光網(wǎng)絡器件精品課件

1、光網(wǎng)絡器件第1頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一類型：無源、有源無源主要包括：光連接器、光衰減器、光耦合器、光復用器、光隔離器、環(huán)行器、光濾波器、光解復用器、光調(diào)制器、光開光等有源主要包括：激光器、光檢測器、光放大器等分類：常用器件：光連接器、光衰減器、光耦合器、光隔離器、環(huán)行器、激光器、光調(diào)制器、光檢測器波分復用器件：光濾波器、光復用器、光解復用器、光放大器光網(wǎng)絡用器件：光開光發(fā)展趨勢：集成化、全光纖化第2頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.1 光 纖 連 接 器10.2 光纖耦合器10.3 光 開 關10.4 光纖激光器第3頁，共128頁

2、，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.1 光 纖 連 接 器10.1.1 光纖連接器的結構與種類 光纖(纜)活動連接器是實現(xiàn)光纖(纜)之間活動連接的光無源器件，它還具有將光纖(纜)與其他無源器件、光纖(纜)與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。第4頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 光纖連接器由三個部分組成的：兩個配合插頭和一個耦合管。兩個插頭裝進兩根光纖尾端；耦合管起對準套管的作用。如圖10.1所示。圖10.1 光纖活動連接器基本結構第5頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一1. 光纖連接器的結構光纖連接器基本上是采用某種機械和光學結構，使兩

3、根光纖的纖芯對準，保證90%以上的光能夠通過，目前有代表性并且正在使用的光纖連接器主要有五種結構。第6頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一(1) 套管結構套管結構的連接器由插針和套筒組成。(2) 雙錐結構雙錐結構連接器是利用錐面定位。(3) V形槽結構V形槽結構的光纖連接器是將兩個插針放入V形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對準原理使纖芯對準。第7頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一圖10.2 V形槽結構第8頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一(4) 球面定心結構球面定心結構由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是

4、裝有圓錐面(相當于車燈的反光鏡)的插針。(5) 透鏡耦合結構透鏡耦合又稱遠場耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種，其結構分別如圖10.3、圖10.4所示。第9頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一圖10.3 球透鏡耦合結構圖10.4 自聚焦透鏡耦合第10頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一連接器的類型按接頭外形分類FCSCLCNTT公司開發(fā)。其外部加強方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣 日本NTT公司開發(fā)的光纖連接器。其外殼呈矩形，緊固方式是采用插拔銷閂式，不需旋轉，具有安裝密度高的特點。ST由Bell lab開發(fā)出來。采用操作方便的模塊化插孔閂

5、鎖機理制成。其所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25mm，提高了光配線架中連接器的密度。目前，在單模光纖方面，LC類型的連接器實際已經(jīng)占據(jù)了主導地位。 由ATT開發(fā)出來，是雙錐型連接器。 ST光纖連接器有一個直通和卡口式鎖定機構。第11頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.1.2 光纖連接器特性評價一個連接器的主要指標有4個，即插入損耗、回波損耗、重復性和互換性。1. 插入損耗 插入損耗是指光纖中的光信號通過活動連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)，表達式為：Ac-10lgP1/P0(dB) 式中：Ac為連接器插入損耗；P

6、0為輸入端的光功率；P1為輸出端的光功率。第12頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一2. 回波損耗 回波損耗又稱為后向反射損耗。它是指光纖連接處，后向反射光對輸入光的比率的分貝數(shù)，表達式為：Ar-10lgPR/P0 (dB) 式中：Ar表示回波損耗；P0表示輸入光功率；PR表示后向反射光功率。第13頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一3. 重復性和互換性 重復性是指光纖(纜)活動連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指連接器各部件互換時插入損耗的變化，也用dB表示。第14頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.2

