第4章 光通信器件4

1、1課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(復(fù)用)耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(解復(fù)用)1.進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端波分復(fù)用技術(shù) 是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用技術(shù)，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。4.5.7 4.5.7 波分復(fù)用器波分復(fù)用器2課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)可以節(jié)約大量的光纖波分復(fù)用通道對(duì)數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號(hào)速率及電調(diào)制方式無關(guān)。 同一光纖中傳輸?shù)男盘?hào)波長(zhǎng)彼此獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信

2、號(hào)的綜合和分離，包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的綜合與分離。主要特點(diǎn)3課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)發(fā)展過程 在80年代初，光纖通信興起之初，人們想到并首先采用的是在光纖的兩個(gè)低損耗窗口1310nm和1550nm窗口各傳送1路光波長(zhǎng)信號(hào)，也就是131Onm155Onm兩波分的WDM系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在我國(guó)也有實(shí)際的應(yīng)用。 很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在人們的理解中，WDM系統(tǒng)就是指波長(zhǎng)間隔為數(shù)十nm的系統(tǒng) 例如1310nm1550nm兩波長(zhǎng)系統(tǒng)（間隔達(dá)200多nm）。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的條件下，實(shí)現(xiàn)幾個(gè) nm 波長(zhǎng)間隔是不大可能的。4課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)發(fā)展過程 隨著隨著1550nm1550nm窗口窗口EDFAEDF

3、A的商用化，的商用化，WDMWDM系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)入了系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。人們不再利用一個(gè)新時(shí)期。人們不再利用1310nm1310nm窗口，而只在窗口，而只在1550nm1550nm窗窗口傳送多路光載波信號(hào)?？趥魉投嗦饭廨d波信號(hào)。 由于這些WDM系統(tǒng)的相鄰波長(zhǎng)間隔比較窄（一般（1.6nm），且工作在一個(gè)窗口內(nèi)共享EDFA光放大器，為了區(qū)別于傳統(tǒng)的 WDM 系統(tǒng)，人們稱這種波長(zhǎng)間隔更緊密的 WDM 系統(tǒng)為 密集，是指相臨波長(zhǎng)間隔而言。過去WDM系統(tǒng)是幾十nm的波長(zhǎng)間隔，現(xiàn)在的波長(zhǎng)間隔小多了，只有（0.82）nm，甚至0.8nm。 密集波分復(fù)用技術(shù)其實(shí)是波分復(fù)用的一種具體表現(xiàn)形式。由于密集波分

4、復(fù)用技術(shù)其實(shí)是波分復(fù)用的一種具體表現(xiàn)形式。由于DWDMDWDM光載波的間隔很密，因而必須采用高分辨率波分復(fù)用器件來選取，例如光載波的間隔很密，因而必須采用高分辨率波分復(fù)用器件來選取，例如平面波導(dǎo)型或光纖光柵型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分復(fù)用平面波導(dǎo)型或光纖光柵型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分復(fù)用器件。器件。5課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)波分復(fù)用器件1、熔錐型波分復(fù)用器件 利用熔錐型耦合器的波長(zhǎng)依賴性可以制作WDM器件，耦合器的耦合長(zhǎng)度Lc隨波長(zhǎng)而異。對(duì)于一特定的耦合器， 不同波長(zhǎng)的理想功率耦合比(即抽頭比或相對(duì)輸出功率)呈正弦形， 從而形成對(duì)不同波長(zhǎng)具有不同通透性的濾波特性，

5、據(jù)此可以構(gòu)成WDM器件。1550nm980nm1550nm980nm1550nm980nm6課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)雙波長(zhǎng)熔錐型波長(zhǎng)耦合器的特性1550 nm1310nm10080604020022.533.544.55拉伸長(zhǎng)度耦合比(%)7課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)2、光柵型波分復(fù)用器l輸入的多波長(zhǎng)復(fù)合信號(hào)聚焦在反射光柵上；l光柵對(duì)不同波長(zhǎng)光的衍射角不一樣，從而把復(fù)合信號(hào)分解為不同波長(zhǎng)的分量；l然后由透鏡聚焦在每根輸出光纖上。 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

6、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(a)(a)透射光柵(b)(b)普通透鏡反射光柵(c)(c)漸變折射率透鏡反射光柵8課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖（透鏡型）光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖（透鏡型）光光 纖纖透透 鏡鏡光光 柵柵l l1l l2l l3l l1l l2l l3l l1+ l l2+ l l3l l1+ l l2+ l l39課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光光 纖纖棒棒 透透 鏡鏡光光 柵柵l l1+ l l2+ l l3 l l1 l l2

7、 l l3+ + l l3 l l1 l l2 l l3光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖（棒透鏡型）光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖（棒透鏡型）10課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)3、介質(zhì)薄膜干涉型波分復(fù)用器l介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器利用光的干涉效應(yīng)選擇波長(zhǎng)。連續(xù)反射光在前表面相長(zhǎng)干涉復(fù)合，在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。l這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，就使一些波長(zhǎng)的光通過，而另一些波長(zhǎng)的光透射。入射光入射光反射光反射光透射透射光光折射率折射率高高高高低低低低4l l高高濾波器濾波器1 1 濾波器濾波器2 2l l1321,l ll ll l2l l3l l32,l ll l

