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1、光纤通信中的关键光电子器件,光纤通信技术第四章,王发强 Fq_信息光电子科技学院华南师范大学,解人颐,终日奔波只为饥，方才一饱便思衣。衣食两般皆具足，又想娇容美貌妻。娶得美妻生下子，恨无田地少根基。买到田园多广阔，出入无船少马骑。槽头扣了骡和马，叹无官职被人欺。县丞主薄还嫌小，又要朝中挂紫衣。作了皇帝求仙术，更想登天跨鹤飞。若要世人心里足，除是南柯一梦西。,第四章 光器件,4.1 光器件概述4.2 光连接器Connector4.3 光衰减器Attenuator4.4 光耦合器Coupler4.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter4.6 光隔离器与环行器4.7 光调制器
2、Modulators4.8 光开光Switches4.9 光波长转换器4.10 光交叉互连器,4.1 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,第四章 光器件,4.1 光器件概述4.2 光连接器Connector4.3 光衰减器
3、Attenuator4.4 光耦合器Coupler4.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter4.6 光隔离器与环行器4.7 光调制器Modulators4.8 光开光Switches4.9 光波长转换器4.10 光交叉互连器,4.2 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,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（=2.5mm）其它：
4、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。,MU，LCMT，Hybrid,固定连接器包括：熔接法、V形槽法和套管法,第四章 光器件,4.1 光器件概述4.2 光连接器Connector4.3 光衰减器Attenuator4.4 光耦合器Coupler4.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter4.6 光隔离器与环行器4.7 光调制器Modulators4.8 光开光Switches4.9 光波长转换
5、器4.10 光交叉互连器,4.3 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,第四章 光器件,4.1 光器件概述4.2 光连接器Connector4.3 光衰减器Attenuator4.4 光耦合器Coupler4.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter4.6 光隔离器与环行器4.7 光调制器Modulators4.8 光开光Switches4.9 光波长转换器4.1
6、0 光交叉互连器,4.4 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,消逝场耦合。,Put the cores close enough together to get a coupling effectAll 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
7、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,a1输入的大部分功率
8、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。,波长相同的两束光，分别从a1和a2两个端口输入，能否将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口？,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,a2,b1,b2,令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)
9、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 mixed and made available on 8 outputsReflective Coupler: input can be on any fiber and output is split equally among
10、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 we try to combine two input signals by using a Y-junction, the signals are combined but each signal will lose half of
11、 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 coupling lengths are strongly wavelength dependent!,The period of the shift is different for the two different wavelengths
12、. Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used.,Wavelength Selective Coupling/Splitting,第四章 光器件,4.1 光器件概述4.2 光连接器Connector4.3 光衰减器Attenuator4.4 光耦合器Coupler4.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter4.6 光隔离器与环行器4.7 光调制器Modulators4.8 光开光Switches4.9 光波长转换器4.10 光交叉互连器,4.5复用器与滤波
13、器Multiplexer and Filter,光滤波器 与解复用器(光波长选择器件),Wavelengthfilter,Wavelengthmultiplexer,Wavelengthrouter,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（PDL）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（A
14、WG）、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、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
15、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,Thin-Film resonant Multicavity Filter (TFMF)薄膜多共振腔滤波器,
