光纖通信技術(shù)第四章

光纖通信中的關(guān)鍵光電子器件光纖通信技術(shù)第四章王發(fā)強Fq_wang@163.com信息光電子科技學(xué)院華南師范大學(xué)《解人頤》終日奔波只為饑，方才一飽便思衣。衣食兩般皆具足，又想嬌容美貌妻。娶得美妻生下子，恨無田地少根基。買到田園多廣闊，出入無船少馬騎。槽頭扣了騾和馬，嘆無官職被人欺?？h丞主薄還嫌小，又要朝中掛紫衣。作了皇帝求仙術(shù)，更想登天跨鶴飛。若要世人心里足，除是南柯一夢西。ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.1光器件概述作用:實現(xiàn)光信號的連接、能量分路/合路、波長復(fù)用/解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能量衰減、方向阻隔、光-電-光轉(zhuǎn)換、光信號放大、光信號調(diào)制等功能。是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的必備元件。光器件是具有上述一種功能的元器件的總稱。類型：無源、有源

包括：光連接器、光衰減器、光耦合器、光復(fù)用器、光隔離器、環(huán)行器、光濾波器、光解復(fù)用器、光調(diào)制器、光開光、激光器、光檢測器、光放大器、光波長轉(zhuǎn)換器等發(fā)展趨勢：集成化、全光纖化第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.2光連接器—Connector技術(shù)指標(biāo)：插入損耗：光信號通過連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)。回波損耗：反射損耗，光纖連接處，后向反射光相對輸入光的比率的分貝數(shù)。重復(fù)性和互換性損耗來源活動連接器方法：利用精密陶瓷套筒準(zhǔn)直纖芯插入損耗目前水平0.2dB減低反射技術(shù)：APC類型：FC、SC、ST（=2.5mm）其它：多芯光纜連接器、保偏光纖連接器、密封型光纖連接器FC型：螺紋連接。外部材料為金屬SC型：外殼采用工程塑料，矩形結(jié)構(gòu)，便于密集安裝，不用螺紋連接，可以直接插拔。ST型：采用帶鍵的卡口式鎖緊機構(gòu)，確保連接時準(zhǔn)確對中。MU，LCMT，Hybrid固定連接器包括：熔接法、V形槽法和套管法第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.3光衰減器—Attenuator根據(jù)工作原理分類：位移型光衰減器橫向位移型光衰減器縱向位移型光衰減器直接鍍膜型光衰減器（吸收?；蚍瓷淠Ｐ停┧p片型光衰減器液晶型光衰減器光衰減器光衰減器固定光衰減器可變光衰減器尾纖式固定光衰減器轉(zhuǎn)\變換器式固定光衰減器SC—FC型、FC—ST型、SC—ST型、SC型、FC型、ST型小可變光衰減器步進可變光衰減器連續(xù)可變光衰減器機械型智能型技術(shù)指標(biāo)：衰減量、精度、反射、插損固定光衰減器尾纖式衰減量調(diào)節(jié)旋鈕第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.4光耦合器—Coupler定義：對同一波長的光功率進行分路或合路類型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型全光纖型、微光元件型、集成光波導(dǎo)型功能：光信號的分配、合成、提取、監(jiān)控等。1321243工作原理消逝場耦合。PutthecorescloseenoughtogethertogetacouplingeffectAllnowdependsonthelengthofthecouplingsectionCommoncommercialdevicesPlanarWaveguideCouplerC--耦合系數(shù)22光纖耦合器P4P0輸入功率P1直通功率P3串?dāng)_P2耦合功率L錐形區(qū)域L錐形區(qū)域Z耦合區(qū)域被驅(qū)動光纖的相位總比驅(qū)動光纖的相位滯后/2。耦合區(qū)兩纖芯中光功率隨耦合區(qū)長度的耦合交換規(guī)律?？筛鶕?jù)耦合比要求，決定拉伸長度，但拉錐長度太長，纖芯變得過細后，將引起能量輻射，功率降低，插入損耗明顯增加。1、插入損耗：特定的端口到另一端口路徑的損耗。如從輸入端口i到輸出端口j的路徑中的插入損耗為：2、附加損耗：輸入功率對總的輸出功率的比值。3、串?dāng)_：一個端口的輸入信號與散射或反射回另一個輸入端口的光功率間的隔離度。以22光纖耦合器為例：4、分光比或耦合比：輸出端口間光功率分配的百分比技術(shù)指標(biāo)：串?dāng)_＝P0P1P2P3散射矩陣表示法以22耦合器為例,用散射矩陣(傳播矩陣)S來分析:輸入場強a1a2b1b2S11S22S21S12輸出場強b＝Saa1輸入的大部分功率出現(xiàn)在輸出端口b1，就必須小。這表示a2中相同波長光功率耦合進入b1的光功率數(shù)值變小了，結(jié)果是在無源22耦合器中，使用相同的波長將兩個輸入端所有的功率同時耦合進同一輸出端口是不可能的。最好的方法是將每路輸入功率的一半發(fā)送到同一輸出端。然而，如果兩個輸入端的波長不同，就可以把大部分功率耦合進同一根光纖中。波長相同的兩束光，分別從a1和a2兩個端口輸入，能否將兩個輸入端所有的功率同時耦合進同一輸出端口？散射矩陣表示法假如從端口a1輸入的光功率中有比例為(1－)的部分出現(xiàn)在輸出端口b1，剩余的部分出現(xiàn)在端口b2。散射矩陣：a1a2b1b2令Ein,2=0，則有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1

