第3章 光纤通信器件

第3章光纤通信无源器件内容要求3.1连接器3.2耦合器3.3可调谐滤波器3.4波分复用/解复用器件3.5调制器3.6光开关3.7光隔离器3.8光环行器3.9光分插复用器3.10波长转换器3.11偏振复用器连接器插头插座3.1连接器连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件；连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件；对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤；连接器“跳线”用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连。对连接器的要求连接损耗(插入损耗)小；回波损耗大；多次插拨重复性好；互换性好；环境温度变化时，性能保持稳定；并有足够的机械强度；因此，需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配，并保特适当的间隙。图3.1.1连接损耗的机理纤芯尺寸失配数值孔径失配纤芯不同心折射率分布失配(a)固有损耗图3.1.1连接损耗的机理(b)外部损耗端面间隙轴向倾角横向偏移菲涅尔反射端面粗糙xd连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。光纤插针的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC,AngledPhysicalContact)。对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微孔结构、三棒结构或多层结构。因此,连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的应用，如图3.1.2（b）所示。图3.1.2活动连接器结构和特性套筒插针粘结剂光纤光纤插针与套筒连接示意图(b)(C)连接器插头和插座APC8o三种常见的物理接触(a)芯包皮凸球面平面斜面PC连接器的种类两插头与转接器的连接有FC型、SC型和ST型。FC：表示用螺纹连接；SC（Square/SubscriberConnector）：表示轴向插拔矩形外壳结构；ST（SpringTension）：表示弹簧带键卡口结构。通常我们把光纤插针端面结构和两插头与转接器的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类型，通常有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型等。表3.1.1各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标类型结构和特性FC/PCFC/APCSC/PCSC/APCST/PC插针套管(包括光纤)端面形状凸球面80斜面凸球面80斜面凸球面连接方式螺纹螺纹轴向插拔轴向插拔卡口结构特点连接器形状圆形圆形矩形矩形圆形平均插入损耗（dB）0.20.30.30.30.2最大插入损耗（dB）0.30.50.50.50.3重复性（dB）0.10.10.10.10.1互换性（dB）0.10.10.10.10.1回波损耗（dB）4060406040插拔次数10001000100010001000性能指标使用温度范围40+800C40+800C40+800C40+800C40+800C用途长距离干线网,用户网或局域网长距离干线网,高速率数字系统或模拟视频系统用户网或局域网用户网或局域网用户网或局域网T形星形3.2耦合器耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。耦合器对线路的影响是附加插入损耗，可能还有一定的反射和串音。选择耦合器的主要依据是实际应用场合。T形耦合器是一种3端耦合器或2×2耦合器，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给2根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器，或局域网终端的光输入或光输出耦合器。星形耦合器是一种NN耦合器，它的功能是把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。耦合器基本结构T形星形方向波分1N1+N耦合器的光学特性参数1、插入损耗（InsertionLoss，IL）指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。CouplerPinPout1Pout2ILi=-10×lgPoutiPin2、分光比（CouplingRatio，CR）指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。CouplerPinPout1Pout2CR=∑PoutPouti×100%3.3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。光频滤波根据其基理可分为干涉型、衍射型和吸收型三类，每一类根据其实现的原理又可以分为若干种；根据其调谐的能力又可分为光频固定滤波器和可调谐滤波器。3.3可调谐光滤波器3.3.1法布里珀罗（FP）滤波器3.3.2马赫-曾德尔（MZ）滤波器3.3.3布拉格（Bragg）光栅滤波器3.3.4阵列波导光栅（AWG）滤波器3.3.5调谐滤波器性能比较3.3.1法布里珀罗（FP）滤波器基本法布里-珀罗干涉仪（F-PI）（见图3.3.2）由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板，图中略去输入和输出光纤及透镜系统，而集中讨论腔体本身。由光纤输入的光经过谐振腔反射一次后，聚焦在输出光纤端面上，借助改变谐振腔的长度达到从波分复用信道中选取所需信道的目的。入射光透射光内部反射镜面L=/2图3.3.1可调谐光滤波器的基本功能调谐滤波器调谐控制电压PfinfchfifsfPfoutTffifffi基本法布里-珀罗干涉仪（F-PI）由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。图3.3.2基本F-P干涉仪图3.3.3光纤F-P滤波器入射光透射光内部反射镜面L=/2光纤压电陶瓷管玻璃或陶瓷套管+v反射镜光纤法布里-珀罗(FF-P)干涉仪滤波器光纤法布里-珀罗（FF-P）干涉滤波器，如图3.3.3所示，光纤端面本身就充当两块平行的镜面。