现代光纤通信技术-光器件

第五章光器件§5.1光器件概述§5.2光连接器与衰减器§5.3耦合器与分束器§5.4复用器§5.5光隔离器与环形器§5.6光开光与光交叉连接器§5.7光波长转换器§5.8光器件测试本章内容§5.1光器件概述光器件的分类体块型不能直接与光纤线路连接，而是要通过耦合元件（最重要的耦合元件是自聚焦棒透镜组），因而损耗较大。全光纤型体积小、重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰。特别是能够做成“在线元件”，直接接入光纤线路，因而附加损耗很低。光波导型体积小、重量轻、热和机械稳定性好、功耗低、抗电磁干扰性强、适合批量生产。光器件概述发展趋势尺寸小型化、微型化。

无论是在系统传输设备中，还是在终端用户上，光器件在提供高性能功能的同时，应占据尽可能小的空间。低成本。

降低器件成本的有效途径包括提高成品率，提高器件制作自动化程度，以及规范各种光器件的标准，如达成多边协议以提高光器件间的兼容性等。多功能的集成。

系统的发展对光器件功能要求也愈来愈多，要求单个器件能提供更多功能，或是将更多功能的光学元件集成在一个器件中。无论是器件尺寸的集成，还是功能上的集成，都可以降低器件成本，提高器件竞争力。光连接器光衰减器§5.2光连接器与光衰减器光纤连接器（opticalconnector），俗称活接头，ITU将其定义为“用以稳定地但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接，是光纤通信系统中不可缺少的无源器件。对光纤连接器要求主要是插入损耗小、回波损耗大、重复插拔的寿命长和互换性好。

光连接器定义光连接器技术指标：互换性和重复性回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光功率Pr相对输入光功率P0的比率的分贝数。插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率P1相对输入光功率P0的比率的分贝数。一般要求应不大于0.2dB典型值应不小于45dB。光纤连接损耗及其影响因素光纤结构参数失配引起的损耗(f)两光纤相对位置偏离设计要求引起的损耗(b)(c)(e)端面形状与间隙引起的损耗(d)(e)(a)2n1n0n（a）（c）q（b）d（d）z（e）1a2aa1x2xx12a22a纤芯直径1D2D1g2g数值孔径折射率分布（f）光纤参数端面反射横向错位角向倾斜端面间隙端面状态活动连接器插入损耗目前水平0.2dB减低反射技术：APC(AngledPhysicalContact)常见类型：FC、SC、ST光纤连接器的结构FC型：外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣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。光纤连接器的结构光衰减器定义光衰减器（opticalattenuator）是对光功率进行预定量衰减的器件，它可分为可变光衰减器和固定光衰减器。前者主要用于调节光功率电平，后者主要用于电平过高的光纤通信线路。对光衰减器主要要求是：插入损耗低、回波损耗高、分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、衰减精度高、器件体积小，环境性能好。光衰减器根据工作原理分类：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功率衰减功能新技术热光技术电光技术微机械技术（MEMS）插入损耗大，偏振相关损耗大插损、偏振相关损耗、热漂移较大，动态范围有限体积很小，响应速度较快，功耗小，易于批量生产，但插损较大，成本高昂，是目前发展较快的技术。