7、 光纖耦合器光耦合器是將光信號進行分路或合路、插入、分配的一種器件。NN1NP1/NP1/NP1/N耦合器的每個輸入端的光功率被分配到所有輸出端口第15頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.2.1 光纖耦合器的分類和應用 制作光耦合器可以有多種方法，大致可分為光纖型、微器件型、波導型等。光纖耦合器波導耦合器襯底SiO2第16頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一耦合器的應用PASSIVESPLITTER主要用途：功率分配第17頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一密集波分復用（DWDM）光纖通信：損耗低、 距離遠、容量大1310

8、RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXDWDM：光傳輸?shù)膭潟r代的革命1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1

9、310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX增加容量：時分復用、空分復用TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXDWDMDWDM120 km120 km120 km第18頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光纖型耦合器 (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 1、光纖型第19頁，共128頁

10、，2022年，5月20日，18點2分，星期一1，221直通臂耦合臂1 2P 0 P1 P2熔錐光纖型波分復用器結構和特性1 21212121 21 21 21 2公共臂22 的光纖耦合器第20頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一熔融拉錐法的原理：熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導結構，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。第21頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一耦合光功率耦合光功率P2跟以下參數(shù)有關：拉伸區(qū)長度2L+W拉伸區(qū)內(nèi)逐漸變小的光纖半徑r耦合區(qū)中

11、兩根光纖的半徑差Dr總拉伸長度光約束在纖芯中傳播光纖半徑減小V明顯減小部分光在纖芯外傳播發(fā)生耦合P3P1P2P0光輸入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰寬度決定拉伸時決定第22頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一22光纖耦合器內(nèi)的光功率分布假設耦合器無損耗兩根光纖交替成為驅(qū)動光纖k 是耦合系數(shù)50 : 50被驅(qū)動光纖與驅(qū)動光纖相位相差90 度第23頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一例 22雙錐形光纖耦合器的輸入光功率為P0 = 200 mW，另外三個端口的輸出功率分別為P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，P3= 6.3 nW，可以求得為

12、：第24頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光纖耦合器的散射矩陣表示法假設器件無損耗其中S為散射矩陣， sij = |sij|exp(jfij)為耦合系數(shù)e 為光功率從端口1到端口2的耦合比例第25頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一例 設e = 0.5，那么輸出場Eout,1和Eout,2可以從輸入場Ein,1和Ein,2得到，此時的散射矩陣可以寫成令Ein,2 = 0，則有那么可以得到兩個端口的輸出功率為和第26頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一NN 星型耦合器多根光纖一起熔融技術難度大，主要是眾多光纖之間的耦合響應控制比

13、較困難，因此難以制作大規(guī)模的光耦合器第27頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一級聯(lián)的辦法構造大規(guī)模光耦合器由12個22耦合器組成的88星形耦合器第28頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一構成一個NN耦合器所需3 dB耦合器的數(shù)量：一個NN星形耦合器附加損耗：級聯(lián)光耦合器的損耗其中FT (01) 為通過每個3 dB耦合器的輸出功率與輸入功率比第29頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 圖 10.9微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復用器； (d) 光柵式解復用器2、微器件型 用自聚焦透鏡和分

14、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)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學器件構成，如圖所示。 第30頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一衍射光柵型波分復用器結構示意圖光 纖透 鏡光 柵1231231+ 2+ 31+ 2+ 31+ 2+ 3123第31頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一采用棒透鏡的光柵型WDM光 纖棒 透 鏡光 柵1+ 2+ 3 1 2 31+ 2+ 3 1 2 3第32頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光柵 光柵是材料中的一個周期性結構或周期性擾動。這種結構使

15、光柵具有特殊性質(zhì)：與波長相關的反射特性。這種特性可以使用光柵方程描述：不同波長的光具有不同的衍射角，因此它們在空間上被分開。第33頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一(1) 干涉法干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場，調(diào)節(jié)兩干涉臂長，使得形成的干涉條紋周期滿足制作光纖光柵的要求。 (2) 相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用預先制作的膜板，當紫外光通過相位板時產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場，將光柵寫入光纖。光纖光柵的產(chǎn)生第34頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一外部寫入法紫外掩模寫入法：1. 用兩束紫外光照

