光无源器件电子通信专业1课件

1、第3章光无源器件-电子通信专业2022/7/31第3章光无源器件电子通信专业1光纤通信用光学元器件有源器件:无源器件:光源: LED, LD光检测器: PD, PIN, APD光放大器: EDFA连接器耦合器光开关隔离器波分复用器调制器光器件需外加电源驱动无需外加电源驱动第3章光无源器件电子通信专业1第三章 光器件3.1 连接器3.2 耦合器3.3 可调谐光滤波器3.4 波分复用/解复用器3.5 调制器3.6 光开关3.7 光隔离器3.8 光环行器3.9 光分插复用器3.10 波长变换器3.11 偏振复用器第3章光无源器件电子通信专业1光纤连接器: 用于光纤线路与光端机(光发射机, 光接收)

2、或其他光无源器件之间的连接的器件,是可以插拔的,有时也叫光纤活动连接器。3.1 连接器(Connectors)第3章光无源器件电子通信专业11.基本结构及工作原理工作原理: 采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95以上的光能通过连接器。基本结构:套管结构3.1 连接器连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分第3章光无源器件电子通信专业11.基本结构及工作原理3.1 连接器光纤插针的端面有:平面、球面(PC, Physical Contact)或斜面(APC, Angled Physical Contact)。APC8o三种常见的物理接触芯包皮凸球面平面斜面PC第3章光无

3、源器件电子通信专业11.基本结构及工作原理3.1 连接器套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。对中可以采用:双锥结构V形槽结构球面定心结构透镜耦合结构第3章光无源器件电子通信专业12. 对连接器的要求3.1 连接器连接损耗(插入损耗)小；回波损耗大；多次插拨重复性好；互换性好；环境温度变化时，性能保持稳定；并有足够的机械强度第3章光无源器件电子通信专业1按功能分类:连接器插头(Plug Connector)适配器(Adapter) 转换器(Converter)光缆跳线(Cable Jumper)裸光纤转换器(Bare Fiber Adapter)3.1 连接器3. 连接器的种类第3章光

4、无源器件电子通信专业1按连接方式及外形分类:3.1 连接器3. 连接器的种类ST (Spring Tension)：有FC型、SC型和ST型FC (Ferrule Connector) ：SC (Square/Subscriber Connector):表示用螺纹连接表示轴向插拔矩形外壳结构表示弹簧带键卡口结构。FCSCST第3章光无源器件电子通信专业13.1 连接器3. 连接器的种类如 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和 ST/PC 转接器的通常表示连接器的类型/光纤插针端面结构第3章光无源器件电子通信专业1各种单模光纤连接器的结构特点和性能指标第3章光无源器件电子通信专业

5、14. 连接器的损耗3.1 连接器固有损耗:数值孔径失配纤芯不同心折射率分布失配纤芯尺寸失配第3章光无源器件电子通信专业13.1 连接器外部损耗:轴向倾角q菲涅尔反射端面粗糙横向偏移x端面间隙d第3章光无源器件电子通信专业1. 主要性能指标插入损耗: 插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数回波损耗: 又称后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数重复性和互换性: 连接器多次插拔或互换后，插入损耗的变化.3.1 连接器第3章光无源器件电子通信专业1. 接头3.1 连接器接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接接

6、头制作方法热熔连接：高压电弧加热把两个光纤端面熔合机械连接：用V形夹具使光纤准直，用热固化及环氧树脂粘结加固V形槽光纤1光纤2第3章光无源器件电子通信专业1光耦合器: 将光信号进行分路和合路的器件.3.2 光耦合器(Optical Coupler)光耦合器连接三个或三个以上点光信号必须在多个输出端口分配,信号强度降低第3章光无源器件电子通信专业1光耦合器分类光功率耦合器光波长(合/分波）耦合器从功能上:从端口形式上:X 形(2 2)Y 形(1 2 )星形 (M N, N2)树形 (1 N, N2)T 形(1 2 )3.2 光耦合器分类第3章光无源器件电子通信专业1常用耦合器的类型T形星形 (M

7、 N )l1l2lNl1l2lN树形(1 N )波分复用器/解复用器(即合波器/分波器)2314X 形定向耦合器(2 2)3.2 光耦合器第3章光无源器件电子通信专业122定向光纤耦合器是构成其它光学元件的基础，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给 2 根光纤，可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器12341-2和3-4 为直通臂1-3和2-4 为耦合臂如1端输入,则2和3端输出, 4端无输出223.2 光耦合器22定向光纤耦合器第3章光无源器件电子通信专业188星形耦合器 1234567891011123.2 光耦合器. NN星形耦合器NN星形耦合器的功能是把 N 根光纤输入的光功率组

