光无源器件4版

1、1 图4.8 反馈稳定LD驱动电路V2V1电流源IoUin UV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin直 流 参直 流 参考电考电 压压PLDUPD(UPD+ + UR)UA1IbPLD inU2 3.19 ATC电路原理 TEC:致冷器 RT: 热敏电阻AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UVU0T(LD、热沉) T(环境)RTI(致冷器)T(LD)3图 4.9 APC电路原理 V2V1信号参考UinA1A2A3PD直流参考 U UV3IbLDUA1UA2UA3A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。43.3 光光

2、 无无 源源 器器 件件1. 为了实现光信号到接收机的传送，在整个光纤的传输线路上大致需要解决两大问题： 光纤的传输特性 光纤传输线路技术2. 无源器件的作用： 连接、光路导向、分配或融合光能量、合波和分波等。53. 系统对无源器件的要求： 插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、便于集成、价格便宜。4. 本节主要介绍无源光器件的功能、类型、原理和主要性能。61 1、功能、功能: : 实现光信号的连接传输。用于线路与发射机输出端线路与接收机输入端线路中其他无源器件间的连接。根据连接方式的不同: 活动连接-连接器 固定连接-接头3.3.1 3.3.1 连接器和接头连接器

3、和接头7 表表3.1 光纤活动连接器光纤活动连接器 2、连接器的分类、连接器的分类(1) 内 装 调 心 机 构(2) 把 固 定 在 管 C上 的 光 纤 纤 芯 与 B组 合 旋 转 ,使 它 与 A外 周 的 中 心 O重 合纤 芯偏 心 管 C偏 心 管 A偏 心 管 B种 类图 示说 明调心型纤 芯内 插 头外 插 头套 筒插 针光 纤光 纤(1) 柱 形 套 筒 结 构(2) 加 工 精 度 要 求 高(3) 不 易 对 准(1) 外 装 调 心 机 构(2) 将 光 纤 纤 芯 与 外 插 头 的 中 心 重 合 之 后 固 定 内 插 头单芯型8单芯型无调心型透镜光纤光纤套筒插

4、针锥形插针双锥套筒光纤光纤自聚焦棒光纤插针套筒光纤(1) 锥形套筒结构(2) 加工精度要求高(3)不易对准(1) 自聚焦棒形套筒结构(2) 加工精度要求不高(3) 易对准(1) 透镜形套筒结构(2) 加工精度要求不高(3) 易对准9多芯型(1) V形 槽 结 构(2) 加 工 精 度 要 求 高(3) 不 易 对 准压 盖光 纤插 针V形 槽光 纤(1) V形 槽 结 构(2) 加 工 精 度 要 求 高(3) 不 易 对 准V形 槽一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成2纤或4纤连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精密

5、V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。这种多纤连接器配合高密度带状光缆， 适用于接入网或局域网的连接。10SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack常用连接器类型常用连接器类型 111常用连接器类型常用连接器类型 2FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type12常用连接器类型常用连接器类型 3BICONIC TypeD4 TypeSMA 905 TypeSMA 906 TypeMINI BNC Type13图图 3.27 套管结构连接器简图套管结构连接器简图 光纤套管插针粘结剂 要求光纤与微孔、插针与套管精密配合。对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横

6、向偏移在1m以内，轴线倾角小于0.5。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用陶瓷最理想。陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命)和工作温度范围大大改善。14 3、 光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能 15表3.2 单模光纤活动连接器性能指标 插针端面: FC:平面式，螺纹连接，PC:球面式， APC ：8度斜面式，UPC：超级球面式，SC:插针与套管与FC相同，连接采用直拔（常用），ST：采用带键的卡口式锁紧机构。16 表3.3 多模光纤活动连接器性能指标 174、光纤连接时光的损耗、光纤连接时光的损耗主要来自制造技术和光纤本身的不完善。光纤的横向错位、角度倾

7、斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度以及纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆度、偏心度等都会影响连接质量。其中,轴心错位和间隙造成损耗影响最大,如图3.10所示。18图3.10 影响光纤连接质量的几种因素(a)纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯(b)(c)(d)(e)a 横向错位 b 端面间隙 c 角度倾斜 d 端面形状 e 纤心直径差异 19OFC - -光纤长度 / m光纤外径：09表示0.9 mm, 20表示2.0 mm, 30表示3.0 mm接头型号：FC/FC、FC/PC、FC/UPC、FC/APC、ST/PC、 ST/UPC、SC/PC、SC/UPC、SC/APC光