如果将光纤（即F-P的反射镜面）固定在压电陶瓷上，通过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩作用来改变谐振腔的长度，同样可以从复用信道中选取所需要的信道。这种结构可实现小型化。光纤法布里-珀罗（FF-P）干涉滤波器间隙型FF-P滤波器内波导型FF-P滤波器光纤光纤压电陶瓷管+v反射镜玻璃或陶瓷套管氧化锆套管(a)间隙型FF-P滤波器光纤光纤压电陶瓷管+v反射镜玻璃或陶瓷套管氧化锆套管内波导(b)内波导型FF-P滤波器光纤FF-P调谐滤波器的基本物理机理与1.3.3节讨论过的光多次干涉和谐振特性类似。对于无源F-P滤波器，因为滤波器只能允许满足谐振腔单纵模传输的相位条件的频率信号通过，所以传输特性与波长有关。()Tf传输函数输出功率输入功率光频光频fPfinfchfsPfoutfch1.0光频fP1P2P3PNf1f2f3fNf1f2f3fNfi(a)传输函数(b)N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图(c)滤波器输出频谱图fLFSR=fF-P1.00.5图3.3.5F-P滤波器的传输特性它具有多个谐振峰，每两个谐振峰间的频率间距为自由光谱区FSR光纤FF-P调谐滤波器每两个谐振峰间的频率间距FSR为：式中，n是构成F-P滤波器的材料折射率，L是谐振腔长度。FSR就是滤波器的自由光谱区。假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过，如图3.3.5（c）中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰，所以只有fj=f1的信道才能通过滤波器，而其它信道被抑制了。nLcf2LF-P滤波器的精细度F它决定滤波器的选择性，即能分辩的最小频率差，从而也决定所能选择出的最大信道数。精细度的概念与F-P干涉仪理论中的相同。假如谐振腔内部损耗忽略不计，则精细度由镜面反射率R决定假设两个镜面的R相等，此时:FPffFLFRR1入射光透射光内部反射镜面L=/23.3.2马赫-曾德尔（MZ）滤波器马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉滤波器由两个3dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪，干涉仪的两臂长度不等，光程差为L。34输入21,12LLLt延迟12输出热敏薄膜耦合器3dB耦合器3dB图3.3.7马赫-曾德尔干涉滤波器34输入21,12LLLt延迟12输出热敏薄膜耦合器3dB耦合器3dB马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。为两臂长度差产生的相位差式中n是波导折射率指数复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口3，满足相长条件，满足相消条件，则输出光；如果在输出端口4，满足相消条件，满足相长条件，则输出光。图3.3.7M-Z干涉滤波器cnLfπ234输入21,12LLLt延迟12输出热敏薄膜耦合器3dB耦合器3dB3.3.3布拉格（Bragg）光栅滤波器布拉格（Bragg）光栅由间距为的一列平行半反射镜组成，称为布拉格间距，如图3.3.9所示。如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜反射出来的总能量约为入射的能量，即使功率反射系数R很小。inEoutEtotr,E半反射镜图3.3.9布拉格光栅如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜反射出来的总能量约为入射的能量，即使功率反射系数R很小。该特定波长强反射的条件是:布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器该共振波长称为布拉格波长inEoutEtotr,E半反射镜2/BnΛ图3.3.10光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅是一小段光纤，其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，干涉条纹周期由两光束之间的夹角决定。大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的，将纤芯直接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化。光纤芯包层紫外干涉光光栅43212431用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器这种光纤布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器。该共振波长称为布拉格波长，由式(3.3.8)可知，其值为n2B布拉格光栅inEoutEtotr,E半反射镜布拉格（Bragg）光栅由间距为的一列平行半反射镜组成，称为布拉格间距，如图3.3.9所示。如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜反射出来的总能量totr,E约为入射的能量inE，即使功率反射系数R很小。该特定波长B强反射的条件是2/Bn(3.3.8)式中n代表布拉格光栅的阶数，当1n时，表示一阶布拉格光栅，此时2/B；当2n时，表示二阶布拉格光栅，此时B。式(3.3.8)表明，布拉格间距(或光栅周期)应该是B波长一半的整数倍，负号代表是反射。布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器。该共振波长称为布拉格波长。图3.3.10光纤布拉格光栅强激光辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系。如用特定波长的激光干涉条纹（全息照相）从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周期性变化，就象一个布拉格光栅，成为光纤光栅光纤芯包层紫外干涉光光栅43212431（a）用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器2InP衬底Y1yx1xPAsGaIn(b)单片集成布拉格光栅InP衬底图3.3.11光纤光栅带通滤波器利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器如果在一个22光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器耦合器12输入共振波长为完