，輸出功率為：

Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P03dB耦合器，＝0.5，輸出場強：3dBcouplerLANandMANnetworksStarCoupler:Ninputaremixedandmadeavailableon8outputsReflectiveCoupler:inputcanbeonanyfiberandoutputissplitequallyamongallfibersP1PNPi1iN(P1+P2+…+PN)/NY-Coupler(Splitter)光纖技術(shù)難實現(xiàn)，一般利用平面波導(dǎo)技術(shù)。port1port2(50%)＋port3(50%)Butlightenteringonport2willexitonport1attenuatedby50%(3dB)!ThusifwetrytocombinetwoinputsignalsbyusingaY-junction,thesignalsarecombinedbuteachsignalwilllosehalfofitspower!Iftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areinjectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!Theperiodoftheshiftisdifferentforthetwodifferentwavelengths.Eachcoupler/splittermustbedesignedfortheparticularwavelengthstobeused.WavelengthSelectiveCoupling/Splitting第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.5復(fù)用器與濾波器—MultiplexerandFilter光濾波器與解復(fù)用器(光波長選擇器件)0濾波器解復(fù)用器WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter用途：波長選擇、光放大器的噪聲濾除、光復(fù)用/解復(fù)用中心波長（固定、可調(diào)）帶寬（1dB帶寬、3dB帶寬、20dB帶寬）偏振相關(guān)性（PDL）調(diào)諧范圍隔離度(串音)插損溫度敏感系數(shù)技術(shù)參數(shù)0/0濾波器中心波長,信號波長.

種類：基于干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多層介質(zhì)膜濾波器、馬赫-曾德干涉濾波器基于光柵原理的濾波器：體光柵濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器（AWG）、光纖光柵濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器

一、熔錐光纖濾波器利用熔錐型光纖耦合器的波長依賴性。設(shè)計熔融區(qū)的錐度，控制拉錐速度。特點：插損低、結(jié)構(gòu)簡單、溫度穩(wěn)定性高、隔離度低、復(fù)用波長數(shù)少（兩波）應(yīng)用：波長間隔較寬，常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波長的分離二、法布里－珀羅濾波器Fabry-PerotFilter基本原理：F-P干涉儀，平行平板的多光束干涉。F-P濾波器特性自由譜區(qū)FSR(FreeSpectralRange)：相鄰兩個諧振頻率的間距。

FSR=C/2nd

n-中間介質(zhì)折射率；d-腔長3dB帶寬F：傳輸系數(shù)的數(shù)值降為最大值的一半應(yīng)的頻帶寬度。R越大，F(xiàn)越窄精細度F(Finesse)：自由譜區(qū)與3dB帶寬之比。

