-第五章無源光器件-PPT課件

1、第五章 無源光器件 7/22/2022nancy 主要內容連接器和接頭 光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光調制器光開關教學重點連接器的作用及分類光耦合器的作用光隔離器的作用7/22/2022nancy無源光器件的要求 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、價格便宜、便于集成等。7/22/2022nancy連接器和接頭 光連接器的功能是將兩根光纖連接起來 連接器是實現光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。影響光連接器的插入損耗的因素 :被連接的兩根光纖是否匹配安裝的精度 7/22/

2、2022nancy連接器的分類 單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器。7/22/2022nancy3.4.1 光定向耦合器1光定向耦合器的結構 2光纖式定向耦合器的參數 光通信中經常需要把多個光信號耦合到一起，或將光信號分到多根光纖中，光耦合器可以實現這些功能 7/22/2022nancy1光定向耦合器的結構光定向耦合器按其結構不同可分為棱鏡式和光纖式兩類。 7/22/2022nancy1光定向耦合器的結構圖3-35 棱鏡式和光纖式定向耦合器 7/22/2022nancy2光纖式定向耦合器的參數（1）隔離度A。 （2）插入損耗L。（3）分光比T。 7/22/2022nancy3.4.2 光隔離器

3、與光環(huán)行器 1光隔離器的基本原理和結構 2光環(huán)行器 3光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數 7/22/2022nancy1光隔離器的基本原理和結構圖3-36 光隔離器的工作原理圖 7/22/2022nancy2光環(huán)行器圖3-37 三端口光環(huán)行器 7/22/2022nancy3光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數對于光隔離器與光環(huán)行器來講，它們都是希望從輸入端口輸入的光信號到輸出端口時，衰減盡量小，即要求器件的插入損耗要小；對于不應有輸出的端口，要求隔離度要高。器件典型的插入損耗為1dB左右，隔離度為4050dB。 7/22/2022nancy3.4.3 光濾波器圖3-38 F-P腔光濾波器 7/22/

4、2022nancy3.4.3 光濾波器F-P腔型光濾波器的主體是F-P諧振腔。描述F-P腔型光濾波器的特性參數主要是自由譜域（FSR）及帶寬（BW）。（1）自由譜域（FSR）：為相鄰波長之間的距離 （2）帶寬（BW）：為諧振峰降至一半時所對應的頻帶寬度，又稱為3dB帶寬。 7/22/2022nancy3.4.4 光開關能夠控制傳輸通路中光信號通或斷或進行光路切換作用的器件，稱為光開關。光開關是全光交換技術中的關鍵器件。光開關一般包括兩種：機械式光開關和電子式光開關。 7/22/2022nancy3.4.4 光開關圖3-39 機械式光開關 7/22/2022nancy3.4.4 光開關圖3-40

5、 電子式光開關 7/22/2022nancy3.4.5 波長轉換器 能夠使信號從一個波長轉換到另一個波長的器件稱為波長轉換器。波長轉換器根據波長轉換機理可分為光電型波長轉換器和全光型波長轉換器，光電型波長轉換器比較容易實現，其優(yōu)點是與偏振無關；主要缺點是由于速度受電子器件限制，因此不適應高速大容量光纖通信系統和網絡的要求。全光型波長轉換器技術主要由半導體光放大器（SOA）構成。7/22/2022nancy1光電型波長轉換器圖3-41 光電光型波長轉換器7/22/2022nancy2全光型波長轉換器圖3-42 全光型波長轉換器7/22/2022nancy3.4.6 波分復用器在一根光纖中能同時傳

6、輸多波長光信號的技術，稱為光波分復用技術（WDM）。如果在系統發(fā)送端采用此技術，將不同波長的光信號組合起來送入光纖傳輸的設備稱為光波分復用器。在系統接收端可通過解復用器（分波器），將組合在一起的光信號分離并送入不同的終端。 7/22/2022nancy3.4.6 波分復用器1光波分復用系統的結構與工作原理 2光波分復用器 7/22/2022nancy1光波分復用系統的結構與工作原理光波分復用器是對光波波長進行合成與分離的光器件。由光波分復用器構成的光波分復用系統，從結構上來分，可分為單纖單向WDM系統和單纖雙向WDM系統。 7/22/2022nancy1光波分復用系統的結構與工作原理圖3-43

7、 單纖單向結構WDM傳輸系統 7/22/2022nancy1光波分復用系統的結構與工作原理圖3-44 單纖雙向結構WDM傳輸系統 7/22/2022nancy2光波分復用器 （1）光波分復用器的工作原理器件的各端口可以作為輸入端口，也可以作為輸出端口。 7/22/2022nancy2光波分復用器圖3-45 WDM光傳輸原理圖 7/22/2022nancy2光波分復用器 （2）光波分復用器的光學特性 復用器復用器的光學特性可以用給定的輸入端口的插入損耗波長關系曲線表示。 解復用器解復用的光學特性，可以用輸入端到N個輸出端的各信道的波長插入損耗關系曲線來表達 7/22/2022nancy2光波分復

