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1、第五章 无源光器件 8/11/20248/11/2024nancynancy 主要内容主要内容连接器和接头连接器和接头 光耦合器光耦合器光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器光调制器光调制器光开关光开关教学重点教学重点连接器连接器的作用及分类的作用及分类光耦合器光耦合器的作用的作用光隔离器光隔离器的作用的作用8/11/20248/11/2024nancynancy无源光器件的要求无源光器件的要求 插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、 体积小、价格便宜、便于集成等。8/11/20248/11/2024nancynancy连接器和接头连接器和接头 光连接器的功能是将两根光纤连接
2、起来 l l连接器连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件， 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件光无源器件之间的连接。l l影响光连接器的插入损耗的因素 :l l被连接的两根光纤是否匹配l l安装的精度 8/11/20248/11/2024nancynancy连接器的分类 单纤单纤单纤单纤( ( ( (芯芯芯芯) ) ) )连接器连接器连接器连接器和和多纤多纤多纤多纤( ( ( (芯芯芯芯) ) ) )连接器连接器连接器连接器。8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.1 光定向耦合器1光定向耦合器的结构 2光纤式定向耦
3、合器的参数 光通信中经常需要把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合器可以实现这些功能 8/11/20248/11/2024nancynancy1光定向耦合器的结构l l光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。 8/11/20248/11/2024nancynancy1光定向耦合器的结构l l图3-35 棱镜式和光纤式定向耦合器 8/11/20248/11/2024nancynancy2光纤式定向耦合器的参数（1 1）隔离度）隔离度A A。 （2 2）插入损耗）插入损耗L L。（3 3）分光比）分光比T T。 8/11/20248/11/2024nancynancy3
4、.4.2 光隔离器与光环行器 1光隔离器的基本原理和结构 2光环行器 3光隔离器与光环行器的主要性能参数 8/11/20248/11/2024nancynancy1光隔离器的基本原理和结构l l图3-36 光隔离器的工作原理图 8/11/20248/11/2024nancynancy2光环行器l l图3-37 三端口光环行器 8/11/20248/11/2024nancynancy3光隔离器与光环行器的主要性能参数l l对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是希望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不应有输出的端口，要求隔离度要高。l l器件典型的插入损耗
5、为1dB左右，隔离度为4050dB。 8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.3 光滤波器l l图3-38 F-P腔光滤波器 8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.3 光滤波器l lF-PF-P腔型光滤波器的主体是腔型光滤波器的主体是F-PF-P谐振腔。谐振腔。l l描述描述F-PF-P腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱域腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱域（FSRFSR）及带宽（）及带宽（BWBW）。）。（1 1）自由谱域（）自由谱域（FSRFSR）：为相邻波长之间的距离）：为相邻波长之间的距离 （2 2）带宽（）带宽（BWBW）：为谐振峰降
6、至一半时所对应的）：为谐振峰降至一半时所对应的频带宽度，又称为频带宽度，又称为3dB3dB带宽。带宽。 8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.4 光开关l l能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件，称为光开关。l l光开关是全光交换技术中的关键器件。l l光开关一般包括两种：机械式光开关和电子式光开关。 8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.4 光开关l l图3-39 机械式光开关 8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.4 光开关l l图3-40 电子式光开关 8/11/20248/11/2024na