16、射光纖并發(fā)生干涉2. 摻鍺的高光敏纖芯在光強部分折射率增加3. 光柵永久寫入光纖第35頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光纖光柵應用波長濾波器l1 l2 lnl2 lnl1l1l1l1l1l1l1第36頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光纖光柵的應用光濾波器光分插復用器色散補償器傳感器：對溫度敏感，隨溫度變化中心波長發(fā)生改變 溫度6度的變化導致0.6 nm的中心波長的漂移窄帶濾波器Dt第37頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 圖10.10 波導型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解復用器；3、波

17、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(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。第38頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一Mach-Zehnder Interferometer (MZI) 解/復用器l1l2l1l2l1l2l1l2第39頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一22 MZI解復用工作原理從端口1輸出的光：途徑下臂的光相對上臂的相位差為p/2 + bDL + p/2從端口2輸出的光：途徑下臂的光相對上臂的相位差為p/2 + bDL - p/2如果在輸入端的波長滿足bDL = kp

18、 (k為奇)兩個支路的光在上輸出端口相差2p的整數(shù)倍，在下端口的光相差p的整數(shù)倍，因此，光最終從上端口輸出如果在輸入端的波長滿足bDL = kp (k為耦)那么光信號由下輸出端口輸出因此不同的波長可以解復用到不同輸出端b：傳播常數(shù)第40頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一22 MZI復用器選擇合適的波長，或者說當DL滿足關系：時，l1和l2可以被復用在一起。第41頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一多端口的MZI復用器第42頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一圖10.15 波導陣列光柵陣列波導光柵第43頁，共128頁，2022年

19、，5月20日，18點2分，星期一基于相位陣列的WDM器件相鄰波導長度差DLNMMN陣列波導光柵AWG是MZI的擴展NN第44頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一AWG應用1. 復用解復用器2. 波長路由選擇開關配合波長變換器可成為動態(tài)的波長路由選擇器第45頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.2.2 光纖耦合器的特性1. 插入損耗插入損耗(Insertin Loss，IL)定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學表達式為 其中：ILi是第i個輸出端口的插入損耗；Pouti是第i個輸出端口測到的光功率值

20、；Pin是輸入端的光功率值。第46頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一2. 附加損耗附加損耗(Excess Loss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學表達式為 式中：Pouti為第i個輸出口的輸出功率；Pin為輸入光功率。第47頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一3. 分光比分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技術術語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比，在具體應用中常用數(shù)學表達式表示為 例如對于標準X形耦合器，11或5050代表了同樣的分光

21、比，即輸出為均分的器件。第48頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一4. 方向性（串擾）方向性也是光耦合器所特有的一個技術術語，它是衡量器件定向傳輸性的參數(shù)。以標準X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光功率的比值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學表達式為：第49頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一式中：Pin1代表總注入光功率；Pin2代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。第50頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一5. 均勻性均勻性就是衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工

22、作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。其數(shù)學表達式為 式中：MIN(Pout)為最小輸出光功率；MAX(Pout)為最大輸出光功率。第51頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一6. 偏振相關損耗偏振相關損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量：第52頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一在實際應用中，光信號偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果往往要求器件有足夠小的偏

23、振相關損耗。第53頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一7. 隔離度隔離度是指某一光路對其他光路中的信號的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話”小。其數(shù)學表達式為 式中：Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值；Pin是被檢測光信號的輸入功率值。第54頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.3 光 開 關第55頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 隨著Internet的迅速普及和寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)體系的發(fā)展，全光網(wǎng)絡應運而生，而實現(xiàn)全光網(wǎng)絡必須依賴于超高速率、超大容量信息比特的載入與傳送、用戶信息上下話路與分插復

