光纤通信- 第3讲无源光器件 ppt课件

1、无源光器件主要内容主要内容 一、光纤的衔接与光纤衔接器一、光纤的衔接与光纤衔接器 二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器三、光合波器、光分波器三、光合波器、光分波器四、光隔离器四、光隔离器 五、光开关五、光开关六、光可变衰减器六、光可变衰减器七、光纤光栅七、光纤光栅八、光锁相环与非线性光环镜八、光锁相环与非线性光环镜NLOMl概述概述l 构成一个完好的光纤传输系统，除了构成一个完好的光纤传输系统，除了光源、光检测器及光纤外，还需求众多的光源、光检测器及光纤外，还需求众多的无源光器件，如衔接器、衰减器、隔离器无源光器件，如衔接器、衰减器、隔离器、滤波器、分路器、复用器、光开关和调、滤波器、

2、分路器、复用器、光开关和调制器等。制器等。l 它们在系统中各起着光学衔接、光它们在系统中各起着光学衔接、光功率分配、光波分复用、光信道切换及光功率分配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、隔离和调制等。由此看来，信息的衰减、隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通讯系统中起着重要的无源光器件在光纤通讯系统中起着重要的作用。本讲仅引见几种常用的无源光器件作用。本讲仅引见几种常用的无源光器件的原理及性能。的原理及性能。一、光纤的衔接与光纤衔接器一、光纤的衔接与光纤衔接器光纤衔接器光纤衔接器 fiber optic connector fiber optic connector 又称光纤活动衔接

3、器，俗称活动接头，用又称光纤活动衔接器，俗称活动接头，用于设备与光纤之间的衔接。于设备与光纤之间的衔接。 光纤衔接器的作用是将需求衔接起来的单光纤衔接器的作用是将需求衔接起来的单根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多次运用。次运用。 光纤衔接器在工艺上应满足的条件：光纤衔接器在工艺上应满足的条件： 1 1衔接损耗要小于衔接损耗要小于 0.5dB 0.5dB； 2 2装、拆方便，反复性好；装、拆方便，反复性好； 3 3体积小，本钱低等。体积小，本钱低等。 光纤衔接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。光纤衔接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。 光纤与光纤的衔

4、接有两种方式，一种是永久性衔接，另一种是活动衔接。 永久性衔接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。 光纤衔接器的根本构成 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。如下图。 光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下，因此熔接必需运用机器才行。良好的接续是指在接续点上没有光传输的不延续景象。 以下图中示出了纤芯不延续的几种典型形状，有轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差别等等。由于这些不延续性，也会呵斥光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波方式前往发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射率的差别，也会引起反射，此景

5、象又称菲涅耳Fresnel反射。接续点上的不延续景象接续点上的不延续景象l 由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式计算。设玻璃的折射率为n1时，光功率的反射系数可用下式求出：l r =(n1 - n2 )/(n1 + n2)2 l 例如:当 n1 1.45， n2 1，r 3.4%时，即有14.7dB的反射损耗。l 在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要的是要求在本质上代表分布宽度的模场直径MFD：Mode Field Diameter一致。l 目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗丈量等步骤都在微处置机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头附加

6、损耗可控制在0.1dB以下。 运用衔接器进展光纤接续，由于菲涅耳反射等缘由，对信号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终走漏出去。为此把衔接器的管芯端面按8进展倾斜研磨，就可以实现。另外一种方法就是去掉衔接之间的间隙。为此使管芯端面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种衔接器叫做 PC(Physical Contact) 型衔接器。实践运用的PC型衔接器如图所示，把套管端面研磨成球面。PC接续的反射很小，它的反射损耗可达25dB以上。假设经过精细加工研磨，就可将反射损耗目的提高到40dB以上。 光纤衔接器又分为多模衔接器和单模衔接器

7、。 多模衔接器用于多模光纤系统，它有U型环路衔接器、插座式衔接器、现场装配衔接器FA以及C型衔接器等，它们的损耗在0.4-0.5dB以下。 单模光纤衔接器有PC型直接接触型、FC型平面对接型、SC型矩形、ST型等几种。l FC型(平面对接型)衔接器是由衔接插头、插座组成，其构造如下图。它主要运用在光缆线路与传输设备间的衔接，可以方便地进展光路的调整或线路的测试。衔接器具有很高的精度。l SF型衔接器是室外用衔接器，具有防水功能和良好的温度特性。由于运用了塑料套管，其价钱廉价，可以和FC型衔接器进展互换。lMF型衔接器用于隧型衔接器用于隧通道里敷设光缆通道里敷设光缆的缆间接续中，可以的缆间接续中

