第3章光无源器件-电子通信专业

第三章光器件光纤通信张树东[e-mail]光信息科学与技术曲阜师范大学物理工程学院光纤通信用光学元器件有源器件:无源器件:光源:LED,LD光检测器:PD,PIN,APD光放大器:EDFA连接器耦合器光开关隔离器波分复用器调制器光器件需外加电源驱动无需外加电源驱动第三章光器件3.1连接器3.2耦合器3.3可调谐光滤波器3.4波分复用/解复用器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波长变换器3.11偏振复用器光纤连接器:用于光纤线路与光端机(光发射机,光接收)或其他光无源器件之间的连接的器件,是可以插拔的,有时也叫光纤活动连接器。3.1连接器(Connectors)连接器插头插座1.基本结构及工作原理工作原理:采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95％以上的光能通过连接器。基本结构:套管结构光纤套管插针粘结剂3.1连接器连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分1.基本结构及工作原理3.1连接器光纤插针的端面有:平面、球面(PC,PhysicalContact)或斜面(APC,AngledPhysicalContact)。APC8o三种常见的物理接触芯包皮凸球面平面斜面PC1.基本结构及工作原理3.1连接器套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。对中可以采用:双锥结构V形槽结构球面定心结构透镜耦合结构2.对连接器的要求3.1连接器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按功能分类:连接器插头(PlugConnector)适配器(Adapter)转换器(Converter)光缆跳线(CableJumper)裸光纤转换器(BareFiberAdapter)3.1连接器3.连接器的种类按连接方式及外形分类:3.1连接器3.连接器的种类ST(SpringTension)：有FC型、SC型和ST型FC(FerruleConnector)：SC(Square/SubscriberConnector):表示用螺纹连接表示轴向插拔矩形外壳结构表示弹簧带键卡口结构。FCSCST3.1连接器3.连接器的种类如FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC转接器的通常表示连接器的类型/光纤插针端面结构类型结构和特性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各种单模光纤连接器的结构特点和性能指标4.连接器的损耗3.1连接器固有损耗:数值孔径失配纤芯不同心折射率分布失配纤芯尺寸失配3.1连接器外部损耗:轴向倾角q菲涅尔反射端面粗糙横向偏移x端面间隙d５.主要性能指标插入损耗:插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数Loutin10lg/IPP回波损耗:又称后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数Lrin10lg/RPP重复性和互换性:连接器多次插拔或互换后，插入损耗的变化.3.1连接器６.接头3.1连接器接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接接头制作方法热熔连接：高压电弧加热把两个光纤端面熔合机械连接：用V形夹具使光纤准直，用热固化及环氧树脂粘结加固V形槽光纤1光纤2光耦合器:将光信号进行分路和合路的器件.3.2光耦合器(OpticalCoupler)光耦合器连接三个或三个以上点光信号必须在多个输出端口分配,信号强度降低１．光耦合器分类光功率耦合器光波长(合/分波）耦合器从功能上:从端口形式上:X形(2×2)Y形(1×2)星形(M×N,N＞2)树形(1×N,N＞2)T形(1×2)3.2光耦合器分类常用耦合器的类型T形……星形(M×N)…l1l2lNl1＋l2＋lN树形(1×N)波分复用器/解复用器(即合波器/分波器)2314X形定向耦合器(2×2)3.2光耦合器2×2定向光纤耦合器是构成其它光学元件的基础，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给2根光纤，可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器12341-2和3-4为直通臂1-3和2-4为耦合臂如1端输入,则2和3端输出,4端无输出2×23.2光耦合器２．2×2定向光纤耦合器8×8星形耦合器1234567891011123.2光耦合器３.NN星形耦合器NN星形耦合器的功能是把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。2×2耦合器组成的星形耦合器４．光纤耦合器的特性参数3.2光耦合器以2×2定向耦合器为例插入损耗(InsertionLoss):L)(log1012dBPPL23141P4P2P3P表示特定的端口到另一端口路径的损耗.如从输入端口1到输出端口2的插入损耗为，用L表示3.2光耦合器以2×2定向耦合器为例隔离度(DegreeofIsolation):or串话(音)干扰(Crosstalk)由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出.