光纤通信系统与光器件光器件

光器件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MultiplexerandFilter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MultiplexerandFilter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：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述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换换器光交叉互连连器光衰减器——Attenuator根据工作原原理分类：：位移型光衰衰减器横向位移型型光衰减器器纵向位移型型光衰减器器直接镀膜型型光衰减器器（吸收模模或反射模模型）衰减片型光光衰减器液晶型光衰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SC—FC型、FC—ST型、SC—ST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、反反射、插损损固定光衰减器尾纤式衰减量调节节旋钮目录光器件概述述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换换器光交叉互连连器光耦合器——Coupler定义：对同一波长的光功率进进行分路或或合路类型：Y型、X型型22耦合器器、1N型、MN型全光纤型、、微光元件件型、集成成光波导型型功能：光信号的分分配、合成成、提取、、监控等。。1321243C--耦合系数22光纤耦耦合器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、插入损损耗：特定的端口口到另一端端口路径的的损耗。如如从输入端端口i到输出端口j的路径中中的插入入损耗为为：2、附加加损耗：：输入功率率对总的的输出功功率的比比值。3、串扰扰：一个端口口的输入入信号与与散射或或反射回回另一个个输入端端口的光光功率间间的隔离离度。以以22光纤纤耦合器器为例：：4、分光光比或耦耦合比：：输出端口口间光功功率分配配的百分分比技术指标标：串扰＝P0P1P2P3目录光器件概概述光连接器器Connector光衰减器器Attenuator光耦合器器Coupler复用器与与滤波器器MultiplexerandFilter光隔离器器与环行行器光调制器器Modulators光开光Switches光波长转转换器光交叉互互连器复用器与与滤波器器—MultiplexerandFilter光滤波器器与解解复用器器(光波波长选择择器件)0滤波器解复用器WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter用途：波长选择择、光放放大器的的噪声滤滤除、光光复用/解复用用中心波长长（固定定、可调调）带宽（1dB带宽、、3dB带宽、、20dB带宽宽）偏振相关关性（PDL））调谐范围围隔离度(串音)插损温度敏感感系数技术参数数0/0滤波器中中心波长长,信号波长长.种类：基于干涉涉原理的的滤波器器：熔锥光光纤滤波波器、Fabry-Perot滤滤波器、、多层介介质膜滤滤波器、、马赫-曾德干干涉滤波波器基于光栅栅原理的的滤波器器：体光栅栅滤波器器、阵列列波导光光栅滤波波器（AWG））、光纤纤光栅滤滤波器、、声光可可调谐滤滤波器一、熔锥光纤滤波波器利用熔锥型光光纤耦合器的的波长依赖性性。设计熔融融区的锥度，，控制拉锥速速度。特点：插损低低、结构简单单、温度稳定定性高、隔离离度低、复用用波长数少（（两波）应用：波长间间隔较宽，常常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波长的的分离二、法布里－－珀罗滤波器器Fabry-PerotFilter基本原理：F-P干涉仪仪，平行平板板的多光束干干涉。F-P滤波波器特性自由谱区FSR(FreeSpectralRange)：相邻两个个谐振频率的的间距。FSR=C/2ndn-中间介质质折射率；d-腔长3dB带宽F：传输系数的的数值降为最最大值的一半半应的频带宽宽度。R越大，F越窄精细度F(Finesse)：自自由谱区与3dB带宽之之比。R越大，精细细度越大。(f)(a)FSR传输函数Pin(f)(b)输入功率Pout(f)(c)输出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P滤波器器的传输特性性(a)传输函函数(b)N个信信道经波分复复用后加到滤滤波器输入端端的频谱图(c)滤波器输出出端DWDM系统统对F-P滤滤波器参数的的要求：F-P腔的自自由谱区FSR必须大于于多信道复用用信号的频谱谱宽度，以免免使信号重叠叠，造成混乱乱。