光無源器件電子通信專業(yè)實(shí)用教案

1、第三章 光器件(qjin)3.1 連接器3.2 耦合器3.3 可調(diào)諧(tioxi)光濾波器3.4 波分復(fù)用/解復(fù)用器3.5 調(diào)制器3.6 光開關(guān)3.7 光隔離器3.8 光環(huán)行器3.9 光分插復(fù)用器3.10 波長(zhǎng)(bchng)變換器3.11 偏振復(fù)用器第1頁/共79頁第一頁，共80頁。光纖連接器光纖連接器: : 用于光纖線路與光端機(jī)用于光纖線路與光端機(jī)( (光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī), , 光接收光接收) ) 或其他光無源器件之間的連接的器件或其他光無源器件之間的連接的器件, ,是可以插拔的是可以插拔的, ,有時(shí)有時(shí)(yush)(yush)也叫光纖活動(dòng)連接也叫光纖活動(dòng)連接器。器。3.1 連接器(Conne

2、ctors)連接器連接器插頭插頭插座插座第2頁/共79頁第二頁，共80頁。1.1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)及工及工作原理作原理工作原理工作原理: : 采用采用(ciyng)(ciyng)某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖心對(duì)接，保證兩根光纖的纖心對(duì)接，保證9595以上的光能通過連以上的光能通過連接器。接器。基本基本(jbn)(jbn)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): :套管結(jié)構(gòu)光纖套管插針粘結(jié)劑3.1 連接器連接器的基本結(jié)構(gòu)包括接口零件、光纖插針和對(duì)中三部分第3頁/共79頁第三頁，共80頁。1.1.基本結(jié)構(gòu)及工作基本結(jié)構(gòu)及工作(gngzu)(gngzu)原理原理3.1 連接器光

3、纖插針的端面(dunmin)有:平面、球面(qimin)(PC, Physical Contact)或斜面(APC, Angled Physical Contact)。APC8o o三種常見的物理接觸三種常見的物理接觸芯芯包皮包皮凸球面凸球面平面平面斜面斜面PC第4頁/共79頁第四頁，共80頁。1.1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)及工及工作原理作原理3.1 連接器套管(to un)結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V形槽結(jié)構(gòu)或透鏡耦合結(jié)構(gòu)。對(duì)中可以(ky)采用:雙錐結(jié)構(gòu)V形槽結(jié)構(gòu)球面定心結(jié)構(gòu)透鏡耦合結(jié)構(gòu)第5頁/共79頁第五頁，共80頁。2. 2. 對(duì)連接器的要求對(duì)連接器的要求(yoqi)(yoqi)

4、3.1 連接器 連接損耗(插入損耗)?。?回波損耗大； 多次插撥重復(fù)性好； 互換性好； 環(huán)境溫度變化(binhu)時(shí)，性能保持穩(wěn)定； 并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度第6頁/共79頁第六頁，共80頁。按功能按功能(gngnng)(gngnng)分類分類: :連接器插頭(chtu)(Plug Connector)適配器(Adapter) 轉(zhuǎn)換器(Converter)光纜跳線(Cable Jumper)裸光纖轉(zhuǎn)換器(Bare Fiber Adapter)3.1 連接器3. 3. 連接器的種類連接器的種類(zhngli)(zhngli)第7頁/共79頁第七頁，共80頁。按連接方式及外形按連接方式及外形(wi xn

5、)(wi xn)分類分類: :3.1 連接器3. 3. 連接器的種類連接器的種類(zhngli)(zhngli)ST (Spring Tension)：有FC型、SC型和ST型FC (Ferrule Connector) ：SC (Square/Subscriber Connector):表示用螺紋(luwn)連接表示軸向插拔矩形外殼結(jié)構(gòu)表示彈簧帶鍵卡口結(jié)構(gòu)。FCSCST第8頁/共79頁第八頁，共80頁。3.1 連接器3. 3. 連接器的種類連接器的種類(zhngli)(zhngli)如 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和 ST/PC 轉(zhuǎn)接器的通常轉(zhuǎn)接器的通常(tngchng

6、)(tngchng)表示表示連接器的類型/光纖插針端面(dunmin)結(jié)構(gòu)第9頁/共79頁第九頁，共80頁。各種單模光纖連接器的結(jié)構(gòu)各種單模光纖連接器的結(jié)構(gòu)(jigu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)特點(diǎn)和性能指標(biāo)第10頁/共79頁第十頁，共80頁。4. 4. 連接器的損耗連接器的損耗(snho)(snho)3.1 連接器固有固有(gyu)(gyu)損耗損耗: :數(shù)值孔徑失配數(shù)值孔徑失配纖芯不同心纖芯不同心折射率分布失配折射率分布失配纖芯尺寸失配纖芯尺寸失配第11頁/共79頁第十一頁，共80頁。3.1 連接器外部外部(wib)(wib)損耗損耗: :軸向傾角軸向傾角q q菲涅爾反射菲涅爾反射端面粗糙端面粗糙橫向

