3第三章常用光无源器件上课新版-(2)

光无源器件光纤通信第三章光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光源光无源器件光检测器光器件是构成光纤通信系统的必备元件产品领域领导厂商光纤康宁,朗讯,Alcatel,住友,藤仓Fujikura光缆Siemens,朗讯,意大利倍耐力,Alcatel,住友,康宁光纤放大器Lucent,Pirelli,Ciena康宁,Nortel,Alcatel,Fujitsu光发/光收Lucent,北电网络,Alcatel,富士通,安普,安捷伦Agilent,日立,NEC,Siemens光纤连接器Lucent,安普,莫仕Molex,精工,藤仓DWDM器件Corning,JDSU,德国迪康,Lucent,日立,倍耐力,3M光无源器件迪康,Corning,Lucent,JDSU,美国ADC,光通信设备Nortel,Lucent,Alcatel,NEC,CIENA,富士通,思科全球光纤通信设备主要供应商光有源器件：光源光放大器光检测器光无源器件：光连接器光耦合器光开关光隔离器光衰减器光调制器光环行器光波分复用器需要外加能源驱动工作近年来世界各国都在研究开发全光网络，即希望在整个传输系统中全部采用光信号，取消光电转换，尽量使用光学手段处理信号，这对光器件尤其是无源器件提出了相当高要求。第四章常用光无源器件4.1光纤连接器4.2光纤耦合器4.3波分复用/解复用器4.4光开关用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间,光纤与其它部件之间，设备和设备之间的连接。又叫活接头。光源光中继光检测器尾纤光耦合器光测试仪器光跳线4.1.光纤连接器的结构和种类4.1光纤连接器的结构和种类光纤连接器最重要是使两根光纤的轴心对准，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤，并使其介入光路后对系统影响最小。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。4.1光纤连接器—Connector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10lg()outcinPAdBP10lg()RRinPAdBP一、光方向耦合器4.2光方向耦合器光耦合器（Coupler）是对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件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(2×2)耦合器、Y形（1×2）耦合器、星形（N×N，N2）耦合器以及树形耦合器等。210220cossinPPCzPPCz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0PP1P2熔锥光纤型耦合器中功率耦合过程。熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法.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。3dBcoupler12P0P1P28×8星形耦合器的结构示意图多端口定向耦合器例题：用2×2的光纤耦合器构成一个8×8的光纤耦合器8loglog8122222NMN主要技术指标插入损耗IL——是指定输出端的光功率Pouti和全部输入光功率Pin和的比值。附加损耗EL——是全部输入端光功率总和和全部输出端光功率总和的比值。分光比或耦合比CR——是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比值。100%outoutiPCRP10lg()outiiinjPELdBPP0P1P2P310lg()outiiinPILdBP隔离度I——某一光路对其它光路中的信号的隔离能力。190100%51.43%9085端口110lg()tinPIdBP2×2双锥形光纤耦合器的输入功率为Pin=200µW,另外三个端口的输出功率分别为P1=90µW，P2=85µW，P3=6.3nW，试计算光纤耦合器的主要性能参数。解：分光比为:285100%48.6%9085端口2附加损耗为:90110log3.47dB200IL输入端口到端口的插入损耗8510log3.72dB200IL输入端口到端口2的插入损耗20010log=-45dB-36.310隔离度90+85log=0.58dB200EL=-104.3光衰减器光衰减器是一种插入光传输链路中控制光能的衰耗的无源器件。用途：光通信线路、系统评估、研究光通信线路、系统调整、校正在波分复用光纤网络中用来调整各信道信号的强弱测试仪器的光功率衰减光放大器的功率平坦模拟光纤长距离传输检测传输系统的动态范围。卡口式光衰减器螺旋式光衰减器。根据衰减量是否变化，可以分为固定式、分级可变式和连续可调式衰减基本原理：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。4.3光衰减器固定衰减器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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。（1）位移式固定衰减器特点仅用于固定衰减器回波损耗大，偏振无关体器件固定衰减器（2）衰减片型固定衰减器利用吸收光的衰减片无准直透镜型：FIBERFIBER衰减片不能用于大功率的光路中可变衰减器(a)光路和结构(b)分级可变式(c)连续可调式厚薄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。