8、，可以对带状对带状5芯光纤进展一芯光纤进展一次性衔接，由于体积次性衔接，由于体积小，可以装在规范接小，可以装在规范接头盒内，实现光纤的头盒内，实现光纤的高密度接续，其构造高密度接续，其构造如下图。如下图。二、光纤分路器及耦合器二、光纤分路器及耦合器l 图表示了波导型分支器的构造。它是一种Y型分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分。当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光将增多以致添加了过剩损耗。开角普通在12左右，因此分支器的长度不能够太短。l光纤耦合器光纤耦合器 fiber optic couplerl 将不同方向的光信号耦合送入一根光纤中将不同方向的光信号耦合送入一根光纤中传输，或者

9、相反。构造：传输，或者相反。构造：棱镜耦合式棱镜耦合式光纤耦合式光纤耦合式Port 1Port 1Port 4Port 4Port 3Port 3Port 2Port 2l 2x2定向耦合器及lxN、NxN星形 耦合器大多数采用熔融渐变双锥的制造方法，即将多根裸光纤绞合在一 起，火焰加热到软化温度后适当拉 伸，在熔融区构成渐变双锥构造。 图b是 X型22定向耦合器。图图c c为为8 8路传输型星型耦合器路传输型星型耦合器图图d d为为8 8路反射型星型耦合器路反射型星型耦合器l 光纤耦合器的目的有插入损耗、分光比与隔离度或方向性等。例如2x2定向耦合器插入损耗为：l L1,2 =10lg(P1

10、,2 /(P 3+P 4) (dB)l 式中， P1,2 为从输入端1或2输入的光功率， P 3,P 4 为输出端3、4的输出功率。定向耦合器的分光比为输出端的功率分配比，即l = P 3/P 4 l 隔离度反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从1端注入光功率，3、4端输出功率时，2端对1端的隔离度定义为：l I=10lg(P 3+P 4) / P2 ) (dB)l 光纤定向耦合器的插入损耗为0.21dB,分光比199根据需求)，隔离度可大于65dB。l 星形耦合器的插入损耗为从输入端口把光功率耦合到一切输出口的光功率损耗，即l Lin=10lgPj/Pi j=1.Nl 式中Pj为从各端口输出

11、的功率，Pi为从某个输入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数之和。 l 进入星形耦合器的光功率分配是等分到N个输出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出端口输出的功率和的1N，它称为功率分配系数。l 另外，可用多个22定向耦合器来构成NN的星形耦合器。 三、光合波器、光分波器三、光合波器、光分波器 光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个光信号合并在一同耦合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。 如以下图所示，可分为棱

12、镜型，多层电介质干涉膜干涉膜滤波器型以及衍射光栅型等几种类型。 光合波器和光分波器的类型光合波器和光分波器的类型 直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1 2P 0 P1 P2熔锥光纤型波分复用器构造和特性熔锥光纤型波分复用器构造和特性公共臂公共臂衍射光栅型波分复用器构造表示图衍射光栅型波分复用器构造表示图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1+ 2+ 3采用棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDMWDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+ 2+ 3 1 2 3 1 2 3l 图中给出了一种利用多层膜制成的滤光器，这是一种波导型分波滤光器。其构造是不断线形单模波导的

13、中间开一斜槽，且在其中插入一多层膜滤光器。当1.55um的光进入时可经过该滤光器继续前进，而当1.3um的光进入时那么被该滤光器反射，沿另一斜置的多模波导被分别出来。这种构造可用来作为分波器，但假设反向运用时却不能做合波器用，这是由于多模一侧损耗大的缘故。l 多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近 /2或者 /4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重塑构成薄膜，于是对于特定波长表现出较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的资料等。 采用电子射束蒸镀方法，可将SiO2低折射率资料，n=1.46和 TiO2高折射率资料，n 2.3积层 2040层，实现带

14、通滤波器BPF、长波长带通滤波器LWPF、短波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。 这种带通滤波器的实践构造如下图。四、光隔离器四、光隔离器l 半导体激光器及光放大器等对来自衔接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需求用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光经过的无源光器件，其任务原理是基于法拉弟旋转的非互易性。l偏振器:一种光学器件，偏振器中有一透光轴，其输出光为某一种方式的偏振光。当光的偏振方向与透光轴程度时，那么光全部经过；垂直时，那么光全部隔离。隔离器任务原理如以下图所示。隔离器任务原理如以下图所示。 这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方