7、偏移橫向偏移x端面間隙端面間隙d第12頁/共79頁第十二頁，共80頁。. . 主要主要(zhyo)(zhyo)性能性能指標(biāo)指標(biāo)插入損耗: 插入損耗是指光信號(hào)通過活動(dòng)(hu dng)連接器后，輸出光功率相對(duì)輸入光功率的分貝數(shù)Loutin10lg/IPP 回波損耗: 又稱后向反射(fnsh)損耗，是指光纖連接處，后向反射(fnsh)光功率相對(duì)入射光功率的分貝數(shù)Lrin10lg/RPP 重復(fù)性和互換性: 連接器多次插拔或互換后，插入損耗的變化.3.1 連接器第13頁/共79頁第十三頁，共80頁。. . 接頭接頭(ji tu)(ji tu)3.1 連接器接頭是把兩個(gè)光纖端面結(jié)合接頭是把兩個(gè)光纖端面結(jié)合

8、(jih)在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖與光在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性纖之間的永久性(固定固定)連接連接接頭接頭(ji tu)制作制作方法方法熱熔連接：高壓電弧加熱把兩個(gè)光纖端面熔合機(jī)械連接：用V形夾具使光纖準(zhǔn)直，用熱固化及環(huán)氧樹脂粘結(jié)加固V V形槽光纖光纖1 1光纖光纖2 2第14頁/共79頁第十四頁，共80頁。光耦合器: 將光信號(hào)進(jìn)行分路(fn l)和合路的器件.3.2 光耦合器光耦合器(Optical Coupler)光耦合器連接三個(gè)或三個(gè)以上點(diǎn)光信號(hào)必須在多個(gè)輸出(shch)端口分配,信號(hào)強(qiáng)度降低第15頁/共79頁第十五頁，共80頁。光耦合器分類光耦合器分類(fn li)光功率(gngl

9、)耦合器光波長(zhǎng)(合/分波）耦合器從功能從功能(gngnng)(gngnng)上上: :從端口形式上從端口形式上: :X 形(2 2)Y 形(1 2 )星形 (M N, N2)樹形 (1 N, N2)T 形(1 2 )3.2 3.2 光耦合器光耦合器分類分類第16頁/共79頁第十六頁，共80頁。常用常用(chn yn)耦合器的類型耦合器的類型T形星形 (M N )l1l2lNl1l2lN樹形(1 N )波分復(fù)用器/解復(fù)用器(即合波器/分波器)2314X 形定向(dn xin)耦合器(2 2)3.2 3.2 光耦合器光耦合器第17頁/共79頁第十七頁，共80頁。22定向光纖耦合器是構(gòu)成其它(qt)

10、光學(xué)元件的基礎(chǔ)，它的功能是把一根光纖輸入的光功率分配給 2 根光纖，可以用作不同分路比的功率分路器或功率組合器12341-2和3-4 為直通臂1-3和2-4 為耦合臂如1端輸入(shr),則2和3端輸出, 4端無輸出223.2 3.2 光耦合器光耦合器22定向定向(dn xin)光光纖耦合器纖耦合器第18頁/共79頁第十八頁，共80頁。88星形耦合器 1234567891011123.2 3.2 光耦合器光耦合器. N N星形耦合器星形耦合器NN星形耦合器的功能是把 N 根光纖輸入(shr)的光功率組合在一起，并均勻分配給 N 根輸出光纖。這種耦合器可以用作多端功率分路器或功率組合器。2 22

11、 2耦合器組成耦合器組成(z chn)(z chn)的星形耦合器的星形耦合器第19頁/共79頁第十九頁，共80頁。光纖耦合器的特性光纖耦合器的特性(txng)參數(shù)參數(shù)3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向(dn xin)耦合器為例插入損耗插入損耗(Insertion Loss): L)(log1012dBPPL23141P4P2P3P表示特定(tdng)的端口到另一端口路徑的損耗. 如從輸入端口1到輸出端口2的插入損耗為，用L表示第20頁/共79頁第二十頁，共80頁。3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向(dn xin)耦合器為例隔離度隔離度(Degree of Isolation

12、): or 串話串話(chun hu)(音音)干擾干擾(Crosstalk)由端1輸入的光功率P1應(yīng)從端2和端3輸出，端4理論上應(yīng)無光功率輸出. 但實(shí)際上端4還是有少量光功率輸出P4, 其大小就表示了1、4兩個(gè)端口的隔離(gl)程度。隔離(gl)度A表示為)(log10144, 1dBPPA23141P4P2P3P一般要求：A20dB第21頁/共79頁第二十一頁，共80頁。3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向(dn xin)耦合器為例分光分光(fn un)比比(Splitting Ratio) or 耦合比耦合比(Coupling Ratio): CR23141P4P2P3P1) 兩個(gè)

