光纤通信系统与光器件(光器件)课件

1、目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光器件概述作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-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。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 包括：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、光调制器、光开光、激光器、光检测器、光放大

2、器、光波长转换器等发展趋势：集成化、全光纤化目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光连接器Connector技术指标：插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。重复性和互换性损耗来源活动连接器方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯插入损耗目前水平0.2dB减低反射技术：APC类型：FC、 SC、 ST其它：

3、多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光纤连接器FC型：螺纹连接。外部材料为金属SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。固定连接器包括：熔接法、V形槽法和套管法目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光衰减器Attenuator根据工作原理分类：位移型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器直接镀膜型光衰

4、减器（吸收模或反射模型）衰减片型光衰减器液晶型光衰减器光衰减器光衰减器固定光衰减器可变光衰减器尾纤式固定光衰减器转变换器式固定光衰减器SCFC型、 FCST型、 SCST型、 SC型、FC型、ST型小可变光衰减器步进可变光衰减器连续可变光衰减器机械型智能型技术指标：衰减量、精度、反射、插损固定光衰减器尾纤式衰减量调节旋钮目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光耦合器Coupler定义：对同一波长的

5、光功率进行分路或合路类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型全光纤型、微光元件型、集成光波导型功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。1321243C-耦合系数22光纤耦合器P4P0输入功率P1直通功率P3串扰P2耦合功率L锥形区域L锥形区域Z耦合区域1、插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i到输出端口j的路径中的插入损耗为：2、附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。3、串扰：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例：4、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比技术指标：串扰P0P1P2P3目录光器件概述光连接器Conne

6、ctor光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器复用器与滤波器Multiplexer and Filter光滤波器 与解复用器(光波长选择器件)0滤波器解复用器WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter用途：波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用中心波长（固定、可调）带宽（ 1dB带宽、3dB带宽、20dB带宽）偏振相关性（PDL）调谐范围隔离度(串音)插损温度敏感系数

7、技术参数0/0滤波器中心波长, 信号波长. 种类：基于干涉原理的滤波器：熔锥光纤滤波器、 Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德干涉滤波器基于光栅原理的滤波器：体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器（AWG）、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器 一、熔锥光纤滤波器利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。设计熔融区的锥度，控制拉锥速度。特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度低、复用波长数少（两波）应用：波长间隔较宽，常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波长的分离二、法布里珀罗滤波器 Fabry-Perot Filter基本原理：F-P

8、干涉仪，平行平板的多光束干涉。F-P 滤波器特性自由谱区FSR(Free Spectral Range)：相邻两个谐振频率的间距。 FSR=C/2nd n-中间介质折射率；d-腔长3dB带宽F：传输系数的数值降为最大值的一半应的频带宽度。 R越大， F越窄精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。 R越大，精细度越大。(f) (a)FSR传输函数 Pin(f) (b)输入功率Pout(f) (c)输出功率f1 f2 f3 . fNP1P2 P3 . PNf1 f2 f3 . fNF-P滤波器的传输特性(a)传输函数 (b)N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图 (c)滤波器输

9、出端DWDM系统对F-P滤波器参数的要求：F-P腔的自由谱区FSR必须大于多信道复用信号的频谱宽度，以免使信号重叠，造成混乱。在DWDM中，信道间距小于1nm，所以要求F-P腔有较窄的带宽F。精细度F要高级联F-P腔级联F-P腔光滤波器游标式级联腔：由两个腔长接近的F-P腔串联而成。K FSR1=(K+1) FSR2精细度为：FSRT= K FSR1=(K+1) FSR2FSR1FSR2FSRTfff腔1腔2级联腔Problem:插损大、两级间耦合、两级统一调谐困难Solution:光纤放大器补偿法、光隔离器法三、多层介质膜滤波器TFFMultilayer Dielectric Thin-Fi

10、lm Filter多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长Thin-Film resonant Multicavity Filter (TFMF)薄膜多共振腔滤波器TFMF的传输特性：腔越多滤波器顶越平 边缘越陡多层介质膜复用解复用器特点：通带特性好（平顶、隔离度高25dB）温度敏感性小（0.0005nm/OC 不需温控）插损57dB（16波） 波长数16CH波长间隔0.8nm 价格较高PDL小(0.2dB)是16波长WDM系统中主要选用的器件四、马赫曾德干涉滤波器MZIMach-Zehnder Interferometer长度相差L的两根波导，用来在两臂间产生与波长有关的相移对输入信号进行分路

11、的3dB耦合器在输出端将信号复合的3dB耦合器通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。Input 1Output 2Output 1/2+L+ /2= L+ /2+L- /2= LL=2neff L /=k k为偶数Output 2k为奇数Output 1五、体光栅滤波器在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。采用渐变折射率透镜，简化了装置的校准。采用普通透镜的WDM光