24、用、網(wǎng)絡間信息的快速交換與共享和高效率經(jīng)濟的路由選擇，這一切都離不開光開關或光開關矩陣。 就目前而言，光開關主要應用是光交換系統(tǒng)和主備倒換系統(tǒng)，即利用光開關實現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護等功能。隨著全光網(wǎng)絡的日益成熟和完善，100信道以上的光通信系統(tǒng)還需要光分插復用（OADM）技術和快速的網(wǎng)間信息交換技術以及光的交叉連接（OXC）技術，這些都離不開超高速大規(guī)模集成的光開關矩陣。第56頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.3.1 光開關的應用范圍光開關（Optical Switching:OS） 是一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，可對光傳輸線

25、路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。 第57頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光開關基本的形式 光開關基本的形式是22: 即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)： 平行連接和交叉連接 a)平行狀態(tài) b)交叉狀態(tài) 大型的空分光交換單元可以由基本的22光開關以及相應的12光開關級聯(lián)、組合構成。 第58頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光開關和光開關矩陣在全光網(wǎng)絡中起著重要作用 在WDM傳輸系統(tǒng)中，光開關可用于波長適配、再生和時鐘提??； 在光時分復用（TDM）系統(tǒng)中，光開關可用于解復用； 在全光交換系統(tǒng)中，光開關是OXC的關鍵器

26、件，也是波長變換的重要器件。 根據(jù)光開關的輸入和輸出端口數(shù)，可分為11、12，1N、22、2N、MN等多種，它們在不同場合中有不同用途。第59頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光開關應用范圍主要有： (1)光網(wǎng)絡的保護倒換系統(tǒng) (2)光纖測試中的光源控制 (3)網(wǎng)絡性能的實時監(jiān)控系統(tǒng) (4)光器件的測試 (5)構建OXC設備的交換核心 (6)光分插復用 (7)光傳感系統(tǒng) (8)光學測試 第60頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光開關的分類和主要性能參數(shù)按其工作原理: 機械式和非機械式兩大類; 按光開關利用光自由度的方式: 空分型、波分型、時分型、

27、自由空間型;依據(jù)光開關的交換介質(zhì): 自由空間交換光開關、波導光開關、全光開關和其它類型的開關。 第61頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一光開關主要性能參數(shù)1. 交換矩陣的大小 光開關交換矩陣的大小反映了光開關的交換能力。光開關處于網(wǎng)絡不同位置，對交換矩陣大小的要求也不同。在高速、大容量DWDM光傳送網(wǎng)中，隨著通信業(yè)務的急劇增長，光域內(nèi)需要交換的波長數(shù)量大大增加。為適應將來電信業(yè)務的發(fā)展，需要提高光開關的交換能力，如在骨干網(wǎng)上要有超過1000 1000的交換容量。 第62頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一2. 交換速度 交換速度是衡量光開關性能的重

28、要指標。交換速度上有兩個重要的量級，當從一個端口到另一個端口的交換時間達到幾個ms時，對業(yè)務故障的重新路由時間已經(jīng)夠了。對SDH來說，當故障業(yè)務重新選路時，50ms的交換時間幾乎可以使用戶感覺不到故障。 當交換時間到達ns量級時，可以支持光因特網(wǎng)的分組交換，這也是光路由器的目標。但目前由于讀取光信頭和光存儲技術的不成熟，光路由器仍有很大困難。第63頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一3. 插入損耗 光信號通過光開關時，能量將被損耗。插入損耗 : 輸入端口到輸出端口的光功率的損耗 光開關損耗的產(chǎn)生主要有兩個原因：光纖和光開關端口耦合時的損耗和光開關自身材料對光信號產(chǎn)生的損耗

29、。一般來說，自由空間光開關的插入損耗低于波導型光開關的損耗。如液晶光開關和MEMS光開關的損耗較低，大約1 -2dB .而妮酸鋰和固體光開關的損耗較大，大約4dB左右。損耗特性影響到光開關的級聯(lián)數(shù)，限制了光開關的擴容能力。第64頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一4. 串擾： 由于光開關性能的不完善，開關中接通的主光通道的功率會泄露到其他通道，形成串擾，影響輸出信號的質(zhì)量。串擾和開關的隔離度、消光比特性有直接的關系。5. 阻塞特性： 嚴格無阻塞特性指光開關的任一輸入端能在任意時刻接通到任意輸出端的特性。大型或級聯(lián)光開關的阻塞特性更為重要。光開關要求具有嚴格無阻塞特性。第6