7、ncynancy3.4.5 波长转换器 l l能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件称为波长转换器。波长转换器根据波长转换机理称为波长转换器。波长转换器根据波长转换机理可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器，可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器，l l光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要求。求。l l全光型波长转换器技术主要由半导
8、体光放大器全光型波长转换器技术主要由半导体光放大器（SOASOA）构成。）构成。8/11/20248/11/2024nancynancy1光电型波长转换器l l图3-41 光电光型波长转换器8/11/20248/11/2024nancynancy2全光型波长转换器l l图3-42 全光型波长转换器8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.6 波分复用器l l在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。l l如果在系统发送端采用此技术，将不同波长的光信号组合起来送入光纤传输的设备称为光波分复用器。l l在系统接收端可通过解复用器（分波器），将组合
9、在一起的光信号分离并送入不同的终端。 8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.6 波分复用器1光波分复用系统的结构与工作原理 2光波分复用器 8/11/20248/11/2024nancynancy1光波分复用系统的结构与工作原理l l光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。l l由光波分复用器构成的光波分复用系统，从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统和单纤双向WDM系统。 8/11/20248/11/2024nancynancy1光波分复用系统的结构与工作原理l l图3-43 单纤单向结构WDM传输系统 8/11/20248/11/2024nancynanc
10、y1光波分复用系统的结构与工作原理l l图3-44 单纤双向结构WDM传输系统 8/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器 （1）光波分复用器的工作原理l l器件的各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。 8/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器l l图3-45 WDM光传输原理图 8/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器 （2）光波分复用器的光学特性l l 复用器l l复用器的光学特性可以用给定的输入端口的插入损耗波长关系曲线表示。 l l 解复用器l l解复用的光学特性，可以用输入端到N个输出端的各
11、信道的波长插入损耗关系曲线来表达 8/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器l l图3-46 复用器插入损耗波长关系曲线 8/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器l l图3-47 解复用器波长插入损耗关系曲线 8/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器 中心波长和中心波长的工作范围 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 相邻信道之间串音耦合最大值L12和L238/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器（3）熔融光纤型波分复用器l l熔融光纤型是指将两根光纤紧靠在一起并通过加热使两光
12、纤熔接而成。l l这种复用器非常便于与光纤通信系统耦合连接，而且插入损耗极小，且体积小，结构紧凑。 8/11/20248/11/2024nancynancy2光波分复用器l l图3-48 熔融光纤型波分复用器结构示意图 8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.7 光纤光栅l l光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源器件。器件。l l它是利用光纤中的光敏性而制成的。它是利用光纤中的光敏性而制成的。l l光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久
13、锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久性改变。性改变。l l人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。布光栅，称为光纤光栅。l l光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。8/11/20248/11/2024nancynancy3.4.7 光纤光栅l l图3-49 光纤布拉格光栅滤波器 8/11/20248/11/2024nancynancy3.3 光光 无无 源源 器器 件件 一一个个完完整整的的光光