在DWDM中中，信道间距距小于1nm，所以要求求F-P腔有有较窄的带宽宽F。精细度F要高高级联F-P腔腔级联F-P腔腔光滤波器游标式级联腔腔：由两个腔腔长接近的F-P腔串联联而成。KFSR1=(K+1)FSR2精细度为：FSRT=KFSR1=(K+1)FSR2FSR1FSR2FSRTfff腔1腔2级联腔Problem:插损大大、两级间耦耦合、两级统统一调谐困难难Solution:光纤纤放大器补偿偿法、光隔离离器法三、多层介质质膜滤波器TFFMultilayerDielectricThin-FilmFilter多层介质膜：：通过某一波波长，阻止其其它波长Thin-FilmresonantMulticavityFilter(TFMF)薄膜多共振腔腔滤波器TFMF的传传输特性：腔越多滤波器顶越越平边缘越陡多层介质膜复复用解复用器器特点：通带特性好（（平顶、隔离离度高~25dB）温度敏感性小小（0.0005nm/OC不需温控控）插损5~7dB（16波波）波波长数16CH波长间隔0.8nm价价格较高PDL小(~0.2dB)是16波长长WDM系系统中中主要要选用用的器器件四、马马赫－－曾德德干涉涉滤波波器MZIMach-ZehnderInterferometer长度相相差L的两两根波波导，，用来来在两两臂间间产生生与波波长有有关的的相移移对输入入信号号进行行分路路的3dB耦合合器在输出出端将将信号号复合合的3dB耦合合器通过分分裂输输入光光束以以及在在一条条通路路上引引进一一个相相移，，重组组的信信号将将在一一个输输出端端产生生相加加性干干涉，，而在在另一一个输输出端端产生生相消消性干干涉，，信号号最后后只会会在一一个输输出端端口出出现。。Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk为偶数Output2k为奇数Output1五、体体光栅栅滤波波器在Si衬底底上沉沉积环环氧树树脂后后制造造成光光栅。。多波波长信信号经经光纤纤输入入和普普通透透镜或或棒透透镜聚聚焦在在反射射光栅栅上，，反射射光栅栅将各各波长长分开开，然然后经经透镜镜将各各个波波长的的光聚聚焦在在各自自的光光纤。。采用渐渐变折折射率率透镜镜，简简化了了装置置的校校准。。采用普普通透透镜的的WDM光栅工工作原原理当以角度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：(sini－sind)=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1＋212反射光栅光栅周期体光栅栅滤波波器的的特点点波长通通道数数大（（~132CH）通道间间隔小小（商商用~0.4nm)插损不不随通通道数数增加加(6~7dB)温度敏敏感(~0.01nm/OC),需温温度补补偿(温控控、材材料补补偿））高斯型型通带带（采采用特特殊技技术可可实现现平顶顶，但但增大大插损损）单模光光纤光波导导InP材料料光栅采用凹凹面光光栅，，可省省去聚聚焦透透镜。。六、阵阵列波波导光光栅AWGarray-waveguide-gratingAWG:规规则则排列列的波波导，，相邻邻波导导的长长度相相差固固定值值L，，因而而产生生的相相移随随波长长而变变。AWG特点点：信道间间隔（（1.60.80.4nm））端口（（18116132164)需要温温控（（0.01nm/C0)插损不不随通通道数数增加加(6~7dB)高斯型型通带带（采采用特特殊技技术可可实现现平顶顶，但但增大大插损损）隔离度度~22dBPDL<1dB应用：：复用/解复复用（（16通道道以上上WDM系系统中中最具具竞争争力的的器件件）七、光光纤光光栅FBG对于同同向传传输的的两个个波，，如果果传播播常数数满足足Bragg条条件，，两波波之间间将发发生能能量的的耦合合。Bragg条件件：特别地地，如如果满满足能量将将耦合合至波波长与与入射射波相相同的的反向向传输输的散散射中中--反反射式式滤波波器FBG光栅周周期FBG:lengthPeriod光纤光光栅的的形成成：光纤敏敏化（（载氢氢或光光敏光光纤））--紫外外光（（~244nm）以以光栅栅条纹纹方式式照射射光纤纤--形成成折射率率光栅栅反射中中心波波长纤芯的的有效效折射射率光栅周周期根据不不同的的折射射率分分布，，FBG分分类：：1.均均匀匀的Bragg光栅栅：谐振峰峰两边边有一一些旁旁瓣。。由于光光纤光光栅两两端折折射率率突变变引起起F-P效效应导导致的的。