光电器件物理基础光纤

1、目录光纤器件基本参数结构器件种类参考书目发展过程光纤传输系统中对光路起转换、连接和控制功能的单元，又称光无源器件。主要有光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、复用器和解复用器等。1970年多模光纤取得突破性进展，光纤开始应用于通信技术，随之出现了光连接器。70年代末期，单模光纤出现并用于传输系统之后，相应地研制出单模光纤器件和平面型光纤器件，以适应长波长单模光纤传输系统的需要。光纤器件已有很多品种。光纤器件的基本理论和相关技术的研究受到人们重视，已经成为光电器件的一个独特的门类（见光纤光缆） 基本参数光纤器件有两个基本参数，即插入损耗和隔离度。光纤传输系统要求插入损耗小、隔离度大。 插入损耗

2、光纤器件插入光纤传输系统所引起的光功率损耗。通常用器件输出功率与输入功率 Pi之比的对数值来表示，即对于多端输出的器件，应是各输出端功率之和。产生插入损耗的主要原因是器件中光的漏泄、辐射、散射和像差等。插入损耗通常采用截断法、临时接点法（或两点法）来测量，测量在稳态模式分布的条件下进行。 隔离度 某些光纤元件插入光纤传输系统后，引起光从一个光路漏泄到另一个光路，常称串音。通常用漏泄到另一个光路的功率P1与主光路输入功率Pi之比的对数值来表示： 产生串音的主要原因是器件中光纤端面的菲涅尔反射、各光路之间的包层厚度不当以及对漏泄和辐射模的吸收性能不佳等。结构光纤器件有光纤型、棒透镜型和平面型等结构

3、。光纤型器件是光纤经过研磨抛光、热熔拉锥或镀膜等工艺制成的。加工较为简便，无需特殊材料，因而成本较低。棒透镜型器件是用棒透镜或配以必要的其他微光学元件制成。棒透镜是横断面折射率呈抛物型分布、对传输光束有自聚焦作用的圆柱形透镜，又称自聚焦透镜（图1）。这种透镜的特点是焦距小、数值孔径大、像差小、加工和连接方便、调准容易。由两根长度为1/4节距的棒透镜所构成的准直-聚焦平行光路适用于多种光纤器件。平面型器件以铌酸锂等作衬底材料，用集成电路工艺制成。其特点是体积小、抗外界干扰性能好，是集成光学器件的一种初级形式，又称薄膜光波导无源器件。器件种类光纤器件按功能分类，有光连接器、光耦合器、光开关、波分复

4、用器和波分解复用器、光衰减器、光环行器、光隔离器和光调制器等。 光连接器 实现光纤与光纤或光纤与其他器件光学连接的器件。它的主要参数是插入损耗。光连接器品种甚多,按插孔的结构型式分，有O型、C型和V型等；按光纤种类和芯数分，有多模、单模光纤连接器，多芯、单芯光缆连接器等；按应用场合分，有通用式、现场装配式、密封式和穿墙式等。通用的多模单芯光缆连接器的插入损耗一般为 0.51分贝（图2）。单模光纤连接器的最低插入损耗可达 0.3分贝。 器件种类光定向耦合器 使光路之间按比例实现能量耦合,且分光路线与传输方向有关，可作成三端口或四端口器件。根据结构和工艺的不同，可分为拼接式、拉锥式、棱镜式、平面式

5、等（图3）。光定向耦合器的主要参数是插入损耗、分光比和隔离度。主要用于单线双向传输及数据网等。 星形耦合器 使一个或几个光路中的光能耦合到同一边(或另一边)一个或几个光路中的近似星形器件。将能量耦合到同一边光路的称为反射式星形耦合器；将能量耦合到另一边光路的称非反射式星形耦合器。按其对称性又可分为1n型和nn型等。按结构与工艺的不同，星形耦合器可分为拉锥式、搅模棒式等（图4）。星形耦合器的主要参数与光定向耦合器相同。它主要用于星形光纤网络。 器件种类T 形耦合器 使两个端机接到一个主传输线路上去的器件。主要结构和参数与星形耦合器相同，主要用于母线网络。 光开关 使一个或几个光路中的光能接通、切

6、断或转换到另一个或几个光路中去的器件。按转换型式可分为1n型和nn型（矩阵开关）；按转换机理可分为机械式和折射率式（图5）。光开关的主要参数是插入损耗、隔离度、重复性、转换时间和寿命。它主要用于光路的切换。 波分复用器 使两个或两个以上不同波长的光载波共用一个光路的器件。按色散元件分有棱镜式、光栅式和干涉模式等。其主要参数是插入损耗、隔离度等。它主要用于单线双向传输和光纤网络传输。 器件种类波分解复用器 使共用一个光路的不同波长的多个光载波分到各自光路中去的器件。其主要参数、结构和用途均与波分复用器相同。 光衰减器 使光路的光能按一定比例衰减的器件。按衰减量的可调性可分为固定式、分级可调式和连

7、续可调式（图6）。其主要参数是衰减量及其精度。它主要用于调整中继区间的损耗、评价光纤传输系统损耗和校正光功率计等。 光纤器件除应用于光纤通信外，还可应用于非通信领域，如传感技术、数据处理和计算技术等。特别是光纤传感器尤其受到人们注意，它的进展将会促进光纤器件的发展。此外为了适应单模光纤传输系统的需要，光纤器件将在平面型器件的基础上向混合集成光路方向发展，对光纤传输系统会产生重要的影响。 参考书目玻恩和沃耳夫著，杨葭荪等译：光学原理，科学出版社,北京，1978。(M.Born and E.Wolf,Principles of Optics,Pergamon Press,Oxford,1975.)