13、輸出端口的光功率之比，如從端1輸入光功率， 則端2和端3分光(fn un)比: CR=P2/P3, 一般為1:11:10%100322PPPCR2)一個(gè)輸出端的光功率和全部輸出端的光功率總和的比第22頁/共79頁第二十二頁，共80頁。3.2 3.2 光耦合器光耦合器以2 2定向(dn xin)耦合器為例附加附加(fji)損耗損耗(Excess Loss): Le)log(10132PPPLe23141P4P2P3P由散射、吸收和器件(qjin)缺陷產(chǎn)生的損耗，用全部輸出端的光功率總和與輸入端的光功率總和的比第23頁/共79頁第二十三頁，共80頁。3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)光濾波器光濾波

14、器(Tunable Optical Filter)可調(diào)諧光濾波器：是一種波長(zhǎng)（或頻率）選擇(xunz)器件，它的功能是從許多不同頻率的輸入光信號(hào)中選擇(xunz)出一個(gè)特定頻率的光信號(hào)HOF-DW 1.6 ITU波長(zhǎng)(bchng)濾波器Alpha 可調(diào)式F-P型光濾波器第24頁/共79頁第二十四頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器1. 光濾波器分類光濾波器分類(fn li)根據(jù)工作(gngzu)原理分:干涉型根據(jù)其調(diào)諧的能力:光頻固定濾波器衍射型吸收型可調(diào)諧濾波器法布里珀羅(F-P: Fabry-Perot)濾波器馬赫-曾德爾(M-Z: Mac

15、h-Zehnder)濾波器布拉格(Bragg)光柵濾波器陣列波導(dǎo)光柵(AWG)濾波器第25頁/共79頁第二十五頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器2. 法布里法布里 珀羅珀羅(F-P)濾波器濾波器1)1)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)組組成成可調(diào)諧濾波器可調(diào)諧濾波器 壓電陶瓷管內(nèi)外壁施加電壓時(shí)壓電陶瓷管內(nèi)外壁施加電壓時(shí)管可伸長(zhǎng)管可伸長(zhǎng)(shn chn),以調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)F-P腔長(zhǎng)腔長(zhǎng)L入射光透射光鏡面L光纖壓電陶瓷管 玻璃或陶瓷套管+v反射鏡固定波長(zhǎng)濾波器固定波長(zhǎng)濾波器兩塊鏡面均固定由法布里法布里- -珀羅干涉儀珀羅干涉儀(F-PI: Fabry

16、-Perot Interferometer) 構(gòu)成濾波器.第26頁/共79頁第二十六頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光濾光濾波器波器2)2)濾波濾波(lb)(lb)原理原理L L平面鏡入射光平面鏡透射光)2/(ljnL vcjnL/2l駐波(zh b)條件: j 為整數(shù) 縱模: nLcjv2縱模間隔: nLcvL2nL22llor or 第27頁/共79頁第二十七頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器3)3)濾波濾波(lb)(lb)示意示意圖圖信道(xn do)間隔最高頻率信道和最低頻率信道間的頻率差濾波器的

17、傳輸函數(shù)濾波器帶寬調(diào)諧濾波器調(diào)諧控制電壓inputoutputsv)(vPinivchvvv)(vPoutiv縱模間隔vFPv)(vTLvRRjcvFP1l第28頁/共79頁第二十八頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器3. 馬赫馬赫(mh)-曾德爾曾德爾(M-Z)濾波濾波器器1)結(jié)構(gòu)(jigu)組成34輸入21,ll1l2lLLLt延遲12輸出熱敏薄膜 耦合器 3 dB 耦合器 3 dB3 dB耦合器:插入損耗為3dB, 即兩輸出光功率均分輸入光功率馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉濾波器由兩個(gè)3 dB耦合器串聯(lián)組成. 干涉儀的兩臂長(zhǎng)

18、度不等(L ) 或存在折射率差(n )第29頁/共79頁第二十九頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光濾光濾波器波器2) 工作(gngzu)原理34輸入21,ll1l2lLLLt延遲12輸出熱敏薄膜 耦合器 3 dB 耦合器 3 dB雙臂干涉(gnsh).lLn2若在輸出端3, l2滿足相長(zhǎng)條件,而l1滿足相消條件,則輸出l2光ljLn222即:l) 12(21jLn輸出位相差第30頁/共79頁第三十頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器34輸入21,ll1l2lLLLt延遲12輸出熱敏薄膜 耦合器 3 dB 耦