衰减片通常是表面蒸镀了金属吸收膜的玻璃基片，衰减片与光轴可以倾斜放置衰减片在不同位置的金属膜厚度不同，可用来获得不同的衰减在光纤端面按要求镀上一层有一定厚度的金属膜或在光的通路上设置一个几微米的气隙，从而获得固定衰耗。常用光衰减器的工作原理§5.3耦合器与分束器光耦合器（coupler）/分束器（splitter）的功能是实现光信号的合路/分路，就是把多个输入的光信号组合成一个输出或者把一个输入的光信号分配给多个输出。一般是对同一波长的光功率进行合路或分路。光耦合器/分束器的使用将会对光路带来一定的附加插入损耗以及一定的串扰和反射。插入损耗：是指一个指定输入端口的输入光功率Pi和一个指定的输出端口的输出功率Po的比值附加损耗：全部输入端口的输入光功率总和与全部输出端口的输出光功率总和的比值分光比或耦合比：某一个输出端口的输出光功率与全部输出端口的输出光功率总和的比值串扰：一个输入端口的输入光功率Pi与由耦合器泄漏到其他输入端口的光功率Pr的比值光耦合器技术指标P1P3P4P2光耦合器分类从端口形式X型、Y型、星型以及树型从工作带宽的角度单工作窗口的窄带单工作窗口的宽带双工作窗口的宽带从传导光模式多模与单模从器件工艺实现方式分立光学元件组合型光纤型光耦合器集成波导型几种常见光耦合器结构示意图几种常见墨光耦合器款结构示意淋图§5.4域复用器一种用测来合成融不同波逐长的光凭信号或智者分离云不同波耍长的光民信号的粥无源器悠件。（须复用器忧/解复册用器）用于波长陶选择、光慎放大器的奖噪声滤除您、光复用男/解复用对器件的沸要求主要皱是插入损幅耗低、绿隔离度拣大、带黄内平坦乔、带外冲插入损符耗变化性陡峭、讨中心波都长稳定御性高等。WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter衍射光免栅复用域器在Si衬除底上沉积虾环氧树脂镜后制造成光栅。多波长趣信号经光闻纤输入和坑普通透镜逝或棒透镜信聚焦在反战射光栅上醒，反射光栅厅将各波长改分开，然后经参透镜将各个波妄长的光炊聚焦在封各自的皮光纤。采用渐变荷折射率透嘱镜，简化强了装置的内校准。采用普通登透镜的W践DM光栅复寺用器的决特点波长通的道数大灵（~1阴32C倍h）通道间隔流小（商用先~0.4偿nm)插损不随石通道数增兵加(6~喇7dB)温度敏隙感(~负0.0婚1nm掠/OC)，需柳温度补偿疑(温控、浸材料补偿铜）高斯型舅通带（聚采用特燥殊技术柜可实现叹平顶，恢但增大伟插损）介质膜剥滤波器疼DTFDie适lec谁tri手cT追hin智-Fi阿lm董Fil顷ter在中心波枪长附近，真各层反射晃光叠加，妈在滤波器剩前端面形各成很强的寒反射光。深在高反射著区之外，亭反射光突宝然降低，煌大部分光界成了透射战光。对一定婶波长范新围呈通外带，对楚另外波鲁长范围摧呈阻带渴，从而挺形成所琴要求的灯滤波特压性通带特性静好（平顶道、隔离度史高~25如dB）PDL盛小(住~0.行2dB团)插损低碧5~顶7dB激（16答波）温度敏感从性小（0坏.000放5nm/舞OC不耽需温控）波长数16顶CH；龙波长间目隔0跨.8n愁m价格较顽高是16狠波长W夜DM系炎统中主竟要选用纵的器件多层介质崇膜复用器掉特点可通过改骂变熔融拉糕锥条件，怕增强耦合顶系数对波骡长的敏感亲性，从而机制成熔融匹拉锥型W迷DM器件特点：插损低、避结构简单埋、温度稳味定性高、跌无需波长崇选择器件；复用波长细数少、隔才离度差应用：炉常用于口130医0nm钻/15卸50n猴m、9匆80n贤m/1镰550旨nm、艳148盏0nm匙/15见50n滔m波长词的分离熔锥光院纤滤波旱器阵列波枝导光栅烟AWGArr让ay-邪Wav胆egu挤ide齐-Gr痰ati刻ng规则排列盐的波导，翅相邻波导轰的长度相芝差固定值L，坡因而产锤生的相拥位差随赞波长而洋变。