旁瓣分分散了了光能能量，，不利利于其其应用用，需需进行行旁瓣瓣抑制制。3.啁啁啾啾光栅栅ChirpedFBGs：折射率率调制制幅度度不变变，而而周期期沿光光栅轴轴向变变化，，反射射谱宽宽增加加短波长长波长4.取取样样光栅栅Sampledgratings：梳梳状滤滤波器器5.相相移移光栅栅Phase-shiftedFBGs:相移移FBG应用用：滤滤波器器、色色散补补偿器器、光光纤激激光器器等现状:制制作作方式式还不不能满满足商商业要要求器件件性性能能还还未未达达到到替替代代已已商商用用器器件件的的程程度度特点：：插损小小带宽窄窄易于光光纤连连接低成本本温度特特性（（0.0125nm/oC未未补偿偿,0.0007nm/oC经经补偿偿)应力敏敏感长周期期光纤纤光栅栅：能量耦耦合:传输输模---同向向的包包层模模P阶包包层模模耦合至至包层层模的的能量量迅速速损耗耗---损损耗的的波长长相关关性应用:EDFA的的增益益均衡衡光纤光光栅制制作)0++=2cos(fp+LzAnNdneffcore光纤光光栅=光纤+折射率率调制制+封装光纤光栅：光纤：：无源或或温度度补偿偿封装装实现对对光纤纤光栅栅的折折射率率调制制LaserBeam-1级级+1级级0级<3%TranslationofUVBeam相位模模板光纤zn0n0+neffn干涉区域群组滤滤波器器Interleaver为实现现50GHz间间隔的的密集集波分分系统统同时时避免免器件件技术术的过过分复复杂和和太高高成本本，2000年年3月月的OFC展览览上，，多家家公司司纷纷纷提出出一种种群组组滤波波器，，Chroum公司司称之之为Slicer,Wavesplitter,JDSUniphase等等公司司称之之为Interleaver。复用器器与滤滤波器器小结结法布里里－珀珀罗滤滤波器器F-PFilter多层介介质膜膜滤波波器TFF马赫－－曾德德干涉涉滤波波器MZI体光栅栅滤波波器阵列波波导光光栅AWG光纤光光栅FBG群组滤滤波器器InterleaverFBG,AWG&TFF的的比较较性能FBGAWGTFF通道间距(GHz)lowto50lowto25100插入损耗(db)ununiformuniformununiform通道串扰(db)30-3525-3525-33长期稳定性possiblyaproblemduetotuningpossiblyaproblemdueTemp.ControlGoodbuttoissueofEpoxy偏振特性ExcellentOKbutneedcompensationverygood(<0.25db)价格highlowifinmass-prod.fair复用器器及解解复用用器Eachofthemainmultiplexing/demultiplexingfiltertechnologiesprovidescapabilitiesbestsuitedtodifferentnumbersofchannelsanddifferentchannelspacings.DWDM器器件主主要供供应商商目录光器件件概述述光连接接器Connector光衰减减器Attenuator光耦合合器Coupler复用器器与滤滤波器器MultiplexerandFilter光隔离离器与与环行行器光调制制器Modulators光开光光Switches光波长长转换换器光交叉叉互连连器光隔离离器与与环行行器Isolators&Circulators非非互易易器件件用途：：放置于于激光光器及及光放放大器器前面面，防防止系系统中中的反反射光光对器器件性性能的的影响响甚至至损伤伤，即即只允允许光光单向向传输输。主要指指标：：低的插插入损损耗(对正正向入入射光光，~1dB)高的隔隔离度度(对反反向反反射光光，40~50dB)原理：：一般由由起偏偏器、、检偏偏器和和旋光光器组组成。。与输入入偏振振态有有关的的光隔隔离器器的工工作原原理Polarizer

Polarizer

Faradayrotator

BlockedReflectlight

SOPLightout

Lightin

