光纤通信chap3-3

1、3.3 光无源器件光无源器件3.3.1 连接器和接头连接器和接头 3.3.2 光耦合器光耦合器3.3.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器3.3.4 光调制器光调制器3.3.5 光开关光开关3.3 光光 无无 源源 器器 件件 插入损耗小、反射损耗大、工作温度范插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、围宽、性能稳定、寿命长、 体积小、价体积小、价格便宜、便于集成等。格便宜、便于集成等。 3.3.1 连接器和接头连接器和接头 连接器连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动活动)连接的器件，连接的器件， 主主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之

2、间，或光要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他纤线路与其他之间的连接。之间的连接。 光纤连接器按连接头结构形式可分为：光纤连接器按连接头结构形式可分为：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种形式。按光纤端面形状分有等等各种形式。按光纤端面形状分有PC（包括（包括SPC或或UPC）和）和APC；按光纤芯数划分还有单芯；按光纤芯数划分还有单芯和多芯（如和多芯（如MT-RJ）之分。）之分。 光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。管。两个插头装

3、进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。连接器的类型按接头外形分类：FCNTT公司开发：其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣 连接器的类型按接头外形分类：SCNTT公司开发：外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转，具有安装密度高的特点由ATT开发出来，是双锥型连接器。 ST光纤连接器有一个直通和卡口式锁定机构。连接器的类型按接头外形分类：ST连接器的类型按接头外形分类：LCBell Lab开发：采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中连接器的密度。连接器剖面连接器的类型按插针端面分类PC:

4、 微球面研磨抛光SPC:端面为180度球面。APC: 呈8度角并做微球面研磨抛光。UPC：平面研磨抛光。FC/PC-FC/PC:光纤连接器件两端均为圆形螺旋式接头 FC/PC-SC/PC:光纤连接器件一端为圆形螺旋式接头,一端为方形插拔式接头。 光纤ODF是光纤配线架的英文缩写，用于光缆和光缆之间的跳接和连接。 表表 3.5 光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能 1 . 04050SC型型陶瓷陶瓷-40+80陶瓷陶瓷-20+70不锈钢不锈钢工作温度工作温度/C不锈钢不锈钢寿命（插拔次数）寿命（插拔次数）3540FC型型反射损耗反射损耗/dB互换性互换性/dB重复性重复性/dB0.20.3插入损

5、耗插入损耗/dB性能性能型号或材料型号或材料项目项目3101 . 0410光纤的连接光纤的连接 光纤与光纤的连接有两种形式，一种是光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，另一种是活动连接。永久永久性连接，另一种是活动连接。永久性连接性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。熔接法如图所示。单模光纤的熔接法。熔接法如图所示。单模光纤的纤芯直径要在纤芯直径要在10m以下，因此熔接必须以下，因此熔接必须使用机器才行。使用机器才行。 3.3.2 光耦合器光耦合器耦合器的功能是把一个输入的光信号分耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，配给多个输出，

6、 或把多个输入的光信号或把多个输入的光信号组合成一个输出。组合成一个输出。 1. 耦合器类型耦合器类型 T形耦合器形耦合器 星形耦合器星形耦合器 定向耦合器定向耦合器 波分复用器波分复用器/解复用器解复用器图 3.28 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定向(c)2314l1l2lNl1l2lN(d)波分2. 基本结构的分类基本结构的分类 光纤型光纤型 微器件型微器件型 波导型波导型NN1N光纤耦合器(1) 两根以上光纤除去涂覆层并靠拢(2) 在高温加热下熔融并向两侧拉伸(3) 加热区形成双锥体形式的波导光纤型光纤型 图 3.29光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器；

7、 (c) 由12个22耦合器组成的88星形耦合器 输 入 光光 强 度光 纤 a光 纤 b 输 出 光2341(a)(b)123456789101112(c)LCPPbl20sinLCPPPPbal200cos耦合器内的光功率分布：随位移的变化假设耦合器无损耗f2=f1-p/2f1=f2-p/2Pa和Pb与拉伸区宽度有关zCL为取决于光纤参数和光波长的。L是光在耦合区的传播距离LClCL=0Pa/P0Pb/P0CL=0CL耦合器内的光功率分布：随波长的变化P1和P2与入射波长有关例如成品上会标注：1550 nm 50 : 50给定拉伸区长度(如15 mm) 设特定波长为设特定波长为1和和2，选