8、纤的模式类型：多模或单模5、光纤连接器的表示：、光纤连接器的表示：例如OFCSFC/PC3010表示单模光纤活动连接器、FC/PC型接头、光纤外直径3mm、长度10m。OFCMFC/PC0905表示多模光纤活动连接器、FC/PC型接头、光纤外直径0.9mm、长度5m。20n活动连接可以采用活动连接器,下图为FC/PC型活动连接器 21连接头端面类型Ferrule + Flange Insertion Loss(插入损耗) 40dB SPC45dB UPC50dB APC60dB226、光纤的熔接、光纤的熔接-接头接头光纤的固定连接是指一对光纤之间形成永久性的连接，这种连接用于不需要拆卸或重复使

9、用的场合。光纤的固定连接方法有熔接法、V型槽法、毛细管法等。熔接法在实际中应用最为普遍，是光纤通信干线中光纤连接的主要方法，它是利用电弧放电、氢焰或激光等方法加热从而将光纤熔融结合在一起。电弧放电是熔接法中应用最广的方法。利用电弧放电进行光纤熔接的设备称为光纤熔接机。热熔接的接头平均损耗达0.05 dB/个。2324n光纤适配器 25图3.12 光纤熔接机结构框图 光纤夹持器控制中心电弧电源显微镜头电极监测信号光纤熔接机由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电弧放电机构以及控制机构等四部分构成.电极由钼丝制成，电极尖端为3040尖角，电极之间间隙为12mm，电弧放电多采用20kHz的高频电源，

10、放电电压为20004000V，放电电流为1520mA。263.3.2 光耦合器光耦合器1、功能功能:是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是：附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。 27T形耦合器：形耦合器： 22的3端耦合器。功能：功能：是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。 主要用作：主要用作：不同分路比的功率分配器或功率组合器。 2. 耦合器类型耦合器类型T形(a)星 形(b)定向(c)2314

11、12N12N(d)波分28n星形耦合器：星形耦合器：nm耦合器，功能：功能：把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤， m和n不一定相等。主要用作：主要用作： 多端功率分配器。 T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分29定向耦合器：定向耦合器：一种22的3端或4端耦合器，功能：功能：是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。光信号从端1传输到端2， 一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。主要用作：主要用作：定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。 T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波

12、 分30波分复用器波分复用器/解复用器：解复用器：(也称合波器/分波器) 是一种与波长有关的耦合器。功能：功能：是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号， 分配给不同的接收机。主要用作：主要用作：波分复用器/解复用器将在7.2节详细介绍。 T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分31T形(a)星 形(b)定向(c)231412N12N(d)波分图 3.28 常用耦合器的类型 323. 基本结构基本结构 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型光纤型、微器件型微器件型和波导型波导型

13、。 33 图 3.29 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) 光纤型光纤型:把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。34 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)等微光学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和波分解复用器，如图3.31所示。 光纤耦合器光纤耦合器35 图 3.31 微器件型耦合器(a)T形耦合器； (b)

14、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1、 2121231 2 3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)36 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。 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图3.32 波导型藕合器 (a)T型耦合器、(b)定向耦合器 (c)

15、 波分解复用器 37 4. 主要特性主要特性 主要参数定义如下：38NnonocOtOCppPPCR1 耦合比耦合比CR: 是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比值。功率分路损耗Ls： )1lg(10CRLs39 附加损耗附加损耗Le： 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示NnonNninotitePPpPL11lg10lg10 插入损耗插入损耗Lt 是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示ocictppLlg1040 方向性方向性DIR(隔离度隔离度)：是一个输入端

16、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ricppDIRlg10 一致性一致性U：是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。 41表3.6 列出波长为1.31 m或(和)1.55 m单模光纤型耦合器的一般性能42表3.7列出波长为1.31 m或(和)1.55 m单模波分复用器/解复用器的一般性能。43 5、光纤耦合器的表示：、光纤耦合器的表示：对于光纤耦合器必须说明其输入/输出端口数目、工作波长、连接器类型等。例如SSCB04131FC/PC表示B级、44端口、工作波长为 1310nm、FC/PC连接器输入输出的单模光纤星形耦合器。品 种 ： 0