8、合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。22耦合器组成的星形耦合器第3章光无源器件电子通信专业1光纤耦合器的特性参数3.2 光耦合器以2 2定向耦合器为例插入损耗(Insertion Loss): L2314表示特定的端口到另一端口路径的损耗. 如从输入端口1到输出端口2的插入损耗为，用L表示第3章光无源器件电子通信专业13.2 光耦合器以2 2定向耦合器为例隔离度(Degree of Isolation): or 串话(音)干扰(Crosstalk)由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出. 但实际上端4还是有少量光功率

9、输出P4, 其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为2314一般要求：A20dB第3章光无源器件电子通信专业13.2 光耦合器以2 2定向耦合器为例分光比(Splitting Ratio) or 耦合比(Coupling Ratio): CR23141) 两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率， 则端2和端3分光比: CR=P2/P3, 一般为1:11:102)一个输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比第3章光无源器件电子通信专业13.2 光耦合器以2 2定向耦合器为例附加损耗(Excess Loss): Le2314由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，用全部输出端的光功

10、率总和与输入端的光功率总和的比第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器(Tunable Optical Filter)可调谐光滤波器：是一种波长（或频率）选择器件，它的功能是从许多不同频率的输入光信号中选择出一个特定频率的光信号HOF-DW 1.6 ITU波长滤波器Alpha 可调式F-P型光滤波器第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器1. 光滤波器分类根据工作原理分:干涉型根据其调谐的能力:光频固定滤波器衍射型吸收型可调谐滤波器法布里珀罗(F-P: Fabry-Perot)滤波器马赫-曾德尔(M-Z: Mach-Zehnder)滤波器布拉格(Bragg)光栅滤波器阵

11、列波导光栅(AWG)滤波器第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器2. 法布里珀罗(F-P)滤波器1)结构组成可调谐滤波器 压电陶瓷管内外壁施加电压时管可伸长,以调节F-P腔长L入射光透射光镜面L光纤压电陶瓷管 玻璃或陶瓷套管+v反射镜固定波长滤波器两块镜面均固定由法布里-珀罗干涉仪(F-PI: Fabry-Perot Interferometer) 构成滤波器.第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器2)滤波原理L平面镜入射光平面镜透射光驻波条件: j 为整数 纵模: 纵模间隔: or or 第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器3)滤波示意图信道间隔最

12、高频率信道和最低频率信道间的频率差滤波器的传输函数滤波器带宽调谐滤波器调谐控制电压inputoutput纵模间隔第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器3. 马赫-曾德尔(M-Z)滤波器1)结构组成3 dB耦合器:插入损耗为3dB, 即两输出光功率均分输入光功率马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉滤波器由两个3 dB耦合器串联组成. 干涉仪的两臂长度不等(L ) 或存在折射率差(n )第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器2) 工作原理双臂干涉.若在输出端3, l2满足相长条件,而l1满足相消条件,则输出l2光即:输出位相差第3章光无源器件电子通信专业13.3

13、 可调谐光滤波器一般式:第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器3) 级联M-Z干涉滤波器输入光波的频率间隔必须精确地控制在(Dv/2)的整数倍。光信道间隔:M-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-ZM-Z821,lllL7531,llll8642,llll51,ll73,ll62,ll84,ll1l3l2l4l5l7l6l8lvDvD2vD4vD2vD4vD4vD4第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器4.布拉格(Bragg)光栅滤波器1)结构及原理相邻反射光程差:lB-Bragg波长半反射镜LLLL通常j =1布拉格(Bragg)光栅滤波器由间距为 的N个平行半反射镜组

14、成( 称为布拉格间距), 某个波长的N束反射光干涉相长,从而构成反射式滤波器.第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器2) 光纤布拉格(Bragg)光栅通常j =1输出光中滤除了l2成分纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光照射后产生周期性地调制而成第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器3)光纤光栅带通滤波器: 在22光纤耦合器输出侧的两光纤上写入同样的Bragg光栅,即可构成带通滤波器.通常j =1 耦合器12输入共振波长为完全相同的的布拉格光栅4输出输出输出147llll17ll17ll4l4l4l 3 dB第3章光无源器件电子通信专业13.3 可调谐光滤波器5.阵列波

15、导光栅(AWG)滤波器阵列波导光栅(AWG, Arrayed waveguide gratings): 各种波长的光波从光纤(1)衍射进入自由传播区(2),然后耦合到长度不等的光栅波导区(3), 经历不同波导后衍射进入自由区(4), 来自不同波导同一波长光波只有在特定位置的输出端才满足相干相长叠加, 从而达到滤波的目的.输入输出自由传播区光栅波导区第3章光无源器件电子通信专业13.4 波分复用/解复用器(Wavelength Division Multipexers and Demultiplexers)波分复用/解复用器：波分复用器(WDM, Wavelength Division Mult