14、纤纤通通信信系系统统，除除光光纤纤、光光源源和和光光检检测测器器外外， 还还需需要要许许多多其其它它光光器器件件，特特别别是是无无源源器器件件。这这些些器器件件对对光光纤纤通通信信系系统统的的构构成成、功功能能的的扩扩展展或或性性能能的的提提高高，都都是是不不可可缺缺少少的的。 虽虽然然对对各各种种器器件件的的特特性性有有不不同同的的要要求求， 但但是是普普遍遍要要求求插插入入损损耗耗小小、反反射射损损耗耗大大、工工作作温温度度范范围围宽宽、性性能能稳稳定定、寿寿命命长长、 体体积积小小、价价格格便便宜宜， 许许多多器器件件还还要要求求便便于于集集成成。本本节节主主要介绍无源光器件的类型、原理
15、和主要性能。要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。 8/11/20248/11/2024nancynancy 3.3.1 连接器和接头连接器和接头 连连接接器器是是实实现现光光纤纤与与光光纤纤之之间间可可拆拆卸卸(活活动动)连连接接的的器器件件， 主主要要用用于于光光纤纤线线路路与与光光发发射射机机输输出出或或光光接接收收机机输输入入之之间间，或或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。光纤线路与其他光无源器件之间的连接。 接接头头是是实实现现光光纤纤与与光光纤纤之之间间的的永永久久性性(固固定定)连连接接，主主要要用用于于光光纤纤线线路路的的构构成成，通通常常在在工工程程现现场场实实施施。连连
16、接接器器件件是是光光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。 8/11/20248/11/2024nancynancy图 3.27 套管结构连接器简图 8/11/20248/11/2024nancynancy 对对低低插插入入损损耗耗的的连连接接器器，要要求求两两根根光光纤纤之之间间的的横横向向偏偏移移在在1 m以内，以内， 轴线倾角小于轴线倾角小于0.5。 普通的普通的FC型连接器，光纤端面为平面。型连接器，光纤端面为平面。 对对于于高高反反射射损损耗耗的的连连接接器器， 要要求求光光纤纤端端面面为为球球面面或或斜斜面面，实现物理接触实现物理接触(PC
17、)型。型。 套套管管和和插插针针的的材材料料一一般般可可以以用用铜铜或或不不锈锈钢钢， 但但插插针针材材料料用用ZrO2陶陶瓷瓷最最理理想想。ZrO2陶陶瓷瓷机机械械性性能能好好、 耐耐磨磨， 热热膨膨胀胀系系数数和和光光纤纤相相近近，使使连连接接器器的的寿寿命命(插插拔拔次次数数)和和工工作作温温度度范范围围(插入损耗变化插入损耗变化0.1 dB)大大改善。大大改善。 8/11/20248/11/2024nancynancy8/11/20248/11/2024nancynancy8/11/20248/11/2024nancynancy8/11/20248/11/2024nancynancy8
18、/11/20248/11/2024nancynancy 3.3.2光耦合器光耦合器 耦耦合合器器的的功功能能是是把把一一个个输输入入的的光光信信号号分分配配给给多多个个输输出出， 或或把把多多个个输输入入的的光光信信号号组组合合成成一一个个输输出出。这这种种器器件件对对光光纤纤线线路路的的影影响响主主要要是是附附加加插插入入损损耗耗，还还有有一一定定的的反反射射和和串串扰扰噪噪声声耦耦合合器器大大多多与与波波长长无无关关，与与波波长长相相关关的的耦耦合合器器专专称称为为波波分分复复用器用器/解复用器。解复用器。 1. 耦合器类型耦合器类型 图图3.28示出常用耦合器的类型，示出常用耦合器的类型
19、， 它们各具不同的功能和它们各具不同的功能和用途。用途。 8/11/20248/11/2024nancynancy图 3.28 常用耦合器的类型 8/11/20248/11/2024nancynancy2. 基本结构基本结构 耦耦合合器器的的结结构构有有许许多多种种类类型型，其其中中比比较较实实用用和和有有发发展展前前途途的的有有光光纤纤型型、微微器器件件型型和和波波导导型型，图图3.29图图 3.32示示出出这这三种类型的有代表性器件的基本结构。三种类型的有代表性器件的基本结构。 8/11/20248/11/2024nancynancy 图 3.29 光纤型光纤型耦合器 (a)定向耦合器；
20、(b) 88星形耦合器； (c) 由12个22耦合器组成的88星形耦合器 8/11/20248/11/2024nancynancy图图3.29(a)所所示示定定向向耦耦合合器器可可以以制制成成波波分分复复用用/解解复复用用器器。 如如图图3.30，光光纤纤a(直直通通臂臂)传传输输的的输输出出光光功功率率为为Pa，光光纤纤b(耦耦合合臂臂)的输出光功率为的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到，根据耦合理论得到 Pa=cos2(CL) (3.28a) Pb=sin2(CL) 式中，式中，L为耦合器有效作用长度，为耦合器有效作用长度，C为取决于光纤参数为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。和光波长的耦