但实际上端4还是有少量光功率输出P4,其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为)(log10144,1dBPPA23141P4P2P3P一般要求：A20dB3.2光耦合器以2×2定向耦合器为例分光比(SplittingRatio)or耦合比(CouplingRatio):CR23141P4P2P3P1)两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率，则端2和端3分光比:CR=P2/P3,一般为1:1~1:10%100322PPPCR2)一个输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比3.2光耦合器以2×2定向耦合器为例附加损耗(ExcessLoss):Le)log(10132PPPLe23141P4P2P3P由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，用全部输出端的光功率总和与输入端的光功率总和的比3.3可调谐光滤波器(TunableOpticalFilter)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HOF-DW1.6ITU波长滤波器Alpha可调式F-P型光滤波器3.3可调谐光滤波器1.光滤波器分类根据工作原理分:干涉型根据其调谐的能力:光频固定滤波器衍射型吸收型可调谐滤波器法布里珀罗(F-P:Fabry-Perot)滤波器马赫-曾德尔(M-Z:Mach-Zehnder)滤波器布拉格(Bragg)光栅滤波器阵列波导光栅(AWG)滤波器3.3可调谐光滤波器2.法布里珀罗(F-P)滤波器1)结构组成可调谐滤波器压电陶瓷管内外壁施加电压时管可伸长,以调节F-P腔长L入射光透射光镜面L光纤压电陶瓷管玻璃或陶瓷套管+v反射镜固定波长滤波器两块镜面均固定由法布里-珀罗干涉仪(F-PI:Fabry-PerotInterferometer)构成滤波器.3.3可调谐光滤波器2)滤波原理L平面镜入射光平面镜透射光)2/(ljnLvcjnL//2l驻波条件:j为整数纵模:nLcjv2纵模间隔:nLcvL2nL22lloror3.3可调谐光滤波器3)滤波示意图信道间隔最高频率信道和最低频率信道间的频率差滤波器的传输函数滤波器带宽调谐滤波器调谐控制电压inputoutputsv)(vPinivchvvv)(vPoutiv纵模间隔vFPv)(vTLvRRjcvFP1l3.3可调谐光滤波器3.马赫-曾德尔(M-Z)滤波器1)结构组成34输入21,ll1l2lLLLt延迟12输出热敏薄膜耦合器3dB耦合器3dB3dB耦合器:插入损耗为3dB,即两输出光功率均分输入光功率马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉滤波器由两个3dB耦合器串联组成.干涉仪的两臂长度不等(L)或存在折射率差(n)3.3可调谐光滤波器2)工作原理34输入21,ll1l2lLLLt延迟12输出热敏薄膜耦合器3dB耦合器3dB双臂干涉.lLn2若在输出端3,l2满足相长条件,而l1满足相消条件,则输出l2光ljLn222即:l)12(21jLn输出位相差3.3可调谐光滤波器34输入21,ll1l2lLLLt延迟12输出热敏薄膜耦合器3dB耦合器3dBljLn22一般式:ljLnvjcLn/LncjvLncv3.3可调谐光滤波器3)级联M-Z干涉滤波器输入光波的频率间隔必须精确地控制在(v/2)的整数倍。Lncvch2光信道间隔:M-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-Z821,lllL7531,,,llll8642,,,llll51,ll73,ll62,ll84,ll1l3l2l4l5l7l6l8lvv2v4v2v4v4v4Lncv3.3可调谐光滤波器4.布拉格(Bragg)光栅滤波器1)结构及原理Bjl2相邻反射光程差:lB--Bragg波长),...,,(21NinElll半反射镜),...,,(31NoutElll)(2lrE通常j=1布拉格(Bragg)光栅滤波器由间距为的N个平行半反射镜组成(称为布拉格间距),某个波长的N束反射光干涉相长,从而构成反射式滤波器.22llB3.3可调谐光滤波器2)光纤布拉格(Bragg)光栅22llBj通常j=1光纤芯包层紫外干涉光光栅4321llll2l43ll1l用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器输出光中滤除了l2成分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而成3.3可调谐光滤波器3)光纤光栅带通滤波器:在2×2光纤耦合器输出侧的两光纤上写入同样的Bragg光栅,即可构成带通滤波器.42llBj通常j=1耦合器12输入共振波长为完全相同的的布拉格光栅4输出输出输出147llll17ll17ll4l4l4l3dB3.3可调谐光滤波器5.阵列波导光栅(AWG)滤波器阵列波导光栅(AWG,Arrayedwaveguidegratings):各种波长的光波从光纤(1)衍射进入自由传播区(2),然后耦合到长度不等的光栅波导区(3),经历不同波导后衍射进入自由区(4),来自不同波导同一波长光波只有在特定位置的输出端才满足相干相长叠加,从而达到滤波的目的.输入输出自由传播区光栅波导区3.4波分复用/解复用器(WavelengthDivisionMultipexersandDemultiplexers)波分复用/解复用器：波分复用器(WDM,WavelengthDivisionMultiplexers)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反......Nl2l1lLNl2l1l3lNl2l1l3l复用器解复用器3.4波分复用/解复用器1.波分复用器熔拉双锥方法制造的星形耦合器波导技术制成的多端星形耦合器20030mmP500自由空间区DQ输入阵列输出阵列mm4.5m用光耦合器可实现波分复用1lNlNll...11lNlNll...13.4波分复用/解复用器2.波