R越大，精細度越大。FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器(f)(a)FSR傳輸函數(shù)Pin(f)(b)輸入功率Pout(f)(c)輸出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P濾波器的傳輸特性(a)傳輸函數(shù)(b)N個信道經(jīng)波分復(fù)用后加到濾波器輸入端的頻譜圖(c)濾波器輸出端DWDM系統(tǒng)對F-P濾波器參數(shù)的要求：F-P腔的自由譜區(qū)FSR必須大于多信道復(fù)用信號的頻譜寬度，以免使信號重疊，造成混亂。在DWDM中，信道間距小于1nm，所以要求F-P腔有較窄的帶寬F。精細度F要高級聯(lián)F-P腔級聯(lián)F-P腔光濾波器游標(biāo)式級聯(lián)腔：由兩個腔長接近的F-P腔串聯(lián)而成。KFSR1=(K+1)FSR2精細度為：FSRT=KFSR1=(K+1)FSR2FSR1FSR2FSRTfff腔1腔2級聯(lián)腔Problem:插損大、兩級間耦合、兩級統(tǒng)一調(diào)諧困難Solution:光纖放大器補償法、光隔離器法可調(diào)光纖F-P濾波器(FFP)三、多層介質(zhì)膜濾波器TFFMultilayerDielectricThin-FilmFilter多層介質(zhì)膜：通過某一波長，阻止其它波長Thin-FilmresonantMulticavityFilter(TFMF)薄膜多共振腔濾波器TFMF的傳輸特性：腔越多濾波器頂越平邊緣越陡多層介質(zhì)膜復(fù)用解復(fù)用器特點：通帶特性好（平頂、隔離度高~25dB）溫度敏感性?。?.0005nm/OC不需溫控）插損5~7dB（16波）波長數(shù)16CH波長間隔0.8nm價格較高PDL小(~0.2dB)是16波長WDM系統(tǒng)中主要選用的器件四、馬赫－曾德干涉濾波器MZIMach-Zehnder

Interferometer長度相差L的兩根波導(dǎo)，用來在兩臂間產(chǎn)生與波長有關(guān)的相移對輸入信號進行分路的3dB耦合器在輸出端將信號復(fù)合的3dB耦合器通過分裂輸入光束以及在一條通路上引進一個相移，重組的信號將在一個輸出端產(chǎn)生相加性干涉，而在另一個輸出端產(chǎn)生相消性干涉，信號最后只會在一個輸出端口出現(xiàn)。Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk為偶數(shù)Output2k為奇數(shù)Output1利用傳輸矩陣進行分析(1)長度為d的耦合器的傳輸矩陣Mcoupler為：

C為耦合系數(shù)對于平分功率的3dB耦合器，Cd=/4：中心區(qū)域，兩個波導(dǎo)的輸出具有的相位差：注意：相位差可以由不同的路徑長度(用L給出)或n1n2時的折射率差產(chǎn)生。這里，考慮兩臂具有相同的折射率，并且n1=n2=neff(波導(dǎo)中的有效折射率)，于是：。式中＝2neff/。對一給定的相位差，與之相對應(yīng)的傳輸矩陣為：利用傳輸矩陣進行分析(2)利用傳輸矩陣進行分析(3)Ein,1Ein,2Eout,1Eout,2輸出與輸入光場的關(guān)系為：構(gòu)建一復(fù)用器，1在Ein,1注入，2在Ein,2注入，于是：Eout,1=j[Ein,1(1)sin(1L/2)＋Ein,2(2)cos(2L/2)]Eout,2=j[Ein,1(1)cos(1L/2)－Ein,2(2)sin(2L/2)]利用傳輸矩陣進行分析(4)場強：Pout,1=sin2(1L/2)Pin,1+cos2(2L/2)Pin,2Pout,2=cos2(1L/2)Pin,1+sin2(2L/2)Pin,2注:交叉項頻率是光載波頻率的兩倍,在光檢測器的響應(yīng)能力之外,因而去除.欲將1和2復(fù)用到輸出端口2，則1L/2=及2L/2=/2