4.4光隔离器1.定义：光隔离器是一种非互易性器件,只允许光波往一个方向传输,阻止光波往其他方向尤其是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后，插入损耗值为1dB，隔离度的典型值为40--50dB。4.4光隔离器2.构成：由起偏器、检偏器以及放置在它们之间的法拉第旋转器组成。法拉第旋转器由具有法拉第特性而透光率高的材料和产生相应磁场的永磁铁组成。在偏振光的传播方向外加电磁场时，其偏振方向会旋转一定的角度。无论光的传播方向如何，顺着外加磁场的传播方向观察，偏振光按顺时针的方向旋转.法拉第效应起偏振器法拉第旋转器检偏振器阻塞反射光经SWP的入射光SWP——SpatialWalk-offPolarizer空间分离偏振器，其作用是将入射光分解为垂直与水平两个正交偏振分量，让垂直分量通过，而水平分量偏折通过。45°45°45°90°NOPASS假设入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方向是在垂直方向，故入射光顺利通过它射向法拉第旋转器，法拉第旋转器在磁场的作用下，使光的偏振态旋转一定角度(如45°),其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋转器后的检偏振器透振方向若在45°方向上，则经过法拉第旋转器旋转45°后的光能通过检偏振器，即光沿正方向通过这些器件是没有损耗的。沿反方向传送的反射光，其偏振态也在45°，当反射光经过法拉第旋转器后，偏振态再旋转45°，变为水平偏振光，则无法通过起偏振器。偏振器法拉第旋转器B45°（1）正向插入衰减沿光传播方向的衰减。afi=10Lg(Pin/Pout)（dB）(2)隔离度反向衰减，反向光被阻止的程度。A=10Lg(Pin/Pout)(dB)以反向方向为参考方向参数4.5光环行器光环行器——是多端口的隔离器。主要用于光分插复用器。典型的环行器一般有三或四个端口，在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入光信号在端口1输出。用途：用于光放大器和光时域反射仪。123(a)三端口1234(b)四端口常用光环行器示意图4.6光纤光栅光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。衍射级数。是光栅周期，是衍射角，是入射角，mmnn2121sinsin光纤光栅的结构当光栅的周期较小时，入射角和衍射角符号相反，在法线同侧——短周期光栅是反射光栅。当光栅的周期很大时，入射角和衍射角符号相反，在法线两侧——长周期光栅是透射光栅。1.按光栅周期大小分类周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称布拉格光纤光栅（FBG）。周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅（LPFG），又称透射光纤光栅。周期长达数毫米的光纤光栅虽然属于长周期光纤光栅（LPFG），为了研究方便，把它称为超长周期光纤光栅。注：按周期分类只考虑周期大小，并没有考虑构成光栅的每个周期大小是否均匀，各个周期折射率变化是否相等问题，需进一步分类。2.按光纤光栅折射率调制分类光纤光栅折射率调制是指把光栅沿着光纤轴线的折射率变化当作某一类函数时，可将该函数分成两个相互调制的函数形式：一是啁啾函数，反应光栅周期大小沿着光纤轴线的变化规律；二是折射率缓变包络函数，反应光栅每个周期折射率变化程度沿光纤轴线的分布。①按啁啾函数分类（a）均匀布拉格光纤光栅或长周期光纤光栅，每个光栅周期大小相等，主要由紫外曝光方法写入。（b）线性啁啾布拉格光纤光栅，每个光栅周期的周期大小呈线性变化，主要作用是密集波分复用系统的色散补偿器。（c）相移布拉格或长周期光纤光栅，光栅周期中存在周期跳变的情况，本质是在光栅的某些位置引入相位跳变，改变光谱分布。（d）特殊函数关系的光纤光栅，这部分特种光纤光栅，由于写入方法的限制，研究极少。②按折射率变包络函数不同分类高斯变迹布拉格光纤光栅；倾斜光纤光栅，也称闪耀光纤光栅；采样光纤光栅——由许多小段光纤光栅构成。3.光纤光栅的其他分类法按光纤光栅形成机理分类：①利用光纤材料的光敏性形成的光纤光栅——光敏性光纤光栅②利用弹光效应形成的光纤光栅——利用光纤的物理结构变化使轴向周期性地改变光纤的应力分布。③利用热光效应形成的光纤光栅——加热使光纤释放剩余应力，材料致密化，熔融变形等物理过程，形成光纤光栅。4.7波分复用/解复用器A、分类•熔锥型(粗WDM)•多层干涉滤光膜型(细WDM→DWDM)•棱镜分光型(粗WDM)•光栅型---体光栅、光纤光栅(粗WDM，细WDM)•阵列波导光栅(细WDM→DWDM)B、原理1.熔锥波分复用器0PP1P2熔锥光纤型耦合器中功率耦合过程P0P1P2P3单波长：双波长：21/22100322120cos(2)(/),()sinPPCzUKWdaCaVKWPPCz工作原理：消逝场耦合与波长有关12Iftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areinjectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!12Theperiodoftheshiftisdifferentforthetwodifferentwavelengths.Eachcoupler/splittermustbedesignedfortheparticularwave