第三章-光纤通信器件课件.ppt

1、第三章第三章 光纤通信器件光纤通信器件本章内容本章内容3.1 连接器连接器3.2 耦合器耦合器3.3 光滤波器光滤波器3.4 波分复用波分复用/解复用器件解复用器件3.5 调制器调制器3.6 光开关光开关3.7 光隔离器光隔离器3.8 光环行器光环行器3.9 光分插复用器光分插复用器3.10 波长转换器波长转换器连接器连接器n活动连接、固定连接活动连接、固定连接n连接器设计基础连接器设计基础-尽量减小连接损耗尽量减小连接损耗连接损耗机理连接损耗机理纤芯尺寸失配纤芯尺寸失配数值孔径失配数值孔径失配纤芯不同心纤芯不同心折射率分布失配折射率分布失配(a)固有损耗(a)固有损耗(b)外部损耗(b)外部

2、损耗端面间隙端面间隙轴向倾角轴向倾角 横向偏移横向偏移菲涅尔反射菲涅尔反射端面粗糙端面粗糙xd活动连接器结构活动连接器结构n接口零件、光纤插针和对中三部分。接口零件、光纤插针和对中三部分。插针结构及端面形状(b)(a)(b)套管式连接器(a)连接插座；(b)连接插针 活动连接器的种类（活动连接器的种类（FC、SC、ST、LC）FC型：用螺纹连接型：用螺纹连接SC型：轴向插拔矩形外壳型：轴向插拔矩形外壳ST型：弹簧带键卡口结构型：弹簧带键卡口结构LC型：所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中连接器的密度。表表3.1.1 各种单模光纤活动连接器的

3、结构特点和性能指标各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标 类型类型结构和特性结构和特性FC/PCFC/APCSC/PCSC/APCST/PC插针套管插针套管(包括光纤包括光纤)端面形状端面形状凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面80斜面斜面凸球面凸球面连接方式连接方式螺纹螺纹螺纹螺纹轴向插拔轴向插拔轴向插拔轴向插拔卡口卡口结结构构特特点点连接器形状连接器形状圆形圆形圆形圆形矩形矩形矩形矩形圆形圆形平均插入损耗平均插入损耗（dB）0.2 0.3 0.3 0.3 0.2最大插入损耗最大插入损耗（dB）0.3 0.50.50.50.3重复性重复性（dB）0.1 0.1 0.1 0.1 0.1互换

4、性互换性（dB）0.1 0.1 0.1 0.1 0.1回波损耗回波损耗（dB）40 60 40 60 40插拔次数插拔次数 1000 1000 1000 1000 1000性性能能指指标标使用温度范围使用温度范围 40+800C 40+800C 40+800C 40+800C 40+800C用途用途长距离干线网长距离干线网,用户网或局域网用户网或局域网长距离干线网长距离干线网,高速率数字系统高速率数字系统或模拟视频系统或模拟视频系统用户网用户网或局域网或局域网用户网用户网或局域网或局域网用户网用户网或局域网或局域网光纤固定连接光纤固定连接-死接头死接头n 光纤熔接机的不断改进是应用微处理器，实

5、现自动光纤熔接机的不断改进是应用微处理器，实现自动对准、自动熔接、自动检测，并估算连接损耗。对准、自动熔接、自动检测，并估算连接损耗。n机械连接机械连接n毛细管黏结连接毛细管黏结连接 把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固化粘结剂固定，对端面进行抛光；在支架上用压化粘结剂固定，对端面进行抛光；在支架上用压缩弹簧把毛细管挤压在一起。调节光纤位置，使缩弹簧把毛细管挤压在一起。调节光纤位置，使输出功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容输出功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容环氧树脂粘结形成接头。这种连接方法环氧树脂粘结形成接头。这种连接方法接头损耗接头损耗很低