21、合系数。8/11/20248/11/2024nancynancy图 3.30 光纤型波分解复用器原理 Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL) 8/11/20248/11/2024nancynancy 设设特特定定波波长长为为1和和2，选选择择光光纤纤参参数数，调调整整有有效效作作用用长长度度，使使得得当当光光纤纤a的的输输出出Pa(1)最最大大时时，光光纤纤b的的输输出出Pb(1)=0；当当Pa(2)=0时时，Pb(2)最最大大。对对于于1和和2分分别别为为1.3m和和1.55 m的的光光纤纤型型解解复复用用器器，可可以以做做到到附附加加损损耗耗为为0.5 dB，波波长长隔隔离离度度大
22、于大于20 dB。 8/11/20248/11/2024nancynancy微器件型微器件型微器件型微器件型自聚焦透镜和分光片自聚焦透镜和分光片自聚焦透镜和分光片自聚焦透镜和分光片( (光部分透射，光部分透射，光部分透射，光部分透射， 部分反射部分反射部分反射部分反射) )、滤光片滤光片滤光片滤光片( (一个波长的光透射，另一个波长的光反射一个波长的光透射，另一个波长的光反射一个波长的光透射，另一个波长的光反射一个波长的光透射，另一个波长的光反射) )光栅光栅光栅光栅( (不同波长的光有不同反射方向不同波长的光有不同反射方向不同波长的光有不同反射方向不同波长的光有不同反射方向) )微微微微光光
23、光光学学学学器器器器件件件件可可可可以以以以构构构构成成成成T T型型型型耦耦耦耦合合合合器器器器、定定定定向向向向耦耦耦耦合合合合器器器器和和和和波波波波分分分分解解解解复复复复用用用用器，如图器，如图器，如图器，如图3.313.31所示。所示。所示。所示。 8/11/20248/11/2024nancynancy 图 3.31微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复8/11/20248/11/2024nancynancy 波波导导型型在在一一片片平平板板衬衬底底上上制制作作所所需需形形状状的的光光波波导导，衬衬底底作作支支撑撑体
24、体，又又作作波波导导包包层层。波波导导的的材材料料根根据据器器件件的的功功能能来来选选择择，一一般般是是SiO2，横横截截面面为为矩矩形形或或半半圆圆形形。图图3.32示示出出波波导导型型T型型耦耦合合器器、定定向向耦耦合合器器和和用用滤滤光光片片作作为为波波长长选选择元件的波分解复用器。择元件的波分解复用器。 8/11/20248/11/2024nancynancy图3.32 波导型藕合器8/11/20248/11/2024nancynancy 3. 主要特性主要特性 说明耦合器参数的模型如图说明耦合器参数的模型如图3.33所示，所示， 主要参数定义主要参数定义如下。如下。 8/11/202
25、48/11/2024nancynancy由此可定义由此可定义功率分路损耗功率分路损耗Ls： Ls=10lg 附附加加损损耗耗Le由由散散射射、吸吸收收和和器器件件缺缺陷陷产产生生的的损损耗耗，是是全全部部输输入入端端的的光光功功率率总总和和Pit和和全全部部输输出出端端的的光光功功率率总总和和Pot的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示 Le=10 lg 插插入入损损耗耗Lt是是一一个个指指定定输输入入端端的的光光功功率率Pic和和一一个个指指定定输输出端的光功率出端的光功率Poc的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示8/11/20248/11/2024nancynancy Lt=10lg 方方向
26、向性性DIR(隔隔离离度度)是是一一个个输输入入端端的的光光功功率率Pic和和由由耦耦合合器反射到其它端的光功率器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示 DIR=10lg 一一致致性性U是是不不同同输输入入端端得得到到的的耦耦合合比比的的均均匀匀性性，或或者者不不同同输出端耦合比的等同性。输出端耦合比的等同性。 表3.6、表3.7列出波长为1.31 m或(和)1.55 m单模光纤型耦合器和波分复用器/解复用器的一般性能。 8/11/20248/11/2024nancynancy8/11/20248/11/2024nancynancy8/11/20248/11/2024na
27、ncynancy 3.3.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 耦耦合合器器和和其其他他大大多多数数光光无无源源器器件件的的输输入入端端和和输输出出端端是是可可以互换的，称之为互易器件。以互换的，称之为互易器件。 在在许许多多实实际际光光通通信信系系统统中中通通常常也也需需要要非非互互易易器器件件。隔隔离离器器就就是是一一种种非非互互易易器器件件，其其主主要要作作用用是是只只允允许许光光波波往往一一个个方方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。8/11/20248/11/2024nancynancyl l隔离器隔离器隔离器隔离器主要用在