17、2表 示 22, 04表 示 44, 08表 示 88, 16表 示 1616SSC - - -分 光 比 ： 用 户 特 殊 要 求 说 明 (可 缺 省 )输 入 /输 出 形 式 ： B表 示 0.9 mmSMF -28标 准 尾 纤 1米 长 , C表 示 3 mm缆 1米 长 FC/PC、 FC/UPC、 FC/APC、 SC/PC、 ST/PC等 级 ： A， B工 作 波 长 ： 131表 示 1310 nm, 155表 示 1550 nm443.3.3 光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器非互易器件非互易器件1 1、光隔离器、光隔离器 是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻

18、挡光通过的光无源器件。n 主要用在光源和光放大器后。n主要参数：插入损耗和隔离度 对正向入射的光插入损耗值越小越好，对反向入射的光插入损耗值越大越好。n光隔离器主要利用了磁光晶体的法拉第效应。45是法拉第在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振方向旋转角度和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例，有 =VBL (3.1) 式 中 ，V为 材 料 的 特 性 常 数 ， 称 维 尔 德（Verdet）常数。偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关。-法拉第旋转器2 2、 法拉第效应：法拉

19、第效应：46 3 3、光偏振（极化）概念、光偏振（极化）概念 单模光纤中传输的光的偏振态（sop）是在垂直于光传输方向的平面矢量的偏振方向。在任何时刻，可分解为水平模和垂直模。47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偏振器SOP4、隔离器的工作原理48图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出SW P半 波 片法 拉 弟 旋 转 器SW PSO P光 纤 输 入(a)光纤输出SW P半 波 片法 拉 弟 旋 转 器SW P光 纤 输 入(b)Swp: 空间分离偏振器半波片: 左-右 顺时针 45度 右-左 逆时针 45度495.光环行器：（原理同隔离

20、器）光环行器：（原理同隔离器）132(a)(b)1324 图 3.36 光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 50 图 1.5两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b) 3.3.4光调制器光调制器1、两种调制方案、两种调制方案51调制器可以用电光效应、 磁光效应或声光效应来实现。最常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。 这种晶体的折射率n和外加电场E的关系为 n=n0+E+E2 式中，n0为E=0时晶体的折射率。和是张量，称为电光系数，其值和偏振

21、面与晶体轴线的取向有关。 2 2、调制器的工作原理、调制器的工作原理52 根据不同取向，当=0时，n随E按比例变化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。当=0时，n随E2按比例变化， 称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化， 改变了入射光的相位和输出光功率。 53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在LiNbO3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。54式中Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，U为光功率变化半个周期(相位为0)所需

22、的外加电压， 并称为半波电压。由式(3.35)可以看到，当Us+Ub=0时，P=2为最大；当Us+Ub=U时，P=0。 图3.38给出这种调制器的工作原理。 UUUPbScos1设输入调制信号按余弦cos变化，则输出信号的光功率(3.35)55图 3.38 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器特性 2102输 出 波 形输 入 波 形相 位 差输 出光 功率 P56 1、光开关的功能：、光开关的功能： 转换光路，实现光交换。 2、光开关可分为两大类：光开关可分为两大类：机械光开关: 利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换；优点是插入损耗小，串扰，适合各种光纤，技术成熟；缺点

23、是开关速度慢。固体光开关:利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。 3.3.5 光开关光开关57图3.13 机械式光开关 ABC机 械 驱 动 1）机械式光开关）机械式光开关通过机械运动实现不同光纤端口之间的相对连接。 58S17S78S53X1X8Y1Y8反射镜图3.14 微机械式光开关 2）. 微机械式光开关（微机械式光开关（MEMS） 在微机械式光开关中，微部件的控制主要采用电磁方式来实现。59液晶是一种介于固态和液态之间的物质，它具有光学各向异性晶体所特有的双折射性，既有液体的流动性和连续性，又有分子排列的方向性。液晶分