30、5頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一6. 升級能力 基于不同原理和技術的光開關，其升級能力也不同。一些技術允許運營商根據(jù)需要隨時增加光開關的容量。很多開關結構可容易地升級為88或3232，但卻不能升級到成百或上千的端口，因此只能用于構建OADM或城域網(wǎng)的OXC，而不適用于骨干網(wǎng)上7. 穩(wěn)定性和可靠性 光開關應具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在長時間使用和頻繁動作的情況下，光開關應有良好的連接的穩(wěn)定性、重復性和可靠性。有些情況（如用做保護倒換開關時），光開關動作的次數(shù)可能很少，此時，維持光開關的狀態(tài)是更主要的因素。第66頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一

31、10.3.3 MEMS光開關傳統(tǒng)的機械光開關 機械光開關:依靠光纖或光學元件（透鏡或反射鏡）的移動使光路發(fā)生改變，將光直接送到或反射到輸出端。 第67頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一1. 棱鏡式光開關示意圖 第68頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一2. 反射鏡型光開關示意圖 第69頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一3. 移動光纖型光開關 第70頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一機械式光開關優(yōu)缺點優(yōu)點: 是插入損耗低(45dB)與波長和偏振無關，制作技術成熟。缺點: 在于開關動作時間較長（ms量級）

32、；體積偏大，且不易做成大型的光開關矩陣；有時還存在回跳抖動和重復性差的問題。機械型光開關在最近幾年已得到廣泛應用，但隨著光網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，這種開關難以適應未來高速、大容量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。第71頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一微機電系統(tǒng) 微機電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)構成的微機電光開關已成為DWDM網(wǎng)中大容量光交換技術的主流。 它是一種在半導體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導體工藝制造出可以前傾后仰、上下移動或旋轉的微反射鏡陣列，在驅(qū)動力的作用下，對輸入光信號可切換到不同輸出光纖的微機電系統(tǒng)。 通常微反射鏡的尺寸

33、只有140m150m，驅(qū)動力可以利用熱力效應、磁力效應和靜電效應產(chǎn)生。 這種器件的特點是體積小、消光比大(60dB左右)、對偏振不敏感、成本低，其開關速度適中(約5ms)，插入損耗小于1 dB。第72頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一微機械光開關優(yōu)缺點 具有機械光開關和波導光開關的優(yōu)點，卻克服了它們所固有的缺點； 采用了機械光開關的原理，但又能象波導開關那樣，集成在單片硅基上； 基于圍繞微機械中樞轉動的自由移動鏡面。 主要開發(fā)商有美國Lucent、德克薩斯儀表公司和康寧等公司。第73頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一微電機系統(tǒng)(MEMS )光開關

34、 MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是指一種在半導體材料（如Si）上制作微機械結構的集成工藝。將MEMS技術應用于光子交換領域，出現(xiàn)了新型的微機械光開關(MEOMS )。 基本原理：利用靜電效應將外部激勵轉化為某種機械動作，通過微傳動裝置牽引光路中的自由鏡面，使之發(fā)生旋轉，從而改變光束傳播方向。 MEOMS器件將電子、機械和光路功能集合于同一芯片，既具備普通機械光開關損耗低、串擾小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點，又像波導開關一樣開關速度較快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對于未來的骨干光網(wǎng)絡或大容量業(yè)務交換的應用場合，基于MEMS光開關技術的解決方案已成為主

35、流選擇。第74頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一二維微電機系統(tǒng)(MEMS )光開關示意圖二維MEMS開關需要N2個微鏡來完成NN自由空間光交叉連接 第75頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一二維微鏡轉動示意圖第76頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一三維MEMS光開關 三維是通過光束偏轉改變光束方向，實現(xiàn)光交叉互連。其在N路輸入光纖和N路輸出光纖之間使用了2N個微鏡，每個微鏡有N個可能的位置，從而實現(xiàn)NN開關矩陣。第77頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一開關微鏡及其陣列的顯微照片第78頁，共128頁，2