12、栅工作原理当以角度d衍射的射线满足下面的光栅方程时，在成像平面内就会产生波长上的相加干涉，即：(sinisind)=m式中m是光栅阶数，一般只考虑m=1的一阶衍射条件。由于对于不同的波长，可以在成像面内的不同点满足光栅方程，所以光栅可分离出单独的波长。成像平面1212反射光栅光栅周期体光栅滤波器的特点波长通道数大（132CH）通道间隔小（商用0.4nm)插损不随通道数增加(67dB)温度敏感(0.01nm/OC),需温度补偿(温控、材料补偿）高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）单模光纤光波导InP材料光栅采用凹面光栅，可省去聚焦透镜。六、阵列波导光栅AWG array-wavegu

13、ide-gratingAWG: 规则排列的波导，相邻波导的长度相差固定值L，因而产生的相移随波长而变。 AWG特点：信道间隔（1.6 0.8 0.4nm）端口（18 116 132 164)需要温控（0.01nm/C0)插损不随通道数增加(67dB)高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）隔离度22dBPDL1dB 应用：复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件）七、光纤光栅FBG对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条件，两波之间将发生能量的耦合。Bragg条件：特别地，如果满足 能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射中-反射式滤波器FBG光栅周期FBG

14、:lengthPeriod 光纤光栅的形成：光纤敏化（载氢或光敏光纤）-紫外光（244nm）以光栅条纹方式照射光纤-形成折射率光栅反射中心波长纤芯的有效折射率光栅周期根据不同的折射率分布，FBG分类：1. 均匀的Bragg光栅：谐振峰两边有一些旁瓣。由于光纤光栅两端折射率突变引起F-P效应导致的。旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。 3. 啁啾光栅Chirped FBGs：折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，反射谱宽增加短波长长波长4. 取样光栅Sampled gratings：梳状滤波器5. 相移光栅Phase-shifted FBGs:相移FBG应用：滤波器、色散补偿器、

15、光纤激光器等现状: 制作方式还不能满足商业要求 器件性能还未达到替代已商用器件的程度特点：插损小带宽窄易于光纤连接低成本温度特性（0.0125nm/oC 未补偿, 0.0007nm/oC 经补偿)应力敏感长周期光纤光栅：能量耦合:传输模-同向的包层模P阶包层模耦合至包层模的能量迅速损耗-损耗的波长相关性应用: EDFA的增益均衡光纤光栅制作)0+=2cos(fp+LzAnNdneffcore光纤光栅=光纤+折射率调制+封装光纤光栅：光纤： 无源或温度补偿封装实现对光纤光栅的折射率调制Laser Beam-1级+1级0级3%Translation of UV Beam相位模板光纤zn0n0+ne

16、ffn干涉区域群组滤波器Interleaver为实现50GHz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，2000年3月的OFC展览上，多家公司纷纷提出一种群组滤波器，Chroum公司称之为Slicer, Wavesplitter, JDS Uniphase等公司称之为Interleaver。复用器与滤波器小结法布里珀罗滤波器 F-P Filter多层介质膜滤波器TFF马赫曾德干涉滤波器MZI体光栅滤波器阵列波导光栅AWG光纤光栅FBG群组滤波器InterleaverFBG, AWG & TFF的比较性能FBGAWGTFF通道间距(GHz)low to 50low to 25 10

17、0插入损耗(db)ununiformuniformununiform通道串扰(db) 30 - 3525 - 3525 - 33长期稳定性possibly a problem due to tuningpossibly a problem due Temp. Control Good butto issue of Epoxy偏振特性ExcellentOK but need compensationvery good (0.25 db)价格highlow if in mass-prod.fair复用器及解复用器 Each of the main multiplexing/demultiplexi

18、ng filter technologies provides capabilities best suited to different numbers of channels and different channel spacings.DWDM器件主要供应商目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光隔离器与环行器Isolators & Circulators 非互易器件用途：放置于激光器及光放

19、大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：低的插入损耗(对正向入射光，1dB)高的隔离度(对反向反射光，4050dB)原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer Polarizer Faradayrotator Blocked Reflect light SOPLight out Light in 起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是

20、与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转450 ，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。光环形器基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送顺序：12 3 4 （三端口，四端口，多端口）主要特性： 插入损耗 隔离度 价格三端口光环行器四端口光环行器IsolatorsIsolator/coupler hybrids目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光调制器Mod

21、ulators光调制器：实现从电信号到光信号的转换光调制的分类：从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制-内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变-外调制（调制信号啁啾小）。按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。直接调制和外调制Laser Direct Modulation of Laser DiodeBias + DATAIssues - Complex Dynamics Yie

