光通信無源器件技術(shù)

1、第9章 光通信無源器件技術(shù),4.1 光通信的歷史,4.1.1 光通信系統(tǒng)介紹,通訊系統(tǒng)基本要素 1.信息源 2.發(fā)送單元 3.傳輸介質(zhì) 4.接收單元 5.信息終端,對通信系統(tǒng)的要求 1.提高傳輸保真度 2.提高數(shù)據(jù)率 3.增加傳輸距離 載波：光頻電磁波 光通信系統(tǒng)組成： 1.電端機 2.光端機 3.光纖、光纜 4.光端機 5.電端機,器件 1.光發(fā)射機 2.光調(diào)制器 3.光纖（光纜） 4.光放大器 5.光接收機 6.其它器件,最早的光通信 烽火？手勢？旗語？ 1883: Alexander Graham Bell光電話實驗：200米，太陽光 關(guān)鍵問題 可靠的光源 相干性 合適當(dāng)傳播介質(zhì) 損耗低

2、 可靠性高,4.1.2 光通信的歷史,1960 Maiman：紅寶石激光器 1962 GaAs二極管激光器：脈沖方式，77K. 1966 高錕、Hockham及Werts： 石英光纖的損耗可以減小到適合作為傳輸介質(zhì) 1970兩大重要突破 康寧公司：單模光纖，損耗 20dB/km，傳輸介質(zhì)的閾值 貝爾實驗室：室溫連續(xù)AlGaAs半導(dǎo)體激光器 波長850nm 壽命幾分鐘數(shù)小時 結(jié)構(gòu)： GaAs材料上外延生長雙異質(zhì)結(jié)AlGaAs,隨后的其它技術(shù)突破： 多模光纖： 4dB/km， SiO2 摻 GeO2 AlGaAs激光二極管：壽命-幾十萬小時 (1978107 小時） 第一代光纖通信系統(tǒng) 1976-

3、45 Mb/s 野外實驗， Atlanta， MMF， 0.85m 1977-45 Mb/s 芝加哥，商業(yè)應(yīng)用，2辦公室， 7km 第二代光纖通信系統(tǒng) 1976兩大進步 NTT：MMF，損耗 1dB/km0.5dB/km， 1.3m & 1.55m Lincoln實驗室：室溫長波長InGaAsP/InP激光器 1981，1.3m MMF 通信系統(tǒng)-第二代光通信系統(tǒng),第三代光纖通信系統(tǒng) 1.3m, SMF, 0.5dB/km, 140Mb/s (1984) 1.3m, SMF, 565Mb/s, 1.7Gbits/s (1986生產(chǎn)， 1987商用) 2.488Gbits/s (1991商用化

4、) 實驗：10Gb/s,1986第四代光纖通信系統(tǒng) 兩大技術(shù)革新： 波分復(fù)用（WDM）光放大器（EDFA） 1.55m, SMF, 0.2dB/km 商用: 410Gb/s 40Gb/s (Nortel) 810Gb/s 80Gb/s (Lucent) 805Gb/s 400Gb/s (Lucent: wavestarTM OLS 400G ) 實驗: Tb/s,下一代 光孤子？ 全光網(wǎng)絡(luò)？ 智能光網(wǎng)絡(luò)？ 對器件要求 集成化 小型化,4.1.3 光器件簡介,概念 基礎(chǔ) 應(yīng)用 類型 分立器件 集成器件 功能集成和數(shù)量集成 光電集成和光光集成 單片集成和混合集成,光電子器件類型（通信,有源,激光器

5、 光放大器 探測器 光調(diào)制器 波長轉(zhuǎn)換器,光隔離器 光耦合器 光濾波器 光開關(guān) 光衰減器 色散補償器 偏振控制器 偏振模補償器,無源,9.2 光通信系統(tǒng)的無源器件,光纖連接器 光開關(guān) 光衰減器 光調(diào)制器 光隔離器,光纖連接器,光纖連接器的主要指標(biāo)： 光纖連接器的類型,2、光纖連接器件,光纖連接器件的作用是一根光纖中的光最大限度地傳到另一光纖中，或光信號在不同光纖之間耦合傳遞。 廣義上連接器分為兩種類型： 可拆卸型連接器。它被設(shè)計成可被連接，必要時又可拆開。 永久型連接器。它被一次型連接使用，不能在拆開后重復(fù)使用,可拆卸型光纖連接器,各種光纖連接器,光開關(guān) 一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可