6、很低。耦合器耦合器n功能：功能：光功率分配光功率分配T形T形 星形星形方向方向波分波分 1 N 1+N基本结构22熔拉双锥耦合器熔拉双锥耦合器总拉伸长度光约束在纤芯中传播光纤半径减小V明显减小部分光在纤芯外传播发生耦合P3P1P2P0光输入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰宽度决定拉伸时决定分光原理：分光原理：通过改变光纤间的消逝通过改变光纤间的消逝场相互耦合长度，以及改变光纤纤场相互耦合长度，以及改变光纤纤径来实现不同大小的分支量。径来实现不同大小的分支量。熔拉双锥星形耦合器熔拉双锥星形耦合器(a)(a)(b)(b)5 56 67 78 81 12 23 34 49 91010111112

7、12传输型传输型反射型反射型 (c)由由 12 个单模光纤耦合器组合的个单模光纤耦合器组合的88 星形耦合器星形耦合器阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWG）星形耦合器）星形耦合器20030 mmP500自由空间区DQ输入阵列输出阵列mm4.5m相位中心星形耦合器外形原理图相位中心星形耦合器外形原理图自由空间区的设计自由空间区的设计1 1：输入（出）波导辐输入（出）波导辐射段法线方向直接射段法线方向直接指向输出（入）阵指向输出（入）阵列波导辐射段的相列波导辐射段的相位中心位中心P P（Q Q）点）点自由空间区的设计自由空间区的设计2：光栅圆中心耦合区原理图光栅圆中心耦合区原理图 oR/2R光栅圆罗

8、兰圆PQ输入输入/输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规则，即输入输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规则，即输入/输出波导输出波导的端口以等间距设置在半径为的端口以等间距设置在半径为R R的光栅圆周上，并对称地分布在聚的光栅圆周上，并对称地分布在聚焦平板波导的两侧，输入（出）波导端面法线方向指向右（左）侧焦平板波导的两侧，输入（出）波导端面法线方向指向右（左）侧光栅圆的圆心光栅圆的圆心P P（Q Q）点，两个光栅圆周的圆心在中心输入）点，两个光栅圆周的圆心在中心输入/输出波输出波导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处。导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处。方

9、向耦合器方向耦合器n把光功率发送到一个根据传播方向确定的输出端。把光功率发送到一个根据传播方向确定的输出端。n基本原理与光开关类似。基本原理与光开关类似。光纤耦合器光纤耦合器 NN1N光开关光开关功能：功能：转换光路，以实现光信号的交换。转换光路，以实现光信号的交换。分类：分类：机械光开关机械光开关微机电光开关微机电光开关波导光开关波导光开关机械光开关机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱 镜、反射镜等光学元件实现光路转换。镜、反射镜等光学元件实现光路转换。移动臂移动臂光纤光纤准直头准直头固固定定输输出出光光纤纤1234NN光纤光纤旋转轴旋转轴反射镜反射镜

10、输入输入光纤光纤-1（a）1 N移动光纤开关移动光纤开关（b）1 2移动反射镜开关移动反射镜开关棒透镜棱镜1 12 2移动棱镜光开关移动棱镜光开关机械式光开关优缺点机械式光开关优缺点n优点：优点：插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟技术成熟n缺点：缺点：开关速度慢（几十开关速度慢（几十ms-ms），结），结构不紧凑，容易受振动、冲击的影响，构不紧凑，容易受振动、冲击的影响，开关开关尺寸较大，而且不易集成。尺寸较大，而且不易集成。微机电光开关（微机电光开关（MEMS光开关）光开关）一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可前倾后仰、一种在半导体衬底

11、材料上，用传统的半导体工艺制造出可前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。号可切换到不同输出光纤的微机电系统。入射光入射光沟渠沟渠可升降悬臂可升降悬臂微反射镜微反射镜波导波导波导波导硅衬底硅衬底通过光通过光（a）平行连接状态（a）平行连接状态电极电极顶视图顶视图侧面图侧面图V=0=0PLC入射光入射光沟渠沟渠微反射镜微反射镜波导波导波导波导硅衬底硅衬底反射光反射光（a）交叉连接状态（a）交叉连接状态静电力静电力电极电极顶视图顶视图侧面图侧面图V VPLC可升降微反射镜可升降

