现代光纤通信技术5-光器件.ppt

1 第五章第五章 光器件光器件 2 5.1 光器件概述 5.2 光连接器与衰减器 5.3 耦合器与分束器 5.4 复用器 5.5 光隔离器与环形器 5.6 光开光与光交叉连接器 5.7 光波长转换器 5.8 光器件测试 本本章内容 3 5.1 光器件概述 光器件的分类 体块型 不能直接与光纤线路连接，而是要通过耦合元件（最重要 的耦合元件是自聚焦棒透镜组），因而损耗较大。 全光纤型 体积小、重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰。特别是能够做 成“在线元件”，直接接入光纤线路，因而附加损耗很低。 光波导型 体积小、重量轻、热和机械稳定性好、功耗低、抗电磁干 扰性强、适合批量生产。 4 光器件概述 发展趋势 n尺寸小型化、微型化。 无论是在系统传输设备中，还是在终端用户上，光器件在提 供高性能功能的同时，应占据尽可能小的空间。 n低成本。 降低器件成本的有效途径包括提高成品率，提高器件制作自 动化程度，以及规范各种光器件的标准，如达成多边协议以 提高光器件间的兼容性等。 n多功能的集成。 系统的发展对光器件功能要求也愈来愈多，要求单个器件能 提供更多功能，或是将更多功能的光学元件集成在一个器件 中。无论是器件尺寸的集成，还是功能上的集成，都可以降 低器件成本，提高器件竞争力。 5 光连接器 光衰减器 5.2 光连接器与光衰减器 6 光纤连接器（optical connector），俗称活接头 ， ITU将其定义为“用以稳定地但并不是永久地连 接两根或多根光纤的无源组件”。 主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备 与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接， 是光纤通信系统中不可缺少的无源器件。 对光纤连接器要求主要是插入损耗小、回波损耗大 、重复插拔的寿命长和互换性好。 光连接器定义 7 光连接器 n技术指标： n互换性和重复性 n 回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光功率 Pr相对输入光功率P0的比率的分贝数。 n 插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率P1 相对输入光功率P0的比率的分贝数。 一般要求应不大于0.2 dB 典型值应不小于45 dB。 8 光纤连接损耗及其影响因素 光纤结构参数失配引起的损耗 (f) 两光纤相对位置偏离设计要求引起的损耗(b)(c)(e) 端面形状与间隙引起的损耗(d)(e)(a) 2 n 1 n 0 n （a） （c） q （b） d （d） z （e） 1 a 2 a a 1 x 2 x x 1 2a 2 2a 纤芯直径 1 2 1 g 2 g 数值孔径 折射率分布 （f） 光 纤 参 数 端 面 反 射 横 向 错 位 角 向 倾 斜 端 面 间 隙 端 面 状 态 9 活动连接器 n插入损耗目前水平0.2dB n减低反射技术：APC(Angled Physical Contact) n常见类型：FC、 SC、 ST 10 光纤连接器的结构 FC型：外部加强方式 是采用金属套，紧固方 式为螺丝扣 SC型：外壳采用工程塑 料，矩形结构，便于密集 安装，不用螺纹连接，可 以直接插拔。 ST型：采用带键的卡口 式锁紧机构，确保连接时 准确对中。 11 光纤连接器的结构 12 光衰减器定义 光衰减器（optical attenuator）是对光功率进 行预定量衰减的器件，它可分为可变光衰减器和固 定光衰减器。前者主要用于调节光功率电平，后者 主要用于电平过高的光纤通信线路。 对光衰减器主要要求是：插入损耗低、回波损耗高、 分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、衰减 精度高、器件体积小，环境性能好。 13 光衰减器 n根据工作原理分类： 位移型光衰减器位移型光衰减器 横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器 纵向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器 直接镀膜型光衰减器（直接镀膜型光衰减器（ 吸收模或反射模型）吸收模或反射模型） 衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器 液晶型光衰减器液晶型光衰减器 光衰光衰 减器减器 14 光功率衰减功能新技术 热光技术 电光技术 微机械技术（MEMS） 插入损耗大，偏振相关损耗大 插损、偏振相关损耗、热漂移较大，动态范围有限 体积很小，响应速度较快，功耗小，易于批量生产 ，但插损较大，成本高昂，是目前发展较快的技术 。 15 衰减片通常是表面蒸镀了金属吸收膜的 玻璃基片，衰减片与光轴可以倾斜放置 衰减片在不同位置的金属膜厚度不同， 可用来获得不同的衰减 在光纤端面按要求镀上一层有一定厚度 的金属膜或在光的通路上设置一个几微 米的气隙，从而获得固定衰耗。 