8、介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器件的工作原理介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器件的工作原理11課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)用介質(zhì)薄膜構(gòu)成典型的解復(fù)用器透 鏡透 鏡光 纖 輸 出透 鏡透 鏡l5l3l1l2l4l1， 2， 3， 4， 512課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)波導(dǎo)光柵自由空間耦合區(qū)輸入輸出12N.DL=常數(shù)neffl1l2lN.lNl1l2扇形波導(dǎo)列陣波導(dǎo)型光柵（AWG）波分復(fù)用器4、列陣波導(dǎo)型波分復(fù)用器件13課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)工作原理AWG是由長(zhǎng)度不同的幾個(gè)通道波導(dǎo)構(gòu)成，輸入輸出波導(dǎo)群和兩個(gè)扇形平面波導(dǎo)一起集成在襯底上。入射的光經(jīng)過第一個(gè)扇形波導(dǎo)衍射而被擴(kuò)散，AWG的各個(gè)波導(dǎo)是無耦合的分離配置

9、，其長(zhǎng)度差為L(zhǎng)，透過波導(dǎo)后，在輸出的扇形波導(dǎo)中傳輸?shù)墓馐窍嗷ジ缮娴?，在端部輸出波?dǎo)中依據(jù)干涉條件輸出，各波導(dǎo)輸出的中心波長(zhǎng)為：式中n為波導(dǎo)折射率，m為衍射級(jí)數(shù)。這個(gè)過程就是分波過程，若光進(jìn)行的方向反過來，就是合波器的工作原理。mLnCDl14課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器的性能參數(shù) 光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對(duì)波分復(fù)用器的基本對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是：要求是： 插入損耗小 隔離度大 帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭 溫度穩(wěn)定性好 復(fù)用通路數(shù)多 尺寸小等15課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)16課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)

10、l調(diào)制有直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。l直接調(diào)制是信號(hào)直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)。l外調(diào)制是信號(hào)通過外調(diào)制器對(duì)連續(xù)輸出光進(jìn)行調(diào)制。激光器激光器激光器激光器 輸出輸出調(diào)制光調(diào)制光電信號(hào)電信號(hào)直接調(diào)制直接調(diào)制幅度或相位幅度或相位調(diào)制器調(diào)制器 輸出輸出調(diào)制光調(diào)制光電信號(hào)電信號(hào)連續(xù)連續(xù)光信號(hào)光信號(hào)外調(diào)制外調(diào)制4.5.8 4.5.8 調(diào)制器調(diào)制器17課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)外調(diào)制l外調(diào)制方式是讓激光器連續(xù)工作，把外調(diào)制器放在激光器輸出端之后。l用承載信息的信號(hào)通過調(diào)制器對(duì)激光器的連續(xù)輸出進(jìn)行調(diào)制。l只要調(diào)制器的反射足夠小，激光器的線寬就不會(huì)增加。為此，通常要插入光隔離器。l最常用的調(diào)制器是電光調(diào)制器和電吸

11、收調(diào)制器。激光器激光器幅度或相位幅度或相位調(diào)制器調(diào)制器 輸出輸出調(diào)制光調(diào)制光電信號(hào)電信號(hào)連續(xù)連續(xù)光信號(hào)光信號(hào)外調(diào)制外調(diào)制18課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)調(diào)制器的工作原理調(diào)制器調(diào)制器可以用電光效應(yīng)電光效應(yīng)、 磁光效應(yīng)磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。 這種晶體的和的關(guān)系為 n=n0+E+E2 式中，n0為E=0時(shí)。和是張量，稱為電光系數(shù)電光系數(shù)。 根據(jù)不同取向，當(dāng)當(dāng)=0=0時(shí)時(shí)，n隨E按比例變化，稱為線性電光效應(yīng)或普克爾線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockel)(Pockel)效應(yīng)效應(yīng)。 當(dāng)當(dāng)=0=0時(shí)時(shí)，n隨E2按比例變化， 稱為二次電光效應(yīng)二次電光效應(yīng)或克爾克爾(Kerr)效應(yīng)。 調(diào)制器是利用實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檎凵渎蕁隨外加電場(chǎng)E(電壓U)而變化， 改變了入射光的相位和輸出光功率。 19課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)LiNbO3 tV共共平平面面條條形形電電極極偏偏振振光光輸輸入入調(diào)調(diào)制制信信號(hào)號(hào)波波導(dǎo)導(dǎo)3LiNbO-Ti輸輸出出DCAB20課程物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)LiNbO3 tV共共平平面面條條形形電電極極偏偏振振光光輸輸入入調(diào)調(diào)制制信信號(hào)號(hào)波波導(dǎo)導(dǎo)3LiNbO-Ti輸輸出出DCA