chapter5-光器件

1、125.1 5.1 光器件概述光器件概述 5.2 5.2 光连接器与衰减器光连接器与衰减器 5.3 5.3 耦合器与分束器耦合器与分束器 5.4 5.4 复用器复用器 5.5 5.5 光隔离器与环形器光隔离器与环形器 5.6 5.6 光开光与光交叉连接器光开光与光交叉连接器5.7 5.7 光波长转换器光波长转换器章内容章内容35.1 光器件概述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、

2、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光器件概述光器件概述发展趋势 n尺寸小型化、微型化。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。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。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。

3、 55.2 光连接器与光衰减器光连接器与光衰减器6光纤连接器（光纤连接器（optical connectoroptical connector），），俗称活接头，俗称活接头， 用以稳定地但并不是永久地连接两根或多根光纤的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。无源组件。主要用于实现系统中主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间与光纤间以及光纤与光纤间的的非永久性非永久性固定连接，固定连接，是光纤通信系统中不可缺少的无源器件。是光纤通信系统中不可缺少的无源器件。光连接器定义光连接器定义78光连接器光连接器n技术指标：(dB)10

4、01PPlgIL(dB)100PPlgRrLn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。一般要求应不大于一般要求应不大于0.2 dB0.2 dB典型值应不小于典型值应不小于45 dB45 dB。9光纤连接损耗及其影响因素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)2n1n0n（a）（c）q（b）d（d）z（e）1a2aa1x2xx12a22a

5、纤芯直径1D2D1g2g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1011光纤连接器的结构光纤连接器的结构FCFC型：外部加强方式型：外部加强方式是是采用金属套采用金属套，紧固方，紧固方式为螺丝扣式为螺丝扣SCSC型：外壳采用工程塑型：外壳采用工程塑料，料，矩形结构矩形结构，便于密集，便于密集安装，不用螺纹连接，可安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。以直接插拔。STST型：采用型：采用带键的卡口带键的卡口式式锁紧机构，确保连接时锁紧机构，确保连接时准确对中。准确对中。12光纤连接器的结构光纤连接器的结构13光衰减器定义光衰减器定义光衰减器（光衰减器（optical

6、attenuatoroptical attenuator）是对光功率进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。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：对光衰减器主要要求是：插入损耗低、回波损耗高、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，环境性能好精度高、器件体积小，环境性能好。 14光衰减器光衰减器n根据工

7、作原理分类：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常用光衰减器的工作原理165.3 耦合器与分束器耦合器与分束器 光耦合器（光耦合器（couplercoupler）/ /分束器（分束器（splittersplitter）的功的功能是实现光信号的合路能是实现光信号的合路/ /分路，就是把多个输入的分路，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光信号组合成一个输出或者把一个输入

8、的光信号分配给多个输出。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。光一般是对同一波长的光功率进行合路或分路。光耦合器耦合器/ /分束器的使用将会对光路带来一定的附加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。插入损耗以及一定的串扰和反射。17插入损耗：插入损耗：是指一个指定输入端口的输是指一个指定输入端口的输入光功率入光功率Pi和一个指定的输出端口的输出和一个指定的输出端口的输出功率功率Po的比值的比值附加损耗：附加损耗：全部输入端口的输入光功率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总和与全部输出端口的输出光功率总和的比值比值分光比或耦

9、合比：分光比或耦合比：某一个输出端口的输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出光功率与全部输出端口的输出光功率总和的比值和的比值串扰：串扰：一个输入端口的输入光功率一个输入端口的输入光功率Pi与与由耦合器泄漏到其他输入端口的光功率由耦合器泄漏到其他输入端口的光功率Pr的比值的比值dB 10iinePPlgL光耦合器光耦合器技术指标技术指标dB 10ioiPPlgL%PPCRii100P1P3P4dB 10ircPPlgLP218光耦合器分类光耦合器分类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

10、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1920几种常见光耦合器结构示意图几种常见光耦合器结构示意图215.4 复用器复用器 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。（复用器器件。（复用器/ /解复用器）解复用器）用于波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用用于波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/ /解复用解复用对器件的要求主要是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损耗变化陡峭、中心波长稳定性高等。