19、合器 3 dBljLn22一般(ybn)式:ljLnvjcLn/LncjvLncv第31頁/共79頁第三十一頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器3) 級(jí)聯(lián)M-Z干涉(gnsh)濾波器輸入光波的頻率間隔必須精確(jngqu)地控制在(Dv/2)的整數(shù)倍。Lncvch2光信道間隔:M-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-Z821,lllL7531,llll8642,llll51,ll73,ll62,ll84,ll1l3l2l4l5l7l6l8lvv2v4v2v4v4v4Lncv第32頁/共79頁第三十二頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(t

20、ioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器4.布拉格布拉格(Bragg)光柵光柵(gungshn)濾波器濾波器1)1)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)及原理及原理Bjl2相鄰反射光程差:lB-Bragg波長(zhǎng)),.,(21NinElll半反射鏡),.,(31NoutElll)(2lrE通常j =1布拉格布拉格(Bragg)(Bragg)光柵濾波器光柵濾波器由間距為 的N個(gè)平行半反射鏡組成( 稱為布拉格間距), 某個(gè)波長(zhǎng)的N束反射光干涉相長(zhǎng),從而構(gòu)成反射式濾波器.22llB第33頁/共79頁第三十三頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器2) 2) 光纖

21、布拉格光纖布拉格(Bragg)(Bragg)光柵光柵(gungshn)(gungshn)22llBj通常(tngchng)j =1光纖光纖芯芯包層包層紫外干涉光紫外干涉光光柵光柵4321l ll ll ll l2l l43l ll l1l l用紫外干涉光制作光纖布拉格光柵濾波器 輸出光中濾除了l2成分纖芯折射率經(jīng)兩束相互干涉的紫外光照射后產(chǎn)生周期性地調(diào)制而成第34頁/共79頁第三十四頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光光濾波器濾波器3)3)光纖光柵帶通濾波器光纖光柵帶通濾波器: : 在在2 22 2光纖耦合器輸出光纖耦合器輸出(shch)(shch)側(cè)的兩光

22、纖上寫入同樣的側(cè)的兩光纖上寫入同樣的BraggBragg光柵光柵, ,即可構(gòu)即可構(gòu)成帶通濾波器成帶通濾波器. .42llBj通常(tngchng)j =1 耦合器12輸入共振波長(zhǎng)為完全相同的的布拉格光柵4輸出輸出輸出147llll17ll17ll4l4l4l 3 dB第35頁/共79頁第三十五頁，共80頁。3.3 3.3 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)(tioxi)光濾光濾波器波器5.陣列波導(dǎo)陣列波導(dǎo)(b do)光柵光柵(AWG)濾波器濾波器陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵(AWG, Arrayed waveguide gratings): 各種各種波長(zhǎng)的光波從光纖波長(zhǎng)的光波從光纖(1)衍射進(jìn)入自由傳播區(qū)

23、衍射進(jìn)入自由傳播區(qū)(2),然后耦合到然后耦合到長(zhǎng)度不等的光柵波導(dǎo)區(qū)長(zhǎng)度不等的光柵波導(dǎo)區(qū)(3), 經(jīng)歷不同波導(dǎo)后衍射進(jìn)入自由經(jīng)歷不同波導(dǎo)后衍射進(jìn)入自由區(qū)區(qū)(4), 來自不同波導(dǎo)同一波長(zhǎng)光波只有來自不同波導(dǎo)同一波長(zhǎng)光波只有(zhyu)在特定位在特定位置的輸出端才滿足相干相長(zhǎng)疊加置的輸出端才滿足相干相長(zhǎng)疊加, 從而達(dá)到濾波的目的從而達(dá)到濾波的目的.輸入輸出自由傳播區(qū)光柵波導(dǎo)區(qū)第36頁/共79頁第三十六頁，共80頁。3.4 波分復(fù)用波分復(fù)用(f yn)/解復(fù)用解復(fù)用(f yn)器器(Wavelength Division Multipexers and Demultiplexers)波分復(fù)用/解復(fù)用器

24、：波分復(fù)用器(WDM, Wavelength Division Multiplexers)的功能是把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)復(fù)合(fh)在一起,并注入到一根光纖。解復(fù)用器的功能與波分復(fù)用器正好相反.Nl l2l l1l l LLNl l2l l1l l3l lNl l2l l1l l3l l復(fù)用器解復(fù)用器第37頁/共79頁第三十七頁，共80頁。3.4 3.4 波分復(fù)用波分復(fù)用(f yn)/(f yn)/解復(fù)用解復(fù)用(f yn)(f yn)器器1. 波分復(fù)用器波分復(fù)用器熔拉雙錐方法熔拉雙錐方法(fngf)(fngf)制造的星制造的星形耦合器形耦合器波導(dǎo)波導(dǎo)(b do)(b do)技術(shù)技術(shù)