24、子有较强的电偶极矩，在外电场作用下易于极化；其分子间的作用力比固体弱，容易呈现各种状态，而且多数在介电常数、折射率、磁化等方面显示出较大的各向异性。 液晶材料用于光开关，正是利用了它的光学特性随电场改变的这一特性，称为液晶的电光效应。 3）. 液晶光开关液晶光开关60图3.15 液晶光开关工作原理(a)导通状态；(b)关闭状态PLAPAE(a)(b)利用了液晶的光学特性随电场改变的这一特性液晶的电光效应。 61这种光开关由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液。缺省条件下，入射光可沿着波导无交换地传输。当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，

25、气泡将入射波导中的光信号全部反射至输出波导，以实现光路的选择、转换。4）气泡式光开关）气泡式光开关62 图3.16 气泡开关(a)无光路交换；(b)光路交换 沟道波导衬底气泡(a) (b)热敏硅片 当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全部反射至输出波导，以实现光路的选择、转换。63 3、光开关的主要性能参数包括：、光开关的主要性能参数包括： (1) 交换矩阵的大小：交换矩阵的大小：光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。 光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同。随着通信业务需求的急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，如在骨干

26、网上要有超过10001000的交换容量。对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。64 (2)(2)交换速度交换速度。交换速度是衡量光开关性能的重要指标。 交换速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个毫秒时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。如对SDH/SONET来说，因故障而重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使上层感觉不到。当交换时间达到纳秒量级时，可以支持光互联网的分组交换，这对于实现光互联网是十分重要的。65(3) (3) 损耗损耗。当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗，包括插入损耗、回波损耗等。 光开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开

27、关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导交换的光开关。如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约12dB。而铌酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4dB左右。损耗特性影响到了光开关的级联，限制了光开关的扩容能力。66 (4) (4) 消光比消光比。消光比是描述光开关导通与非导通状态通光能力差别的主要指标，即两个端口处于导通和非导通状态时的插入损耗之差。 (5)(5) 升级能力。升级能力。基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为88或3232，但却不能升级到成百

28、或上千的端口，因此只能用于构建城域网，而不适用于骨干网上。 67(7)(7) 可靠性。可靠性。光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。在某些极端情况下，光开关可能需要完成几千几万次的频繁动作。有些情况（如保护倒换），光开关倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。如喷墨气泡光开关，如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题。68693.3.6 光衰减器光衰减器1、光衰减器的功能：、光衰减器的功能：是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源器件。它是光功率调节所不可缺少的器件。2、光衰减器的类型：、光衰减器的类型：实用光衰减器衰减光功率的工作机理主要有三种，如表3.4所示： 70 L1、 L

29、2为 微 透 镜 ， 其 轴 线 分 离 d 通 过 改 变 d的 大 小 来 控 制 衰 减 大 小 RL为/4自 聚 焦 透 镜 ， 它 可 以 把 处 于 输 入 端面 的 点 光 源 发 出 的 光 线 在 输 出 端 面 变 换 成 平 行光 ， 反 之 可 把 平 行 光 线 变 换 成 点 光 源 。 M为 镀了 部 分 透 射 膜 的 平 面 镜 A为 吸 收 片 ， 其 不 同 位 置 上 的 衰 减 量 不 等 。旋 转 A可 以 连 续 衰 减 入 射 光L1dRLRLMMLAL种 类图示说明耦 合型 光衰 减器反 射型 光衰 减器吸 收型 光衰 减器L2d71 （1）耦

30、合型光衰减器: 它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。 （2）反射型光衰减器: 它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。为了避免反射光的再入射影响衰减器性能的稳定，光线不能垂直入射到衰减片上，需将两块衰减片按一定倾斜角对称地排列为八字形。 （3）吸收型光衰减器: 它是采用光学吸收材料制成的衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，从而可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得较小。72 n 光衰减器按其衰减量可分为三种类型： 固定式衰减器：即衰减量一定； 步进可变式衰减器：如5步进式的，每步为 10dB，即10dB5； 连续可变式衰减器：如060dB。3、光衰减器的主要技术指标是：插入损耗、衰减量变化范围、精度以及温度的影响。73图 3.27 套管结构连接器简图 光纤套管插针粘结剂小结：小结：74图3.10 影响光纤连接质量的几种因素(a)纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯(b)(c)(d)(e)a 横向错位 b 端面间隙 c 角度倾斜 d 端面形状 e 纤心直径差异 75图3.12 光纤熔接机结构框图 光纤夹持器控制中心电弧电源显微镜