11、22采用渐变折采用渐变折射率透镜，射率透镜，简化了装置简化了装置的校准。的校准。采用普通透采用普通透镜的镜的WDMWDM232425n通带特性好（平顶、隔离度高通带特性好（平顶、隔离度高25dB）nPDL小小 (0.2dB)n插损低插损低 57dB（16波）波）n温度敏感性小（温度敏感性小（0.0005nm/OC 不需温控）不需温控）n波长数波长数 16CH；波长间隔；波长间隔 0.8nmn价格较高价格较高n是是16波长波长WDM系统中主要选用的器件系统中主要选用的器件多层介质膜复用器特多层介质膜复用器特点点26可通过改变熔融拉锥条件，增强耦合系数对波可通过改变熔融拉锥条件，增强耦合系数对波长

12、的敏感性，从而制成熔融拉锥型长的敏感性，从而制成熔融拉锥型WDMWDM器件器件特点：特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、无插损低、结构简单、温度稳定性高、无需波长选择器件需波长选择器件；复用波长数少、隔离度差复用波长数少、隔离度差应用：常用于应用：常用于1300nm/1550nm1300nm/1550nm、980nm/1550nm980nm/1550nm、1480nm/1550nm1480nm/1550nm波长的分离波长的分离熔锥光纤滤波熔锥光纤滤波器器27阵列波导光栅阵列波导光栅AWGArray-Waveguide-Grating规则排列的波导，相规则排列的波导，相邻波导的长度相差固邻波导

13、的长度相差固定值定值D DL L，因而产生的，因而产生的相位差随波长而变。相位差随波长而变。28AWG的工作原理的工作原理 设设AWGAWG的输入端口数和输出端口数均为的输入端口数和输出端口数均为n n，输入耦合器为，输入耦合器为n nm m形式，输出耦合器为形式，输出耦合器为m mn n形式，输入和输出耦合器之间由形式，输入和输出耦合器之间由m m个波导连接，每相邻波导的长度差均为个波导连接，每相邻波导的长度差均为LL。输入耦合器将某。输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成个输入端口的输入信号分成m m部分，它们之间的相位差部分，它们之间的相位差由由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距

14、离来决定。在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。在输入波导输入波导i i的光信号的波长中，满足的光信号的波长中，满足2k2k的整数倍的波的整数倍的波长将在输出波导输出。长将在输出波导输出。 通过适当设计，可以做成通过适当设计，可以做成1 1n n波分解复用器和波分解复用器和n n1 1波分复波分复用器。用器。29 AWG AWG特点：特点：信道间隔（信道间隔（1.6 0.8 0.4nm1.6 0.8 0.4nm）端口（端口（1 1 8 8 1 1 16 16 1 1 32 32 1 1 64)64)需要温控（需要温控（0.01nm/C0.01nm/C0 0) )插损不随通道数增

15、加插损不随通道数增加(67dB)(67dB)高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）隔离度隔离度22dB22dBPDL1dBPDL1dB 应用：应用：复用复用/ /解复用（解复用（1616通道以上通道以上WDMWDM系统中最具竞争力的器件）系统中最具竞争力的器件）AWG的特点及应用的特点及应用305.5 光隔离器与环形器光隔离器与环形器 31用途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。 主要参数要求主要参数要求插入损耗小（典型值约为0.5 dB

16、）隔离度大（典型值约在4050dB之间）PDL小（0.2 dB）组成原理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（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，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，正好与入射光偏振面正交，因此受到隔离。此受到隔离。光隔离器工作原理光隔离器工作原理33光环形器光环形器基本原理：与光隔离器相似基本原理：与光隔离器

17、相似光传送顺序：光传送顺序：1 12 2 3 3 4 4 主要指标：主要指标：插入损耗、隔离度、插入损耗、隔离度、PDLPDL、回波损耗、方、回波损耗、方向性等向性等（与光隔离器基本相同）（与光隔离器基本相同）34光环形器工作原理光环形器工作原理起偏器、检偏器、旋光器SWP: spatial walk off polarizer35光环形器应用光环形器应用利用布拉格光栅和环形器各种组合利用布拉格光栅和环形器各种组合可以实现哪些功能？可以实现哪些功能？OADM: Optical Add/Drop Multiplexer36n光开光定义光开光定义：通过光通道的通断和转换，实现光层面上的路通过光通道