起偏器器与检检偏器器的透透光轴轴成450角，旋旋光器器使通通过的的光发发生450旋转。。当垂垂直偏偏振光光入射射时，，全部部通过过起偏偏器。。经旋旋光器器后，，光轴轴旋转转450，恰与与检偏偏器透透光轴轴一致致而获获得低低损耗耗传输输。如如果有有反射射光出出现且且反向向进入入隔离离器的的只是是与检检偏器器光轴轴一致致的那那一部部分光光，光环形形器基本原原理：：工作原原理等等同于于隔离离器，，光传送送顺序序：1234（（三端口口，四四端口口，多多端口口）主要特特性：：插入损损耗隔离度度价格三端口口光环环行器四端口口光环环行器器IsolatorsIsolator/couplerhybrids目录光器件件概述述光连接接器Connector光衰减减器Attenuator光耦合合器Coupler复用器器与滤滤波器器MultiplexerandFilter光隔离离器与与环行行器光调制制器Modulators光开光光Switches光波长长转换换器光交叉叉互连连器光调制制器Modulators光调制制器：：实现从从电信信号到到光信信号的的转换换光调制制的分分类：：从光源源调制制角度度看，，有两种方方法实现现光调制制，其一一，将调调制信号号直接注注入激光光器（调调制激光光器驱动动电流）），而实实现激光光输出光光强度等等参数的的调制--内调制或或直接调调制（简单、、经济、、引入较较大的啁啁啾）；其二，，将调制制信号控控制激光光器后接接的外调调制器，，利用调调制器的的电光、、声光等等物理效效应使其其输出光光的强度度等参数数随信号号而变--外调制（调制信信号啁啾啾小）。按被调制制光波的的参数分分：强度调制制、相位位调制、、偏振调调制等。。直接调制制和外调调制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外外调制技技术调制信号号不直接接施加在在LD上上，而是是施加在在光调制制器上。。外调制技技术分类类：电光调制制ElectroopticEffects电致吸收收Electro-AbsorptionEffects磁光调制制MagnetoopticEffects声光调制制AcousticModulators其中电光调制制和电致致吸收最为常用用。电光效应应光调制制器电光效应应：电压施加加于某些些电光晶晶体(如如LiNbO3)，导致晶晶体折射射率发生生变化，，引起通通过该晶晶体的光光波特性性发生变变化。折射率变变化n与外加电电场E有着复杂杂的关系系，可近近似地认认为n与(rE+RE2)成正比比。电光调制制器主要要利用普科尔(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射率随外外加电场场而变化化。具有有非常好好的消啁啁啾特性性，适合合于高速速系统的的超长距距离传输输。但调调制器的的插入损损耗大，，需要较较高的驱驱动电压压(典型型值为4V)，，难以与与光源集集成，而而且对偏偏振敏感感。40Gb/sLiNbO3ModulatorV/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光调制制的透过过率(调调制器被被偏置在在V/2点上上)电致吸收收光调制制器是一种损耗器件件，利用Franz-Keldysh效应和和量子限限制Stark效应，，工作在在调制器器材料吸吸收边界界波长处处。Franz-Keldysh效应：：1958年提提出，是是指在电电场作用用下半导导体材料料的吸收边红红移的理论。。原理：改改变调制制器上的的偏压，，使多量量子阱(MQW)的吸吸收边界界波长发发生变化化，进而而改变光光束的通通断，实实现调制制。当调调制器无无偏压时时，光束束处于通通状态，，输出功功率最大大；随着着调制器器上偏压压的增加加，MQW的吸吸收边移移向长波波长，原原光束波波长处吸吸收系数数增大，，调制器器为断状状态，输输出功率率最小。。使用材料：III-V族族半导体材料料特点：易与激激光器集成、、体积小、驱驱动电压低（（~2V）、、啁啾大于LN调制器（（2.5Gb/s--640km;10Gb/s--80km)、调调制码率（40Gb/s）、消光比比低于LN调调制器（~10dB）40Gb/sEAModulator声光效应光调调制器声光效应是指声波作用用于某晶体时时，产生光弹弹性作用，使使折射率发生生变化，从而而达到光调制制的目的。特点：消光比高（~30dB））、驱动功率率较低、带宽宽窄。磁光效应光调调制器磁光效应又称称为法拉第效应。当光通过介介质传播时，，若在垂直光光的传播方向向上加一强磁磁场，则光的的偏振面产生生偏转，其旋旋转角与介质质长度、外磁磁场强度成正正比。调制原理：经起偏器的光光信号通过磁光光晶体，其偏偏转角与调制电电流有关。由由于起偏器与检检偏器的透光光轴相互平行，，当调制电流流为零时，透过过检偏器的光光强最大；随着电电流逐渐最大大，旋转角加大，，透过检偏器器的光强逐渐渐下降。目录光器件概述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤波波器MultiplexerandFilter光隔离器与环环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换器器光交叉互连器器光开关Switches实现光通道的的通断和转换换。光网络中的关关键器件。