光纤通信系统 第四讲 光器件

1、第三章 光纤通信中的关键光电子器件光纤通信系统光信息科学与技术专业1Components and Modules in DWDM Networks DWDMThin film filtersFiber gratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux modulesAmplifiersIsolatorsTap couplersPump lasersGain equalizersAttenuatorsIntegrated amplifiersSOAsOptical SwitchesCirculatorsCouplersAdd/drop modu

2、lesSwitchingTransmissionSource lasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/Rx modulesOver 9000 Products2第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交叉互连器33.1 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

3、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、光放大器、光波长转换器等发展趋势：集成化、全光纤化4第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交叉互连器5连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)

4、连接的器件， 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。 接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。 连接器和接头63.2 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7第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.

5、5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交叉互连器8光衰减器是用于对光功率进行衰减的器件，它主要用于光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。光衰减器要求重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便等。可调式光衰减器一般用于光学测量中。在测量光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的输入端，用来调整接收光功率的大小。使用光衰减器时，要保持环境清洁干燥，不用时要盖好保护帽。移动时要轻拿轻放，严禁碰撞。93.3 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

6、减器直接镀膜型光衰减器（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10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11第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交叉互连器12耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或

7、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。 1. 耦合器类型 图示常用耦合器的类型， 它们各具不同的功能和用途。 13常用耦合器的类型 142. 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、微器件型和波导型，图示这三种类型的有代表性器件的基本结构15 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 16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

8、入损耗为：附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。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：分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比3 技术指标：串扰17第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交叉互连器183.6 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大器前面，防止系统

9、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。19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与检偏器光轴一

10、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。20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21IsolatorsIsolator/coupler hybrids22第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交

11、叉互连器233.7 光调制器Modulators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。24直接调制和外调制Laser Direct Modulation of Laser DiodeBias + DATAIssues - C

12、omplex Dynamics Yield External Modulation of Laser DiodeLaserModulatorBiasBias + DATAIssues - Additional Component25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。26电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些

13、电光晶体(如LiNbO3 ) ，导致晶体折射率发生变化，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27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。2840Gb/s LiNbO3 Modulator29V/2VVt调制电压透射光

14、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光调制的透过率(调制器被偏置在V/2点上)30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。31使用材料：III-V

15、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 Modulator32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。33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

16、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。34第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交叉互连器353.8 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

17、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、偏振相关性(PDL)也是光开关的重要参数36 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37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38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39电光效

18、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40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41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

19、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。42第三章 光器件3.1 光器件概述3.2 光连接器Connector3.3 光衰减器Attenuator3.4 光耦合器Coupler3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器Modulators3.7 光开光Switches3.8 光波长转换器3.9 光交叉互连器433.9 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44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10Gbi