光衰减器主要要求是：插入损耗低、回波损耗高、分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、衰减精度高、器件体积小，环境性能好。13光衰减器根据工作原理分类：位移型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器直接镀膜型光衰减器（吸收模或反射模型）衰减片型光衰减器液晶型光衰减器光衰减器14光功率衰减功能新技术热光技术电光技术微机械技术（MEMS）插入损耗大，偏振相关损耗大插损、偏振相关损耗、热漂移较大，动态范围有限体积很小，响应速度较快，功耗小，易于批量生产，但插损较大，成本高昂，是目前发展较快的技术。15衰减片通常是表面蒸镀了金属吸收膜的玻璃基片，衰减片与光轴可以倾斜放置衰减片在不同位置的金属膜厚度不同，可用来获得不同的衰减在光纤端面按要求镀上一层有一定厚度的金属膜或在光的通路上设置一个几微米的气隙，从而获得固定衰耗。常用光衰减器的工作原理16§5.3耦合器与分束器光耦合器（coupler）/分束器（splitter）的功能是实现光信号的合路/分路，就是把多个输入的光信号组合成一个输出或者把一个输入的光信号分配给多个输出。一般是对同一波长的光功率进行合路或分路。光耦合器/分束器的使用将会对光路带来一定的附加插入损耗以及一定的串扰和反射。17插入损耗：是指一个指定输入端口的输入光功率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[dB]10iinePPlgL光耦合器技术指标[dB]10ioiPPlgL%PPCRii100P1P3P4[dB]10ircPPlgLP218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19几种常见光耦合器结构示意图20几种常见光耦合器结构示意图21§5.4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。WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter22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WDM23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(6~7dB)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）24介质膜滤波器DTFDielectricThin-FilmFilter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。在高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成了透射光。对一定波长范围呈通带，对另外波长范围呈阻带，从而形成所要求的滤波特性25通带特性好（平顶、隔离度高~25dB）PDL小(~0.2dB)插损低5~7dB（16波）温度敏感性小（0.0005nm/OC不需温控）波长数16CH；波长间隔0.8nm价格较高是16波长WDM系统中主要选用的器件多层介质膜复用器特点26可通过改变熔融拉锥条件，增强耦合系数对波长的敏感性，从而制成熔融拉锥型WDM器件特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、无需波长选择器件；复用波长数少、隔离度差应用：常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波长的分离熔锥光纤滤波器27阵列波导光栅AWGArray-Waveguide-Grating规则排列的波导，相邻波导的长度相差固定值DL，因而产生的相位差随波长而变。28AWG的工作原理设AWG的输入端口数和输出端口数均为n，输入耦合器为n×m形式，输出耦合器为m×n形式，输入和输出耦合器之间由m个波导连接，每相邻波导的长度差均为ΔL。输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成m部分，它们之间的相位差ΔΦ由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定。在输入波导i的光信号的波长中，满足ΔΦ＝2kπ的整数倍的波长将在输出波导输出。通过适当设计，可以做成1×n波分解复用器和n×1波分复用器。29AWG特点：信道间隔（1.60.80.4nm）端口（18116132164)需要温控（0.01nm/C0)插损不随通道数增加(6~7dB)高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）隔离度~22dBPDL1dB应用：复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件）AWG的特点及应用30光隔离器光环形器§5.5光隔离器与环形器31用途只允许光波往一个方向传播，阻止光波往其他方向特别是反方向传输的。主要用在激光器或光放大器的后面，以消除反射光的影响，使系统工作稳定。主要参数要求插入损耗小（典型值约为0.5dB）隔离度大（典型值约在40~50dB之间）PDL小（0.2dB）组成原理一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。光隔离器概述32起偏器使入射光德垂直偏振分量通过，调整法拉第旋转器（YIG）的磁场强度，使偏振面旋转45°，然后通过检偏器。反射光返回时，通过法拉第旋转器又一次旋转45°，正好与入射光偏振面正交，因此受到隔离。光隔离器工作原理33光环形器基本原理：与光隔离器相似光传送顺序：1234主要指标：插入损耗、隔离度、PDL、回波损耗、方向性等（与光隔离器基本相同）34光环形器工作原理起偏器、检偏器、旋光器35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36光开光定义：通过光通道的通断和转换，实现光层面上的路由选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。开关时间：开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。光开关其他重要参数：消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)。§5.6光开光与光交叉连接器应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关光包交换1ns外调制10ps1~10ms37传统机械光开关的结构示意图机械式光开关工作原理：通过移动光纤将光直接耦合到输出端或采用棱镜、反射镜切换光路特点：偏振无关，插入损耗低、串扰小、光学性能好，体积较大、开关速度慢38MEMS开关阵列图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39喷墨气泡热光开关模块工作原理：利用了气泡（镜面）对光反射的原理，当入射光照入并要求交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个气泡，气泡将光从入射波导全反射到输出波导特点：开关速度为ms量级，插损低、串扰小，具有较好的可扩展性喷墨气泡热光开关40(a)定向耦合器型光开关(b)M-Z干涉仪型光开关电光开关原理示意图波导光开关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41热光开关原理示意图工作原理：通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变，进而实现光信号的通断典型材料：SiO2、Si、LiNbO3和有机聚合物等特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）热光开关42声光开关原理示意图工作原理：利用声光效应，即声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期性变化，形成等效的位相光栅，其光栅常数等于声波波长，因而能提供一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段声光开关431342SOASOA光纤环控制脉冲耦合器（a）全光M-Z型开关（b）NOLM全光开关光调制光开关原理示意图工作原理：利用输入的控制光信号与信号光进行光交叉相位调制，来调节输出信号光的相对相位关系以实现开关通断。通过外部输入控制光调制半导体光放大器(SOA)的折射率来调节输出信号光的相对相位