16、iplexers)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反.Nl2l1l+LNl2l1l3lNl2l1l3l复用器解复用器第3章光无源器件电子通信专业13.4 波分复用/解复用器1. 波分复用器熔拉双锥方法制造的星形耦合器波导技术制成的多端星形耦合器用光耦合器可实现波分复用第3章光无源器件电子通信专业13.4 波分复用/解复用器2. 波分解复用器1) 棱镜解复用器棱镜对不同波长的光有不同的折射角.n2n1n1n1n2iqlqe2l1lNlNl2l1l+Lpq第3章光无源器件电子通信专业13.4 波分复用/解复用器2)衍射光栅解复

17、用器不同波长光的衍射角不一样 光纤硅衍射光栅普通透镜 l1l2l3lll123+d硅光栅渐变折射透镜 光纤l1l2l3lll123+入射光波dsinqqd12qLl1l2光栅成像平面y2y1透射光栅普通透镜反射光栅渐变折射率透镜反射光栅第3章光无源器件电子通信专业13.4 波分复用/解复用器普通透镜反射光栅 光纤硅衍射光栅普通透镜l1lll123+l2第3章光无源器件电子通信专业13.4 波分复用/解复用器3) 阵列波导光栅(AWG) 解复用器输入输出自由传播区光栅波导区阵列波导光栅滤波器作为解复用器.第3章光无源器件电子通信专业13.5 光调制器(Optical Modulators)调制器

18、(Modulators):主要外调制器:电光效应磁光效应声光效应电光调制器:声光调制器:磁光调制器:光信号是用电信号调制光载波产生的。直接调制： 改变光源的驱动(注入)电流直接调制光源的输出强度。外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。第3章光无源器件电子通信专业13.5 光调制器1. 直接调制和外调制示意图直接调制外调制激光器 输出调制光信息电信号信息电信号输出调制光波01010激光器 输出调制光信息电信号连续光信号外调制器信息电信号输出调制光波输出连续光LD01010强度调制(IM: Intensity Modulation)示意图第3章光无源器件电子通信专业13.5 光调制器2. 电光调

19、制器电光调制器是利用电光材料的线性电光效应 ( Pockel effect) 制成 折射率n和外加电场E的关系:,-电光系数_线性电光效应或普克尔(Pockel)效应_二次电光效应或克尔(Kerr)效应1)电光效应 电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化, 如铌酸锂(LiNbO3)晶体第3章光无源器件电子通信专业13.5 光调制器Ex, Ey分量经传输距离L后产生的相位为：2) 相位调制器电场沿y方向施加;线偏振光偏振方向与y轴成45度为E=0时折射率电光系数450线偏振入射光圆/椭圆/线偏振出射光VzdLxEyEfDxEyEaEzxy晶体第3章光无源器件电子通信专业13.5 光调制器3)强

20、度调制器外加电压为零时, Ex和Ey相位差为0, 探测器探测不到光在电光晶体前后设置处于正交状态的起偏器和检偏器施加外电压, 输出变成椭圆偏振光， 部分光通过检偏器, 其强度与施加的电压有关.入射光VaExy晶体起偏器检偏器探测器yx第3章光无源器件电子通信专业14)马赫-曾德尔干涉型电光幅度调制器在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,电压引起折射率变化。3.5 光调制器LiNbO3电极偏振光输入调制信号V(t)输出AB波导Ti-LiNbO3DCEa+-AB第3章光无源器件电子通信专业1两波导的位相差3.5 光调制器LiNbO3电极偏振光输入调

21、制信号V(t)输出AB波导Ti-LiNbO3DCEa+-AB第3章光无源器件电子通信专业13.5 光调制器LiNbO3()tV共平面条形电极偏振光输入调制信号输出DCABEa+-AB波导3LiNbO-Ti调制电压施加在两臂上第3章光无源器件电子通信专业13.5 光调制器3.电吸收波导调制器电吸收调制器(EAM, Electro Absorption Modulator)是一种p-i-n半导体器件，其i层由多量子阱(MQW)波导构成。i层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。+pin入射光nhMQWVpin入射光nhVttPinPout0tV0-V调制电信号当p-i-n无偏置时, 入射光不被i层吸

22、收,相当于输出 “1” 码;当p-i-n反向偏置时,入射光被i层完全吸收,相当于输出 “0” 码.第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关(Optical Switches)机械光开关包括微机械光开关波导光开关利用电光、磁光、热光和声光效应光开关分类光开关的要求: 是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。光开关: 是转换光路,实现光信号交换的器件。第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关1. 机械式光开关光纤旋转轴反射镜移动臂光纤准直头固定输出光纤1234NN输入光纤-11N移动光纤开关12移动反射镜开关优点:插入损耗小、隔离度好