常用光衰减器的工作原理 16 5.3 耦合器与分束器 光耦合器（coupler）/分束器（splitter）的功 能是实现光信号的合路/分路，就是把多个输入的 光信号组合成一个输出或者把一个输入的光信号 分配给多个输出。 一般是对同一波长的光功率进行合路或分路。光 耦合器/分束器的使用将会对光路带来一定的附加 插入损耗以及一定的串扰和反射。 17 插入损耗：是指一个指定输入端口的输 入光功率Pi和一个指定的输出端口的输出 功率Po的比值 附加损耗：全部输入端口的输入光功率 总和与全部输出端口的输出光功率总和的 比值 分光比或耦合比：某一个输出端口的输 出光功率与全部输出端口的输出光功率总 和的比值 串扰：一个输入端口的输入光功率Pi与由 耦合器泄漏到其他输入端口的光功率Pr的 比值 光耦合器技术指标 P1P3 P4P2 18 光耦合器分类 v从端口形式 X型、Y型、星型以及树型 v从工作带宽的角度 单工作窗口的窄带 单工作窗口的宽带 双工作窗口的宽带 v从传导光模式 多模与单模 v从器件工艺实现方式 分立光学元件组合型 光纤型光耦合器 集成波导型 19 几种常见光耦合器结构示意图 20 几种常见光耦合器结构示意图 21 5.4 复用器 一种用来合成不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源 器件。（复用器/解复用器） 用于波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用 对器件的要求主要是插入损耗低、隔离度大、带内平坦、带外插入 损耗变化陡峭、中心波长稳定性高等。 WavelengthWavelength filterfilter WavelengthWavelength multiplexermultiplexer WavelengthWavelength routerrouter 22 衍射光栅复用器 n在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤 输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各 波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。 采用渐变折 射率透镜， 简化了装置 的校准。 采用普通透 镜的WDM 23 光栅复用器的特点 n波长通道数大（132Ch） n通道间隔小（商用0.4nm) n插损不随通道数增加(67dB) n温度敏感(0.01nm/OC)，需温度补偿(温控、材 料补偿） n高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增 大插损） 24 介质膜滤波器DTF nDielectric Thin-Film Filter n在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反 射光。在高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成了透射光。 n对一定波长范围呈通带，对另外波长范围呈阻带，从而形成所要求 的滤波特性 25 n通带特性好（平顶、隔离度高25dB） nPDL小 (0.2dB) n插损低 57dB（16波） n温度敏感性小（0.0005nm/OC 不需温控） n波长数16CH；波长间隔0.8nm n价格较高 n是16波长WDM系统中主要选用的器件 多层介质膜复用器特点 26 可通过改变熔融拉锥条件，增强耦合系数对波 长的敏感性，从而制成熔融拉锥型WDM器件 特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、无 需波长选择器件；复用波长数少、隔离度差 应用：常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、 1480nm/1550nm波长的分离 熔锥光纤滤波器 27 阵列波导光栅AWG Array-Waveguide- Grating 规则排列的波导，相 邻波导的长度相差固 定值L，因而产生的 相位差随波长而变。 28 AWG的工作原理 设AWG的输入端口数和输出端口数均为n，输入耦合器为 nm形式，输出耦合器为mn形式，输入和输出耦合器之间由 m个波导连接，每相邻波导的长度差均为L。输入耦合器将某 个输入端口的输入信号分成m部分，它们之间的相位差由 从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定。在 输入波导i的光信号的波长中，满足2k的整数倍的波 长将在输出波导输出。 通过适当设计，可以做成1n波分解复用器和n1波分复 用器。 