二、光器件课件

1、光纤通信中的关键光电子器件,第二章,第二章 光器件,3.1 光器件概述 3.2 光连接器Connector 3.3 光衰减器Attenuator 3.4 光耦合器Coupler 3.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 3.6 光隔离器与环行器 3.7 光调制器Modulators 3.8 光开光Switches 3.9 光波长转换器 3.10 光交叉互连器,2.1 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

2、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,第二章 光器件,2.1 光器件概述 2.2 光连接器Connector 2.3 光衰减器Attenuator 2.4 光耦合器Coupler 2.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 2.6 光隔离器与环行器 2.7 光调制器Modulators 2.8 光开光Switches 2.9 光波长转换器 2.10 光交叉互连器,2.2 光连接器Connector,技

3、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,第二章 光器件,2.1 光

4、器件概述 2.2 光连接器Connector 2.3 光衰减器Attenuator 2.4 光耦合器Coupler 2.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 2.6 光隔离器与环行器 2.7 光调制器Modulators 2.8 光开光Switches 2.9 光波长转换器 2.10 光交叉互连器,2.3 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,技术指标：衰减量、精度、反射、插损,尾纤式,衰减量调节旋钮,第二章 光器件,

5、2.1 光器件概述 2.2 光连接器Connector 2.3 光衰减器Attenuator 2.4 光耦合器Coupler 2.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 2.6 光隔离器与环行器 2.7 光调制器Modulators 2.8 光开光Switches 2.9 光波长转换器 2.10 光交叉互连器,2.4 光耦合器Coupler,定义：对同一波长的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。,工作原理,消失场耦合。,Put the cores close en

6、ough together to get a coupling effect All now depends on the length of the coupling section,Common commercial devices,Planar Waveguide Coupler,C-耦合系数,22光纤耦合器,被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。,耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。,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

7、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,散射矩阵表示法,以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析:,bSa,散射矩阵表示法,假如从端口a1输入的光功率中有比例为(1)的部分出现在输出端口b1，剩余的部分出现在端口b2。散射矩阵：,a1输入的大部分功率出现在输出端口b1， 就必须小。这表示a2中相同波长光功率耦合进入b1的光功率数值变小了，结果是在无源22耦合器中，使用相同的波长将两个输入端所有的

8、功率同时耦合进同一输出端口是不可能的。最好的方法是将每路输入功率的一半发送到同一输出端。然而，如果两个输入端的波长不同，就可以把大部分功率耦合进同一根光纤中。,a1,a2,b1,b2,令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1 ，输出功率为： Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0 Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0,3dB耦合器， 0.5，输出场强：,3dB coupler,LAN and MAN networks,Star Coupler: N input are mi

9、xed and made available on 8 outputs Reflective Coupler: input can be on any fiber and output is split equally among all fibers,P1,PN,Pi,1,i,N,(P1+P2+PN)/N,Y-Coupler (Splitter) 光纤技术难实现，一般利用平面波导技术。 port1port2(50%)port3(50%),But light entering on port2 will exit on port1 attenuated by 50%(3dB)! Thus if

10、 we try to combine two input signals by using a Y-junction, the signals are combined but each signal will lose half of its power!,If two mixed signals (of different wavelengths) are injected into a coupler the power transfer between the waveguides has a different period for each wavelength. The coup

11、ling lengths are strongly wavelength dependent!,The period of the shift is different for the two different wavelengths. Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used.,Wavelength Selective Coupling/Splitting,第二章 光器件,2.1 光器件概述 2.2 光连接器Connector 2.3 光衰减器Attenuator 2.4

12、 光耦合器Coupler 2.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 2.6 光隔离器与环行器 2.7 光调制器Modulators 2.8 光开光Switches 2.9 光波长转换器 2.10 光交叉互连器,2.5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),Wavelength filter,Wavelength multiplexer,Wavelength router,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（P

13、DL） 调谐范围 隔离度(串音) 插损 温度敏感系数,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、

14、法布里珀罗滤波器 Fabry-Perot Filter,基本原理：F-P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-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

15、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) FSR2,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,可调光纤F-P滤波器(FFP),三、多层介质膜滤波器TFF,Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长,Thi

