光器件基礎(chǔ)知識(shí)

光器件基礎(chǔ)知識(shí)Profile

通信用光器件可以分為有源器件和無(wú)源器件兩種類型。不依靠外加電源（直流或交流）的存在就能獨(dú)立表現(xiàn)出其外特性的器件就是無(wú)源器件。否則就稱為有源器件。有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。

光放大器Basicparameters1、插入損耗：IL---InsertionLoss2、回波損耗：RL---ReturnLossIL測(cè)量RL測(cè)量3、方向性：DIR---Directivity4、過盈損耗：EL---ExcessLoss5、損耗一致性：ILUniformity:ILmax-ILmin6、波長(zhǎng)依存損耗：WDL:WavelengthDependentLoss(2)在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。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1dB，隔離度的典型值的大致范圍為40~50dB。普通的FC型連接器，光纖端面為平面。(1)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密V形槽內(nèi)，然后多片疊加并配合適當(dāng)外殼。對(duì)于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭，國(guó)內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱熔接，也可以用V形槽連接。本節(jié)主要介紹無(wú)源光器件的類型、原理和主要性能。這種耦合器通常用作多端功率分配器。5給出光纖連接器的一般性能。缺點(diǎn)是插入損耗大，串?dāng)_大，只適合單模光纖。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。解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，分配給不同的接收機(jī)。定向耦合器這是一種2×2的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。PDL是光器件或系統(tǒng)在所有偏振狀態(tài)下的最大傳輸差值。它是光設(shè)備在所有偏振狀態(tài)下最大傳輸和最小傳輸?shù)谋嚷?。PDL定義如下：

PDL=-10log〔Tmax/Tmin〕

其中Tmax和Tmin分別表示測(cè)試器件（DUT）的最大傳輸和最小傳輸。7、溫度依存損耗TDL:TemperatureDependentLossTDL(25℃~85℃)=TDL(85℃)-TDL(25℃)TDL(25℃~-40℃)=TDL(-40℃)

-TDL(25℃)TDL(85℃~-40℃)=TDL(-40℃)

-TDL(85℃)TOSA(1)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴.(2)在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。(3)在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。ROSA3、方向性：DIR---Directivity這種耦合器通常用作多端功率分配器。固體光開關(guān)正相反，優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快；這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜，適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的連接。2、回波損耗：RL---ReturnLoss5、損耗一致性：ILUniformity:ILmax-ILmin另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過這兩個(gè)器件時(shí)，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。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1dB，隔離度的典型值的大致范圍為40~50dB。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖3.29(a)和(b)分別示出單模2×2定向耦合器和多模n×n星形耦合器的結(jié)構(gòu)。34隔離器的工作原理Pa=cos2(CλL)(3.式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。光無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。3.Passivedevices

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)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。

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。表3.5給出光纖連接器的一般性能。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。連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器，其特性主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度和所用材料。單纖連接器結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中精密套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、效果良好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，因而得到很廣泛的應(yīng)用。

表3.5光纖連接器一般性能圖3.27示出精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡(jiǎn)圖，包括用于對(duì)中的套管、帶有微孔的插針和端面的形狀(圖中畫出平面的端面)。光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對(duì)中實(shí)現(xiàn)連接。要求光纖與微孔、插針與套管精密配合。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1μm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±0.1dB)大大改善。圖3.27套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度套管和矩形外殼，配合陶瓷插針構(gòu)成的，這種方法可以做成2纖或4纖連接器。另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密V形槽內(nèi)，然后多片疊加并配合適當(dāng)外殼。這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜，適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的連接。對(duì)于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭，國(guó)內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱熔接，也可以用V形槽連接。熱熔接的接頭平均損耗達(dá)0.05dB/個(gè)。

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。T形耦合器這是一種2×2的3端耦合器，見圖3.28(a)，其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。圖3.28常用耦合器的類型

這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。星形耦合器這是一種n×m耦合器，見圖3.28(b)，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。定向耦合器這是一種2×2的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。見圖3.28(c)，光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出，端4無(wú)輸出；光信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無(wú)輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)這是一種與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器，見圖3.28(d)。波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，分配給不同的接收機(jī)。

2.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)構(gòu)。

圖3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個(gè)2×2耦合器組成的8×8星形耦合器光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。這種方法可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解復(fù)用器。圖3.29(a)和(b)分別示出單模2×2定向耦合器和多模n×n星形耦合器的結(jié)構(gòu)。單模星形耦合器的端數(shù)受到一定限制，通?？梢杂?×2耦合器組成，圖3.29(c)示出由12個(gè)單模2×2耦合器組成的8×8星形耦合器。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(CλL)(3.28a)Pb=sin2(CλL)29(a)和(b)分別示出單模2×2定向耦合器和多模n×n星形耦合器的結(jié)構(gòu)。一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度套管和矩形外殼，配合陶瓷插針構(gòu)成的，這種方法可以做成2纖或4纖連接器。圖3.普通的FC型連接器，光纖端面為平面。28(b)，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。?duì)于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭，國(guó)內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱熔接，也可以用V形槽連接。36所示，典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。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。34隔離器的工作原理另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過這兩個(gè)器件時(shí)，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.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。熱熔接的接頭平均損耗達(dá)0.一種小型的與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖3.固體光開關(guān)正相反，優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快；圖3.30光纖型波分解復(fù)用器原理式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。設(shè)特定波長(zhǎng)為λ1和λ2，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(λ1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；當(dāng)Pa(λ2)=0時(shí)，Pb(λ2)最大。對(duì)于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長(zhǎng)隔離度大于20dB。

微器件型用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)或光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)等微光學(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。

圖3.31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(fù)用器；(d)光柵式解復(fù)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。

圖3.32波導(dǎo)型藕合器對(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。Basicparameters(b)定向耦合器；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。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。Passivedevices28常用耦合器的類型光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。定向耦合器這是一種2×2的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。對(duì)于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭，國(guó)內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱熔接，也可以用V形槽連接。普通的FC型連接器，光纖端面為平面。(3)在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。Pb=sin2(CλL)(b)8×8星形耦合器；(2)在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。

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。然而在許多實(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。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1dB，隔離度的典型值的大致范圍為40~50dB。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：StateofPolarization)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。隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個(gè)偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個(gè)偏振器。緊接第一個(gè)偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無(wú)關(guān)。圖3.34隔離器的工作原理法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器，這個(gè)偏振器的透振方向在45°方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能夠順利地通過第二個(gè)偏振器，也就是說光信號(hào)從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(插入損耗除外)。另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)，反射光的偏振態(tài)也在45°方向上，當(dāng)反射光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，此時(shí)就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個(gè)偏振器)，于是就達(dá)到隔離效果。然而在實(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。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖3.35所示。圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個(gè)空間分離偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。這個(gè)SWP的作用是將入射光分解為