28、激光器或光放大器的后面，以避免反射光主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。返回到该器件致使器件性能变坏。返回到该器件致使器件性能变坏。返回到该器件致使器件性能变坏。l l插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值光的插
29、入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，越大越好，越大越好，越大越好， 目前插入损耗的典型值约为目前插入损耗的典型值约为目前插入损耗的典型值约为目前插入损耗的典型值约为1 dB1 dB，隔离度的，隔离度的，隔离度的，隔离度的典型值的大致范围为典型值的大致范围为典型值的大致范围为典型值的大致范围为4050 dB4050 dB。8/11/20248/11/2024nancynancy 首首先先介介绍绍一一下下光光偏偏振振(极极化化)的的概概念念。单单模模光光纤纤中中传传输输的的光光的的偏偏振振态态(SOP： State of Pola
30、rization) 是是在在垂垂直直于于光光传传输输方方向向的的平平面面上上电电场场矢矢量量的的振振动动方方向向。在在任任何何时时刻刻，电电场场矢矢量量都都可可以以分分解解为为两两个个正正交交分分量量，这这两两个个正正交交分分量量分分别别称称为为水水平模和垂直模。平模和垂直模。 8/11/20248/11/2024nancynancy图 3.34 隔离器的工作原理 8/11/20248/11/2024nancynancy在在实实际际应应用用中中，入入射射光光的的偏偏振振态态(偏偏振振方方向向)是是任任意意的的，并并且且随随时时间间变变化化，因因此此必必须须要要求求隔隔离离器器的的工工作作与与入
31、入射射光光的的偏偏振振态态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。无关，于是隔离器的结构就变复杂了。 具具有有任任意意偏偏振振态态的的入入射射光光通通过过一一个个空空间间分分离离偏偏振振器器(SWP: Spatial Walkoff Polarizer)。8/11/20248/11/2024nancynancy图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 8/11/20248/11/2024nancynancy环行器环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。 图 3.36光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 8/11/20248/11/2024
32、nancynancy 图 3.36光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 8/11/20248/11/2024nancynancy 3.3.4 光调制器光调制器 为为提提高高光光纤纤通通信信系系统统的的质质量量，避避免免直直接接调调制制激激光光器器时时产产生生线线性性调调频频的的限限制制，要要采采用用外外调调制制方方式式，把把激激光光的的产产生生和和调调制制分开。分开。 在在高高速速率率系系统统、 波波分分复复用用系系统统和和相相干干光光系系统统中中都都要要用用调调制制器器。调调制制器器可可以以用用电电光光效效应应、 磁磁光光效效应应或或声声光光效效应应来来实实现现。最最有有用用的的调调制
33、制器器是是利利用用具具有有强强电电光光效效应应的的铌铌酸酸锂锂(LiNbO3)晶晶体体制成的。制成的。 这种晶体的折射率这种晶体的折射率n和外加电场和外加电场E的关系为的关系为 n=n0+E+E2 式式中中，n0为为E=0时时晶晶体体的的折折射射率率。和和是是张张量量，称称为为电电光光系数，其值和偏振面与晶体轴线的取向有关。系数，其值和偏振面与晶体轴线的取向有关。 8/11/20248/11/2024nancynancy图图 3.37 马赫马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器曾德尔干涉仪型调制器8/11/20248/11/2024nancynancy图 3.38 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器特性
34、8/11/20248/11/2024nancynancy 3.3.5 光开关光开关 光光开开关关的的功功能能是是转转换换光光路路， 实实现现光光交交换换， 它它是是光光网网络络的的重要器件。重要器件。 光光开开关关可可分分为为两两大大类类： 一一类类是是机机械械光光开开关关， 利利用用电电磁磁铁铁或或步步进进电电机机驱驱动动光光纤纤、棱棱镜镜或或反反射射镜镜等等光光学学元元件件实实现现光光路路转转换换； 另另一一类类是是固固体体光光开开关关，利利用用磁磁光光效效应应、电电光光效效应应或或声声光光效效应应实实现现光光路路转转换换。机机械械光光开开关关的的优优点点是是插插入入损损耗耗小小，串串扰扰， 适适合合各各种种光光纤纤，技技术术成成熟熟； 缺缺点点是是开开关关速速度度慢慢。固固体体光光开开关关正正相相反反， 优优点点是是开开关关速速度度快快；缺缺点点是是插插入入损损耗耗大大， 串串扰扰大大， 只适合单模光纤。只适合单模光纤。 两类光开关的一般性能如表两类光开关的一般性能如表3.8所示。所示。 8/11/20248/11/2024nancynancy8/11/20248/11/2024nancynancy
