光通信無源器件技術(shù)

光通信無源器件技術(shù)7/30/20231第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月§4.1光通信的歷史電話、攝象機(jī)、計(jì)算機(jī)、電視編碼、調(diào)制、發(fā)射機(jī)信息源傳輸介質(zhì)信息終端接收機(jī)、解調(diào)、解碼光纖、雙絞線、自由空間發(fā)送單元接收單元4.1.1光通信系統(tǒng)介紹7/30/20232第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月通訊系統(tǒng)基本要素1.信息源2.發(fā)送單元3.傳輸介質(zhì)4.接收單元5.信息終端

7/30/20233第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月對通信系統(tǒng)的要求1.提高傳輸保真度

2.提高數(shù)據(jù)率

3.增加傳輸距離

載波：光頻電磁波

光通信系統(tǒng)組成：1.電端機(jī)2.光端機(jī)3.光纖、光纜4.光端機(jī)5.電端機(jī)

7/30/20234第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月光發(fā)射機(jī)、光調(diào)制器電端機(jī)光纖（纜）光端機(jī)電端機(jī)光端機(jī)光接收機(jī)光纖（光纜）、光放大器7/30/20235第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月器件1.光發(fā)射機(jī)2.光調(diào)制器3.光纖（光纜）4.光放大器5.光接收機(jī)6.其它器件7/30/20236第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月最早的光通信烽火？手勢？旗語？1883:AlexanderGrahamBell—光電話實(shí)驗(yàn)：200米，太陽光

關(guān)鍵問題可靠的光源相干性合適當(dāng)傳播介質(zhì)損耗低可靠性高4.1.2光通信的歷史7/30/20237第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1960Maiman：紅寶石激光器1962GaAs二極管激光器：脈沖方式，77°K.1966高錕、Hockham及Werts：石英光纖的損耗可以減小到適合作為傳輸介質(zhì)1970—兩大重要突破康寧公司：單模光纖，損耗20dB/km，傳輸介質(zhì)的閾值貝爾實(shí)驗(yàn)室：室溫連續(xù)AlGaAs半導(dǎo)體激光器波長850nm壽命幾分鐘－數(shù)小時(shí)結(jié)構(gòu)：GaAs材料上外延生長雙異質(zhì)結(jié)AlGaAs

7/30/20238第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月隨后的其它技術(shù)突破：多模光纖：4dB/km，SiO2

摻GeO2AlGaAs激光二極管：壽命-幾十萬小時(shí)(1978—107

小時(shí)）第一代光纖通信系統(tǒng)1976-45Mb/s野外實(shí)驗(yàn)，Atlanta，MMF，0.85μm1977-45Mb/s芝加哥，商業(yè)應(yīng)用，2辦公室，7km

第二代光纖通信系統(tǒng)1976兩大進(jìn)步NTT：MMF，損耗1dB/km—0.5dB/km，1.3μm&1.55μmLincoln實(shí)驗(yàn)室：室溫長波長InGaAsP/InP激光器1981，1.3μmMMF通信系統(tǒng)-第二代光通信系統(tǒng).

7/30/20239第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第三代光纖通信系統(tǒng)

1.3μm,SMF,0.5dB/km,140Mb/s(1984)1.3μm,SMF,565Mb/s,1.7Gbits/s(1986生產(chǎn)，1987商用)2.488Gbits/s(1991商用化)

實(shí)驗(yàn)：10Gb/s7/30/202310第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1986→第四代光纖通信系統(tǒng)兩大技術(shù)革新：波分復(fù)用（WDM）光放大器（EDFA）1.55μm,SMF,0.2dB/km商用:4×10Gb/s—40Gb/s(Nortel)8×10Gb/s—80Gb/s(Lucent)80×5Gb/s—400Gb/s(Lucent:wavestarTMOLS400G)實(shí)驗(yàn):Tb/s7/30/202311第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月下一代光孤子？？？全光網(wǎng)絡(luò)？智能光網(wǎng)絡(luò)？對器件要求集成化小型化7/30/202312第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.3