25、制成的多端星形耦制成的多端星形耦合器合器20030 mmP500自由空間區(qū)DQ輸入陣列輸出陣列mm4.5m用光耦合器可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用用光耦合器可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用1lNlNll.11lNlNll.1第38頁/共79頁第三十八頁，共80頁。3.4 3.4 波分復(fù)用波分復(fù)用(f (f yn)/yn)/解復(fù)用解復(fù)用(f yn)(f yn)器器2. 波分解波分解(fnji)復(fù)用復(fù)用器器1) 棱鏡棱鏡(lngjng)解解復(fù)用器復(fù)用器棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射角. . . .n2n1n1n1n2iq ql lq qe e2l l1l lNl lNl l2l l1l l LLpq q第39頁/共79頁第三十九頁

26、，共80頁。3.4 3.4 波分復(fù)用波分復(fù)用(f (f yn)/yn)/解復(fù)用解復(fù)用(f yn)(f yn)器器2)衍射衍射(ynsh)光柵解復(fù)光柵解復(fù)用器用器不同(b tn)波長(zhǎng)光的衍射角不一樣 光纖光纖硅衍射光柵硅衍射光柵普通普通透鏡透鏡 l l1l l2l l3l ll ll l123 d硅光柵硅光柵漸變折漸變折射透鏡射透鏡 光纖光纖l l1l l2l l3l ll ll l123 入入射射光光波波dsinq qq qd12q qLl l1l l2光柵光柵成像成像平面平面y2y1透射光柵普通透鏡反射光柵漸變折射率透鏡反射光柵第40頁/共79頁第四十頁，共80頁。3.4 3.4 波分復(fù)用波

27、分復(fù)用(f (f yn)/yn)/解復(fù)用解復(fù)用(f yn)(f yn)器器普通透鏡反射光柵 光纖光纖硅衍射光柵硅衍射光柵普通普通透鏡透鏡l l1l ll ll l123 l l2第41頁/共79頁第四十一頁，共80頁。3.4 3.4 波分復(fù)用波分復(fù)用(f yn)/(f yn)/解復(fù)用解復(fù)用(f yn)(f yn)器器3) 陣列陣列(zhn li)波導(dǎo)光柵波導(dǎo)光柵(AWG) 解復(fù)用解復(fù)用器器輸入輸出自由傳播區(qū)光柵波導(dǎo)區(qū)陣列(zhn li)波導(dǎo)光柵濾波器作為解復(fù)用器.第42頁/共79頁第四十二頁，共80頁。3.5 光調(diào)制器光調(diào)制器(Optical Modulators)調(diào)制器(Modulators

28、):主要(zhyo)外調(diào)制器:電光(dingung)效應(yīng)磁光效應(yīng)聲光效應(yīng)電光(dingung)調(diào)制器:聲光調(diào)制器:磁光調(diào)制器:光信號(hào)是用電信號(hào)調(diào)制光載波產(chǎn)生的。直接調(diào)制： 改變光源的驅(qū)動(dòng)(注入)電流直接調(diào)制光源的輸出強(qiáng)度。外調(diào)制：增加一調(diào)制器，適于高速系統(tǒng)應(yīng)用。第43頁/共79頁第四十三頁，共80頁。3.5 光調(diào)制器1. 直接(zhji)調(diào)制和外調(diào)制示意圖直接直接(zhji)(zhji)調(diào)制調(diào)制外調(diào)制外調(diào)制激光器 輸出調(diào)制光信息電信號(hào)信息電信號(hào)輸出調(diào)制光波01010激光器 輸出調(diào)制光信息電信號(hào)連續(xù)光信號(hào)外調(diào)制器信息電信號(hào)輸出調(diào)制光波輸出連續(xù)光LD01010強(qiáng)度(qingd)調(diào)制(IM: Int

29、ensity Modulation)示意圖第44頁/共79頁第四十四頁，共80頁。3.5 光調(diào)制器2. 電光(dingung)調(diào)制器電光調(diào)制器是利用電光材料(cilio)的線性電光效應(yīng) ( Pockel effect) 制成 折射率n和外加電場(chǎng)(din chng)E的關(guān)系:,-電光系數(shù)_線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockel)效應(yīng)_二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng).20EEnn001)電光效應(yīng)電光效應(yīng) 電光材料的折射率n隨施加的外電場(chǎng)E而變化, 如鈮酸鋰(LiNbO3)晶體第45頁/共79頁第四十五頁，共80頁。3.5 光調(diào)制器Ex, Ey分量經(jīng)傳輸(chun sh)距離L后產(chǎn)生的相位為：VdL