36、022年，5月20日，18點2分，星期一 在2001年的OFC會議上，朗訊公司已報導他們研制的1296 1296端口的MEMS光交叉連接節(jié)點，其單纖端口傳送容量為1.6Tbit/s（單纖復用40個信道，每路信道傳送40Gbit/s信號），總吞吐容量達到2.07Pbit/s,具有嚴格無阻塞特性，插入損耗為5.1dB,串擾（最壞情況）為-38dB,這使光開關的交換總容量達到新的量級。 商用的44的MEMS的開關速度為10ms左右，損耗約為3dB；而1616光開關的損耗為7dB，開關時間約20ms 第79頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.3.4 聲光開關技術聲光開關是利

37、用介質(zhì)的聲光效應制作的光開關。聲光效應是指聲波通過材料產(chǎn)生機械應變，引起材料的折射率周期性變化，形成布拉格光柵，衍射一定波長的輸入光的現(xiàn)象。利用聲致光柵使光偏轉做成光開關 第80頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一聲光開關原理第81頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 在y方向，控制電信號經(jīng)換能器后產(chǎn)生一定頻率的聲表面波， 聲表面波在聲光介質(zhì)中傳播，使介質(zhì)折射率發(fā)生周期性變化，形成了一個運動的衍射光柵，在聲波的作用下，晶體的折射率將沿聲波的傳輸方向(y)呈周期性變化，在介質(zhì)中形成一個相位光柵。當入射光束滿足布拉格衍射條件時，就可引起光的偏轉，偏轉角由

38、聲波的頻率和入射光波長決定。 第82頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一熱光效應開關 熱光開關和電光開關的結構可以是相同的，但是產(chǎn)生開關效應的機理不同。這里的熱光效應是指通過電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應。 第83頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一熱光光開關分類 目前主要有兩種類型熱光光開關：干涉式光開關(Interferometric Switches)數(shù)字光開關(DOS: Digital Optical Switches ) 也叫分支器型熱光開關第84頁，共128頁，2022年，5月20日，

39、18點2分，星期一 干涉式光開關主要利用馬赫增德爾（M-Z：Mach-Zehnder）干涉原理制造，主導思想是利用光相位特性，光的相位與光的傳輸距離有關，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導里面進行傳輸，再合并。在兩個波導臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達到開關的目的 第85頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一MZI型熱光開關 3dB定向耦合器I2I1O1(不加熱)O2(加熱)熱光移相器(薄膜加熱)LnMZI型光開關包括一個MZI和兩個3dB耦合器，兩個波導臂具有相同的長度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時器，波

40、導一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個散熱器。波導上的熱量通過它來散發(fā)出去。第86頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 原理：1. 若薄膜加熱器處于關閉狀態(tài)，此時MZI相移量為0,考慮到3dB耦合器沿耦合臂輸出方向與沿直通臂輸出方向相比存在/2的相位滯后.在O2端，來自I1的兩束入射光一路經(jīng)過耦合器的兩次耦合，另一路則經(jīng)過耦合器的兩次直通，累積相位差為從而滿足相干相消條件，輸出光信號被大大削弱甚至關斷；而在O1端，兩束光分別經(jīng)歷了一次直通，一次耦合，總的相位保持同步從而發(fā)生相干相長現(xiàn)象，即入射光的能量主要從O1口輸出。熱光開關為交叉連接狀態(tài)。第87頁，共128頁，202

41、2年，5月20日，18點2分，星期一2.如果對金屬膜通電使其發(fā)熱，將會導致其下面的波導折射率發(fā)生變化，從而改變了MZI干涉臂的傳播光程，引入相位差。調(diào)節(jié)移相器使之形成兀相移，那么在O1和O2端兩束光的相位關系隨之發(fā)生反轉，信號此消彼長，整個熱光開關也由原先的交叉方式變換至平行連接狀態(tài)。通過控制熱光移相器在0和兀兩個狀態(tài)之間動態(tài)轉換，就可以實現(xiàn)光開關的動作。第88頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一雙MZ型熱光開關 第89頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一數(shù)字式光開關 薄膜加熱器輸入輸出1輸出2ijc原理：加熱時下面的波導折射率減小，從而阻止光沿著該