，或者：則干涉儀兩臂長度差：利用3個22MZI元件構(gòu)成四通道復(fù)用器：1

2

3

4＋213241

32

4MZI1L1MZI2L2MZI3L3＋＋3ABCD五、體光柵濾波器在Si襯底上沉積環(huán)氧樹脂后制造成光柵。多波長信號經(jīng)光纖輸入和普通透鏡或棒透鏡聚焦在反射光柵上，反射光柵將各波長分開，然后經(jīng)透鏡將各個波長的光聚焦在各自的光纖。采用漸變折射率透鏡，簡化了裝置的校準(zhǔn)。采用普通透鏡的WDM光柵工作原理當(dāng)以角度d衍射的射線滿足下面的光柵方程時，在成像平面內(nèi)就會產(chǎn)生波長上的相加干涉，即：(sini－sind)=m式中m是光柵階數(shù)，一般只考慮m=1的一階衍射條件。由于對于不同的波長，可以在成像面內(nèi)的不同點滿足光柵方程，所以光柵可分離出單獨的波長。成像平面1＋212反射光柵光柵周期體光柵濾波器的特點波長通道數(shù)大（~132CH）通道間隔?。ㄉ逃脋0.4nm)插損不隨通道數(shù)增加(6~7dB)溫度敏感(~0.01nm/OC),需溫度補償(溫控、材料補償）高斯型通帶（采用特殊技術(shù)可實現(xiàn)平頂，但增大插損）單模光纖光波導(dǎo)InP材料光柵采用凹面光柵，可省去聚焦透鏡。六、陣列波導(dǎo)光柵AWGarray-waveguide-gratingAWG:規(guī)則排列的波導(dǎo)，相鄰波導(dǎo)的長度相差固定值L，因而產(chǎn)生的相移隨波長而變。

AWG特點：信道間隔（nm）端口（18116132164)需要溫控（0.01nm/C0)插損不隨通道數(shù)增加(6~7dB)高斯型通帶（采用特殊技術(shù)可實現(xiàn)平頂，但增大插損）隔離度~22dBPDL<1dB

應(yīng)用：復(fù)用/解復(fù)用（16通道以上WDM系統(tǒng)中最具競爭力的器件）七、光纖光柵FBG對于同向傳輸?shù)膬蓚€波，如果傳播常數(shù)滿足Bragg條件，兩波之間將發(fā)生能量的耦合。Bragg條件：特別地，如果滿足能量將耦合至波長與入射波相同的反向傳輸?shù)纳⑸渲?-反射式濾波器FBG光柵周期FBG:lengthPeriod光纖光柵的形成：光纖敏化（載氫或光敏光纖）--紫外光（~244nm）以光柵條紋方式照射光纖--形成折射率光柵反射中心波長纖芯的有效折射率光柵周期根據(jù)不同的折射率分布，F(xiàn)BG分類：1.均勻的Bragg光柵：諧振峰兩邊有一些旁瓣。由于光纖光柵兩端折射率突變引起F-P效應(yīng)導(dǎo)致的。旁瓣分散了光能量，不利于其應(yīng)用，需進行旁瓣抑制。

2.切趾型光柵apodisation：兩端折射率分布逐漸遞減至零，消除了折射率突變，從而使反射譜不存在旁瓣高斯切趾平均值為零的升余弦切趾

3.啁啾光柵ChirpedFBGs：折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿光柵軸向變化，反射譜寬增加短波長長波長4.取樣光柵Sampledgratings：梳狀濾波器5.相移光柵Phase-shiftedFBGs:相移FBG應(yīng)用：濾波器、色散補償器、光纖激光器等現(xiàn)狀:制作方式還不能滿足商業(yè)要求器件性能還未達到替代已商用器件的程度特點：插損小帶寬窄易于光纖連接低成本溫度特性（0.0125nm/oC未補償,0.0007nm/oC經(jīng)補償)應(yīng)力敏感長周期光纖光柵：能量耦合:傳輸模---同向的包層模P階包層模耦合至包層模的能量迅速損耗---損耗的波長相關(guān)性應(yīng)用:EDFA的增益均衡光纖光柵制作)0++=2cos(fp+LzAnNdneffcore光纖光柵=光纖+折射率調(diào)制+封裝光纖光柵：光纖：