15、这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，向也在垂直方向， 因此输入光可以经过第一个偏振器。因此输入光可以经过第一个偏振器。 紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光资料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如光资料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且其，并且其旋转方向与光传播方向无关。旋转方向与光传播方向无关。 回想一下：光偏振回想一下：光偏振(极化极化) 单模光纤中传输的光的偏振态单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：State of Polarization) 是在垂直于光传输方向的平面上电场矢

16、量的振动方向。是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。 在任何时辰，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两在任何时辰，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为程度模和垂直模。个正交分量分别称为程度模和垂直模。 偏振器偏振器法拉弟法拉弟旋转器旋转器偏振器偏振器反射光反射光阻塞阻塞入射光入射光SOP隔离器任务原理隔离器任务原理 法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器， 这个偏振器的透振方向在45方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45后的光可以顺利地经过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右经过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。 另一方面，假定在右边存在某种反射

17、(比如接头的反射)， 反射光的偏振态也在45方向上，当反射光经过法拉弟旋转器时再继续旋转45，此时就变成了程度偏振光。程度偏振光不能经过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就到达隔离效果。 然而在实践运用中，入射光的偏振态(偏振方向)是恣意的，并且随时间变化，因此必需求求隔离器的任务与入射光的偏振态无关，于是隔离器的构培育变复杂了。 一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器构造如以下图所示。一种与输入光的偏振态无关的隔离器一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出光纤输出SWP半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入光纤输入(a)光纤输出光纤输出SWP半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋

18、转器SWP光纤输入光纤输入(b) 具有恣意偏振态的入射光首先经过一个空间分别偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。 这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线经过， 程度分量偏折经过。 这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45。 因此法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为程度偏振光，反之亦然。 最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一同输出。 两个分量都要经过法拉弟旋转器， 其偏振态都要旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片 (/2 plate或halfwav

19、e plate)。 另一方面， 假设存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光经过这两个器件时， 其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一同，如下图，于是就起到隔离作用。 环行器除了有多个端口外，其任务原理与隔离器类似。 如下图，典型的环行器普通有三个或四个端口。 在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。 光环行器主要用于光分插复用器中。 光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324五、光开关五、光开关 光开关在光纤通讯技术中作光路

20、切换之用，如为了提高系统可靠性用于主开关切换等。光开关大体可分为两种: 一种是以机械方式驱动光纤和棱镜等光学器件进展光路的转换； 一种是利用光电效应和声光效应来转换电路，而没有机械动作。 前者为机械式光开关，后者为电子式光开关。二者相比，目前机械式光开关的光路转移速度慢，但因它具有较低的主损耗和较低的串光量优点，在实践中得到运用。普通损耗典型值为0.5 dB，最大1.2 dB，隔离度可达80 dB，呼应速度约为 15 ms，其构造原理表示图如以下图所示。微电机械光开关微电机械光开关MEMS MEMS 近来由于微电机械系统即近来由于微电机械系统即MEMSMEMS的出现，的出现， 使得机械开关备受

21、人们的注重。使得机械开关备受人们的注重。 MEMSMEMS采用了采用了毫微米技术的工艺毫微米技术的工艺, , 可以像半导体工艺一样在可以像半导体工艺一样在一个基片上制造出很微小的机械，一个基片上制造出很微小的机械， 如传动齿如传动齿轮安装、轮安装、 步进电机、步进电机、 高度抛光的金平板反高度抛光的金平板反射镜、射镜、 螺杆等。螺杆等。 这样的微机械可以与电的传动机械相连这样的微机械可以与电的传动机械相连安排在光路上，安排在光路上， 来控制反射镜使其运动，来控制反射镜使其运动， 从从而改动光的方向。而改动光的方向。 MEMSMEMS技术已开展到能在同技术已开展到能在同一个芯片上集成按阵列排放的

22、许多反射镜，一个芯片上集成按阵列排放的许多反射镜， 有望获得低损耗衔接、有望获得低损耗衔接、 小型化设计及大的互小型化设计及大的互连矩阵。连矩阵。 以下图给出了一个以下图给出了一个MEMSMEMS开关的原理开关的原理， 和相应的实例和相应的实例 微机械反射镜开关MMS(a) MEMS开关的原理； (b) 实例l 波导型光开关采用LiNbO3或GaAs等半导体资料为衬底，制造两条或多条条形光波导，构成定向耦合器，经过电极上的调制电压控制两个输出臂间的光功率通断。波导光开关的主要优点是开关速率高，可达几个GHz以上，开关电压5 V10V，但插入损耗相对较大，可达几dB分贝。六、光可变衰减器六、光可

