实现光信号的连接

1、光器件光器件用途用途:实现光信号的连接、能量分路实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用合路、波长复用/解复用、光路转换、能解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光量衰减、方向阻隔、光-电电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。类型：无源、有源类型：无源、有源无源无源主要包括：主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调

2、制器、光开光等器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光等有源有源主要包括：主要包括：激光器、光检测器、光放大器等激光器、光检测器、光放大器等分类：分类：常用器件：常用器件：光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、环行器、激光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、环行器、激光器、光调制器、光检测器光器、光调制器、光检测器波分复用器件：波分复用器件：光滤波器、光复用器、光解复用器、光放大器光滤波器、光复用器、光解复用器、光放大器光网络用器件：光网络用器件：光开光光开光发展趋势：发展趋势：集成化、全光纤化集成化、全光纤化第十章第十章 常用光无源器件常用光无源器件10.1 光光 纤纤 连连

3、接接 器器10.2 光纤耦合器光纤耦合器10.3 光光 开开 关关10.1 光光 纤纤 连连 接接 器器10.1.1 光纤连接器的结构与种类光纤连接器的结构与种类 光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。 光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和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。如图起对准套管的作用。如图10.1所示。所示。图10.1 光纤活动连接器基本结构1. 光纤连接器的结构光

4、纤连接器的结构光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过，目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有五种结构。(1) 套管结构套管结构套管结构的连接器由插针和套筒组成。(2) 双锥结构双锥结构双锥结构连接器是利用锥面定位。(3) V形槽结构形槽结构V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准，(如图10.3所示)。图图10.3 V形槽结构形槽结构(4) 球面定心结构球面定心结构球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。(5) 透镜耦合结

5、构透镜耦合结构透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，其结构分别如图10.5、图10.6所示。图图10.5 球透镜耦合结构球透镜耦合结构图图10.6 自聚焦透镜耦合自聚焦透镜耦合连接器的类型连接器的类型按接头外形分类按接头外形分类FCSCLCNTT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 日本NTT公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，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。ST由Bell lab开发出来。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

6、度。目前，在单模光纤方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位。 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。10.1.2 光纤连接器特性光纤连接器特性评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。1. 插入损耗插入损耗插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为：Ac-10lgP1/P0(dB) 式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1为输出端的光功率。2. 回波损耗回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：Ar

7、-10lgPR/P0 (dB) 式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR表示后向反射光功率。3. 重复性和互换性重复性和互换性重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。10.2 光纤耦合器光纤耦合器光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。NN1NP1/NP1/NP1/N耦合器的每个输入端的光功率被分配到所有输出端口10.2.1 光纤耦合器的分类和应用光纤耦合器的分类和应用制作光耦合器可以有多种方法，大致可分为光纤型、微器件型、波导型等。光纤耦合器波导耦合器衬底SiO2耦合器的应用耦合器的

8、应用PASSIVESPLITTER主要用途主要用途：功率分配功率分配密集波分复用（密集波分复用（DWDM）n光纤通信：损耗低、 距离远、容量大1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX DWDM：光传输的划时代的革命光传输的划时代的革命1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXT

9、X1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX 增加容量：时分复用、空分复用增加容量：时分复用、空分复用TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXDWDMDWDM120 km120 km120 km

10、 图 10.8光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (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)1、光纤型、光纤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结构和特性 公共臂公共臂22 的光纤耦合器熔融拉锥法的原理：熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。耦合光功率耦合光功率P2跟以下参数有关：拉伸区长度2L+W拉伸区内逐

11、渐变小的光纤半径r耦合区中两根光纤的半径差Dr总拉伸长度光约束在纤芯中传播光纤半径减小V明显减小部分光在纤芯外传播发生耦合P3P1P2P0光输入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰宽度决定拉伸时决定 zPP202sin zpzPPPP2020201cossin1%100122PPP光功率分配的百分比120log10PPP附加耦合损耗jiPPlog10插入损耗03log10PP串扰22光纤耦合器内的光功率分布光纤耦合器内的光功率分布假设耦合器无损耗两根光纤交替成为驱动光纤 是耦合系数50 : 50被驱动光纤与驱动光纤相位相差90 度例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 = 200 mW，另

12、外三个端口的输出功率分别为P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，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光纤耦合器的散射矩阵表示法SabSba,222112112121ssssbbaa11jjS假设器件无损耗其中S为散射矩阵， sij = |sij|exp(jf

13、ij)为耦合系数 为光功率从端口1到端口2的耦合比例例 设 = 0.5，那么输出场Eout,1和Eout,2可以从输入场Ein,1和Ein,2得到，此时的散射矩阵可以写成令Ein,2 = 0，则有那么可以得到两个端口的输出功率为2,1 ,2,1 ,1121ininoutoutEEjjEE1 ,1 ,21inoutEE1 ,2,21inoutEE和021 ,*1 ,1 ,1 ,2121PEEEPinoutoutout022,*2,2,2,2121PEEEPinoutoutoutNNlog101log10分路损耗NN 星型耦合器NiioutinPP1,log10附加损耗多根光纤一起熔融技术难度大，

