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1、第三章第三章 光纤通信器件光纤通信器件光纤通信器本章内容本章内容3.1 连接器连接器3.2 耦合器耦合器3.3 光滤波器光滤波器3.4 波分复用波分复用/解复用器件解复用器件3.5 调制器调制器3.6 光开关光开关3.7 光隔离器光隔离器3.8 光环行器光环行器3.9 光分插复用器光分插复用器3.10 波长转换器波长转换器光纤通信器连接器连接器n活动连接、固定连接活动连接、固定连接n连接器设计基础连接器设计基础-尽量减小连接损耗尽量减小连接损耗光纤通信器连接损耗机理连接损耗机理光纤通信器活动连接器结构活动连接器结构n接口零件、光纤插针和对中三部分。接口零件、光纤插针和对中三部分。插针结构及端面
2、形状光纤通信器套管式连接器(a) 连接插座； (b) 连接插针 光纤通信器活动连接器的种类（活动连接器的种类（FC、SC、ST、LC）FC型：用螺纹连接型：用螺纹连接光纤通信器SC型：轴向插拔矩形外壳型：轴向插拔矩形外壳光纤通信器光纤通信器ST型：弹簧带键卡口结构型：弹簧带键卡口结构光纤通信器LC型：所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm，提高了光配线架中连接器的密度。光纤通信器表表3.1.1 各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标光纤通信器光纤固定连接光纤固定连接-死接头死接头n 光纤熔接机的不断改进是应用微处理
3、器，实现自动对光纤熔接机的不断改进是应用微处理器，实现自动对准、自动熔接、自动检测，并估算连接损耗。准、自动熔接、自动检测，并估算连接损耗。光纤通信器n机械连接机械连接光纤通信器n毛细管黏结连接毛细管黏结连接 把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固化粘结剂固定，对端面进行抛光；在支架上用压化粘结剂固定，对端面进行抛光；在支架上用压缩弹簧把毛细管挤压在一起。调节光纤位置，使缩弹簧把毛细管挤压在一起。调节光纤位置，使输出功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容输出功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容环氧树脂粘结形成接头。这种连接方法环氧树脂粘结形成接头。这种连
4、接方法接头损耗接头损耗很低很低。光纤通信器耦合器耦合器n功能：功能：光功率分配光功率分配基本结构光纤通信器22熔拉双锥耦合器熔拉双锥耦合器总拉伸长度光约束在纤芯中传播光纤半径减小V明显减小部分光在纤芯外传播发生耦合P3P1P2P0光输入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰宽度决定拉伸时决定分光原理：分光原理：通过改变光纤间的消逝通过改变光纤间的消逝场相互耦合长度，以及改变光纤纤场相互耦合长度，以及改变光纤纤径来实现不同大小的分支量。径来实现不同大小的分支量。光纤通信器熔拉双锥星形耦合器熔拉双锥星形耦合器光纤通信器阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWG）星形耦合器）星形耦合器相位中心星形耦合器外形原
5、理图相位中心星形耦合器外形原理图自由空间区的设计自由空间区的设计1 1：输入（出）波导输入（出）波导辐射段法线方向直辐射段法线方向直接指向输出（入）接指向输出（入）阵列波导辐射段的阵列波导辐射段的相位中心相位中心P P（Q Q）点）点光纤通信器自由空间区的设计自由空间区的设计2：光栅圆中心耦合区原理图光栅圆中心耦合区原理图输入输入/ /输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规则，即输入输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规则，即输入/ /输出波导输出波导的端口以等间距设置在半径为的端口以等间距设置在半径为R R的光栅圆周上，并对称地分布在聚的光栅圆周上，并对称地分布在聚焦平板波导的两侧，输入（出）波导端