42、分支傳輸（即處于“關”的狀態(tài)）Y分支器型熱光開關一般功耗比較大(200mW左右)，插損約3 - 4dB消光比約20dB。第90頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 數(shù)字光開關的原理和結構都很簡單，最基本的1x2熱光開關由在硅基底上制作的Y形分支矩形波導構成。在波導分支表面沉積金屬鈦或鉻形成微加熱器。當對Y形的一個分支加熱時，相應波導的折射率會發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關就保持同樣的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功耗小，但插人損耗較大，一般為 4dB 。第91頁，共1

43、28頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.3.6 噴墨氣泡光開關 氣泡光開關是Agilent在成熟的Si02平面光波電路(PLC)技術基礎上，結合噴墨打印驅(qū)動原理開發(fā)出的一種新型光開關器件。整個開關分為上下兩層結構：頂層由Si材料構成，用于制作熱噴墨元件；下面是Si02襯底層，采用PLC工藝集成了縱、橫分布的兩束波導，每束波導又包括若干平行的波導線路?？v向和橫向波導大致成1200角交錯排列，在經(jīng)過每個線路交叉點的地方另外刻蝕出一系列溝槽，從兩側的填充孔向槽內(nèi)注入某種與Si02材料折射率相匹配的液體第92頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一氣泡光開關匹配液被加

44、熱形成氣泡對通過的光產(chǎn)生全反射交叉點匹配液波導Agilent公司已制出32x32光開關子系統(tǒng)開關時間小于10ms,串擾做到-70dB第93頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.3.7 液晶光開關 液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。它既有液體的流動性，又有晶體的取向特性。 當液晶分子有序排列時表現(xiàn)出光學各向異性，光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉，雙折射等效應 液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應。 第94頁，共1

45、28頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一液晶光開關通過電場控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關功能。其典型工作原理如圖 第95頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一半導體光放大器開關半導體光放大器開關利用半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，簡寫為SOA）的放大特性，實現(xiàn)特定波長的交換。 半導體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器，當偏置電流低于振蕩閾值時，激光二極管就能對輸入相干光實現(xiàn)光放大作用。 第96頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一低電壓處于關斷(OFF)狀態(tài)時，S

46、OA對入射光不透明，即光信號在SOA內(nèi)部被吸收；高電壓泵浦處于導通 (ON)狀態(tài)時，允許入射光線穿過SOA,并同時可獲得增益。 SOA開關是一種有源器件，泵浦增益補償了開關損耗，在實現(xiàn)無插損的同時可以提供大約12dB（數(shù)據(jù)由Alcatel提供）的典型增益。SOA開關還具有消光比高 （大于50dB）、偏振不敏感（小于1dB）、開關速度快（小于1ns）、易于集成等特點，在未來的光聯(lián)網(wǎng)應用中（尤其是構造高速分組光網(wǎng)絡）代表了一類頗具潛力的光交換技術。第97頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.4 光纖激光器 光纖激光器是以摻雜光纖本身為工作物質(zhì)，而該光纖本身又起到導波作用的

47、固體激光器。由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源三個基本部分組成。優(yōu)點：散熱性能好、轉換效率高、激光閾值低；諧振腔可以是直接鍍在端面的腔鏡、或光纖耦合器、光纖圈等?？色@得寬帶的可調(diào)諧激光輸出，并調(diào)節(jié)激光輸出。光纖激光器的某些波長適用于光纖通信的低損耗窗口。第98頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.4.1 摻雜光纖10.4.2 光纖激光器的諧振腔10.4.3 摻稀土元素的光纖激光器10.4.4 超熒光光纖激光器(SFS)第99頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一10.4.1 摻雜光纖一、摻雜元素摻稀土元素鑭系Xe6S2，外層都為為5S25P66S2鑭系元素