14、主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器级联的办法构造大规模光耦合器N2log由12个22耦合器组成的88星形耦合器NFNFNNFTTNTlog)log322. 31 (10log2logloglog10log102log附加损耗分路损耗总损耗NNNc2log2NTF2loglog10附加损耗构成一个NN耦合器所需3 dB耦合器的数量：一个NN星形耦合器附加损耗：级联光耦合器的损耗级联光耦合器的损耗其中FT (01) 为通过每个3 dB耦合器的输出功率与输入功率比 图 10.9微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d

15、) 光栅式解复用器光 纤自 聚 焦 透 镜自 聚 焦 透 镜光 纤滤 光 片1、212123123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)2 2、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10.9所示。 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 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1+ 2+ 3采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+ 2+ 3 1 2 3+

16、 + 3 1 2 3mdisinsin光栅光栅 光栅是材料中的一个周期性结构或周期性扰动。这种结构使光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性与波长相关的反射特性。这种特性可以使用光栅方程描述：不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。(1) 干涉法干涉法干涉法是利用双光束干涉原理，将一束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。 (2) 相位掩膜板法相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。光纤光栅的产生外部写入法紫外掩模写入法：1. 用两

17、束紫外光照射光纤并发生干涉2. 掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加3. 光栅永久写入光纤光纤光栅应用光纤光栅应用波长滤波器波长滤波器1 2 n2 n1111111光纤光栅的应用光滤波器光分插复用器色散补偿器传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变 温度6度的变化导致0.6 nm的中心波长的漂移窄带滤波器Dt 图10.10 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 mm1.55 mm1.3 mm1.3 mm3、波导型、波导型 在一片平板衬底上制作所需形状的光

18、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。Mach-Zehnder Interferometer (MZI) 解解/复用器复用器 1 2 1 2 1 2 1 222 MZI解复用工作原理从端口1输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2 + bDL + p/2从端口2输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2 + bDL - p/2如果在输入端的波长满足bDL = kp (k为奇)两个支路的光在上输出端口相差2p的整数倍，在下端口的光相差p的整数倍，因此，光最终从上端口输出如果在输入端的波长满足bDL = kp (k为耦)那

19、么光信号由下输出端口输出因此不同的波长可以解复用到不同输出端b：传播常数22 MZI复用器选择合适的波长，或者说当DL满足关系：时，1和2可以被复用在一起。DDeffncL2DDD2221effncLL1322LncLeffDDD多端口的MZI复用器图图10.15 波导阵列光栅波导阵列光栅阵列波导光栅基于相位阵列的基于相位阵列的WDM器件器件相邻波导长度差DLNMMN阵列波导光栅AWG是MZI的扩展NNAWG应用1. 复用解复用器2. 波长路由选择开关配合波长变换器可成为动态的波长路由选择器10.2.2 光纤耦合器的特性光纤耦合器的特性1. 插入损耗插入损耗插入损耗(Insertin Loss

20、，IL)定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为 其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口测到的光功率值；Pin是输入端的光功率值。)(lg10.dBPPLIinoutii2. 附加损耗附加损耗附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学表达式为 式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。)(lg10.dBPPLEiniouti3. 分光比分光比分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技术术

21、语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为 例如对于标准X形耦合器，1 1或50 50代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。%100.ioutioutiPPRC4. 方向性（串扰）方向性（串扰）方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。)(lg10.12dBPPLDININ5. 均匀性均匀性均匀性就

22、是衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量。其数学表达式为 式中：MIN(Po u t)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。)()()(lg10.dBPMAXPMINLFoutout6. 偏振相关损耗偏振相关损耗偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的

23、偏振相关损耗。)()()(lg10.dBPMAXPMINLDPoutjoutjj7. 隔离度隔离度隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着线路之间的“串话”小。其数学表达式为 式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输入功率值。)(lg10dBPPIint10.3 光光 开开 关关10.4.1 光开关的种类光开关的种类1. 机械式光开关机械式光开关机械式光开关是最传统的光开关，一种实用化的机械式多模光纤光开关的插入损耗小于1dB，开关时间小于1ms。(1) 微光机电系统光开关微光机电系统光开关微光机电系统光开关是微光机电系统技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关。(2) 毛细管效应光开关毛细管效应光开关毛细管效应光开关是采用了电毛细管效应或热毛细管效应的光开关结构。(3) 金属薄膜光开关金属薄膜光开关金属薄膜光开关使用了金属膜与无源波导相结合的构形，其结构如图10.23所示。图图10.23 使用了金属膜与无源波导相结合的光开关结构使用了金属膜与无源波