光通信无源器件技术

1、第9章 光通信无源器件技术,4.1 光通信的历史,4.1.1 光通信系统介绍,通讯系统基本要素 1.信息源 2.发送单元 3.传输介质 4.接收单元 5.信息终端,对通信系统的要求 1.提高传输保真度 2.提高数据率 3.增加传输距离 载波：光频电磁波 光通信系统组成： 1.电端机 2.光端机 3.光纤、光缆 4.光端机 5.电端机,器件 1.光发射机 2.光调制器 3.光纤（光缆） 4.光放大器 5.光接收机 6.其它器件,最早的光通信 烽火？手势？旗语？ 1883: Alexander Graham Bell光电话实验：200米，太阳光 关键问题 可靠的光源 相干性 合适当传播介质 损耗低

2、 可靠性高,4.1.2 光通信的历史,1960 Maiman：红宝石激光器 1962 GaAs二极管激光器：脉冲方式，77K. 1966 高锟、Hockham及Werts： 石英光纤的损耗可以减小到适合作为传输介质 1970两大重要突破 康宁公司：单模光纤，损耗 20dB/km，传输介质的阈值 贝尔实验室：室温连续AlGaAs半导体激光器 波长850nm 寿命几分钟数小时 结构： GaAs材料上外延生长双异质结AlGaAs,随后的其它技术突破： 多模光纤： 4dB/km， SiO2 掺 GeO2 AlGaAs激光二极管：寿命-几十万小时 (1978107 小时） 第一代光纤通信系统 1976-

3、45 Mb/s 野外实验， Atlanta， MMF， 0.85m 1977-45 Mb/s 芝加哥，商业应用，2办公室， 7km 第二代光纤通信系统 1976两大进步 NTT：MMF，损耗 1dB/km0.5dB/km， 1.3m & 1.55m Lincoln实验室：室温长波长InGaAsP/InP激光器 1981，1.3m MMF 通信系统-第二代光通信系统,第三代光纤通信系统 1.3m, SMF, 0.5dB/km, 140Mb/s (1984) 1.3m, SMF, 565Mb/s, 1.7Gbits/s (1986生产， 1987商用) 2.488Gbits/s (1991商用化

4、) 实验：10Gb/s,1986第四代光纤通信系统 两大技术革新： 波分复用（WDM）光放大器（EDFA） 1.55m, SMF, 0.2dB/km 商用: 410Gb/s 40Gb/s (Nortel) 810Gb/s 80Gb/s (Lucent) 805Gb/s 400Gb/s (Lucent: wavestarTM OLS 400G ) 实验: Tb/s,下一代 光孤子？ 全光网络？ 智能光网络？ 对器件要求 集成化 小型化,4.1.3 光器件简介,概念 基础 应用 类型 分立器件 集成器件 功能集成和数量集成 光电集成和光光集成 单片集成和混合集成,光电子器件类型（通信,有源,激光器

5、 光放大器 探测器 光调制器 波长转换器,光隔离器 光耦合器 光滤波器 光开关 光衰减器 色散补偿器 偏振控制器 偏振模补偿器,无源,9.2 光通信系统的无源器件,光纤连接器 光开关 光衰减器 光调制器 光隔离器,光纤连接器,光纤连接器的主要指标： 光纤连接器的类型,2、光纤连接器件,光纤连接器件的作用是一根光纤中的光最大限度地传到另一光纤中，或光信号在不同光纤之间耦合传递。 广义上连接器分为两种类型： 可拆卸型连接器。它被设计成可被连接，必要时又可拆开。 永久型连接器。它被一次型连接使用，不能在拆开后重复使用,可拆卸型光纤连接器,各种光纤连接器,光开关 一种具有一个或多个可选择的传输端口，可

6、对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件 机械式和非机械式 机械式 插入损耗低，隔离度高，不受偏振和波长影响 开关时间较长（毫秒量级），存在回跳抖动，重复性差 移动光纤、移动套管、移动准直镜、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器、MEMS 非机械式 开关时间短，体积小，易于集成 插损大，隔离度低，有的具有偏振和/或波长相关 电光、磁光、声光、热光等,机械式光开关,机械式光开关（MEMS,MEMS：Micro Electronic and Mechanical System,利用硅材料和微电子加工技术制作的微机械装置,MEMS器件 可调谐器件 微F-P腔 可调光衰减器 光调制器

7、低速率、低成本 接入网 光滤波器 复用/解复用器 光栅,基于移动光纤式（MEMS,特点 偏振无关 机械可靠性高 设计不受光纤种类限制 开关速度慢（毫秒,基于微镜式（MEMS,特点 偏振无关 机械可靠性高 扩展性好 开关速度较快（10微秒,组成部分 活动微镜 驱动执行单元 输入/输出光纤,结构 二维 N2结构方案 活动微镜只有两种状态 运动方式：上下折叠、左右移动和旋转 控制简单 难以直接实现大端口数（最大32） 用级联方式实现大端口数（可达数百） 三维 2N个微镜 每个微镜有N个可能状态 驱动结构极为复杂,基于微镜式MEMS（二维,基于微镜式MEMS,其它方式MEMS,非机械式光开关（体器件,

8、电光开关,45,光的偏振方向,V=0,V=V,Iout=Iin,Iout=0,Kerr效应,非机械式光开关（波导型,基本构形,干涉型,方向耦合器型,X交叉型,MZI型,DOS型,Y分支型,非对称X交叉型,方向耦合器型,方向耦合器型,方向耦合器的原理,x0,方向耦合器的原理,方向耦合器型光开关,一般为电光型,电极位置,紧凑 制作精度要求高 偏振灵敏,干涉型光开关（波导型,X交叉型,MZI型,通过电光或热光效应调节两臂之间的相位差，使得光束会合处出现相长干涉或相消干涉，从而达到切换输出端口的目的,又称零间距方向耦合器型 通过交叉部队光模式间的干涉实现切换输出端口的目的,DOS型光开关（波导型,非对

9、称X型可以看作两个Y分支构成,Y分支型,非对称X交叉型,Y分支工作原理,仅为功率分配器：进入两波导分支的功率几乎相等,为模分配器：(TE)0输入变成在具有较大的分支波导中有(TE)0模式，而(TE)1输入变成在具有较大的分支波导中有(TE)0模式,p为耦合区中场的平均衰减常数,对称Y分支热光光开关,DOS型光开关（波导型,Y分支光开关级联,Y分支型,非对称X交叉型,Y分支光开关的特点： 结构简单 偏振不敏感 在某些波长范围内，波长不敏感 电压控制精度要求低 功耗高（特别是热光） 尺寸大,光衰减器 按照用户要求对光信号进行预期的衰减 用途： 光通信线路、系统评估、研究 光通信线路、系统调整、校正

10、 在波分复用光纤网络中用来调整各信道信号的强弱 测试仪器的光功率衰减 光放大器的功率平坦 模拟光纤长距离传输 检测传输系统的动态范围,光衰减器 类型 固定光衰减器 可调光衰减器 位移型 光衰减片型 波导型 MEMS,位移型光衰减器,横向位移型,d,特点 仅用于固定衰减器 回波损耗大，偏振无关 体器件,位移型光衰减器,纵向位移型,特点 用于固定衰减器和一些小型可调光衰减器 偏振无关 体器件,光衰减片型,特点 不具备连续可变的衰减特性 体器件,准直镜,准直镜,衰减片盘,衰减片,波导型 基本与光开关同样的结构 方向耦合器 MZI和对称X交叉 Y分支和非对称X交叉 直波导 电光、热光或声光效应来控制衰减 体积小、性能好和易于集成等优点,