8、择光纤参数，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得调整有效作用长度，使得当光纤当光纤a的输出的输出Pa(1)最大时，光纤最大时，光纤b的的输出输出Pb(1)=0；当当Pa(2)=0时，时，Pb(2)最大。最大。对于对于1和和2分别为分别为1.3m和和1.55 m的的，可以做到，可以做到为为0.5 dB，大于大于20 dB。直通臂直通臂Pa耦合臂耦合臂Pb 公共臂公共臂影响耦合光功率的参数耦合光功率P2跟以下参数有关： 拉伸区长度2L+W 注入光束的波长l 拉伸区内逐渐变小的光纤半径r C 耦合区中两根光纤的半径差Dr C 纤芯间的距离 C 光纤折射率分布 C 图 3.31微器件型耦合器(a) T

9、形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复用器光 纤自 聚 焦 透 镜自 聚 焦 透 镜光 纤滤 光 片l1、 l2l1l2l1l2l3l1 l2 l3光 纤自 聚 焦 透 镜硅 光 栅光 纤自 聚 焦 透 镜分 光 片1342(b)(a)(c)(d)微器件型微器件型 用自聚焦透镜和分光片(光部分透射， 部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图3.31所示。 衍射光栅型波分复用器结构示意图衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅l l1+ l l2+ l l3l

10、l1+ l l2+ l l3采用棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅l l1+ l l2+ l l3 l l1 l l2 l l3 图3.32 波导型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解复用器；光 波 导开 角(a)(b )(c)多 模 波 导多 层 膜 滤 光 片单 模 波 导1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m波导型波导型 在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。3. 主要特性主要特性说明耦合器参数的模型如图3.33所示，

11、 主要参数定义如下。 耦合比耦合比CR 是一个指定和的比值，用%表示NnonocOtOCPPPPCR1(3.29)由此可定义功率分路损耗Ls： Ls=10lg )1(CR(3.30)附加损耗附加损耗Le 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的和的比值，用分贝表示插入损耗插入损耗Lt是一个指定和一个指定的比值，用分贝表示NnonNninotitePPpPL11lg10lg10(3.31)ocictppLlg10(3.32)方向性方向性DIR(隔离度隔离度) 是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示一致性一致性U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或

12、者不同输出端耦合比的等同性。 ricppDIRlg10(3.33)例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 = 200 W，另外三个端口的输出功率分别为P1 = 90 W， P2 = 85 W，P3= 6.3 nW，可以求得为：48.6%100859085%100122PPP耦合比dB58. 08590200log10log10120PPP附加损耗dB3.4790200log10log10)10(10PP端口端口到插入损耗dB45200103 . 6log10log10303PP串扰dB3.7285200log10log10)20(20PP端口端口到插入损耗 3.3.3 光隔离器与光环行器光

13、隔离器与光环行器耦合器耦合器和其他大多数光无源器件的输入和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为端和输出端是可以互换的，称之为互易互易器件器件。隔离器隔离器就是一种就是一种非互易器件非互易器件，其主要作，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器隔离器主要用在激光器或光放大器的后主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。件性能变坏。插入损耗插入损耗和和隔离度隔离度是是隔离器隔离器。光偏振光偏振(极化极化)

14、 单模光纤中传输的光的单模光纤中传输的光的偏振态偏振态(SOP： State of Polarization) 是在垂直于光传输方向的平面上是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量电场矢量的振动方向。的振动方向。在任何时刻，在任何时刻，电场矢量电场矢量都可以分解为两个正交分都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为量，这两个正交分量分别称为水平模水平模和和垂直模垂直模。 隔离器隔离器工作原理如图工作原理如图3.34所示。所示。这里假设入射光只是这里假设入射光只是，第一个偏振器，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，的透振方向也在垂直方向， 因此输入光能够通过因此输入光能够通过第一个偏振器。第一

15、个偏振器。紧接第一个偏振器的是紧接第一个偏振器的是，法拉弟旋，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如角度，例如45，并且其旋转方向与光传播方向，并且其旋转方向与光传播方向无关。无关。 偏振器图 3.34 隔离器的工作原理 法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP 法拉弟旋转器法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，后面跟着的是第二个偏振器， 这个这个偏振器的透振方向在偏振器的透振方向在45方向上，因此经过法拉方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转弟旋转器旋转45后的光能够顺利地通过第二个后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左

16、到右通过这些器件偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输即正方向传输)是没有损耗的是没有损耗的(插入损耗除外插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的比如接头的反射反射)， 反射光的偏振态也在反射光的偏振态也在45方向上，当反方向上，当反射光通过射光通过时再继续旋转时再继续旋转45，此时，此时就变成了就变成了。不能通过左面不能通过左面偏振器偏振器(第一个偏振器第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。，于是就达到隔离效果。 然而在实际应用中，入射光的偏振态然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向偏振方向)是是任意的，并且随时间变化，