30、n22302l2) 相位相位(xingwi)調(diào)制調(diào)制器器電場(chǎng)沿y方向(fngxing)施加;線偏振光偏振方向(fngxing)與y軸成45度0n為E=0時(shí)折射率22電光系數(shù)450線偏振入射光圓/橢圓/線偏振出射光VzdLxEyExEyEaEzxy晶體第46頁/共79頁第四十六頁，共80頁。3.5 光調(diào)制器3)強(qiáng)度強(qiáng)度(qingd)調(diào)制器調(diào)制器n外加電壓(diny)為零時(shí), Ex和Ey相位差為0, 探測(cè)器探測(cè)不到光在電光(dingung)晶體前后設(shè)置處于正交狀態(tài)的起偏器和檢偏器n施加外電壓, 輸出變成橢圓偏振光， 部分光通過檢偏器, 其強(qiáng)度與施加的電壓有關(guān).入射光VaExy晶體起偏器檢偏器 探測(cè)

31、器yx第47頁/共79頁第四十七頁，共80頁。4)4)馬赫馬赫- -曾德爾干涉型電光曾德爾干涉型電光(dingung)(dingung)幅度調(diào)幅度調(diào)制器制器在LiNbO3晶體襯底上，制作(zhzu)兩條光程相同的單模光波導(dǎo)，其中一條波導(dǎo)的兩側(cè)施加可變電壓,電壓引起折射率變化。3.5 光調(diào)制器LiNbO3電極偏振光輸入調(diào)制信號(hào)V(t)輸出AB波導(dǎo)Ti-LiNbO3DCEa+-AB第48頁/共79頁第四十八頁，共80頁。兩波導(dǎo)(b do)的位相差3.5 光調(diào)制器LiNbO3電極偏振光輸入調(diào)制信號(hào)V(t)輸出AB波導(dǎo)Ti-LiNbO3DCEa+-ABnLl2第49頁/共79頁第四十九頁，共80頁。3

32、.5 光調(diào)制器LiNbO3()tV共平面條形電極偏振光輸入調(diào)制信號(hào)輸出DCABEa+-AB波導(dǎo)3LiNbO-Ti調(diào)制電壓(diny)(diny)施加在兩臂上第50頁/共79頁第五十頁，共80頁。3.5 光調(diào)制器3.電吸收(xshu)波導(dǎo)調(diào)制器電吸收調(diào)制器電吸收調(diào)制器(EAM, Electro Absorption Modulator)是一是一種種p-i-n半導(dǎo)體器件，其半導(dǎo)體器件，其i層由多量子阱層由多量子阱(MQW)波導(dǎo)波導(dǎo)(b do)構(gòu)成。構(gòu)成。i層對(duì)光的吸收損耗與外加的調(diào)制電壓有關(guān)。層對(duì)光的吸收損耗與外加的調(diào)制電壓有關(guān)。+pin入射光入射光n nhMQWVpin入射光入射光n nhVtt

33、PinPout0tV0-V調(diào)制調(diào)制電信號(hào)電信號(hào)當(dāng)p-i-n無偏置時(shí), 入射光不被i層吸收(xshu),相當(dāng)于輸出 “1” 碼;當(dāng)p-i-n反向偏置時(shí),入射光被i層完全吸收,相當(dāng)于輸出 “0” 碼.第51頁/共79頁第五十一頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)(Optical Switches)機(jī)械光開關(guān)機(jī)械光開關(guān)包括微機(jī)械光開關(guān)包括微機(jī)械光開關(guān)波導(dǎo)光開關(guān)波導(dǎo)光開關(guān)利用利用(lyng)(lyng)電光、磁光、熱光和聲光效電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng)應(yīng)光開關(guān)光開關(guān)(kigun)分類分類光開關(guān)的要求光開關(guān)的要求: 是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)小型

34、化和操作方便。光開關(guān)光開關(guān): 是轉(zhuǎn)換光路,實(shí)現(xiàn)光信號(hào)交換的器件。第52頁/共79頁第五十二頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)1. 機(jī)械式光開關(guān)(kigun)光纖光纖旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸反射鏡反射鏡移動(dòng)臂移動(dòng)臂光纖光纖準(zhǔn)直頭準(zhǔn)直頭固固定定輸輸出出光光纖纖1234NN輸入輸入光纖光纖-11N移動(dòng)(ydng)光纖開關(guān)12移動(dòng)反射鏡開關(guān)優(yōu)點(diǎn):插入損耗小、隔離度好、消光比和偏振敏感性良好缺點(diǎn):開關(guān)時(shí)間長(zhǎng), 尺寸大，不易集成。第53頁/共79頁第五十三頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)2.微機(jī)電(jdin)系統(tǒng)光開關(guān)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Syste