29 AWG特点： 信道间隔（1.6 0.8 0.4nm） 端口（18 116 132 164) 需要温控（0.01nm/C0) 插损不随通道数增加(67dB) 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损） 隔离度22dB PDL1dB 应用： 复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件 ） AWG的特点及应用 30 光隔离器 光环形器 5.5 光隔离器与环形器 31 用途 只允许光波往一个方向传播，阻止光波往其 他方向特别是反方向传输的。 主要用在激光器或光放大器的后面，以消除 反射光的影响，使系统工作稳定。 主要参数要求 插入损耗小（典型值约为0.5 dB） 隔离度大（典型值约在4050dB之间） PDL小（0.2 dB） 组成原理 一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。 光隔离器概述 32 起偏器使入射光德垂直偏振分量通过，调整法拉第旋转器（YIG）的 磁场强度，使偏振面旋转45，然后通过检偏器。反射光返回时，通 过法拉第旋转器又一次旋转45，正好与入射光偏振面正交，因此受 到隔离。 光隔离器工作原理 33 光环形器 基本原理：与光隔离器相似 光传送顺序：12 3 4 主要指标：插入损耗、隔离度、PDL、回波损耗、方 向性等（与光隔离器基本相同） 34 光环形器工作原理 起偏器、检偏器、旋光器 35 光环形器应用 光环形器的两种基本应用：OADM制作；单纤双向传输 基于FBG和多口光环形器的BOADM结构 36 n光开光定义：通过光通道的通断和转换，实现光层面上的路由 选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能 。 n开关时间：开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。 不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。 n光开关其他重要参数：消光比、插损、串话、偏振相关性 (PDL)。 5.6 光开光与光交叉连接器 应用开关时间需求 光路的交换及管理 (OADM、OXC) 110ms 保护开关 光包交换1ns 外调制10ps 110ms 37 传统机械光开关的结构示意图 机械式光开关 工作原理：通过移动光纤将光直接耦合到输出端或采用棱镜、反 射镜切换光路 特点：偏振无关，插入损耗低、串扰小、光学性能好，体积较大 、开关速度慢 38 MEMS开关阵列图 工作原理：通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜，利用这些 微镜片的二维或三维空间运动，将光直接反射到不同的输出端 特点：低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、 集成度高、开关速度快 MEMS光开关 39 喷墨气泡热光开关模块 n工作原理：利用了气泡（镜面）对光反射的原理，当入射光照入 并要求交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个气泡，气泡将光 从入射波导全反射到输出波导 n特点：开关速度为ms量级，插损低、串扰小，具有较好的可扩 展性 喷墨气泡热光开关 40 (a)定向耦合器型光开关 (b) M-Z干涉仪型光开关 电光开关原理示意图 波导光开关 n工作原理：利用电光效应或电吸收效应以及硅材料的等离子体色散 效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干 涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变 41 热光开关原理示意图 n工作原理：通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光 在介质中传播的折射率和相位发生改变，进而实现光信号的通断 n典型材料：SiO2、Si、LiNbO3和有机聚合物等 n特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms） 热光开关 42 声光开关原理示意图 工作原理：利用声光效应，即声波在某些介质中传播时，该 介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形 变，从而导致介质折射率的周期性变化，形成等效的位相光栅， 其光栅常数等于声波波长，因而能提供一种方便地控制光的强度 、频率和传播方向的手段 声光开关 43 光调制光开关原理示意图 工作原理： 利用输入的控制光信号与信号光进行光交叉相位调制，来 调节输出信号光的相对相位关系以实现开关通断。 通过外部输入控制光调制半导体光放大器(SOA)的折射率 来调节输出信号光的相对相位关系以实现开关通断。 