-第五章無(wú)源光器件-PPT課件

1、第五章 無(wú)源光器件 7/22/2022nancy 主要內(nèi)容連接器和接頭 光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光調(diào)制器光開關(guān)教學(xué)重點(diǎn)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(wú)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(zhǎng)、 體積小、價(jià)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(lái) 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(wú)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(jié)構(gòu) 2光纖式定向耦合器的參數(shù) 光通信中經(jīng)常需要把多個(gè)光信號(hào)耦合到一起，或?qū)⒐庑盘?hào)分到多根光纖中，光耦合器可以實(shí)現(xiàn)這些功能 7/22/2022nancy1光定向耦合器的結(jié)構(gòu)光定向耦合器按其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)（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(jié)構(gòu) 2光環(huán)行器 3光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數(shù) 7/22/2022nancy1光隔離器的基本原理和結(jié)構(gòu)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(shù)對(duì)于光隔離器與光環(huán)行器來(lái)講，它們都是希望從輸入端口輸入的光信號(hào)到輸出端口時(shí)，衰減盡量小，即要求器件的插入損耗要?。粚?duì)于不應(yīng)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(shù)主要是自由譜域（FSR）及帶寬（BW）。（1）自由譜域（FSR）：為相鄰波長(zhǎng)之間的距離 （2）帶寬（BW）：為諧振峰降至一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，又稱為3dB帶寬。 7/22/2022nancy3.4.4 光開關(guān)能夠控制傳輸通路中光信號(hào)通或斷或進(jìn)行光路切換作用的器件，稱為光開關(guān)。光開關(guān)是全光交換技術(shù)中的關(guān)鍵器件。光開關(guān)一般包括兩種：機(jī)械式光開關(guān)和電子式光開關(guān)。 7/22/2022nancy3.4.4 光開關(guān)圖3-39 機(jī)械式光開關(guān) 7/22/2022nancy3.4.4 光開關(guān)圖3-40

5、 電子式光開關(guān) 7/22/2022nancy3.4.5 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 能夠使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件稱為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器比較容易實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是與偏振無(wú)關(guān)；主要缺點(diǎn)是由于速度受電子器件限制，因此不適應(yīng)高速大容量光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的要求。全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器（SOA）構(gòu)成。7/22/2022nancy1光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-41 光電光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器7/22/2022nancy2全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-42 全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器7/22/2022nancy3.4.6 波分復(fù)用器在一根光纖中能同時(shí)傳

6、輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)，稱為光波分復(fù)用技術(shù)（WDM）。如果在系統(tǒng)發(fā)送端采用此技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)送入光纖傳輸?shù)脑O(shè)備稱為光波分復(fù)用器。在系統(tǒng)接收端可通過(guò)解復(fù)用器（分波器），將組合在一起的光信號(hào)分離并送入不同的終端。 7/22/2022nancy3.4.6 波分復(fù)用器1光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理 2光波分復(fù)用器 7/22/2022nancy1光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理光波分復(fù)用器是對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行合成與分離的光器件。由光波分復(fù)用器構(gòu)成的光波分復(fù)用系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)分，可分為單纖單向WDM系統(tǒng)和單纖雙向WDM系統(tǒng)。 7/22/2022nancy1光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-43

7、 單纖單向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng) 7/22/2022nancy1光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-44 單纖雙向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng) 7/22/2022nancy2光波分復(fù)用器 （1）光波分復(fù)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(fù)用器圖3-45 WDM光傳輸原理圖 7/22/2022nancy2光波分復(fù)用器 （2）光波分復(fù)用器的光學(xué)特性 復(fù)用器復(fù)用器的光學(xué)特性可以用給定的輸入端口的插入損耗波長(zhǎng)關(guān)系曲線表示。 解復(fù)用器解復(fù)用的光學(xué)特性，可以用輸入端到N個(gè)輸出端的各信道的波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線來(lái)表達(dá) 7/22/2022nancy2光波分復(fù)

8、用器圖3-46 復(fù)用器插入損耗波長(zhǎng)關(guān)系曲線 7/22/2022nancy2光波分復(fù)用器圖3-47 解復(fù)用器波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線 7/22/2022nancy2光波分復(fù)用器 中心波長(zhǎng)和中心波長(zhǎng)的工作范圍 中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)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(fù)用器（3）熔融光纖型波分復(fù)用器熔融光纖型是指將兩根光纖緊靠在一起并通過(guò)加熱使兩光纖熔接而成。這種復(fù)用器非常便于與光纖通信系統(tǒng)耦合連接，而且插入損耗極小，且體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。 7/22/2022nancy2光波分復(fù)用器圖3-48 熔融光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)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(wú)源器件。它是利用光纖中的光敏性而制成的。光敏性是指當(dāng)外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在幾厘米之內(nèi)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(diǎn)是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長(zhǎng)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(wú) 源 器 件 一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測(cè)器外， 還需要許多其它光器件，特別是無(wú)源器件。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)

10、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(zhǎng)、 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(wú)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(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(wú)源器件之間的連接。 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(chǎng)實(shí)施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源器件。 7/22/

11、2022nancy圖 3.27 套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖 7/22/2022nancy 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。 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。 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(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(zhǎng)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)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 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(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)

13、構(gòu)。 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(gè)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(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(CL) 式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，C為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。7/22/2022nancy圖 3.30 光纖型波分解復(fù)用器原理 Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL)

14、7/22/2022nancy 設(shè)特定波長(zhǎng)為1和2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射)光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)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(fù)用器； (d) 光柵式解復(fù)7/22/2022nancy 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(lái)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(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器。 7/22/2022nancy圖3.32 波導(dǎo)型藕合器7/22/2022nancy 3. 主要特性 說(shuō)明耦合器參數(shù)的模型如圖3.33所示， 主要參數(shù)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(chǎn)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(gè)指定輸入端的光功率Pic和一個(gè)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(gè)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(zhǎng)為1.31 m或(和)1.55 m單模光纖型耦合器和波分復(fù)用器/解復(fù)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(shù)光無(wú)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(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。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(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。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?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(chǎng)矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場(chǎng)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。 7/22/2022nancy圖 3.34 隔離器的工作原理 7/22/2022nancy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(wú)關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。 具有任意偏振態(tài)的入射光通過(guò)一個(gè)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(wú)關(guān)的隔離器 7/22/2022nancy環(huán)行器除了有多個(gè)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