光器件簡介概念基礎(chǔ)應(yīng)用類型分立器件集成器件功能集成和數(shù)量集成光－電集成和光－光集成單片集成和混合集成7/30/202313第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月主要應(yīng)用有源無源器件光纖通信干線光交換接入網(wǎng)DWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H

位移、振動溫度、壓力應(yīng)變、應(yīng)力電流、電壓電場、磁場流量、濃度可以測量70多個(gè)物理化學(xué)量廣告顯示牌激光手術(shù)刀儀表照明工藝裝飾電力輸送光纖面板醫(yī)用內(nèi)窺鏡潛望鏡

光收發(fā)模塊光接入模塊光開關(guān)模塊光放大模塊信號處理信息獲取信息傳輸信息處理其它應(yīng)用7/30/202314第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月光電子器件類型（通信）有源激光器光放大器探測器光調(diào)制器波長轉(zhuǎn)換器光隔離器光耦合器光濾波器光開關(guān)光衰減器色散補(bǔ)償器偏振控制器偏振模補(bǔ)償器無源7/30/202315第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月§9.2光通信系統(tǒng)的無源器件

光纖連接器光開關(guān)光衰減器光調(diào)制器光隔離器7/30/202316第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

光纖連接器

光纖連接器的主要指標(biāo)：光纖連接器的類型：7/30/202317第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2、光纖連接器件光纖連接器件的作用是一根光纖中的光最大限度地傳到另一光纖中，或光信號在不同光纖之間耦合傳遞。廣義上連接器分為兩種類型：可拆卸型連接器。它被設(shè)計(jì)成可被連接，必要時(shí)又可拆開。永久型連接器。它被一次型連接使用，不能在拆開后重復(fù)使用。7/30/202318第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月可拆卸型光纖連接器7/30/202319第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月各種光纖連接器7/30/202320第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月光開關(guān)一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件機(jī)械式和非機(jī)械式機(jī)械式插入損耗低，隔離度高，不受偏振和波長影響開關(guān)時(shí)間較長（毫秒量級），存在回跳抖動，重復(fù)性差移動光纖、移動套管、移動準(zhǔn)直鏡、移動反光鏡、移動棱鏡、移動耦合器、MEMS非機(jī)械式開關(guān)時(shí)間短，體積小，易于集成插損大，隔離度低，有的具有偏振和/或波長相關(guān)電光、磁光、聲光、熱光等7/30/202321第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械式光開關(guān)移動光纖式固定光纖移動光纖移動反射鏡型反射鏡轉(zhuǎn)動軸光纖轉(zhuǎn)動軸反射鏡光纖?節(jié)距移動反射鏡型7/30/202322第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械式光開關(guān)（MEMS)MEMS：MicroElectronicandMechanicalSystem利用硅材料和微電子加工技術(shù)制作的微機(jī)械裝置MEMS器件可調(diào)諧器件微F-P腔可調(diào)光衰減器光調(diào)制器低速率、低成本接入網(wǎng)光濾波器復(fù)用/解復(fù)用器光柵7/30/202323第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月基于移動光纖式（MEMS)特點(diǎn)偏振無關(guān)機(jī)械可靠性高設(shè)計(jì)不受光纖種類限制開關(guān)速度慢（毫秒）7/30/202324第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月基于微鏡式（MEMS)特點(diǎn)偏振無關(guān)機(jī)械可靠性高擴(kuò)展性好開關(guān)速度較快（10微秒）組成部分活動微鏡驅(qū)動執(zhí)行單元輸入/輸出光纖結(jié)構(gòu)二維N2結(jié)構(gòu)方案活動微鏡只有兩種狀態(tài)運(yùn)動方式：上下折疊、左右移動和旋轉(zhuǎn)控制簡單難以直接實(shí)現(xiàn)大端口數(shù)（最大32）用級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)大端口數(shù)（可達(dá)數(shù)百）三維2N個(gè)微鏡每個(gè)微鏡有N個(gè)可能狀態(tài)驅(qū)動結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜7/30/202325第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月基于微鏡式MEMS（二維）4×44×4組成的8×87/30/202326第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