6、面法线方向指向右（左）侧焦平板波导的两侧，输入（出）波导端面法线方向指向右（左）侧光栅圆的圆心光栅圆的圆心P P（Q Q）点，两个光栅圆周的圆心在中心输入）点，两个光栅圆周的圆心在中心输入/ /输出波输出波导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处。导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处。光纤通信器方向耦合器方向耦合器n把光功率发送到一个根据传播方向确定的输出端。把光功率发送到一个根据传播方向确定的输出端。n基本原理与光开关类似。基本原理与光开关类似。光纤通信器光纤耦合器光纤耦合器 光纤通信器NN1N光纤通信器光纤通信器光开关光开关功能：功能：转换光路，以实
7、现光信号的交换。转换光路，以实现光信号的交换。分类：分类：机械光开关机械光开关微机电光开关微机电光开关波导光开关波导光开关光纤通信器机械光开关机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱 镜、反射镜等光学元件实现光路转换。镜、反射镜等光学元件实现光路转换。光纤通信器棒透镜棱镜1212移动棱镜光开关移动棱镜光开关光纤通信器机械式光开关优缺点机械式光开关优缺点n优点：优点：插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟技术成熟n缺点：缺点：开关速度慢（几十开关速度慢（几十ms-ms），结构），结构不紧凑，容易受振动、冲击的影响，不紧凑，
8、容易受振动、冲击的影响，开关尺开关尺寸较大，而且不易集成。寸较大，而且不易集成。光纤通信器微机电光开关（微机电光开关（MEMS光开关）光开关）一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可前倾后仰、一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。号可切换到不同输出光纤的微机电系统。可升降微反射镜可升降微反射镜 MEMS光开关光开关光纤通信器可旋转微反射镜可旋转微反射镜 MEMS 光开关光开关光纤通信器可立卧微反射镜可立卧微反射镜
9、 MEMS 光开关光开关光纤通信器MEMS光开关优缺点光开关优缺点n具具有有机机械械光光开开关关和和波波导导光光开开关关的的优优点点，却却克克服服了了它们所固有的缺点；它们所固有的缺点；n采采用用了了机机械械光光开开关关的的原原理理，但但又又能能象象波波导导开开关关那那样，集成在单片硅基上；样，集成在单片硅基上；n基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。n主主要要开开发发商商有有美美国国Lucent、德德克克萨萨斯斯仪仪表表公公司司和和康宁等公司。康宁等公司。光纤通信器波导光开关波导光开关：利用固体物理效应利用固体物理效应n电光开关电光开关n热光开关热光开关
10、n磁光开关磁光开关光纤通信器马赫马赫-曾德尔曾德尔1 1光开关光开关电光效应电光效应是在电场作用下是在电场作用下改变材料的折射率和光的改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路偏振等使光强突变或光路转变。转变。光纤通信器热光波导开关热光波导开关热光效应热光效应是通过电流加热是通过电流加热的方法，使介质的温度变的方法，使介质的温度变化，导致光在介质传输的化，导致光在介质传输的折射率和相位发生改变的折射率和相位发生改变的物理效应。物理效应。光纤通信器磁光开关磁光开关n法拉第（法拉第（Faraday）磁致旋光效应）磁致旋光效应在外加磁场作用下，某些原本各
11、向在外加磁场作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。通过该物质时其偏振面发生旋转。磁致旋光不可逆性磁致旋光不可逆性光纤通信器磁光式光开关磁光式光开关光纤通信器波导光开关优缺点波导光开关优缺点n优点：优点：开关速度快，重复性好，可靠性高，开关速度快，重复性好，可靠性高，使用寿命长，尺寸小，可单片集成使用寿命长，尺寸小，可单片集成n缺点：缺点：插入损耗大，串扰大，应予改进插入损耗大，串扰大，应予改进光纤通信器滤波器滤波器功能：功能：从包含多个频率分量的信号中提出所需频率的信号。从包含多个频率分量的信号中提出所需频率的信号。光
12、纤通信器种类种类n法布里法布里 珀罗（珀罗（F-PF-P）滤波器）滤波器n马赫马赫- -曾德尔（曾德尔（M-ZM-Z）滤波器）滤波器n光纤布拉格（光纤布拉格（BraggBragg）光栅滤波器）光栅滤波器光纤通信器F-P滤波器结构滤波器结构由由两块平行镜面两块平行镜面组成的谐振腔，一块固组成的谐振腔，一块固定，另一块可移动定，另一块可移动镜面镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板或多层介质膜的玻璃板光纤通信器光纤光纤F-P干涉仪干涉仪通过外加电压使通过外加电压使压电陶瓷压电陶瓷产生产生电致伸缩电致伸缩作用来作用来改变谐振腔的长度改变谐振腔的长度光纤通