23、变衰减器l 光可变衰减器是对光功率有一定衰减量的器件。为了衰减光的强度，普通采用使一部分光功率被物质吸收的方法。这可以在玻璃基片上蒸镀透射系数和反射系数变化很小的金属膜来实现。金属薄膜运用镍Ni、铬Cr等化合物资料，光的衰减量大小可由薄膜的厚度进展控制。l 光可变衰减器可以分为：能改动光衰减量而尺寸比较大的可变衰减器和衰减量为一定值的固定衰减器两种。l 光可变衰减器用在测定光接纳机灵敏度时，把它置于光接纳机的输入端，用来调整接纳机光电平的大小。l 此外，可变衰减器也可以作为一个器件在光学丈量中运用， 以下图示出了光衰减器的根本构成。对应于衰减元件A的旋转角，经过延续改动蒸镀薄膜的厚度，实现衰减

24、量的延续调整。衰减元件B对于入射的光束而言是按倾斜形状设计的，这样可以防止反射光前往与光衰减器相衔接的光纤中。l 固定衰减器主要用于调整光纤传输线路的光损耗。由于在光接纳端，假设光功率过大，能够会烧坏光电检测器件，或使其饱和。在光接纳机输入端用固定衰减器给出一定的衰减量以确保接纳光功率大小在适宜的范围以内。lWG 光可变衰减器光可变衰减器l产品称号产品称号: 光衰减器光衰减器 l型型 号号: OLA-15l消费厂家消费厂家: WG l产产 地地: 德国德国l适用范围适用范围: 邮电工程与维护邮电工程与维护 CATV 工程与维护工程与维护 综合布线系统综合布线系统 其它光纤其它光纤工程工程l产品

25、主要特点产品主要特点l1. 可对可对1310nm和和1550nm单模衰减单模衰减. l2. 可提供良好的回波抑制可提供良好的回波抑制.l 3. 衰减范围宽衰减范围宽,显示准确显示准确.l4. 低插入损耗低插入损耗,使测试更准确使测试更准确.l 5. 防水防振防水防振, 构造巩固构造巩固.l 6. 全数字显示全数字显示,方便直观方便直观. 技术目的技术目的波长范围波长范围: 1260nm- 1600nm 光纤类型光纤类型: 9/125 um 衰减范围衰减范围: 3-60 dB 插入损耗插入损耗: 40 dB 电池时间电池时间: 45 小时小时 光接头光接头 : 可选可选七七 光光 纤纤 光光 栅

26、栅l 光纤光栅由一段折射率沿其长度周期性变化的光纤构成。 利用掺锗石英光纤遭到240 nm 附近紫外光照射时纤芯折射率会增大这一景象， 将光纤沿中心轴线切开， 从光纤切面照射呈空间周期性变化的紫外光， 纤芯部位就会出现周期性折射率变化， 这就构成了光栅(FG)，其构造如以下图所示。 光纤光栅的构造图光纤光栅的构造图栅距光栅包层纤芯光纤(a)紫外光掩膜板(b)l 光纤光栅(FG)以其特有的高波长选择性能，易与光纤耦合， 插入损耗低， 构造简单， 体积小等优点， 日益遭到人们的关注， 其运用范围不断扩展到诸如光纤激光器、 WDM合波/分波器、 超高速系统中的色散补偿器、 EDFA增益平衡器等光纤通

27、讯及温度、 应变传感领域中， 而把光栅式全光器件集成于同一根光纤中的运用将有更加令人鼓舞的开展前景。 布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅BFG 假设光注入光栅假设光注入光栅FG后，后， 与折射率变化周期与折射率变化周期相对应的特定波长的光可以被逆向反射回去，相对应的特定波长的光可以被逆向反射回去， 那么称具有这种功能的光栅为短周期那么称具有这种功能的光栅为短周期(1 m以以下下)Bragg反射式光栅反射式光栅(FBG)。 布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅的节距或栅距是线性改动的，的节距或栅距是线性改动的， 称为啁啾称为啁啾FBG。 在这种光栅中在这种光栅中, 由于节距线性改动，由于节距线性改动， 入射光入射光的各个波长在光栅的不同深度被反射回来，的各个波长在光栅的不同深度被反射回来， 因因此补偿了各个波长在传输时间上的变化。此补偿了各个波长在传输时间上的变化。 啁啾啁啾FBG补偿了脉冲的色散展宽。补偿了脉冲的色散展宽。 八、光锁相环与非线性光环镜