AWG的邀工作原理设AWG菊的输入端碰口数和输汪出端口数谎均为n，唉输入耦合钻器为n×附m形式，六输出耦合祖器为m×臭n形式，尺输入和输煌出耦合器教之间由m荐个波导连柔接，每相班邻波导的巾长度差均旬为ΔL。陕输入耦合蝴器将某个员输入端口秧的输入信鹅号分成m毛部分，它质们之间的撤相位差Δ鲜Φ由从输反入波导到限阵列波导亦在输入耦红合器中传即输的距离混来决定。到在输入波狸导i的光养信号的波事长中，满柜足ΔΦ＝牵2kπ的维整数倍的酿波长将在巨输出波导眠输出。通过适唤当设计储，可以宏做成1意×n波悲分解复爷用器和钞n×1蜂波分复剖用器。AWG特押点：信道间隔功（1.6阵0.销80怎.4nm背）端口（18116132164)需要温控析（0.0歼1nm/省C0)插损不随轮通道数增大加(6~零7dB)高斯型通剃带（采用抬特殊技术徒可实现平趁顶，但增绸大插损）隔离度~貌22dBPDL<桨1dB应用：复用/挺解复用奋（16韵通道以虹上WD策M系统品中最具妄竞争力较的器件大）AWG的盘特点及应摄用光隔离细器光环形扯器§5.5壶光隔离欲器与环形微器用途只允许光绘波往一个辛方向传播顿，阻止光坊波往其他谣方向特别晶是反方向稀传输的。主要用在浮激光器或送光放大器榨的后面，漂以消除反屠射光的影恒响，使系眯统工作稳辫定。主要参似数要求插入损暮耗小（虫典型值秩约为0大.5挺dB）隔离度叮大（典崇型值约肚在40姜~50仗dB之岔间）PDL小室（<0.举2dB彼）组成原省理一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。光隔离器回概述起偏器使创入射光德赚垂直偏振妨分量通过送，调整法斑拉第旋转厨器（YI臂G）的磁慨场强度，乘使偏振面联旋转45认°，然后务通过检偏盛器。反射秋光返回时倘，通过法冲拉第旋转狠器又一次螺旋转45称°，正好砖与入射光透偏振面正重交，因此部受到隔离跟。光隔离点器工作级原理光环形阳器基本原理猫：与光隔展离器相似光传送顺倘序：12奖3勿4主要指俘标：插入损耗乎、隔离度匀、PDL铸、回波损锣耗、方向赵性等（与光隔徐离器基本杆相同）光环形器伟工作原理起偏器、检偏器、旋光器光环形器奥应用光环形洒器的两全种基本符应用：课OAD易M制作助；单纤之双向传永输基于F坊BG和团多口光裕环形器啊的BO霸ADM诉结构光开光定南义：通过光碑通道的晒通断和与转换，阀实现光浑层面上真的路由崭选择、嫂波长选啦择、光右分插复茄用、光辉交叉连躺接和自琴愈保护描等功能颤。开关时间芝：开关端璃口从某誓一初始耕状态转锅为通或勤断所需塔的时间笑。不同义的应用庙场合,挥对光开斜关的开鉴关时间厕要求不山同。光开关其猴他重要参柳数：消光比、心插损、串馅话、偏振渐相关性(塞PDL)。§5.妇6光命开光与讯光交叉勇连接器应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关光包交换1ns外调制10ps1~10ms传统机舌械光开榴关的结应构示意满图机械式光剪开关工作原刻理：通过移眼动光纤削将光直贺接耦合原到输出见端或采繁用棱镜码、反射践镜切换耳光路特点：偏振无关贵，插入损耍耗低、串识扰小、光厨学性能好情，体积较纺大、开关闪速度慢MEMS劳开关阵列岛图工作原理辫：通过磁驼、静电惨效应移吼动或旋叙转微反翁射镜，椒利用这著些微镜徐片的二营维或三晋维空间活运动，菜将光直筋接反射涉到不同题的输出钞端特点：低损耗、智低串扰、撑低偏振敏茎感性、高龟消光比、痛体积小、价集成度高评、开关速旅度快MEMS娱光开关喷墨气泡板热光开关遇模块工作原理缠：利用了气虑泡（镜面幻玉）对光反繁射的原理将，当入射耳光照入并射要求交换圾时，一个遥热敏硅片播会在液体痰中产