光通信基本器件

光纤通信中的关键光电子器件第一部分基本光器件第二部分光调制器和检测器第三部分光放大器ComponentsandModulesinDWDMNetworksDWDM•filters•Fibergratings•Circulators•Mux/DemuxmodulesAmplifiers•Isolators•Tapcouplers•Pumplasers•Attenuators•Integratedamplifiers•SOAs•OpticalSwitches•Circulators•Couplers•Add/dropmodulesSwitchingTransmission•Sourcelasers•Modulators•Receivers•Detectors第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5光复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器光器件概述•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、光放大器等第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.2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、LC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。LC型：卡口式连接第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.3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第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.4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功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。1321243工作原理PutthecorescloseenoughtogethertogetacouplingeffectAllnowdependsonthelengthofthecouplingsection2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P0P1P2P33dBcoupler第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.5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WavelengthfilterWavelengthmultiplexer•用途：波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用WavelengthDemultiplexer0/0滤波器中心波长,信号波长.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Iftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areinjectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!二、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第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.6光隔离器与环行器用途：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PolarizerPolarizerFaradayrotatorBlockedReflectlightSOPLightoutLightin起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转450，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。光环形器基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送顺序：1234（三端口，四端口，多端口）主要特性：•插入损耗•隔离度•价格三端口光环行器四端口光环行器IsolatorsIsolator/couplerhybrids复合型Coupler和Isolator）2.1光调制器2.2光检测器2.3光接收机第二部分光调制器和光检测器2.1光调制器Modulators光调制器：实现从电信号到光信号的转换光调制的分类：•从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制--内调制或直接调制；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变--外调制。•按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。直接调制和外调制Laser•DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield•ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外调制技术调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光调制ElectroopticEffects电致吸收Electro-AbsorptionEffects磁光调制MagnetoopticEffects声光调制AcousticModulators其中电光调制和电致吸收最为常用。电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3)，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(rE+RE2)成正比。电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.普科尔(Pocket)效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化2.1光调制器2.2光检测器2.3光接收机第二部分光调制器和光检测器光电转换器件要求:高效率、低噪声、宽带原理：光吸收在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：inpRPIR—光电检测器的响应度（A/W）入射光半导体2.2光检测器PIN光电二极管(1)在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布雪崩光电二极管APD•PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益•APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益•工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)--------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。1、倍增系数M=Ip/I0IP--平均输出电流，I0--一次光生电流2、过剩噪声因子F在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声。APD倍增系数与过剩噪声因子光检测器的比较APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。2.1光调制器2.2光检测器2.3光接收机第二部分光调制器和光检测器2.3光接收机光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比前端线性通道时钟提取与数据再生（CDR）对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。2.3.1光接收机的前