16、n-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MZI,Mach-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的3dB耦合器,在输出端将信号复合

17、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 1,Output 2,Output 1,/2+L+ /2= L+ ,/2+L- /2= L,L=2neff L /=k ,k为奇数,k为偶数,Output 1,Output 2,利用传输矩阵进行分析(1),长度为d的耦合器的传输矩阵Mcoupler为： C为耦合系数 对于平分功率的3dB耦合器，Cd=/4：,中心区域，两个波导的输出具有的相位差： 注意：相位差可以由不同的路径长度(用L给出) 或n1n2时的折射率差产

18、生。这里，考虑两臂具有相同的折射率，并且n1=n2 =neff(波导中的有效折射率)，于是： 。式中2neff/。 对一给定的相位差，与之相对应的传输矩阵为：,利用传输矩阵进行分析(2),利用传输矩阵进行分析(3),Ein,1,Ein,2,Eout,1,Eout,2,输出与输入光场的关系为：,构建一复用器，1在Ein,1注入， 2在Ein,2注入，于是： Eout,1 =jEin,1(1)sin(1L/2)Ein,2(2)cos(2L/2) Eout,2 =jEin,1(1)cos(1L/2)Ein,2(2)sin(2L/2),利用传输矩阵进行分析(4),场强：Pout,1=sin2(1L/2

19、)Pin,1+cos2(2L/2)Pin,2 Pout,2=cos2(1L/2)Pin,1+sin2(2L/2)Pin,2,注:交叉项频率是光载波频率的两倍,在光检测器的响应能力之外,因而去除.,欲将1和2复用到输出端口2，则1L/2=及2L/2=/2 ，或者：,则干涉仪两臂长度差：,利用3个22MZI元件构成四通道复用器：,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,光栅工作原理,当以角度d衍射的射

20、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。,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-waveguide-grating,AWG:

21、 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22dB PDL1dB 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,光纤光栅

22、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。,2. 切趾型光栅apodisation： 两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使反射谱不存在旁瓣,高斯切趾,平均值为零的升余弦切趾,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,4. 取样光栅Sample

23、d 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、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,+,+,=,2,cos(,f,p,+,L,z,A,n,N,core,光纤光栅=光纤+折射率调制

24、+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,n0,n0+neff,n,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。,Interleaver,Interleaver,可以说Interleaver的出现使许多传

25、统滤波器技术在密集波分复用的新应用中重新找到了自己的位置，大大减低了器件设计制作的压力，降低了整个系统的成本。这种器件的基本工作原理还是两束光的干涉，通过合适的干涉参数设计可以使Interleaver的通过谱成为类似梳状波的形状。实现Interleaver的技术包括熔融拉锥的干涉仪，液晶，双折射晶体等。,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Interleaver,FBG, AWG 10Gb/s-80km)、调制码率（40Gb/s）、消光比低于LN调制器（10dB

26、）,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。,第二章 光器件,2.1

27、光器件概述 2.2 光连接器Connector 2.3 光衰减器Attenuator 2.4 光耦合器Coupler 2.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 2.6 光隔离器与环行器 2.7 光调制器Modulators 2.8 光开光Switches 2.9 光波长转换器 2.10 光交叉互连器,2.8 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。,消光比、插损、串话、偏振相关性(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）

28、,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,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

29、、价格昂贵,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。,MEMS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,Mirror,Detailed View of Mode - Eclipsing Optical Switch -Lucent.,1N MEMS

30、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。,第二章 光器件,2.1 光器件概述 2.2 光连接器Connector 2.3 光衰减器Attenuator 2.4 光耦合器Coupler 2.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 2.6 光隔离器与环行器 2.7 光

31、调制器Modulators 2.8 光开光Switches 2.9 光波长转换器 2.10 光交叉互连器,2.9 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,光-电-光式光波长转换器,in,Receiver/Photo diode,Elect. Amplifier/ regenerator + driver,Laser,External modul

32、ator,out,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。 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WC,As the input power increases, the carriers in the gain regi

33、on 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.,Signal,Carrier density,Gain,Probe Output,time,SOA-XGM的特点,可以达到较高的转换速率，可到10Gb/