12、微反射镜 MEMS光开关光开关可旋转微反射镜可旋转微反射镜 MEMS 光开关光开关微反微反射镜射镜输出输出波导1波导1输入输入波导波导衬底衬底控制控制信号信号V V入射光入射光出射光出射光出射光出射光输出输出波导2波导2取向1取向1取向2取向2可立卧微反射镜可立卧微反射镜 MEMS 光开关光开关微反射镜微反射镜输出输出光纤1光纤1硅衬底PLC硅衬底PLC控制控制信号信号入射光入射光出射光出射光输出输出光纤2光纤2镜面镜面旋转轴旋转轴光纤光纤MEMS光开关优缺点光开关优缺点n具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了它们所固有的缺点；它们所固有的缺点；n

13、采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那样，集成在单片硅基上；样，集成在单片硅基上；n基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。n主要开发商有美国主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和、德克萨斯仪表公司和康宁等公司。康宁等公司。波导光开关波导光开关：利用固体物理效应利用固体物理效应n电光开关电光开关n热光开关热光开关n磁光开关磁光开关马赫马赫-曾德尔曾德尔1 1光开关光开关LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCEa+-A AB B控制信号控制

14、信号控制信号控制信号t tt t输出光输出光 tVtAEcoscos2output电光效应电光效应是在电场作用下是在电场作用下改变材料的折射率和光的改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路偏振等使光强突变或光路转变。转变。热光波导开关热光波导开关1234薄膜加热器W加热AB薄膜衬底截面图AB(a)俯视图波导波导薄膜LCrSi(b)00.51.001.00.20.40.60.8热驱动功率相对输出功率热电光开关响应曲线/W/W(c)2 2 x热光效应热光效应是通过电流加热是通过电流加热的方法，使介质的温度变的方法，使介质的温度变化，导致光在介质传输的

15、化，导致光在介质传输的折射率和相位发生改变的折射率和相位发生改变的物理效应。物理效应。磁光开关磁光开关n法拉第（法拉第（Faraday）磁致旋光效应）磁致旋光效应在外加磁场作用下，某些原本各向在外加磁场作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。通过该物质时其偏振面发生旋转。yH法拉第介质反射镜反射光E光源偏振器2EEE磁场LHL磁致旋光不可逆性磁致旋光不可逆性磁光式光开关磁光式光开关波导光开关优缺点波导光开关优缺点n优点：优点：开关速度快，重复性好，可靠性高，开关速度快，重复性好，可靠性高，使用寿命长，尺寸小，可单片集成使

16、用寿命长，尺寸小，可单片集成n缺点：缺点：插入损耗大，串扰大，应予改进插入损耗大，串扰大，应予改进滤波器滤波器功能：功能：从包含多个频率分量的信号中提出所需频率的信号。从包含多个频率分量的信号中提出所需频率的信号。调谐滤波器调谐控制电压 Pfinfchfifsf Pfout Tffifffi种类种类n法布里法布里 珀罗（珀罗（F-PF-P）滤波器）滤波器n马赫马赫-曾德尔（曾德尔（M-ZM-Z）滤波器）滤波器n光纤布拉格（光纤布拉格（BraggBragg）光栅滤波器）光栅滤波器F-P滤波器结构滤波器结构入射光透射光内部反射镜面L=/2由由两块平行镜面两块平行镜面组成的谐振腔，一块固组成的谐振腔

