光纤通信网 第4章_光无源器件

4无源光器件光器件概述•作用:实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。•类型：有源（激光器、光检测器、光放大器）无源（光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光、光波长转换器等）•发展趋势：集成化、全光纤化对各种无源光器件特性的普遍要求:插入损耗小反射损耗大工作温度范围大性能稳定寿命长、体积小、价格便宜4.1光连接器—Connector连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。（活动连接）主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收及输入之间，或光纤线路于其他光无源器件之间的连接接头是实现光纤与光纤之间的永久性连接。（固定连接）主要用于光纤线路的构成技术指标：插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。重复性和互换性)(lg10dBPPLinout)(lg10dBPPLinRR损耗来源•固定连接器包括：熔接法、V形槽法和套管法•活动连接器方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯插入损耗目前水平0.2dB减低反射技术：APC类型：FC、SC、ST其它：多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光纤连接器FC型：螺纹连接。外部材料为金属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。÷4.2光耦合器—Coupler定义：对同一波长的光功率进行分路或合路类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型全光纤型、微光元件型、集成光波导型功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。1321243CzPPCzPP202201sincosC--耦合系数22光纤耦合器P4P0输入功率P1直通功率P3串扰P2耦合功率L锥形区域L锥形区域Z耦合区域被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。光波分解复用器原理1、插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i到输出端口j的路径中的插入损耗为：2、附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。dBPPLiinelg103、串扰：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例：4、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比•技术指标：%100iiRPPS][lg10dBPPLjiji串扰＝][lg1003dBPPP0P1P2P34.3光开关Switches实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关1~10ms光包交换1ns外调制10ps•消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)也是光开关的重要参数机械光开关热光开关电光开关微光机电系统（MOEMS）光开关的分类机械式光开关特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关活动光纤光纤光纤固定装置热光效应光开关基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）3dB耦合器波导臂薄膜加热器相位移动电光效应光开关LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器特点：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、价格昂贵半导体光放大器SOA光开关：改变SOA驱动电流来实现特点：速度快（~ns）、无损开关，但引入ASE噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵类型大小插损(dB)串话(dB)PDL(dB)开关时间机械式883550.210ms热光开关SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms电光开关LiNbO3SOA44448035401Low10ps1ns光开关性能比较新型光开关——MOEMS微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关。MEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细。I/OFibersImagingLensesReflectorMEMS2-axisTiltMirrorsMEMS光开关阵列优点：可实现超大规模交叉连接可利用IC工艺，批量生产1NMEMSSwitch4.4复用器与滤波器—MultiplexerandFilter光滤波器与解复用器(光波长选择器件)0滤波器解复用器WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter•用途：波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用•中心波长（固定、可调）•带宽（1dB带宽、3dB带宽、20dB带宽）•偏振相关性（PDL）•调谐范围•隔离度(串音)•插损•温度敏感系数技术参数0/0滤波器中心波长,信号波长.种类：•基于干涉原理的滤波器：熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德干涉滤波器•基于光栅原理的滤波器：体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器（AWG）、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器一、熔锥光纤滤波器•利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。设计熔融区的锥度，控制拉锥速度。•特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度低、复用波长数少（两波）•应用：波长间隔较宽，常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波长的分离二、法布里－珀罗滤波器Fabry-PerotFilter基本原理：F-P干涉仪，平行平板的多光束干涉。F-P滤波器特性自由谱区FSR(FreeSpectralRange)：相邻两个谐振频率的间距。FSR=C/2ndn-中间介质折射率；d-腔长3dB带宽F：传输系数的数值降为最大值的一半应的频带宽度。R越大，F越窄精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。RRFFSRF1R越大，精细度越大。RdnRCF2)1(FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄带滤波器RRFFSRF1(f)(a)FSR传输函数Pin(f)(b)输入功率Pout(f)(c)输出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P滤波器的传输特性(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)滤波器输出端DWDM系统对F-P滤波器参数的要求：•F-P腔的自由谱区FSR必须大于多信道复用信号的频谱宽度，以免使信号重叠，造成混乱。•在DWDM中，信道间距小于1nm，所以要求F-P腔有较窄的带宽F。精细度F要高级联F-P腔级联F-P腔光滤波器游标式级联腔：由两个腔长接近的F-P腔串联而成。KFSR1=(K+1)FSR2精细度为：FSRT=KFSR1=(K+1)FSR2FSR1FSR2FSRTfff腔1腔2级联腔Problem:插损大、两级间耦合、两级统一调谐困难Solution:光纤放大器补偿法、光隔离器法三、多层介质膜滤波器TFFMultilayerDielectricThin-FilmFilter多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长Thin-FilmresonantMulticavityFilter(TFMF)薄膜多共振腔滤波器TFMF的传输特性：腔越多滤波器顶越平边缘越陡•多层介质膜复用解复用器特点：•通带特性好（平顶、隔离度高~25dB）•温度敏感性小（0.0005nm/OC不需温控）•插损5~7dB（16波）波长数16CH•波长间隔0.8nm价格较高•PDL小(~0.2dB)•是16波长WDM系统中主要选用的器件四、马赫－曾德干涉滤波器MZIMach-ZehnderInterferometer长度相差L的两根波导，用来在两臂间产生与波长有关的相移对输入信号进行分路的3dB耦合器在输出端将信号复合的3dB耦合器通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL/=kk为偶数Output2k为奇数Output12cos2sin)()(221211LLfTfT五、体光栅滤波器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光栅工作原理当以角度d衍射的射线满足下面的光栅方程时，在成像平面内就会产生波长上的相加干涉，即：(sini－sind)=m式中m是光栅阶数，一般只考虑m=1的一阶衍射条件。由于对于不同的波长，可以在成像面内的不同点满足光栅方程，所以光栅可分离出单独的波长。成像平面1＋212反射光栅光栅周期六、阵列波导光栅AWGarray-waveguide-gratingAWG:规则排列的波导，相邻波导的长度相差固定值L，因而产生的相移随波长而变。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）七、光纤光栅FBG对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条件，两波之间将发生能量的耦合。Bragg条件：特别地，如果满足能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射中--反射式滤波器FBG221光栅周期22111FBG:lengthPeriod•光纤光栅的形成：光纤敏化（载氢或光敏光纤）--紫外光（~244nm）以光栅条纹方式照射光纤--形成折射率光栅effn2反射中心波长纤芯的有效折射率光栅周期•FBG应用：滤波器、色散补偿器、光纤激光器等•现状:制作方式还不能满足商业要求器件性能还未达到替代已商用器件的程度特点：•插损小•带宽窄•易于光纤连接•低成本•温度特性（0.0125nm/oC未补偿,0.0007nm/oC经补偿)•应力敏感复用器与滤波器小结法布里－珀罗滤波器F-PFilter多层介质膜滤波器TFF马赫－曾德干涉滤波器MZI体光栅滤波器阵列波导光栅AWG光纤光栅FBG群组滤波器Interleaver4.5光隔离器与环行器•Isolators&Circulators非互易器件•用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。•主要指标：•低的插入损耗(对正向入射光，~1dB)•高的隔离度(对反向反射光，40~50dB)•原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Pola