生一睛个气泡，升气泡将光疏从入射波樱导全反射遣到输出波宇导特点：开关速匠度为m埋s量级魄，插损针低、串迷扰小，舰具有较稿好的可忌扩展性喷墨气泡镜热光开关(a)拒定向耦舌合器型炮光开关拖(b窗)M售-Z干泡涉仪型狡光开关电光开关藏原理示意女图波导光开嫁关工作原理西：利用电也光效应锻或电吸吴收效应肃以及硅甩材料的找等离子喊体色散细效应，戚在电场族的作用些下改变旧材料的号折射率鼠和光的石相位，近再利用碰光的干级涉或者磨偏振等鞠方法使落光强突危变或光咸路转变热光开关蕉原理示意摆图工作原驶理：通过电蜜流加热典的方法游，使介离质的温锦度变化懒，导致他光在介击质中传原播的折触射率和旧相位发袜生改变痒，进而赖实现光暖信号的罪通断典型材谱料：SiO2、Si妻、Li书NbO3和有机聚逝合物等特点：可以集成透、开关速阴度优于机芦械式（m亦s）热光开关声光开匀关原理饱示意图工作原梦理：利用声光漆效应，即捞声波在某嫌些介质中模传播时，直该介质会摩产生与声腐波信号相贪应的、随卵时间和空废间周期变她化的弹性便形变，从斗而导致介齐质折射率字的周期性抽变化，形尺成等效的仁位相光栅易，其光栅仙常数等于抄声波波长绿，因而能患提供一种腐方便地控亚制光的强明度、频率买和传播方示向的手段声光开伞关光调制岗光开关嚼原理示箭意图工作原理负：利用输入梨的控制光延信号与信翁号光进行芦光交叉相悲位调制，穿来调节输泥出信号光拣的相对相从位关系以渴实现开关锤通断。通过外部财输入控制鞠光调制半叛导体光放搏大器(S辞OA)的老折射率来犯调节输出寨信号光的咬相对相位毫关系以实贯现开关通订断。光调制光婚开关功能定义：用于光纤两网络节点泳的装置，再通过对光惠信号进行铜交叉连接摆，能灵活絮有效地管忠理光纤传泼输网络，哲是实现可踢靠的网络仔保护/恢电复以及自食动配线和壳监控的重懂要技术结构核心丘：光交叉连柏接矩阵（冷一般是通茂过光开关撒矩阵来实轻现）技术要求祝：无阻塞冬、低串歼扰、低刃延迟、秋无偏振赞依赖性瞧、宽带遮和高的薄可靠性尽，并具抚有单向坦、双向流和广播旅形式的神功能光交叉墙连接器OXC麻功能结正构示意糟图波分复用墨/解复用遣器光交叉参连接矩何阵波长转叶换模块OXC奇基本结比构§5.7播光波长样转换器光波长腰转换器柴（Wa雾vel昌eng元th厅Con扛ver命ter炉）是一种艘实现将嘴光信号婚从某一则波长的舌光载波件转换至句另一波镜长光载亮波的器杆件，是拦波分复蛙用光通曲信系统循向光网薄络演变熟的一个栗关键性圈器件。候它可以疏在光通腰信网络莲中广泛旧地用于就光交换纪、波长锹路由以朱及光信蒸号的全仔光再生灿等。光－电－育光式光波烤长转换器全光波易长转换饼器光/电/妄光波长转虎换器结构忘原理图功能定义：首先利地用光探乱测器将治光信号被转化为溪电信号我，再将途此信号凝存储于瞒电存储温器中，撤然后用窑此电信冬号驱动惊可调谐类激光器沟，变成截另一波僚长的光惩信号。特点信噪比高雨、偏振无炭关、转换属速率可达贤10Gb歌it/s洲、可实现流消光比增守强及信号缠再生、技敲术成熟透明性受垃影响、光电转崭换线路每复杂，凶终究要蕉受电子川瓶颈的沙限制光-电混-光式坡光波长悬转换器全光波长教转换器（馋WC）Wave在leng逢thC浩oner于ter全光波长转换追器是将信号从从一个破波长变核为另一塘个波长顷而不需秤要变换掘到电域姥，因此取具有高早速、宽胳带、透窗明(与损信号格而式无关发)的特粗点。利用SO挪A中的交订叉增益调介制(SO扁A-XG购M)利用SO炕A中的交奸叉相位调队制(SO附A-XP链M)利用S尼OA中衰的四波围混频效趴应(S胖OA-怎FWM趴)SOA-枣XGM型趋全光波长姓转换器结随构原理图基于S踪蝶OA-雄XGM培的WC工作原理：随着输擦入光功率国的增加，误由于受激聋辐射，S馋OA中载他流子的消鼓耗相应增吼加，载流棒子浓度下烟降，导致满SOA增会益减少，假即发生增仓益饱和现游象。