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1、第三章 光器件,光纤通信,张树东 光信息科学与技术 曲阜师范大学物理工程学院,光纤通信用光学元器件,有源器件:,无源器件:,光源: LED, LD,光检测器: PD, PIN, APD,光放大器: EDFA,连接器,耦合器,光开关,隔离器,波分复用器,调制器,光器件,需外加电源驱动,无需外加电源驱动,第三章 光器件,3.1 连接器 3.2 耦合器 3.3 可调谐光滤波器 3.4 波分复用/解复用器 3.5 调制器 3.6 光开关,3.7 光隔离器 3.8 光环行器 3.9 光分插复用器 3.10 波长变换器 3.11 偏振复用器,光纤连接器: 用于光纤线路与光端机(光发射机, 光接收) 或其他
2、光无源器件之间的连接的器件,是可以插拔的,有时也叫光纤活动连接器。,3.1 连接器(Connectors),1.基本结构及工作原理,工作原理: 采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95以上的光能通过连接器。,基本结构:,套管结构,3.1 连接器,连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分,1.基本结构及工作原理,3.1 连接器,光纤插针的端面有:,平面、球面(PC, Physical Contact)或斜面(APC, Angled Physical Contact)。,1.基本结构及工作原理,3.1 连接器,套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。,对中可以采用:,
3、双锥结构,V形槽结构,球面定心结构,透镜耦合结构,2. 对连接器的要求,3.1 连接器,连接损耗(插入损耗)小； 回波损耗大； 多次插拨重复性好； 互换性好； 环境温度变化时，性能保持稳定； 并有足够的机械强度,按功能分类:,连接器插头(Plug Connector) 适配器(Adapter) 转换器(Converter) 光缆跳线(Cable Jumper) 裸光纤转换器(Bare Fiber Adapter),3.1 连接器,3. 连接器的种类,按连接方式及外形分类:,3.1 连接器,3. 连接器的种类,ST (Spring Tension)：,有FC型、SC型和ST型,FC (Ferru
4、le Connector) ：,SC (Square/Subscriber Connector):,表示用螺纹连接,表示轴向插拔矩形外壳结构,表示弹簧带键卡口结构。,FC,SC,ST,3.1 连接器,3. 连接器的种类,如 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和 ST/PC,转接器的通常表示,连接器的类型/光纤插针端面结构,各种单模光纤连接器的结构特点和性能指标,4. 连接器的损耗,3.1 连接器,固有损耗:,数值孔径失配,纤芯不同心,折射率分布失配,纤芯尺寸失配,3.1 连接器,外部损耗:,菲涅尔反射,端面粗糙,. 主要性能指标,插入损耗: 插入损耗是指光信号通过活动连接器后，
5、输出光功率相对输入光功率的分贝数,回波损耗: 又称后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数,重复性和互换性: 连接器多次插拔或互换后，插入损耗的变化.,3.1 连接器,. 接头,3.1 连接器,接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接,接头制作方法,热熔连接：高压电弧加热把两个光纤端面熔合,机械连接：用V形夹具使光纤准直，用热固化及环氧树脂粘结加固,V形槽,光耦合器: 将光信号进行分路和合路的器件.,3.2 光耦合器(Optical Coupler),光耦合器连接三个或三个以上点 光信号必须在多个输出端口分配,信号强度降低,光耦合器分类
6、,光功率耦合器 光波长(合/分波）耦合器,从功能上:,从端口形式上:,X 形(2 2),Y 形(1 2 ),星形 (M N, N2),树形 (1 N, N2),T 形(1 2 ),3.2 光耦合器,分类,常用耦合器的类型,T形,星形 (M N ),树形(1 N ) 波分复用器/解复用器 (即合波器/分波器),X 形定向耦合器(2 2),3.2 光耦合器,22定向光纤耦合器是构成其它光学元件的基础，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给 2 根光纤，可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器,1-2和3-4 为直通臂,1-3和2-4 为耦合臂,如1端输入,则2和3端输出, 4端无输出,22,3.
