光器件基礎(chǔ)知識(shí)

1、Introduction of optical devices used in Communication system1.Profile2.Introduction of basic parameters3.TOSA,ROSA and BOSA (Active devices)4. Passive devicesProfile 通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。不依靠外加電源（直流或交流）的存在就能獨(dú)立表現(xiàn)出其外特性的器件就是無源器件。否則就稱為有源器件。 有源器件包括光源、光檢測器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、 光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)

2、的水平。 光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。 光放大器光放大器Basic parameters 1、插入損耗：IL-Insertion Loss 2、回波損耗：RL-Return Loss IL測量 RL測量 3、方向性：DIR-Directivity 4、過盈損耗：EL-Excess Loss 5、損耗一致性：IL Uniformity:ILmax-ILmin 6、波長依存損耗：WDL:Wavelength Dependent LossWDL1010.210.41260n

3、m1360nm1460nm1560nmWavelengthILCH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH8 PDL是光器件或系統(tǒng)在所有偏振狀態(tài)下的最大傳輸差值。它是光設(shè)備在所有偏振狀態(tài)下最大傳輸和最小傳輸?shù)谋嚷省?PDL定義如下：PDL=-10logTmax/Tmin其中Tmax和Tmin分別表示測試器件（DUT）的最大傳輸和最小傳輸。 7、溫度依存損耗、溫度依存損耗 TDL:Temperature Dependent Loss TDL(2585)= TDL(85) -TDL(25) TDL(25-40)= TDL(-40) -TDL(25) TDL(85-40)= TDL(-40) -T

4、DL(85)TOSA (1) 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴. (2) 在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。 (3) 在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。 ROSA3.Passive devices 一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外， 還需要許多其它光器件，特別是無源器件。這些

5、器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。 雖然對(duì)各種器件的特性有不同的要求， 但是普遍要求插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長、 體積小、價(jià)格便宜， 許多器件還要求便于集成。本節(jié)主要介紹無源光器件的類型、原理和主要性能。 3.1連接器和接頭連接器和接頭 連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng))連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。表3.5給出光纖連接器的一般性能。 接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實(shí)施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)

6、用最廣泛的無源器件。 連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器， 其特性主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度和所用材料。單纖連接器結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中精密套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、效果良好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)， 因而得到很廣泛的應(yīng)用。 表表 3.5 光纖連接器一般性能光纖連接器一般性能 圖3.27示出精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡圖，包括用于對(duì)中的套管、帶有微孔的插針和端面的形狀(圖中畫出平面的端面)。 光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對(duì)中實(shí)現(xiàn)連接。 要求光纖與微孔、插針與套管精密配合。對(duì)低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移在1 m以內(nèi)， 軸線傾角小于0.5。普通的FC型連接器，光纖端面為平面

7、。 對(duì)于高反射損耗的連接器， 要求光纖端面為球面或斜面，實(shí)現(xiàn)物理接觸(PC)型。套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼， 但插針材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機(jī)械性能好、 耐磨， 熱膨脹系數(shù)和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數(shù))和工作溫度范圍(插入損耗變化0.1 dB)大大改善。 圖 3.27 套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 光纖套管插針粘結(jié)劑 一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度套管和矩形外殼，配合陶瓷插針構(gòu)成的，這種方法可以做成2纖或4纖連接器。另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密V形槽內(nèi)，然后多片疊加并配合適當(dāng)外殼。這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜， 適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的

8、連接。 對(duì)于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭，國內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場進(jìn)行熱熔接，也可以用V形槽連接。熱熔接的接頭平均損耗達(dá)0.05 dB/個(gè)。 3.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出， 或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。這種器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。 1. 耦合器類型耦合器類型 圖3.28示出常用耦合器的類型， 它們各具不同的功能和用途。 T形耦合器這是一種22的3端耦合器， 見圖3.28(a)， 其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，