此时鸟，如果把丢一束波长两为λS（与目西标波长图相同）测的连续矮探测光筹注入S观OA，纹当信号岔光处于能高功率板（逻辑立1）时衫，由于亮SOA亡的增益发饱和效怨应，探暗测光不剃能得到紫放大（关逻辑0计）；相峡反，当夹信号光辨处于逻奇辑0时秋，探测新光被放估大（逻育辑1）磨。此即抱为交叉是增益调鸡制效应乒（XG讯M）。纹于是，略强度调狱制信息口就从信咳号光λC加载到了狡探测光λS上，实敬现了波药长变换爹，只是单输出信凤号在逻须辑上与盘原信号西相反。CSFilt妙erSSOACWSOA-跑XGM的红特点优点：可以达静到较高趋的转换仅速率，闸可到1识0Gb腊/s；输出光律与原信截号光反移相；转换效率藏高；偏振无脂关（要隶求使用荣的SO傅A偏振芝无关）苗；结构简乓单。缺点：比特流倒爸置信号的夫消光比匪恶化MZI结短构的SO通A-XP篮M波长转自换器的结未构原理图工作原逮理：在半导起体光放海大器中片由于载笼流子耗肉尽达到倦增益饱木和，同敢时使S苦OA的有源区具的折射常率发生穗变化，导致耻通过其恒中的探叛测光产伙生相位悦调制，砖对调相灰的输出兽光进行拥鉴相，什变为调溉幅信号佣，即可勾实现光额波长的扫转换。基于S幻玉OA-盾XPM桨的WC基于SO魂A-FW脱M的WC特点：与信号格辫式无关、伙信号比特智率可达4请0Gbi敌t/s.缺点：转换效率谊低、偏振行相关、输入皱信号动抄态范围冤小、转晓换效率绣与波长合有关（草即当输羡入信号何波长与妄转换波筑长间隔财增大时基，转换歌效率随棕之降低郑）。SOASignalSPumpPFiltercSPcc=2p-s插入损耗燥的测量回波损庆耗的测俊量隔离度的意测量方向性脚的测量偏振相税关损耗纠的测量§5.8秩光器件就测试插入损耗育的测量光纤宽旷带光源轮BLS(Br究oad汁ban顾dl倚ase量rs绩our他ce)可调激光虾器TLS(Tun景able种las年ers叨ourc刑e)偏振控制复器PC(Po千lar惭iza环tio畜nc纱ont介rol割ler阁)光功率酱计PM(Po尤wer鬼me毕ter肃)光谱分菊析仪O秩SA(Op仔tic功al器spe松ctr危um彩ana行lyz推er)PMTLSCACB临时接完点TJPMTLSCACB临时接点TJL1P截断点J插入损耗罚的测量-么截断法截断法测液量步骤：(1)掀测量公并记录集P1；(2)兔截断秘临时节额点处光呼纤，L30许cm测量并记头录P0；(3)股计算拒插入损财耗I.削L.=辟－10餐lg(烘P1/P0)PMTLSCA临时接点TJ0PPMTLSCA临时接普点TJ0P插入损慎耗的测剑量-替肉代法替代法榆是一种预非破坏予性的方验法，与谨截断法份相比，段精度稍岩微低了练些，测把量步骤哪如下：(1)按暗图(1)旱测试并记铺录P1；(2)阴在P1稳定后，怨按图(2然)（即型直接将插东头CA插珠入光功率剖计）测量步并记录P0；(3)捏按公式劲I.L泡.=－僵10l陡g(P1/P0)计算较插入损核耗。(1)(2)PMTLSCACB临时接点TJ1P0PTLSPMCA光耦合器CA1PTLSPM待测ISO光耦合器回波损为耗的测抓量图(2)翼测量P1图(1负)测集量P0光隔离器糠回波损耗罗测试步骤（1）腥选择一言个2×社2插入脂损耗小巴，分光淋比为1皇：1带吸连接器识端口的尽光耦合尿器，按撑图(1终)的光掠路测量P0；（2）按绝图(2)悦的光路接卷上待测光担隔离器I侵SO（i赶sola怠ter）旺，并测量滥回返光功禽率P1；（3）摩根据公杠式R.鸣L.=缘瑞－10例lg(P1/P0)即可榆计算出敌被测隔揪离器的切回损。OSABBSCAOSABBS0(l)P1(l)PCA待测ISO光隔离器丈反向隔离都度的测量图(2)橡测量P1(λ)图(1)开测量P0(λ)