無源或溫度補償封裝實現(xiàn)對光纖光柵的折射率調(diào)制LaserBeam-1級+1級0級<3%TranslationofUVBeam相位模板光纖zn0n0+neffn干涉區(qū)域群組濾波器Interleaver為實現(xiàn)50GHz間隔的密集波分系統(tǒng)同時避免器件技術(shù)的過分復(fù)雜和太高成本，2000年3月的OFC展覽上，多家公司紛紛提出一種群組濾波器，Chroum公司稱之為Slicer,Wavesplitter,JDSUniphase等公司稱之為Interleaver。InterleaverInterleaver可以說Interleaver的出現(xiàn)使許多傳統(tǒng)濾波器技術(shù)在密集波分復(fù)用的新應(yīng)用中重新找到了自己的位置，大大減低了器件設(shè)計制作的壓力，降低了整個系統(tǒng)的成本。這種器件的基本工作原理還是兩束光的干涉，通過合適的干涉參數(shù)設(shè)計可以使Interleaver的通過譜成為類似梳狀波的形狀。實現(xiàn)Interleaver的技術(shù)包括熔融拉錐的干涉儀，液晶，雙折射晶體等。復(fù)用器與濾波器小結(jié)法布里－珀羅濾波器F-PFilter多層介質(zhì)膜濾波器TFF馬赫－曾德干涉濾波器MZI體光柵濾波器陣列波導(dǎo)光柵AWG光纖光柵FBG群組濾波器InterleaverFBG,AWG&TFF的比較性能FBGAWGTFF通道間距(GHz)lowto50lowto25100插入損耗(db)ununiformuniformununiform通道串?dāng)_(db)30-3525-3525-33長期穩(wěn)定性possiblyaproblemduetotuningpossiblyaproblemdueTemp.ControlGoodbuttoissueofEpoxy偏振特性ExcellentOKbutneedcompensationverygood(<0.25db)價格highlowifinmass-prod.fair復(fù)用器及解復(fù)用器

Eachofthemainmultiplexing/demultiplexingfiltertechnologiesprovidescapabilitiesbestsuitedtodifferentnumbersofchannelsanddifferentchannelspacings.DWDM器件主要供應(yīng)商第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.6光隔離器與環(huán)行器Isolators&Circulators非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系統(tǒng)中的反射光對器件性能的影響甚至損傷，即只允許光單向傳輸。主要指標(biāo)：低的插入損耗(對正向入射光，~1dB)高的隔離度(對反向反射光，40~50dB)原理：一般由起偏器、檢偏器和旋光器組成。與輸入偏振態(tài)有關(guān)的光隔離器的工作原理Polarizer

Polarizer

Faradayrotator

Blocked

Reflectlight

SOPLightout

Lightin

起偏器與檢偏器的透光軸成450角，旋光器使通過的光發(fā)生450旋轉(zhuǎn)。當(dāng)垂直偏振光入射時，全部通過起偏器。經(jīng)旋光器后，光軸旋轉(zhuǎn)450，恰與檢偏器透光軸一致而獲得低損耗傳輸。如果有反射光出現(xiàn)且反向進入隔離器的只是與檢偏器光軸一致的那一部分光，經(jīng)旋光器被旋轉(zhuǎn)450

，變成水平線偏振光，正好與起偏器透光軸垂直，所以光隔離器能阻止反射光的通過。光環(huán)形器基本原理：工作原理等同于隔離器，光傳送順序：1234（三端口，四端口，多端口）主要特性：

插入損耗隔離度價格三端口光環(huán)行器四端口光環(huán)行器IsolatorsIsolator/couplerhybridsCirculator第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.7光調(diào)制器Modulators光調(diào)制器：實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換光調(diào)制的分類：從光源調(diào)制角度看，有兩種方法實現(xiàn)光調(diào)制，其一，將調(diào)制信號直接注入激光器（調(diào)制激光器驅(qū)動電流），而實現(xiàn)激光輸出光強度等參數(shù)的調(diào)制--內(nèi)調(diào)制或直接調(diào)制（簡單、經(jīng)濟、引入較大的啁啾）；其二，將調(diào)制信號控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應(yīng)使其輸出光的強度等參數(shù)隨信號而變--外調(diào)制（調(diào)制信號啁啾小）。按被調(diào)制光波的參數(shù)分：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制等。直接調(diào)制和外調(diào)制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外調(diào)制技術(shù)調(diào)制信號不直接施加在LD上，而是施加在光調(diào)制器上。外調(diào)制技術(shù)分類：電光調(diào)制ElectroopticEffects電致吸收Electro-AbsorptionEffects磁光調(diào)制MagnetoopticEffects聲光調(diào)制AcousticModulators其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。電光效應(yīng)光調(diào)制器電光效應(yīng)：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3)