35、ms) 是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝制造出可以前傾后仰、上下移動(dòng)(ydng)或旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對(duì)輸入光信號(hào)可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng).可升降懸臂可升降懸臂微反射鏡微反射鏡波導(dǎo)波導(dǎo)硅襯底硅襯底電極電極V=0=0PLC可升降微反射鏡可升降微反射鏡 MEMS 光開關(guān)光開關(guān)第54頁/共79頁第五十四頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)可旋轉(zhuǎn)可旋轉(zhuǎn)(xunzhun)微反射鏡微反射鏡 MEMS 光開關(guān)光開關(guān)微反微反射鏡射鏡輸出輸出波導(dǎo)波導(dǎo)1 1輸入輸入波導(dǎo)波導(dǎo)襯底襯底控制控制信號(hào)信號(hào)V V入射光入射光出射光出射光出射光出射光輸出輸出波導(dǎo)波導(dǎo)2 2取向取向1

36、 1取向取向2 2第55頁/共79頁第五十五頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)可立臥微反射鏡可立臥微反射鏡 MEMS 光開關(guān)光開關(guān)(kigun)微反射鏡微反射鏡輸出輸出光纖光纖1 1硅襯底硅襯底PLCPLC控制控制信號(hào)信號(hào)入射光入射光出射光出射光輸出輸出光纖光纖2 2鏡面鏡面旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸光纖光纖第56頁/共79頁第五十六頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)3. 波導(dǎo)(b do)光開關(guān)LiNbO3電極偏振光輸入調(diào)制信號(hào)V(t)輸出AB波導(dǎo)Ti-LiNbO3DC控制信號(hào)tt輸出光V(t)自行(zxng)分析其工作原理.第57頁/共79頁第五十七頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun

37、)4. 熱光開關(guān)(kigun)(TOS)熱光開關(guān)熱光開關(guān)(TOS, Thermo-Optic Switches)是采用是采用馬赫馬赫-曾德爾干涉儀曾德爾干涉儀(M-ZI)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), 用薄膜加熱用薄膜加熱(ji r)器加熱器加熱(ji r)波導(dǎo)臂波導(dǎo)臂, 從而改變波導(dǎo)折射率從而改變波導(dǎo)折射率,最最終改變兩光波的位相差終改變兩光波的位相差.1234薄膜加熱器ABLCr不加熱時(shí)，器件處于交叉連接交叉連接狀態(tài)；加熱時(shí), 波導(dǎo)折射率變化, 器件處于平行連接平行連接狀態(tài)。 第58頁/共79頁第五十八頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)5. 磁光開關(guān)(kigun)HLq磁光開關(guān)是利用法拉第磁光開關(guān)是利

38、用法拉第(Faraday)效應(yīng)效應(yīng)(xioyng)制制成的開關(guān)成的開關(guān),當(dāng)偏振光穿過施加了磁場(chǎng)的透明介質(zhì)時(shí)，當(dāng)偏振光穿過施加了磁場(chǎng)的透明介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生偏振旋轉(zhuǎn)。偏振平面的旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)有關(guān)。會(huì)發(fā)生偏振旋轉(zhuǎn)。偏振平面的旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)有關(guān)。 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角 和磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度H與材料長(zhǎng)度與材料長(zhǎng)度L的乘積成比例的乘積成比例yH法拉第介質(zhì)反射鏡反射光qqE光源偏振器q2EEE磁場(chǎng)L第59頁/共79頁第五十九頁，共80頁。法拉第旋轉(zhuǎn)(xunzhun)器使光的偏振態(tài)(SOP: State Of Polarization)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(xunzhun)45度 .偏振器2法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器1反射光阻塞入射光SOP

39、磁光開關(guān)(隔離器)的工作(gngzu)原理 3.6 光開關(guān)(kigun)偏振器1和偏振器2的透振方向成45度放置第60頁/共79頁第六十頁，共80頁。3.6 光開關(guān)(kigun)0102030505端口端口傳輸損耗施加電壓(V)/dB1-31-2-(b)傳輸損耗特性EEOO21光纖光纖透鏡透鏡線圈施加電壓 時(shí)23光纖透鏡方解石1方解石2方解石3透鏡透鏡電磁鐵棱鏡玻璃塊Gd:YIG 石英旋轉(zhuǎn)器1光纖起偏器檢偏器檢偏器EOOEEOO+E31光纖光纖透鏡透鏡線圈施加電壓- 時(shí)晶體起偏器檢偏器棱鏡玻璃塊O+E晶體Gd:YIG45o+5V5V開關(guān)基本結(jié)構(gòu) (a)磁光式光開關(guān)(kigun) 第61頁/共7