23、、消光比和偏振敏感性良好缺点:开关时间长, 尺寸大，不易集成。第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关2.微机电系统光开关微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems) 是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统.可升降悬臂微反射镜波导硅衬底电极V=0PLC可升降微反射镜 MEMS 光开关第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关可旋转微反射镜 MEMS 光开关微反射镜输出波导1输入波导衬底控制信号V入射光出射光出射光输出波导2取向1

24、取向2第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关可立卧微反射镜 MEMS 光开关微反射镜输出光纤1硅衬底PLC控制信号入射光出射光输出光纤2镜面旋转轴光纤第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关3. 波导光开关LiNbO3电极偏振光输入调制信号V(t)输出AB波导Ti-LiNbO3DC控制信号tt输出光V(t)自行分析其工作原理.第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关4. 热光开关(TOS)热光开关(TOS, Thermo-Optic Switches)是采用马赫-曾德尔干涉仪(M-ZI)结构, 用薄膜加热器加热波导臂, 从而改变波导折射率,最终改变两光波的位相差.1234薄膜加热

25、器ABLCr不加热时，器件处于交叉连接状态；加热时, 波导折射率变化, 器件处于平行连接状态。 第3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关5. 磁光开关磁光开关是利用法拉第(Faraday)效应制成的开关,当偏振光穿过施加了磁场的透明介质时，会发生偏振旋转。偏振平面的旋转角与磁场有关。 旋转角 和磁场强度H与材料长度L的乘积成比例第3章光无源器件电子通信专业1法拉第旋转器使光的偏振态(SOP: State Of Polarization)顺时针旋转45度 .偏振器2法拉弟旋转器偏振器1反射光阻塞入射光SOP磁光开关(隔离器)的工作原理 3.6 光开关偏振器1和偏振器2的透振方向成45度放置第

26、3章光无源器件电子通信专业13.6 光开关0102030505端口端口传输损耗施加电压(V)/dB1-31-2-(b)传输损耗特性EEOO21光纤光纤透镜透镜线圈施加电压 时23光纤透镜方解石1方解石2方解石3透镜透镜电磁铁棱镜玻璃块Gd:YIG 石英旋转器1光纤起偏器检偏器检偏器EOOEEOO+E31光纤光纤透镜透镜线圈施加电压- 时晶体起偏器检偏器棱镜玻璃块O+E晶体Gd:YIG45o+5V5V开关基本结构 (a)磁光式光开关 第3章光无源器件电子通信专业13.7 光隔离器(Optical Isolator)只允许光线沿光路单向传输的无源器件，用于解决光纤通信中光路中光反射的问题。隔离器主

27、要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。光隔离器: 第3章光无源器件电子通信专业13.7 光隔离器光通信用的隔离器几乎都用法拉第磁光效应原理制成;当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将旋转角度 ;如果反射光再一次通过法拉第介质，则旋转角度增加到2 。1. 磁光块状光隔离器第3章光无源器件电子通信专业13.7 光隔离器2.磁光波导光隔离器基于法拉第旋转器和线性偏振片的隔离器不便于集成, 因而开发基于平面集成光路(PIC: Photonic Integrated Circuit)的磁光波导器件.集成光隔离器的基本工作原理是基于磁光薄膜的磁光法拉第效应

28、.第3章光无源器件电子通信专业13.7 光隔离器正向传输的光在出Y2分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增强；反向传输的光在出Y1分支处时的总相移为，两光相消干涉而抵消。 非互易相移MZI型波导光隔离器第3章光无源器件电子通信专业13.8 光环形器(Optical Circulator)光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，是一种单向传输器件, 主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中.端口 1 输入端口 2 输出; 端口 2 输入端口 3 输出光发射机1光发射机2光接收机1光环形器光环形器光接收机2123123光纤第3章光无源器件电子通信专业13.8 光环形器用光隔离器构成的光环形器port2port2port1port3分束棱镜反射棱镜双折射棱镜法拉第旋转器相位旋转器双折射棱镜OEOE第3章光无源器件电子通信专业13.9 光分插复用器(OADM)光分插复用器(Optical Add-Drop Multiplexers, OADM)是在WDM网络中，在保持其它信道传输不变的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入.阵列波导光栅(AWG)光分插复用器可重构光分插复用器(ROADM: Reconfigurable OADM)波长选择交换(WSS: Wavelength Selective Switches) ROADM 也叫:光交叉连接器