9、 或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。圖 3.28 常用耦合器的類型 T形(a)星 形(b)定向(c)231412N12N(d)波分 這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。星形耦合器這是一種nm耦合器，見圖3.28(b)，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖， m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。 定向耦合器這是一種22的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。見圖3.28(c)，光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?， 一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。定向耦合器

10、可用作分路器，不能用作合路器。 波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)這是一種與波長有關(guān)的耦合器，見圖3.28(d)。波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長的光信號(hào)， 分配給不同的接收機(jī)。 2. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖3.29圖 3.32示出這三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)。 圖 3.29光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器 輸入光光強(qiáng)度光纖a光纖b 輸出光234

11、1(a)(b)123456789101112(c) 光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。這種方法可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解復(fù)用器。圖3.29(a)和(b)分別示出單模22定向耦合器和多模nn星形耦合器的結(jié)構(gòu)。單模星形耦合器的端數(shù)受到一定限制，通?？梢杂?2耦合器組成，圖3.29(c)示出由12個(gè)單模22耦合器組成的88星形耦合器。 圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。 如圖3.30，光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到 Pa=cos2(CL) (3.28a) Pb=sin2

12、(CL) 圖 3.30 光纖型波分解復(fù)用器原理 1、 21212耦合長度光功率ababba 式中，L為耦合器有效作用長度，C為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù)。 設(shè)特定波長為1和2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長度，使得當(dāng)光纖a的輸出Pa(1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(1)=0；當(dāng)Pa(2)=0時(shí)，Pb(2)最大。對(duì)于1和2分別為1.3m和1.55 m的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5 dB，波長隔離度大于20 dB。 微器件型微器件型用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射， 部分反射)、濾光片(一個(gè)波長的光透射，另一個(gè)波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型

13、耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器，如圖3.31所示。 圖 3.31微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復(fù)用器； (d) 光柵式解復(fù)光纖自聚焦透鏡自聚焦透鏡光纖濾光片1、 2121231 2 3光纖自聚焦透鏡硅光柵光纖自聚焦透鏡分光片1342(b)(a)(c)(d) 波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。圖3.32示出波導(dǎo)型T型耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長選擇元件的波分解復(fù)用器。 圖3.32 波導(dǎo)型藕合器光波導(dǎo)開角(a)(b)(c)多模波導(dǎo)多層膜濾

14、光片單模波導(dǎo)1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m 3.3.3光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器 耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越好， 目前插入損耗的典型值約為1 dB，隔離度的典型值的大致范圍為4050 dB。

15、首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP： State of Polarization) 是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場矢量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱為水平模和垂直模。 隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個(gè)偏振器的透振方向也在垂直方向， 因此輸入光能夠通過第一個(gè)偏振器。緊接第一個(gè)偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)。 圖 3.34 隔離器的工作原理 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP 法

16、拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器， 這個(gè)偏振器的透振方向在45方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45后的光能夠順利地通過第二個(gè)偏振器，也就是說光信號(hào)從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(插入損耗除外)。另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)， 反射光的偏振態(tài)也在45方向上，當(dāng)反射光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45，此時(shí)就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個(gè)偏振器)， 于是就達(dá)到隔離效果。 然而在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時(shí)間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。一種小型的與入射光的偏

17、振態(tài)無關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖3.35所示。圖 3.35 一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器 光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b) 具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個(gè)空間分離偏振器(SWP: Spatial Walkoff Polarizer)。這個(gè)SWP的作用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量直線通過， 水平分量偏折通過。兩個(gè)分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器， 其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片 plate或halfwave plate。這個(gè)半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45，將從右

18、向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。最后兩個(gè)分量的光在輸出端由另一個(gè)SWP合在一起輸出， 如圖3.35(a)所示。 另一方面， 如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過這兩個(gè)器件時(shí)， 其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。 環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。 如圖3.36所示，典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)由端口1輸出。光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。 圖 3