光纤通信系统与光器件光器件

光器件目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光器件概述•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：无源、有源包括：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、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等•发展趋势：集成化、全光纤化目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光连接器—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)(lg10dBPPLinout)(lg10dBPPLinRR损耗来源•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。•固定连接器包括：熔接法、V形槽法和套管法目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光衰减器—Attenuator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光衰减器固定光衰减器可变光衰减器尾纤式固定光衰减器转\变换器式固定光衰减器SC—FC型、FC—ST型、SC—ST型、SC型、FC型、ST型小可变光衰减器步进可变光衰减器连续可变光衰减器机械型智能型技术指标：衰减量、精度、反射、插损固定光衰减器尾纤式衰减量调节旋钮目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光耦合器—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P0P1P2P3目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器复用器与滤波器—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((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光栅周期体光栅滤波器的特点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）单模光纤光波导InP材料光栅采用凹面光栅，可省去聚焦透镜。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•根据不同的折射率分布，FBG分类：1.均匀的Bragg光栅：谐振峰两边有一些旁瓣。由于光纤光栅两端折射率突变引起F-P效应导致的。旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。3.啁啾光栅ChirpedFBGs：折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，反射谱宽增加短波长长波长4.取样光栅Sampledgratings：梳状滤波器5.相移光栅Phase-shiftedFBGs:相移•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•长周期光纤光栅：•能量耦合:传输模---同向的包层模21pclP阶包层模耦合至包层模的能量迅速损耗---损耗的波长相关性•应用:EDFA的增益均衡光纤光栅制作)0++2cos(f+zAnNdneffcore0nNcore光纤光栅=光纤+折射率调制+封装光纤光栅：光纤：无源或温度补偿封装实现对光纤光栅的折射率调制LaserBeam-1级+1级0级3%TranslationofUVBeam相位模板光纤zn0n0+dneffn干涉区域群组滤波器Interleaver为实现50GHz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，2000年3月的OFC展览上，多家公司纷纷提出一种群组滤波器，Chroum公司称之为Slicer,Wavesplitter,JDSUniphase等公司称之为Interl