7、2 光耦合器,22定向光纤耦合器,88星形耦合器,3.2 光耦合器,. NN星形耦合器,NN星形耦合器的功能是把 N 根光纤输入的光功率组合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。,22耦合器组成的星形耦合器,光纤耦合器的特性参数,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,插入损耗(Insertion Loss): L,表示特定的端口到另一端口路径的损耗. 如从输入端口1到输出端口2的插入损耗为，用L表示,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,隔离度(Degree of Isolation): or 串话(音)干扰(Crosstalk),由端1输
8、入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出. 但实际上端4还是有少量光功率输出P4, 其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为,一般要求：A20dB,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,分光比(Splitting Ratio) or 耦合比(Coupling Ratio): CR,1) 两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率， 则端2和端3分光比: CR=P2/P3, 一般为1:11:10,2)一个输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比,3.2 光耦合器,以2 2定向耦合器为例,附加损耗(Excess Loss): Le,由散射、吸收和器件缺陷产生
9、的损耗，用全部输出端的光功率总和与输入端的光功率总和的比,3.3 可调谐光滤波器(Tunable Optical Filter),可调谐光滤波器：是一种波长（或频率）选择器件，它的功能是从许多不同频率的输入光信号中选择出一个特定频率的光信号,HOF-DW 1.6 ITU波长滤波器,Alpha 可调式F-P型光滤波器,3.3 可调谐光滤波器,1. 光滤波器分类,根据工作原理分:,干涉型,根据其调谐的能力:,光频固定滤波器,衍射型,吸收型,可调谐滤波器,法布里珀罗(F-P: Fabry-Perot)滤波器,马赫-曾德尔(M-Z: Mach-Zehnder)滤波器,布拉格(Bragg)光栅滤波器,阵
10、列波导光栅(AWG)滤波器,3.3 可调谐光滤波器,2. 法布里珀罗(F-P)滤波器,1)结构组成,可调谐滤波器 压电陶瓷管内外壁施加电压时管可伸长,以调节F-P腔长L,固定波长滤波器两块镜面均固定,由法布里-珀罗干涉仪(F-PI: Fabry-Perot Interferometer) 构成滤波器.,3.3 可调谐光滤波器,2)滤波原理,驻波条件:,j 为整数,纵模:,纵模间隔:,or,or,3.3 可调谐光滤波器,3)滤波示意图,信道间隔,最高频率信道和最低频率信道间的频率差,滤波器的传输函数,滤波器带宽,纵模间隔,3.3 可调谐光滤波器,3. 马赫-曾德尔(M-Z)滤波器,1)结构组成,
11、3 dB耦合器:插入损耗为3dB, 即两输出光功率均分输入光功率,马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉滤波器由两个3 dB耦合器串联组成. 干涉仪的两臂长度不等(L ) 或存在折射率差(n ),3.3 可调谐光滤波器,2) 工作原理,双臂干涉.,若在输出端3, l2满足相长条件,而l1满足相消条件,则输出l2光,即:,输出位相差,3.3 可调谐光滤波器,一般式:,3.3 可调谐光滤波器,3) 级联M-Z干涉滤波器,输入光波的频率间隔必须精确地控制在(Dv/2)的整数倍。,光信道间隔:,3.3 可调谐光滤波器,4.布拉格(Bragg)光栅滤波器,1)结构及原理,相邻反射光程差:,lB-B
12、ragg波长,通常j =1,布拉格(Bragg)光栅滤波器由间距为 的N个平行半反射镜组成( 称为布拉格间距), 某个波长的N束反射光干涉相长,从而构成反射式滤波器.,3.3 可调谐光滤波器,2) 光纤布拉格(Bragg)光栅,通常j =1,输出光中滤除了l2成分,纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光照射后产生周期性地调制而成,3.3 可调谐光滤波器,3)光纤光栅带通滤波器: 在22光纤耦合器输出侧的两光纤上写入同样的Bragg光栅,即可构成带通滤波器.,通常j =1,3.3 可调谐光滤波器,5.阵列波导光栅(AWG)滤波器,阵列波导光栅(AWG, Arrayed waveguide gratin
13、gs): 各种波长的光波从光纤(1)衍射进入自由传播区(2),然后耦合到长度不等的光栅波导区(3), 经历不同波导后衍射进入自由区(4), 来自不同波导同一波长光波只有在特定位置的输出端才满足相干相长叠加, 从而达到滤波的目的.,3.4 波分复用/解复用器 (Wavelength Division Multipexers and Demultiplexers),波分复用/解复用器：波分复用器(WDM, Wavelength Division Multiplexers)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反,复用器,解复用器,3
14、.4 波分复用/解复用器,1. 波分复用器,熔拉双锥方法制造的星形耦合器,波导技术制成的多端星形耦合器,用光耦合器可实现波分复用,3.4 波分复用/解复用器,2. 波分解复用器,1) 棱镜解复用器,棱镜对不同波长的光有不同的折射角,3.4 波分复用/解复用器,2)衍射光栅解复用器,不同波长光的衍射角不一样,透射光栅,普通透镜反射光栅,渐变折射率透镜反射光栅,3.4 波分复用/解复用器,3.4 波分复用/解复用器,3) 阵列波导光栅(AWG) 解复用器,阵列波导光栅滤波器作为解复用器.,3.5 光调制器(Optical Modulators),调制器(Modulators):,主要外调制器:,电
15、光效应,磁光效应,声光效应,电光调制器:,声光调制器:,磁光调制器:,光信号是用电信号调制光载波产生的。,直接调制： 改变光源的驱动(注入)电流直接调制光源的输出强度。,外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。,3.5 光调制器,1. 直接调制和外调制示意图,直接调制,外调制,强度调制(IM: Intensity Modulation)示意图,3.5 光调制器,2. 电光调制器,电光调制器是利用电光材料的线性电光效应 ( Pockel effect) 制成,折射率n和外加电场E的关系:,-电光系数,_线性电光效应或普克尔(Pockel)效应,_二次电光效应或克尔(Kerr)效应,1)电光效应,
16、电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化, 如铌酸锂(LiNbO3)晶体,3.5 光调制器,Ex, Ey分量经传输距离L后产生的相位为：,2) 相位调制器,电场沿y方向施加;线偏振光偏振方向与y轴成45度,为E=0时折射率,电光系数,3.5 光调制器,3)强度调制器,外加电压为零时, Ex和Ey相位差为0, 探测器探测不到光,在电光晶体前后设置处于正交状态的起偏器和检偏器,施加外电压, 输出变成椭圆偏振光， 部分光通过检偏器, 其强度与施加的电压有关.,4)马赫-曾德尔干涉型电光幅度调制器,在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压,电压引起折射率变化。,3.5 光调制器,两波导的位相差,3.5 光调制器,3.5 光调制器,调制电压施加在两臂上,3.5 光调制器,3.电吸收波导调制器,电吸收调制器(