22、ld External Modulation of Laser DiodeLaserModulatorBiasBias + DATAIssues - Additional Component光源的外调制技术调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光调制 Electrooptic Effects电致吸收 Electro-Absorption Effects磁光调制 Magnetooptic Effects声光调制 Acoustic Modulators其中电光调制和电致吸收最为常用。电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3 ) ，导致晶体折射率

23、发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(r E+R E2)成正比。电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.普科尔(Pocket)效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化晶体折射率随外加电场而变化。具有非常好的消啁啾特性，适合于高速系统的超长距离传输。但调制器的插入损耗大，需要较高的驱动电压(典型值为4V)，难以与光源集成，而且对偏振敏感。40Gb/s LiNbO3 ModulatorV/2VVt调制电压透射光强半波电压V是把调制器从最小光强转换到最大光强所需的电压电

24、光调制的透过率(调制器被偏置在V/2点上)电致吸收光调制器是一种损耗器件，利用Franz-Keldysh效应和量子限制Stark效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。Franz-Keldysh效应：1958年提出，是指在电场作用下半导体材料的吸收边红移的理论。原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上偏压的增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出功率最小。使用材料：III-V族半导体材料特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低（2V）、啁啾

25、大于LN调制器（2.5Gb/s-640km;10Gb/s-80km)、调制码率（40Gb/s）、消光比低于LN调制器（10dB）40Gb/s EA Modulator声光效应光调制器声光效应是指声波作用于某晶体时，产生光弹性作用，使折射率发生变化，从而达到光调制的目的。特点：消光比高（30dB）、驱动功率较低、带宽窄。磁光效应光调制器磁光效应又称为法拉第效应。当光通过介质传播时，若在垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，其旋转角与介质长度、外磁场强度成正比。调制原理：经起偏器的光 信号通过磁光晶体，其偏 转角与调制电流有关。由 于起偏器与检偏器的透光 轴相互平行，当调制电流 为零

26、时，透过检偏器的光强 最大；随着电流逐渐最大， 旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光开关Switches实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)110ms保护开关110ms光包交换1ns外调制10ps 消光比、插损、串话、偏振相关

27、性(PDL)也是光开关的重要参数 机械光开关 热光开关 电光开关 微光机电系统（MOEMS） 光开关的分类机械式光开关特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(ms)只能用在OXC和OADM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关活动光纤光纤光纤固定装置热光效应光开关基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）3dB耦合器波导臂薄膜加热器相位移动电光效应光开关LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器特点：速度快（10ps1ns）、偏振敏感、价格昂贵半导体光放大器SOA光开关：改

28、变SOA驱动电流来实现特点：速度快（ns）、无损开关，但引入ASE噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵类型大小插损(dB)串话(dB)PDL(dB)开关时间机械式883550.210ms热光开关 SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms电光开关 LiNbO3 SOA44448035401Low10ps1ns光开关性能比较新型光开关MOEMS微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关。MEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。采用集成电路(IC)标准

29、工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细。I/O FibersImaging LensesReflectorMEMS 2-axis Tilt MirrorsMEMS光开关阵列优点：可实现超大规模交叉连接可利用IC工艺，批量生产 MirrorDetailed View of Mode - Eclipsing Optical Switch -Lucent. 1N MEMS Switch 大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使MOEMS光开关阵列成为光开关的主流长距离系统中光交换设备市场预测(Lightwave May 2000)MOEMS光开关阵列可

30、能成为光开关的主流HP/Agilent Bubble 开关阵列将成熟的喷墨打印技术与Si平面光路(PLC)结合。加热时，利用气泡的全反射，使来自输入波导的光改变反向。目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波器Multiplexer and Filter光隔离器与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器光交叉互连器光波长转换器光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向光网络演变的一个关键性器件。它可以在光通信

31、网络中广泛地用于光交换、波长路由以及光信号的全光再生等。光电光式光波长转换器全光波长转换器光-电-光式光波长转换器inReceiver/Photo diodeElect. Amplifier/regenerator + driverLaserExternalmodulatorout 特点 信号格式透明 转换速率可达10Gbit/s 可以实现消光比增强及信号再生 信噪比高 偏振无关 允许in=out 输入信号功率要求低 技术成熟 光电转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制全光波长转换器全光波长转换器是将信号从一个波长变为另一个波长而不需要变换到电域，因此具有高速、宽带、透明(与信号格式无关)的特点

32、。利用SOA中的交叉增益调制(XGM)利用SOA中的交叉相位调制(XPM)利用SOA中的四波混频效应(FWM)基于SOA-XGM的WCAs the input power increases, the carriers in the gain region of the SOA get depleted, resulting in a reduction in the amplifier gain.If the low-power probe signal at a different wavelength is sent into the SOA, it will experience a low gain when there is a 1 bit in the input signal and a higher gain when there is a 0 bit.SOASignal SProbe PFilterProbe PSignalCarrier densityGainProbe OutputtimeSOA-XGM的特点 可以达到较高