17、，一块固定，另一块可移动定，另一块可移动镜面镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板或多层介质膜的玻璃板光纤光纤F-P干涉仪干涉仪通过外加电压使通过外加电压使压电陶瓷压电陶瓷产生产生电致伸缩电致伸缩作用来作用来改变谐振腔的长度改变谐振腔的长度工作原理工作原理-光多次干涉和谐振光多次干涉和谐振)4exp()2exp(42kLjArkLjArABAE)2exp(12kLjrA形成驻波的条件？形成驻波的条件？)(sin4)1(|222222kLrrAEImLkmLcmfm2Lcfffmmm21Fffmm谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率fm？模间隔模间隔fm

18、=自由频谱范围（自由频谱范围（FSRFSR）？）？频谱宽度频谱宽度fm？谐振腔的精细度谐振腔的精细度F？6.01RRRffFmm当例例:考虑一个空隙间隙长为考虑一个空隙间隙长为100微米的微米的F-P谐谐振腔，镜面反射系数为振腔，镜面反射系数为0.9，请计算靠近波，请计算靠近波长长900nm的模式、模式间隔和每个模式的的模式、模式间隔和每个模式的频谱宽度？频谱宽度？F-P滤波器的传输特性滤波器的传输特性()T f传输函数输出功率输入功率光频光频f Pfinfchfs Pfoutfch1.0光频fP1P2P3PNf1f2f3fNf1f2f3fNfi(a)传输函数(b)N 个信道经波分复用后加到滤

19、波器输入端的频谱图(c)滤波器输出频谱图fLFSR=fF-P1.00.5双腔双腔F-P滤波器的级联滤波器的级联传输函数光频光频光频 T ff ff1234567i=0j=0 123456789光输入光输出第一腔第二腔(a)级联双腔FP滤波器(b)单腔 FP滤波器的传输函数(c)级联用的第一个 FP滤波器的传输函数(d)级联用的第二个 FP滤波器的传输函数(e)级联后的复合传输函数（b）1/3（b）1/4是图的是图 的FSRFSRFSRFSRfF-P=10F,FSR=10F,FSR=10FfF-PM-Z滤波器结构滤波器结构34输入21,12LLLt延迟12输出热敏薄膜 耦合器 3 dB 耦合器

20、3 dB工作原理？工作原理？基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。Lncfm2级联级联M-Z干涉滤波器干涉滤波器M-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-Z821,7531,8642,51,73,62,84,13245768ff2f4f2f4f4f4要求：输入光波的频率间隔要求：输入光波的频率间隔 必须精确地控制在必须精确地控制在 的整数倍。的整数倍。Lncf2光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅（FBG）滤波器）滤波器光纤光纤芯芯包层包层紫外干涉光紫外干涉光光栅光栅4321 2 43 1 用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器 effBn2

21、内部写入法内部写入法干涉法干涉法相位掩模板法相位掩模板法光纤光栅带通滤波器光纤光栅带通滤波器 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1471717444 3 dB波分复用波分复用/解复用器件解复用器件种类种类n棱镜型棱镜型n衍射光栅型衍射光栅型n阵列波导光栅型阵列波导光栅型nM-Z干涉滤波器型干涉滤波器型棱镜解复用器棱镜解复用器衍射光栅衍射光栅d入射光波波前a(a)有限裂缝数衍射光栅dsinz=0y一种可能的衍射光束光强y接收到的衍射光强分布(b)m=0m=m=m=m=-1-212单个裂缝衍射包络零阶一阶二阶一阶二阶mdsin三种不同的衍射光栅三种不同的衍射光栅入射光波衍

22、射光束反射光栅(b)零阶一阶一阶(c)阶梯面反射光栅传输光栅(a)m=-1一阶m=0零阶m=1一阶入射光波m=1一阶与界面垂直入射光波与光栅平面垂直dimdim)sin(sin光栅型解复用器光栅型解复用器（a)a)普通透镜反射光栅普通透镜反射光栅（b)b)渐变折射率透镜反射光栅渐变折射率透镜反射光栅AWG型型星形耦合器星形耦合器输入输出12N.L=常数neff12N.N12R/2R光栅圆罗兰圆oQ 自由空间区M-Z干涉滤波器型干涉滤波器型 M-Z1M-Z2+M-Z3+1 2 3 123 4 12344激光器 输出调制光信息电信号连续光信号外调制器信息电信号输出调制光波输出连续光LD激光器 输出