月基于微鏡式MEMS7/30/202327第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月其它方式MEMS7/30/202328第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月非機(jī)械式光開關(guān)（體器件）電光開關(guān)入射光xzyV45o光的偏振方向V=0V=VIout=IinIout=0Kerr效應(yīng)7/30/202329第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月非機(jī)械式光開關(guān)（波導(dǎo)型）基本構(gòu)形干涉型方向耦合器型X交叉型MZI型DOS型Y分支型非對稱X交叉型方向耦合器型7/30/202330第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月方向耦合器型方向耦合器的原理aE1dE(x)xxn(x)x0n0ng波導(dǎo)1波導(dǎo)2E2波導(dǎo)1波導(dǎo)2輸入輸出z=0z=Lz=2L7/30/202331第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月方向耦合器的原理波導(dǎo)1波導(dǎo)2輸入輸出z=0z=Lz=2LzP(z)P2P1z=Lxn(x)x0n0ng波導(dǎo)1波導(dǎo)27/30/202332第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月方向耦合器型光開關(guān)一般為電光型波導(dǎo)1波導(dǎo)2輸入輸出z=0z=Lz=2L電極位置＋－＋－緊湊制作精度要求高偏振靈敏7/30/202333第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月干涉型光開關(guān)（波導(dǎo)型）X交叉型MZI型通過電光或熱光效應(yīng)調(diào)節(jié)兩臂之間的相位差，使得光束會合處出現(xiàn)相長干涉或相消干涉，從而達(dá)到切換輸出端口的目的。又稱零間距方向耦合器型通過交叉部隊(duì)光模式間的干涉實(shí)現(xiàn)切換輸出端口的目的7/30/202334第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月DOS型光開關(guān)（波導(dǎo)型）非對稱X型可以看作兩個(gè)Y分支構(gòu)成Y分支型非對稱X交叉型Y分支工作原理僅為功率分配器：進(jìn)入兩波導(dǎo)分支的功率幾乎相等為模分配器：(TE)0輸入變成在具有較大的分支波導(dǎo)中有(TE)0模式，而(TE)1輸入變成在具有較大的分支波導(dǎo)中有(TE)0模式。p為耦合區(qū)中場的平均衰減常數(shù)對稱Y分支熱光光開關(guān)7/30/202335第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月DOS型光開關(guān)（波導(dǎo)型）Y分支光開關(guān)級聯(lián)Y分支型非對稱X交叉型Y分支光開關(guān)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單偏振不敏感在某些波長范圍內(nèi)，波長不敏感電壓控制精度要求低功耗高（特別是熱光）尺寸大7/30/202336第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月光衰減器按照用戶要求對光信號進(jìn)行預(yù)期的衰減用途：光通信線路、系統(tǒng)評估、研究光通信線路、系統(tǒng)調(diào)整、校正在波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)中用來調(diào)整各信道信號的強(qiáng)弱測試儀器的光功率衰減光放大器的功率平坦模擬光纖長距離傳輸檢測傳輸系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

7/30/202337第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月光衰減器類型固定光衰減器可調(diào)光衰減器位移型光衰減片型波導(dǎo)型MEMS7/30/202338第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月位移型光衰減器橫向位移型d特點(diǎn)僅用于固定衰減器回波損耗大，偏振無關(guān)體器件7/30/202339第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月位移型光衰減器縱向位移型特點(diǎn)用于固定衰減器和一些小型可調(diào)光衰減器偏振無關(guān)體器件7/30/202340第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月光衰減片型特點(diǎn)不具備連續(xù)可變的衰減特性體器件準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡衰減片盤衰減片7/30/202341第41頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月波導(dǎo)型基本與光開關(guān)同樣的結(jié)構(gòu)方向耦合器MZI和對稱X交叉Y分支和非對稱X交叉直波導(dǎo)電光、熱光或聲光效應(yīng)來控制衰減

體積小、性能好和易于集成等優(yōu)點(diǎn)

7/30/202342第42頁，課件共45頁，