8、 A.Yariv, Introduction toOpticalElectronics,Holt Rinehart and Winston,New York,1976.光子集成技术目前利用光子集成技术已制成了应用于WDM系统的多波长激光器列阵、光探测器列阵、硅基平面波导光星形耦合器、波导光栅路由器等光学器件。使用这样的IC芯片不仅可以合用同一度控制,而且还可以将复用/解复用器都集成在同一芯片上。 如果把光纤放大器与波导星形耦合器集成在一起,则可以制成无损耗的集成星形耦合器。如果进一步把这种无损耗的集成星形耦合器与DFB激光器列阵集成在一起,则可以制成多波长激光器列阵星形耦合器,这种器件在光传送

9、网和未来的全光网络中将发挥重要的作用。利用平面光波导技术,还可以制成波导调制器、薄膜波导光隔离器等。薄膜波导光隔离器目前研究的类型有平面介质波导型、模式转换型和45o法拉第旋转型。由于后者在器件性能上和结构复杂程度上均优于前两种,是近年来的研究重点。随着集成光学技术的发展,实用化的薄膜波导光隔离器逐渐成熟。 利用光纤光栅可以制成具有各种功能的全光器件,如果再将这些器件集成在一根光纤中,就可构成具有相关性能的光子器件或光子系统,这就是全光纤一维光子集成。这是一种具有响应速度快、信息容量大、功能全、效率高以及可超微型化、能与光通信光纤兼容、无插入损耗等一系列优异特性的全光纤器件。应用这样的器件构成

10、光纤通信系统与常规的光纤通信系统相比,在组网方式上必将发生深刻的变化。可以说,光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现是光纤通信发展史上的一个重要里程碑,在未来的光通信、光计算及正开始实施的信息高速公路计划中将有广阔的应用前景。光子集成芯片介绍在美国硅谷实验室中Infinera研发的创始人DavidWelch手持着一个2厘米宽的金色的长方体这就是用磷化铟等材料制成的半导体光子集成芯片。在这个外表看似简单的芯片中集成了大量的复杂的光电器件使得光通信从此进入了一个更低成本更高容量的新时代。 光子集成技术是光纤通信最前沿、最有前途的领域。自1990年以来密集波分复用系统(DWDM)的大规

11、模应用使得光通信有了飞速发展。DWDM系统中多达80个不同波长的激光器调制的数据信号在光纤的一端复用而后在一根细如发丝的光纤中传送。在光纤的另一端光信号被解复用为不同波长不同波长的数据信号通过光电转换最终进入到计算机。 在信息传输的过程中激光器进行发光光复用器对信号进行复用/解复用调制器对信号进行编码调制检测器进行光电检测等等。在传统DWDM系统中这些器件都分离在不同的板卡中整个系统庞大而又昂贵。“没有人想过要将DWDM系统做在一个芯片上也没有人试着这么做过”Infinera将不可能的事情变成可能。 2004年大规模光子集成芯片一对集成了50个光子器件的芯片呈现在人们的面前。此前一些光芯片厂商

12、只是做了一些少量器件的集成现在光子集成技术还成功地作出了400G和1.6T的芯片实现了多达240个光器件的集成。 当人们还在固守着“全光通信”的思路的时候网络已在悄然改变。节点设备需要光电变换通过“O-E-O”才能将信号进行整形和放大从而传给计算机。光子集成技术顺应了时代发展光子集成比传统的分立“O-E-O”处理降低了成本和复杂性带来的好处是以更低的成本构建一个具有更多节点的全新的网络结构更多的节点意味着更灵活的接入更有效的维护和故障处理。 光子集成芯片制造并不是一件容易的事情。光子器件具有三维结构比二维结构的半导体集成要复杂得多。将激光器、检测器、调制器和其他器件都集成到芯片中这些集成需要在不同材料多个薄膜介质层上重复地沉积和蚀刻这些材料包括砷化铟镓、磷化铟等。 磷化铟晶片在生产线上经过一种称为光刻胶的浆状化学物质进行包裹。紫外线光通过一个镂空设计的模板照射到光刻胶上产生了复杂的反应其中一些半导体材料就粘在了晶片上一些就被蚀刻掉了。 就像Intel使用光刻法制造PC机的硅微处理器一样光子集成达到了一个很高的技术水平。但是还有些重要的不同“在Intel芯片中全部都是硅材料。在光子领域中还需要很多种的半导体材料”Welch说