开关时间是光开关的主主要指标。不不同的应用场场合,对光开开关的开关时时间要求不同同。应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关1~10ms光包交换1ns外调制10ps机械光开关热光开关电光开关微光机电系统统（MOEMS）光开关的分类类机械式光开关关特点：低插损、低PDL、低串串话(隔离度度高)、性能能稳定、低价价格，但速度度慢(~ms)只能用在在OXC和OADM节点点中。是目前前最为成熟，，应用最广的的光开关活动光纤光纤光纤固定装置热光效应光开开关基本结构：MZ干涉仪，，通过改变某某一干涉臂的的材料温度，，而改变其相相位差，进而而实现光信号号的通断特点：可以集成、开开关速度优于于机械式（ms）3dB耦合器器波导臂薄膜加热器相位移动电光效应光开开关LiNbO3波导型电光开开关：等同于外调制制器特点：速度快快（10ps~1ns））、偏振敏感感、价格昂贵贵半导体光放大大器SOA光光开关：改变SOA驱驱动电流来实实现特点：速度快快（~ns））、无损开关关，但引入ASE噪声和和可能导致信信号畸变、价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LiNbO3SOA44448035401Low10ps1ns光开关性能比比较新型光开关———MOEMS微光机电系统统(MOEMS)光开关是微微机电系统技技术(MEMS)与传统统光技术相结结合的新型机机械式光开关关。MEMS技术术是基于半导导体微细加工工技术而成长长起来的制作作工艺技术，，利用这种技技术可以制作作出微小而活活动的机械系系统。采用集成电路路(IC)标标准工艺在Si衬底上制作出出集成的微反反射镜阵列，，反射镜尺寸寸非常小，仅仅300微米米左右，比头头发丝还细。。I/OFibersImagingLensesReflectorMEMS2-axisTiltMirrorsMEMS光开开关阵列优点：可实现超大规规模交叉连接接可利用IC工工艺，批量生生产MirrorDetailedViewofMode-EclipsingOpticalSwitch--Lucent.1NMEMSSwitch大规模交叉叉连接的广广阔市场前前景将可能能使MOEMS光开开关阵列成成为光开关关的主流长距离系统统中光交换换设备市场场预测(HP/AgilentB将成熟的喷喷墨打印技技术与Si平面光路路(PLC)结合。。加热时，，利用气泡泡的全反射射，使来目录光器件概述述光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器与滤滤波器MultiplexerandFilter光隔离器与与环行器光调制器Modulators光开光Switches光波长转换换器光交叉互连连器光波长转换换器光波长转换换器（WavelengthConverter）是一种实现现将光信号号从某一波波长的光载载波转换至至另一波长长光载波的的器件，是是波分复用用光通信系系统向光网网络演变的的一个关键键性器件。。它可以在在光通信网网络中广泛泛地用于光光交换、波波长路由以以及光信号号的全光再再生等。光－电－光光式光波长长转换器全光波长转转换器光-电-光光式光波长长转换器inReceiver/PhotodiodeElect.Amplifier/regenerator+driverLaserExternalmodulatorout特点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转换器全光波长转换器器是将信号从一一个波长变变为另一个个波长而不不需要变换换到电域，，因此具有有高速、宽宽带、透明明(与信号号格式无关关)的特点点。利用用SOA中中的的交交叉叉增增益益调调制制(XGM)利用用SOA中中的的交交叉叉相相位位调调制制(XPM)利用用SOA中中的的四四波波混混频频效效应应(FWM)基于于SOA-XGM的的WCAstheinputpowerincreases,thecarriersinthegainregionoftheSOAgetdepleted,resultinginareductionintheamplifiergain.Ifthelow-powerprobesignalatadifferentwavelengthissentintotheSOA,itwillexperiencealowgainwhenthereisa1bitintheinputsignalandahighergainwhenthereisa0bit.SOASignalSProbePFilterProbePSignalCarrierdensityGainProbeOutputimeSOA-XGM的