，導(dǎo)致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化。折射率變化n與外加電場E有著復(fù)雜的關(guān)系，可近似地認為n與(rE+RE2)成正比。電光調(diào)制器主要利用普科爾(Pocket)效應(yīng).普科爾(Pocket)效應(yīng)：晶體折射率與外加電場幅度成線形變化克爾(Kerr)效應(yīng)：晶體折射率與外加電場幅度的平方成比例變化晶體折射率隨外加電場而變化。具有非常好的消啁啾特性，適合于高速系統(tǒng)的超長距離傳輸。但調(diào)制器的插入損耗大，需要較高的驅(qū)動電壓(典型值為4V)，難以與光源集成，而且對偏振敏感。40Gb/sLiNbO3ModulatorV/2VVt調(diào)制電壓透射光強半波電壓V是把調(diào)制器從最小光強轉(zhuǎn)換到最大光強所需的電壓電光調(diào)制的透過率(調(diào)制器被偏置在V/2點上)電致吸收光調(diào)制器是一種損耗器件，利用Franz-Keldysh效應(yīng)和量子限制Stark效應(yīng)，工作在調(diào)制器材料吸收邊界波長處。Franz-Keldysh效應(yīng)：1958年提出，是指在電場作用下半導(dǎo)體材料的吸收邊紅移的理論。原理：改變調(diào)制器上的偏壓，使多量子阱(MQW)的吸收邊界波長發(fā)生變化，進而改變光束的通斷，實現(xiàn)調(diào)制。當(dāng)調(diào)制器無偏壓時，光束處于通狀態(tài)，輸出功率最大；隨著調(diào)制器上偏壓的增加，MQW的吸收邊移向長波長，原光束波長處吸收系數(shù)增大，調(diào)制器為斷狀態(tài)，輸出功率最小。使用材料：III-V族半導(dǎo)體材料特點：易與激光器集成、體積小、驅(qū)動電壓低（~2V）、啁啾大于LN調(diào)制器（2.5Gb/s--640km;10Gb/s--80km)、調(diào)制碼率（40Gb/s）、消光比低于LN調(diào)制器（~10dB）40Gb/sEAModulator聲光效應(yīng)光調(diào)制器聲光效應(yīng)是指聲波作用于某晶體時，產(chǎn)生光彈性作用，使折射率發(fā)生變化，從而達到光調(diào)制的目的。特點：消光比高（~30dB）、驅(qū)動功率較低、帶寬窄。磁光效應(yīng)光調(diào)制器磁光效應(yīng)又稱為法拉第效應(yīng)。當(dāng)光通過介質(zhì)傳播時，若在垂直光的傳播方向上加一強磁場，則光的偏振面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角與介質(zhì)長度、外磁場強度成正比。調(diào)制原理：經(jīng)起偏器的光信號通過磁光晶體，其偏轉(zhuǎn)角與調(diào)制電流有關(guān)。由于起偏器與檢偏器的透光軸相互平行，當(dāng)調(diào)制電流為零時，透過檢偏器的光強最大；隨著電流逐漸最大，旋轉(zhuǎn)角加大，透過檢偏器的光強逐漸下降。第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.8光開關(guān)Switches實現(xiàn)光通道的通斷和轉(zhuǎn)換。光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件。開關(guān)時間是光開關(guān)的主要指標(biāo)。不同的應(yīng)用場合,對光開關(guān)的開關(guān)時間要求不同。應(yīng)用開關(guān)時間需求光路的交換及管理(OADM、OXC)1~10ms保護開關(guān)1~10ms光包交換1ns外調(diào)制10ps消光比、插損、串話、偏振相關(guān)性(PDL)也是光開關(guān)的重要參數(shù)機械光開關(guān)熱光開關(guān)電光開關(guān)微光機電系統(tǒng)（MOEMS）光開關(guān)的分類機械式光開關(guān)特點：低插損、低PDL、低串話(隔離度高)、性能穩(wěn)定、低價格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM節(jié)點中。是目前最為成熟，應(yīng)用最廣的光開關(guān)活動光纖光纖光纖固定裝置熱光效應(yīng)光開關(guān)基本結(jié)構(gòu)：MZ干涉儀，通過改變某一干涉臂的材料溫度，而改變其相位差，進而實現(xiàn)光信號的通斷特點：可以集成、開關(guān)速度優(yōu)于機械式（ms）3dB耦合器波導(dǎo)臂薄膜加熱器相位移動電光效應(yīng)光開關(guān)LiNbO3波導(dǎo)型電光開關(guān)：等同于外調(diào)制器特點：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、價格昂貴半導(dǎo)體光放大器SOA光開關(guān)：改變SOA驅(qū)動電流來實現(xiàn)特點：速度快（~ns）、無損開關(guān)，但引入ASE噪聲和可能導(dǎo)致信號畸變、價格昂貴類型大小插損(dB)串話(dB)PDL(dB)開關(guān)時間機械式883550.210ms熱光開關(guān)

SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms電光開關(guān)

LiNbO3SOA44448035401Low10ps1ns光開關(guān)性能比較新型光開關(guān)——MOEMS微光機電系統(tǒng)(MOEMS)光開關(guān)是微機電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)與傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型機械式光開關(guān)。MEMS技術(shù)是基于半導(dǎo)體微細加工技術(shù)而成長起來的制作工藝技術(shù)，利用這種技術(shù)可以制作出微小而活動的機械系統(tǒng)。采用集成電路(IC)標(biāo)準(zhǔn)工藝在Si襯底上制作出集成的微反射鏡陣列，反射鏡尺寸非常小，僅300微米左右，比頭發(fā)絲還細。I/OFibersImagingLensesReflectorMEMS2-axisTiltMirrorsMEMS光開關(guān)陣列優(yōu)點：可實現(xiàn)超大規(guī)模交叉連接可利用IC工藝，批量生產(chǎn)

MirrorDetailedViewofMode-EclipsingOpticalSwitch--Lucent.

1NMEMSSwitch

大規(guī)模交叉連接的廣闊市場前景將可能使MOEMS光開關(guān)陣列成為光開關(guān)的主流長距離系統(tǒng)中光交換設(shè)備市場預(yù)測(LightwaveMay2000)MOEMS光開關(guān)陣列可能成為光開關(guān)的主流HP/AgilentBubble開關(guān)陣列將成熟的噴墨打印技術(shù)與Si平面光路(PLC)結(jié)合。加熱時，利用氣泡的全反射，使來自輸入波導(dǎo)的光改變反向。第四章光器件4.1光器件概述4.2光連接器Connector4.3光衰減器Attenuator4.4光耦合器Coupler4.5復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter4.6光隔離器與環(huán)行器4.7光調(diào)制器Modulators4.8光開光Switches4.9光波長轉(zhuǎn)換器4.10光交叉互連器4.9光波長轉(zhuǎn)換器光波長轉(zhuǎn)換器（WavelengthConverter）是一種實現(xiàn)將光信號從某一波長的光載波轉(zhuǎn)換至另一波長光載波的器件，是波分復(fù)用光通信系統(tǒng)向光網(wǎng)絡(luò)演變的一個關(guān)鍵性器件。它可以在光通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛地用于光交換、波長路由以及光信號的全光再生等。光－電－光式光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(zhuǎn)換器光-電-光式光波長轉(zhuǎn)換器inReceiver/PhotodiodeElect.Amplifier/regenerator+driverLaserExternalmodulatorout

特點信號格式透明轉(zhuǎn)換速率可達10Gbit/s可以實現(xiàn)消光比增強及信號再生信噪比高偏振無關(guān)允許in=out輸入信號功率要求低技術(shù)成熟光電轉(zhuǎn)換線路復(fù)雜，終究要受電子瓶頸的限制全光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(zhuǎn)換器是將信號從一個波長變?yōu)榱硪粋€波長而不需要變換到電域，因此具有高速、寬帶、透明(與信號格式無關(guān))的特點。利用SOA中的交叉增益調(diào)制(XGM)利用SOA中的交叉相位調(diào)制(XPM)利用SOA中的四波混頻效應(yīng)(FWM)基于SOA-XGM的WCAstheinputpowerincreases,thecarriersinthegainregionoftheSOAgetdepleted,resultinginareductionintheamplifiergain.Ifthelow-powerprobesignalatadifferentwavelengthissentintotheSOA,itwill