18、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。功能。n开关时间：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。开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。不同的应用场合不同的应用场合, ,对光开关的开关时间要求不同对光开关的开关时间要求不同。n光开关其他重要参数：光开关其他重要参数：消光比、插损、串话、偏振相关性消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)(PDL)。5.6 光开光与光交叉连接器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

19、外调制10ps110ms37机械式光开关机械式光开关工作原理：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、通过移动光纤将光直接耦合到输出端或采用棱镜、反射镜切换光路反射镜切换光路特点：特点：偏振无关，插入损耗低、串扰小、光学性能好，体积较大、偏振无关，插入损耗低、串扰小、光学性能好，体积较大、开关速度慢开关速度慢38工作原理：工作原理：通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜，利用这通过磁、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：特点：低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积

20、小、低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、集成度高、开关速度快集成度高、开关速度快MEMS（micro electro mechanical system）光开关）光开关39 (a)定向耦合器型光开关 (b) M-Z干涉仪型光开关波导光开关波导光开关n工作原理：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的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变40n工作原理：工作原理：通过

21、电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光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：典型材料：SiOSiO2 2、SiSi、LiNbOLiNbO3 3和有机聚合物等和有机聚合物等n特点：特点：可以集成、开关速度优于机械式（可以集成、开关速度优于机械式（msms）热光开关热光开关41工作原理：工作原理：利用声光效应，即声波在某些介质中传播时，该利用声光效应，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介质会产生与声波信号相应的、随时间

22、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，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、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频率和传播方向的手段声光开关声光开关42工作原理：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。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通过外部输入控制光调制半导体光放大器(SOA)

23、(SOA)的折射率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。来调节输出信号光的相对相位关系以实现开关通断。光调制光开关光调制光开关43功能定义功能定义：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/ /恢恢复以及自动配线和监控的重要技术复以及自动配线和监控的重要技术结构核心：结构核心：光交叉连接矩阵（一般是通过光开关矩阵来实现）光交叉连接矩阵（一般是通过光开关矩阵来实现）技术要求：技术要求：无阻塞、低串扰、低延迟、无偏振依赖性、

24、宽带和高无阻塞、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光交叉连接器管理、控制操作系统输入端输出端11MNMN光交换矩阵OXC功能结构示意图功能结构示意图44波分复用波分复用/ /解复用器解复用器光交叉连接矩阵光交叉连接矩阵波长转换模块波长转换模块OXC基本结构基本结构455.7 光波长转换器光波长转换器n光波长转换器（光波长转换器（Wavelength ConverterWavelength Converter）是是一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另

25、一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向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。的全光再生等。n光电光式光波长转换器光电光式光波长转换器n全光波长转换器全光波长转换器46驱动输入s光探测器缓存器可调激光器地址译码器c 功能定义功能定义：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，变成另一波长的光存储器中

26、，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。信号。 特点特点 信噪比高、偏振无关、转换速率可达信噪比高、偏振无关、转换速率可达10Gbit/s10Gbit/s、可实现消光比、可实现消光比增强及信号再生、技术成熟增强及信号再生、技术成熟 透明性受影响、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转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制光光-电电-光式光波长转换器光式光波长转换器47全光波长转换器（全光波长转换器（WC） Wavelength ConerterWavelength Conerter 全光全光波长转换器波长转换器是是将信号从一个波长变为另将信号从一个波长变为另一个波长而不需要变换到电域，因此具有高一个波长而不需要变换到电域，因此具有高速、宽带、透明速、宽带、透明( (与信号格式无关与信号格式无关) )的特点。的特点。n利用利用SOASOA中的交叉增益调制中的交叉增益调制(SOA-XGM)(SOA-XGM)n利用利用SOASOA中的交叉相位调制中的交叉相位调制(SOA-XPM)(SOA-XPM)n利用利用SOASOA中的四波混频效应中的四波混频效应(SOA-FWM)(SOA-FWM)48基于基于