光调制光开关 44 功能定义：用于光纤网络节点的装置，通过对光信号进行交叉连 接，能灵活有效地管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护/恢复 以及自动配线和监控的重要技术 结构核心：光交叉连接矩阵（一般是通过光开关矩阵来实现） 技术要求：无阻塞、低串扰、低延迟、无偏振依赖性、宽带和高 的可靠性，并具有单向、双向和广播形式的功能 光交叉连接器 OXC功能结构示意图 45 波分复用/解复用器 光交叉连接矩阵 波长转换模块 OXC基本结构 46 5.7 光波长转换器 n光波长转换器（Wavelength Converter）是 一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另 一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光网络演变的一个关键性器件。它可以在光通信 网络中广泛地用于光交换、波长路由以及光信号 的全光再生等。 n光电光式光波长转换器 n全光波长转换器 47 光/电/光波长转换器结构原理图 功能定义： 首先利用光探测器将光信号转化为电信号，再将此信号存储于电 存储器中，然后用此电信号驱动可调谐激光器，变成另一波长的光 信号。 特点 信噪比高、偏振无关、转换速率可达10Gbit/s、可实现消光比 增强及信号再生、技术成熟 透明性受影响、光电转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制 光-电-光式光波长转换器 48 全光波长转换器（WC ） Wavelength Conerter 全光波长转换器是将信号从一个波长变为另 一个波长而不需要变换到电域，因此具有高 速、宽带、透明(与信号格式无关)的特点。 n利用SOA中的交叉增益调制(SOA-XGM) n利用SOA中的交叉相位调制(SOA-XPM) n利用SOA中的四波混频效应(SOA-FWM) 49 SOA-XGM型全光波长转换器结构原理图 基于SOA-XGM的WC 工作原理：随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOA中载流子的消 耗相应增加，载流子浓度下降，导致SOA增益减少，即发生增益饱和现 象。此时，如果把一束波长为S（与目标波长相同）的连续探测光注入 SOA，当信号光处于高功率（逻辑1）时，由于SOA的增益饱和效应，探 测光不能得到放大（逻辑0）；相反，当信号光处于逻辑0时，探测光被 放大（逻辑1）。此即为交叉增益调制效应（XGM）。于是，强度调制信 息就从信号光C加载到了探测光S上，实现了波长变换，只是输出信 号在逻辑上与原信号相反。 C S FilterS SOACW 50 SOA-XGM的特点 优点： 可以达到较高的转换速率，可到10Gb/s； 输出光与原信号光反相； 转换效率高； 偏振无关（要求使用的SOA偏振无关）； 结构简单。 缺点： 比特流倒置 信号的消光比恶化 51 MZI结构的SOA-XPM波长转换器的结构原理图 n工作原理：在半导体光放大器中由于载流子耗尽达到增益饱和，同时 使SOA的有源区的折射率发生变化，导致通过其中的探测光产生相位 调制，对调相的输出光进行鉴相，变为调幅信号，即可实现光波长的转 换。 基于SOA-XPM的WC 52 基于SOA-FWM的WC 特点：与信号格式无关、信号比特率可达40Gbit/s. 缺点：转换效率低、偏振相关、输入信号动态范围小、 转换效率与波长有关（即当输入信号波长与转换波长间 隔增大时，转换效率随之降低）。 SOA Signal S Pump P Filter c SPc c=2p- s 53 插入损耗的测量 回波损耗的测量 隔离度的测量 方向性的测量 偏振相关损耗的测量 5.8 光器件测试 54 插入损耗的测量 光纤宽带光源BLS (Broadband laser source) 可调激光器TLS (Tunable laser source) 偏振控制器PC (Polarization controller) 光功率计PM (Power meter) 光谱分析仪OSA (Optical spectrum analyzer) 55 PM TLS CA CB 临时接点 TJ PM TLS CA CB 临时接点 TJ L 1 P 截断点J 插入损耗的测量-截断法 截断法测量步骤： (1) 测量并记录P1； (2) 截断临时节点处光纤，L30 cm测量并记录P0 ； (3) 计算插入损耗I.L.=10lg(P1/P0) PM TLS CA 临时接点 TJ 0 P 56 PM TLS CA 临时接点 TJ 0 P 插入损耗的测量-替代法 替代法是一种非破坏性的方法，与截断法相比，精度稍微低了些，测量 步骤如下： (1)按图(1)测试并记录P1 ； (2)在P1稳定后，按图(2) （即直接将插头CA插入光功率计）测量并记录 P0 ； (3)按公式I.L.=10lg(P1/P0)计算插入损耗。 (1) (2) PM TLS CA CB 临时接点 TJ 1 P 57 0 P TLS PM CA 光耦合器 CA 1 P TLS PM 待测 ISO 光耦合器 回波损耗的测量 图(2)测量P1 图