23、调制光信息电信号信息电信号输出调制光波直接调制（a）外调制（b）0101001010调制方式比较（按光源与调制信号的关系）调制方式比较（按光源与调制信号的关系）光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。直接调制直接调制是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。光随电信号变化而实现的。调制器种类调制器种类n电光调制器电光调制器n电吸收波导调制器电吸收波导调制器电光效应电光效应略去不计由于高阶项的影响很小，EEnn2

24、线性电光效应系数线性电光效应系数二阶电光效应系数二阶电光效应系数线性电光效应（珀克效应）线性电光效应（珀克效应）二阶电光效应（克尔效应）二阶电光效应（克尔效应）横向线性电光效应相位调制器横向线性电光效应相位调制器450线偏振入射光圆偏振出射光VzdLxEyExEyEaEzxy晶体施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差，因此出射光波的偏振态可被外电压控制差，因此出射光波的偏振态可被外电压控制横向线性电光效应强度调制器横向线性电光效应强度调制器入射光VaEzxy晶体450起偏器检偏器探测器VII0Q光强2V波片4)21(sin20 IIL

25、iNbO3 tVL波导共平面条形电极偏振光输入xyz调制信号3LiNbO-TiaEdLiNbO3缓冲层波导 tV调制信号yx电极3LiNbO-TiLiNbO3 tV共平面条形电极偏振光输入调制信号输出DCABEa+-AB波导3LiNbO-Ti(a)调制电压施加在两臂上LiNbO3 tV电极偏振光输入调制信号输出AB波导3LiNbO-TiDCEa+-AB(b)调制电压施加在单臂上电吸收波导调制器（电吸收波导调制器（EAM）i-MQWpnn+衬底衬底绝缘层绝缘层电极电极pn电极电极n电极电极Lp+dw波导波导1.02.03.03.04.00.00.20.40.60.81.0归归一一化化透透光光强强

26、度度T T反向偏置电压V（V）反向偏置电压V（V）I I层由多量子阱波导构成，层由多量子阱波导构成，I I层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。光隔离器光隔离器n功能功能:只允许单方向传输光只允许单方向传输光GRINGRIN透镜透镜GRINGRIN透镜透镜起偏振器起偏振器检偏振器检偏振器法拉第法拉第旋转器旋转器磁场磁场0 0o oo o45459090o o入射光入射光反射光反射光出射光出射光反射光反射光PAPA光隔离器结构及实物图光隔离器结构及实物图光环形器光环形器功能：功能：把光信号流按一个方向从一个端口送到另一个端口，并防止光信号沿错误的方向传播而引

27、起不必要的串扰。132(a)三端口(b)四端口 1324原理图原理图三端口环行器 光环形器用于单纤双向通信光环形器用于单纤双向通信光发光发射机1射机1光发光发射机2射机2光接光接收机1收机1光环光环形器形器光环光环形器形器光接光接收机2收机21 12 23 31 12 23 3光纤光纤OADM-Optical Add-Drop Multiplexer功能：功能：在光域实现支路信号的分插和复用。在光域实现支路信号的分插和复用。波波分分解解复复用用信号信号输出输出波波分分复复用用插入波长信道插入波长信道分出波长信道分出波长信道信号信号输入输入WDMWDM12光环形器光环形器信号信号输入输入调谐光纤光栅调谐光纤光栅分出波长信道分出波长信道WDM1 12 2光环形器光环形器信号信号输出输出插入波长信道插入波长信道WDM n3 n3 n固定波长固定波长可变波长可变波长