13、信器光纤通信器工作原理工作原理-光多次干涉和谐振光多次干涉和谐振形成驻波的条件？形成驻波的条件？光纤通信器谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率fm？模间隔模间隔fm = =自由频谱范围（自由频谱范围（FSRFSR）？）？频谱宽度频谱宽度fm ？谐振腔的精细度谐振腔的精细度F？光纤通信器例例:考虑一个空隙间隙长为考虑一个空隙间隙长为100微米的微米的F-P谐谐振腔，镜面反射系数为振腔，镜面反射系数为0.9，请计算靠近波，请计算靠近波长长900nm的模式、模式间隔和每个模式的的模式、模式间隔和每个模式的频谱宽度？频谱宽度？光纤通信器F-P滤波器的传输特性滤波器的传输特性光纤通信器双腔双腔F-P滤波器的
14、级联滤波器的级联光纤通信器M-Z滤波器结构滤波器结构工作原理？工作原理？基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。 光纤通信器级联级联M-Z干涉滤波器干涉滤波器要求：输入光波的频率间隔要求：输入光波的频率间隔 必须精确地控制在必须精确地控制在 的整数倍。的整数倍。光纤通信器光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅（FBG）滤波器）滤波器光纤通信器内部写入法内部写入法干涉法干涉法光纤通信器相位掩模板法相位掩模板法芯层芯层包层包层+1+1级级-1-1级级相位掩模板相位掩模板相位掩模板相位掩模板光纤通信器光纤光栅带通滤波器光纤光栅带通滤波器光纤通信器波
15、分复用波分复用/解复用器件解复用器件光纤通信器种类种类n棱镜型棱镜型n衍射光栅型衍射光栅型n阵列波导光栅型阵列波导光栅型nM-Z干涉滤波器型干涉滤波器型光纤通信器棱镜解复用器棱镜解复用器光纤通信器衍射光栅衍射光栅光纤通信器三种不同的衍射光栅三种不同的衍射光栅光纤通信器光栅型解复用器光栅型解复用器（a)a)普通透镜反射光栅普通透镜反射光栅（b)b)渐变折射率透镜反射光栅渐变折射率透镜反射光栅光纤通信器AWG型型光纤通信器M-Z干涉滤波器型干涉滤波器型光纤通信器调制方式比较（按光源与调制信号的关系）调制方式比较（按光源与调制信号的关系）光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输光调制器是通过电压或电
16、场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。 直接调制直接调制是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。光随电信号变化而实现的。 光纤通信器调制器种类调制器种类n电光调制器电光调制器n电吸收波导调制器电吸收波导调制器光纤通信器电光效应电光效应线性电光效应系数线性电光效应系数二阶电光效应系数二阶电光效应系数线性电光效应（珀克效应）线性电光效应（珀克效应）二阶电光效应（克尔效应）二阶电光效应（克尔效应）光纤通信器横向线性电光效应相位调制器横向线性电光效应相位调制器施加的外电压在两
17、个电场分量间产生一个可调整的相位差，施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差，因此出射光波的偏振态可被外电压控制因此出射光波的偏振态可被外电压控制光纤通信器横向线性电光效应强度调制器横向线性电光效应强度调制器光纤通信器光纤通信器电吸收波导调制器（电吸收波导调制器（EAM）I I层由多量子阱波导构成，层由多量子阱波导构成，I I层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。光纤通信器光隔离器光隔离器n功能功能:只允许单方向传输光只允许单方向传输光光纤通信器光隔离器结构及实物图光隔离器结构及实物图光纤通信器光环形器光环形器功能：功能：把光信号流按一个方向从一个端口送到另一个端口，并防止光信号沿错误的方向传播而引起不必要的串扰。132(a)三端口(b)四端口 1324光纤通信器原理图原理图光纤通信器三端口环行器 光纤通信器光环形器用于单纤双向通信光环形器用于单纤双向通信光纤通信器OADM-Optical Add-Drop Multiplexer功能：功能：在光域实现支路信号的分插和复用。在光域实现支路信号的分插和复用。固定波长固定波长可变波长可变波长光纤通信器