40、9頁第六十一頁，共80頁。3.7 光隔離器(Optical Isolator)只允許光線沿光路單向傳輸?shù)臒o源器件(qjin)，用于解決光纖通信中光路中光反射的問題。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免(bmin)反射光返回到該器件致使器件性能變壞。光隔離器光隔離器: 第62頁/共79頁第六十二頁，共80頁。3.7 光隔離器自聚焦透鏡自聚焦透鏡（起偏振器）（起偏振器）（檢偏振器）（檢偏振器） 法拉 法拉第旋轉(zhuǎn)器第旋轉(zhuǎn)器45450 0C C永磁鐵永磁鐵方解石方解石方解石方解石Gd：YIG膜Gd：YIG膜GRINGRIN透鏡透鏡GRINGRIN透鏡透鏡起偏振器起偏振器檢偏振器檢偏振器法拉第法

41、拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)器磁場(chǎng)磁場(chǎng)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PA 光通信用的隔離器幾乎都用法拉第磁光效應(yīng)原理(yunl)制成; 當(dāng)平面偏振光沿著磁場(chǎng)方向入射到非旋光材料時(shí)，光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度 ; 如果反射光再一次通過法拉第介質(zhì)，則旋轉(zhuǎn)角度增加到2 。1. 磁光塊狀光隔離器第63頁/共79頁第六十三頁，共80頁。3.7 光隔離器2.磁光波導(dǎo)(b do)光隔離器基于法拉第旋轉(zhuǎn)(xunzhun)器和線性偏振片的隔離器不便于集成, 因而開發(fā)基于平面集成光路(PIC: Photonic Integrated Circuit)的磁光波導(dǎo)器件.集成光隔離器

42、的基本工作原理是基于集成光隔離器的基本工作原理是基于(jy)磁光薄膜的磁光磁光薄膜的磁光法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng).第64頁/共79頁第六十四頁，共80頁。3.7 光隔離器 正向(zhn xin)傳輸?shù)墓庠诔鯵2分支處時(shí)的總相移為零，兩光相長(zhǎng)干涉而增強(qiáng)； 反向傳輸?shù)墓庠诔鯵1分支處時(shí)的總相移為，兩光相消干涉而抵消。 Y12Y非互易(h y)相移MZI型波導(dǎo)光隔離器第65頁/共79頁第六十五頁，共80頁。3.8 光環(huán)形(hun xn)器(Optical Circulator)光環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理光環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理(yunl)與光隔離器類似，是一種單向傳輸器件與光隔離器

43、類似，是一種單向傳輸器件, 主要用于主要用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)和光分插復(fù)用器中單纖雙向傳輸系統(tǒng)和光分插復(fù)用器中.端口 1 輸入(shr)端口 2 輸出; 端口 2 輸入(shr)端口 3 輸出光發(fā)光發(fā)射機(jī)射機(jī)1 1光發(fā)光發(fā)射機(jī)射機(jī)2 2光接光接收機(jī)收機(jī)1 1光環(huán)光環(huán)形器形器光環(huán)光環(huán)形器形器光接光接收機(jī)收機(jī)2 21 12 23 31 12 23 3光纖光纖第66頁/共79頁第六十六頁，共80頁。3.8 光環(huán)形(hun xn)器用光隔離器構(gòu)成(guchng)的光環(huán)形器port2port2port1port3分束棱鏡(lngjng)反射棱鏡雙折射棱鏡法拉第旋轉(zhuǎn)器相位旋轉(zhuǎn)器雙折射棱鏡OEOE第67頁/共

44、79頁第六十七頁，共80頁。3.9 光分插復(fù)用器(OADM)光分插復(fù)用器光分插復(fù)用器(Optical Add-Drop Multiplexers, OADM)是是在在WDM網(wǎng)絡(luò)中，在保持其它信道傳輸網(wǎng)絡(luò)中，在保持其它信道傳輸(chun sh)不變的不變的情況下，將某些信道取出而將另外一些信道插入情況下，將某些信道取出而將另外一些信道插入.陣列波導(dǎo)光柵(AWG)光分插復(fù)用器可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM: Reconfigurable OADM)波長(zhǎng)選擇交換(jiohun)(WSS: Wavelength Selective Switches) ROADM 也叫:光交叉連接器OXC (Optical Cross Connect) 第68頁/共79頁第六十八頁，共80頁。3.9 光分插復(fù)用器1.固定(gdng)波長(zhǎng)光分插復(fù)用器從那個(gè)(n ge)端口分出或從那個(gè)(n ge)端口插入的波長(zhǎng)是固定的.波波分分解解復(fù)復(fù)用用波波分分復(fù)復(fù)用用插入波長(zhǎng)信道插入波長(zhǎng)信道(Add)(Add)分出波長(zhǎng)信道分出波長(zhǎng)信道(drop)(drop)信號(hào)輸入信號(hào)輸入 WDM1l2l3l5l8l3l5l81ll信號(hào)輸出信號(hào)輸出 WDM81ll第69頁/共79頁第六十九頁，共80頁。對(duì)光纖光柵調(diào)諧取出所需要的波長(zhǎng)(bchng)，而讓其它波