17、因此必须要求任意的，并且随时间变化，因此必须要求的工作与入射光的的工作与入射光的无关，于是无关，于是的结的结构就变复杂了。构就变复杂了。 一种小型的与入射光的偏振态无一种小型的与入射光的偏振态无关的关的结构如图结构如图3.35所示。所示。图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)2l具有任意具有任意的入射光首先通过一个的入射光首先通过一个空间分离空间分离偏振器偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。这个这个的作用是将入射光分解为两个的作用是将入射

18、光分解为两个，让垂直分量直线通过，让垂直分量直线通过， 水平分量偏折通过。水平分量偏折通过。 两个分量都要通过两个分量都要通过， 其偏振态都要其偏振态都要旋转旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片片 ( plate或或half wave plate)。 这个半波片的作用是将从左向右传播的光的这个半波片的作用是将从左向右传播的光的顺时针旋转顺时针旋转45，将从右向左传播的光的，将从右向左传播的光的逆时针旋转逆时针旋转45。因而因而与半波片的组合可以使与半波片的组合可以使变为变为，反之亦然。，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个最后两个分量的光在输出端

19、由另一个合在一合在一起输出，起输出， 如图如图3.35(a)所示。所示。 另一方面，另一方面， 如果存在反射光在反方向上传输，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和半波片和的旋转方向正好相反，的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，当两个分量的光通过这两个器件时， 其旋转其旋转效果相互抵消，效果相互抵消，维持不变，在输入端不维持不变，在输入端不能被能被再组合在一起，如图再组合在一起，如图3.35(b)所示，所示，于是就起到隔离作用。于是就起到隔离作用。 环行器除了有多个端口外，其工作原理与环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离隔离器器类似。类似。 如图如图3.36所示，典型的所示

20、，典型的环行器环行器一般有一般有三个或四个端口。三个或四个端口。在三端口环行器中，端口在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端输入的光信号在端口口2输出，端口输出，端口2输入的光信号在端口输入的光信号在端口3输出，输出，端口端口3输入的光信号由端口输入的光信号由端口1输出。输出。光环行器光环行器主要用于主要用于光分插复用器光分插复用器中。中。 图 3.36 光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324 3.3.4 光调制器光调制器 调制器调制器可以用可以用电光效应电光效应、 磁光效应磁光效应或或声光效应声光效应来实现。来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂

21、最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。晶体制成的。 这种晶体的这种晶体的和和的关系为的关系为 n=n0+E+E2 (3.34) 式中，式中，n0为为E=0时时。和和是张量，称为是张量，称为电光系数电光系数。 根据不同取向，根据不同取向，当当=0时时，n随随E按比例变化，称为按比例变化，称为线线性电光效应或普克尔性电光效应或普克尔(Pockel)效应效应。 当当=0时时，n随随E2按比例变化，按比例变化， 称为称为二次电光效应二次电光效应或或克克尔尔(Kerr)效应。效应。 调制器是利用调制器是利用实现的，因为折射率实现的，因为折射率n随外随外加电场加电场E(电压

22、电压U)而变化，而变化， 改变了入射光的相位和输出改变了入射光的相位和输出光功率。光功率。 ppUUUPbScos1(3.35)图图3.37是是调制器的简图。调制器的简图。在在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。 设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率率 式中式中Us和和Ub 分别为信号电压和偏置电压，分别为信号电压和偏置电压，U为为光功率变化半个周期光功率变化半个周期(相位为相位为0)所需的外加电所需的外加电压，压， 并称

23、为并称为。 由式由式(3.35)可以看到，可以看到， 当当Us+Ub=0时，时，P=2为最大；为最大； 当当Us+Ub=U时，时，P=0。 图 3.37 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器信号电压电极输出光电光晶体光波导输入光 图 3.38 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器特性 210p输 出 波 形输 入 波 形相 位 差输 出光 功率P外调制得到的NRZ信号0p0NRZ input 3.3.5 光开关光开关的功能是的功能是转换光路转换光路， 实现光交换，实现光交换， 它是它是的重要器件。的重要器件。 光开关可分为两大类：光开关可分为两大类： 机械光开关机械光开关 固体光开关固体光开关传统机械光开

24、关的结构示意图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MEMS开关阵列图 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

25、积小、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光开关光开关喷墨气泡热光开关模块 n工作原理：工作原理：利用了气泡（镜面）对光反射的原理，当入射光照利用了气泡（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将光从入射波导全反射到输出波导n特点：特点：开关速度为开关速度为msms量级，插损低、串扰小，具有较好的可扩量级，插损低、串扰小，具有较好的可扩展性展性喷墨气泡热光开关喷墨气泡热光开关 (a)定向耦合器型光开关

26、(b) M-Z干涉仪型光开关电光开关原理示意图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热光开关原理示意图 n工作原理：工作原理：通过电流加热的方法，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）热光开关热光开关声光开关原理示意图 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