48、電子結構的差別只在4f殼層的電子占有數(shù)。1、摻雜濃度 最佳在100ppm量級。太低：摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，激發(fā)態(tài)可能被耗盡。太高：稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，躍遷產(chǎn)生激光的能級上有效粒子數(shù)減少；導致玻璃基質(zhì)產(chǎn)生結晶效應，不利于產(chǎn)生激光。第100頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一2、摻雜光纖的基質(zhì)（1）石英玻璃 石英玻璃對稀土元素離子的光譜能級的影響：產(chǎn)生斯塔克分裂，使得能級加寬，光譜變寬。（2）重金屬氟化物玻璃優(yōu)點：通光窗口寬，在300-8000 nm范圍透過率很高。易于成纖。易于激活，因為氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。第101頁，共128頁，202

49、2年，5月20日，18點2分，星期一二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er 3+、Nd 3+的電子能級4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能級分裂第102頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一4F 5/24F 3/24F 5/2第103頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一2、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：使用800nm、900nm、 530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm 、 1350nm波長處得到激光。摻鉺光纖：使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、 15

50、36nm波長處得到激光。 摻鉺光纖存在最佳光纖長度（約10m）。Er3+Nd3+第104頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一3、摻雜光纖的激光特性 摻鉺的三能級系統(tǒng)：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài) E2、 高能級E3。從E3 E1 ，泵浦幾率為WP，躍遷幾率為WP 。 E3 非輻射E2 ，幾率為S32； E3 自發(fā)輻射和非自發(fā)輻射E2 、 E1 ，幾率為A32、A31、 S31。選擇工作物質(zhì)要求：A32、A31和S31 S32 以及S32 WP(3-1) ， N2 N1。一般選擇A21較小的工作物質(zhì)。A32第105頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一因此有速率方程

51、組： dN3/dt=(N1-N3) WP -N2 S32 dN2/dt=N1 W12 +N3 S32N2 W21 N2(A21 +S21) N1+N2 +N3= NtNt是工作介質(zhì)內(nèi)的總粒子數(shù)密度。這三個方程為三能級系統(tǒng)的速率方程組。 可見，只要WP(1-3)足夠大，就能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，摻稀土光纖就變成激活介質(zhì)，對頻率為(E2-E1 )/h的信號具有放大作用。第106頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一一、FP腔1.結構M1: 對泵浦光高透；對激光高反M2: 對激光高反（低增益系統(tǒng)95%；高增益系統(tǒng) 75%）2.光傳輸特性 理論波動光學。假設：諧振腔內(nèi)的光纖伸直；為階躍折

52、射率弱波導光纖。10.4.2 光纖激光器的諧振腔第107頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)第108頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一縱模和橫模 在腔內(nèi)，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波， 稱為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。 與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的

53、橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角從0到2光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。 LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑。第109頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔 泵浦光由1端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激勵的激光與泵光無關。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復。其中儲存了能量。摻雜光纖耦合器： 4端出射光比1端入射光停滯后/2。第110頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 2、光纖圈反

54、射器 普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下單模運行，在兩個輸出端與輸入端之間存在固定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位 /2。 光纖圈的功率反射率R、透射率T為：從2端的透射功率總和為0： 134 2 的的順時針光場相位差為0，與從1 4 3 2的逆時針光場的相位差為。兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為0 。光從1返回。SMF第111頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 3、光纖圈諧振腔 光纖圈為非諧振的干涉儀結構。注意分束器的取向。其中沒有能量儲存。透射反射反射透射 光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射。第112頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一4、全光纖激光器 兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，通過一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器。 激光器要實現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長為：L1L2L摻雜光纖第113頁，共128頁，2022年，5月20日，18點2分，星期一 三、可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有較寬的波長調(diào)節(jié)范圍，比染料激光器的化學性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應用價值顯著。1. 反射鏡+光