8、用器圖3-46 復用器插入損耗波長關系曲線 7/22/2022nancy2光波分復用器圖3-47 解復用器波長插入損耗關系曲線 7/22/2022nancy2光波分復用器 中心波長和中心波長的工作范圍 中心波長對應的最小插入損耗L1和L2 相鄰信道之間串音耦合最大值L12和L237/22/2022nancy2光波分復用器（3）熔融光纖型波分復用器熔融光纖型是指將兩根光纖緊靠在一起并通過加熱使兩光纖熔接而成。這種復用器非常便于與光纖通信系統耦合連接，而且插入損耗極小，且體積小，結構緊湊。 7/22/2022nancy2光波分復用器圖3-48 熔融光纖型波分復用器結構示意圖 7/22/2022na

9、ncy3.4.7 光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無源器件。它是利用光纖中的光敏性而制成的。光敏性是指當外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時，光纖的折射率將隨光強而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應可在幾厘米之內寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。光纖光柵最顯著的優(yōu)點是插入損耗低，結構簡單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長選擇性。7/22/2022nancy3.4.7 光纖光柵圖3-49 光纖布拉格光柵濾波器 7/22/2022nancy3.3 光 無 源 器 件 一個完整的光纖通信系統，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。這些器件對光纖通信系統的構

10、成、功能的擴展或性能的提高，都是不可缺少的。 雖然對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。 7/22/2022nancy 3.3.1 連接器和接頭 連接器是實現光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。 接頭是實現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成，通常在工程現場實施。連接器件是光纖通信領域最基本、應用最廣泛的無源器件。 7/22/

11、2022nancy圖 3.27 套管結構連接器簡圖 7/22/2022nancy 對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， 軸線傾角小于0.5。 普通的FC型連接器，光纖端面為平面。 對于高反射損耗的連接器， 要求光纖端面為球面或斜面，實現物理接觸(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陶瓷機械性能好、 耐磨， 熱膨脹系數和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數)和工作溫度范圍(插入損耗變化0.1 dB)大大改善。 7/22/2022nancy7/22/2022nancy7/22/2022nancy7/22/2022nan

12、cy7/22/2022nancy 3.3.2光耦合器 耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出， 或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。這種器件對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擾噪聲耦合器大多與波長無關，與波長相關的耦合器專稱為波分復用器/解復用器。 1. 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。 7/22/2022nancy圖 3.28 常用耦合器的類型 7/22/2022nancy2. 基本結構 耦合器的結構有許多種類型，其中比較實用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導型，圖3.29圖 3.32示出這三種類型的有代表性器件的基本結

13、構。 7/22/2022nancy 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22耦合器組成的88星形耦合器 7/22/2022nancy圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。 如圖3.30，光纖a(直通臂)傳輸的輸出光功率為Pa，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據耦合理論得到 Pa=cos2(CL) (3.28a) Pb=sin2(CL) 式中，L為耦合器有效作用長度，C為取決于光纖參數和光波長的耦合系數。7/22/2022nancy圖 3.30 光纖型波分解復用器原理 Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL)

14、7/22/2022nancy 設特定波長為1和2，選擇光纖參數，調整有效作用長度，使得當光纖a的輸出Pa(1)最大時，光纖b的輸出Pb(1)=0；當Pa(2)=0時，Pb(2)最大。對于1和2分別為1.3m和1.55 m的光纖型解復用器，可以做到附加損耗為0.5 dB，波長隔離度大于20 dB。 7/22/2022nancy微器件型自聚焦透鏡和分光片(光部分透射， 部分反射)、濾光片(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)光柵(不同波長的光有不同反射方向)微光學器件可以構成T型耦合器、定向耦合器和波分解復用器，如圖3.31所示。 7/22/2022nancy 圖 3.31微器件型耦合器(a)

15、T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復用器； (d) 光柵式解復7/22/2022nancy 波導型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據器件的功能來選擇，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用器。 7/22/2022nancy圖3.32 波導型藕合器7/22/2022nancy 3. 主要特性 說明耦合器參數的模型如圖3.33所示， 主要參數定義如下。 7/22/2022nancy由此可定義功率分路損耗Ls： Ls=10lg 附加損耗Le由散射、吸收和器件

16、缺陷產生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示 Le=10 lg 插入損耗Lt是一個指定輸入端的光功率Pic和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示7/22/2022nancy Lt=10lg 方向性DIR(隔離度)是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示 DIR=10lg 一致性U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。 表3.6、表3.7列出波長為1.31 m或(和)1.55 m單模光纖型耦合器和波分復用器/解復用器的一般性能。 7/22/2022nancy7/22/202

17、2nancy7/22/2022nancy 3.3.3 光隔離器與光環(huán)行器 耦合器和其他大多數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。 在許多實際光通信系統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方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。7/22/2022nancy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主要參數，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對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。7/22

18、/2022nancy 首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸的光的偏振態(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方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。 7/22/2022nancy圖 3.34 隔離器的工作原理 7/22/2022nancy在實際應用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無關，于是隔離器的結構就變復雜了。 具有任意偏振態(tài)的入射光通過一個空間分離偏振器(SWP: Spatial Walkoff Polarizer)。7/22/2022nancy圖 3.35 一種與輸入光的偏振態(tài)無關的隔離器 7/22/2022nancy環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。 圖 3.36光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口 7/22/2022nancy 圖 3.36光環(huán)行器