6、對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件 機械式和非機械式 機械式 插入損耗低，隔離度高，不受偏振和波長影響 開關(guān)時間較長（毫秒量級），存在回跳抖動，重復(fù)性差 移動光纖、移動套管、移動準(zhǔn)直鏡、移動反光鏡、移動棱鏡、移動耦合器、MEMS 非機械式 開關(guān)時間短，體積小，易于集成 插損大，隔離度低，有的具有偏振和/或波長相關(guān) 電光、磁光、聲光、熱光等,機械式光開關(guān),機械式光開關(guān)（MEMS,MEMS：Micro Electronic and Mechanical System,利用硅材料和微電子加工技術(shù)制作的微機械裝置,MEMS器件 可調(diào)諧器件 微F-P腔 可調(diào)光衰減器 光調(diào)制器

7、低速率、低成本 接入網(wǎng) 光濾波器 復(fù)用/解復(fù)用器 光柵,基于移動光纖式（MEMS,特點 偏振無關(guān) 機械可靠性高 設(shè)計不受光纖種類限制 開關(guān)速度慢（毫秒,基于微鏡式（MEMS,特點 偏振無關(guān) 機械可靠性高 擴展性好 開關(guān)速度較快（10微秒,組成部分 活動微鏡 驅(qū)動執(zhí)行單元 輸入/輸出光纖,結(jié)構(gòu) 二維 N2結(jié)構(gòu)方案 活動微鏡只有兩種狀態(tài) 運動方式：上下折疊、左右移動和旋轉(zhuǎn) 控制簡單 難以直接實現(xiàn)大端口數(shù)（最大32） 用級聯(lián)方式實現(xiàn)大端口數(shù)（可達數(shù)百） 三維 2N個微鏡 每個微鏡有N個可能狀態(tài) 驅(qū)動結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,基于微鏡式MEMS（二維,基于微鏡式MEMS,其它方式MEMS,非機械式光開關(guān)（體器件,

8、電光開關(guān),45,光的偏振方向,V=0,V=V,Iout=Iin,Iout=0,Kerr效應(yīng),非機械式光開關(guān)（波導(dǎo)型,基本構(gòu)形,干涉型,方向耦合器型,X交叉型,MZI型,DOS型,Y分支型,非對稱X交叉型,方向耦合器型,方向耦合器型,方向耦合器的原理,x0,方向耦合器的原理,方向耦合器型光開關(guān),一般為電光型,電極位置,緊湊 制作精度要求高 偏振靈敏,干涉型光開關(guān)（波導(dǎo)型,X交叉型,MZI型,通過電光或熱光效應(yīng)調(diào)節(jié)兩臂之間的相位差，使得光束會合處出現(xiàn)相長干涉或相消干涉，從而達到切換輸出端口的目的,又稱零間距方向耦合器型 通過交叉部隊光模式間的干涉實現(xiàn)切換輸出端口的目的,DOS型光開關(guān)（波導(dǎo)型,非對

9、稱X型可以看作兩個Y分支構(gòu)成,Y分支型,非對稱X交叉型,Y分支工作原理,僅為功率分配器：進入兩波導(dǎo)分支的功率幾乎相等,為模分配器：(TE)0輸入變成在具有較大的分支波導(dǎo)中有(TE)0模式，而(TE)1輸入變成在具有較大的分支波導(dǎo)中有(TE)0模式,p為耦合區(qū)中場的平均衰減常數(shù),對稱Y分支熱光光開關(guān),DOS型光開關(guān)（波導(dǎo)型,Y分支光開關(guān)級聯(lián),Y分支型,非對稱X交叉型,Y分支光開關(guān)的特點： 結(jié)構(gòu)簡單 偏振不敏感 在某些波長范圍內(nèi)，波長不敏感 電壓控制精度要求低 功耗高（特別是熱光） 尺寸大,光衰減器 按照用戶要求對光信號進行預(yù)期的衰減 用途： 光通信線路、系統(tǒng)評估、研究 光通信線路、系統(tǒng)調(diào)整、校正

10、 在波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)中用來調(diào)整各信道信號的強弱 測試儀器的光功率衰減 光放大器的功率平坦 模擬光纖長距離傳輸 檢測傳輸系統(tǒng)的動態(tài)范圍,光衰減器 類型 固定光衰減器 可調(diào)光衰減器 位移型 光衰減片型 波導(dǎo)型 MEMS,位移型光衰減器,橫向位移型,d,特點 僅用于固定衰減器 回波損耗大，偏振無關(guān) 體器件,位移型光衰減器,縱向位移型,特點 用于固定衰減器和一些小型可調(diào)光衰減器 偏振無關(guān) 體器件,光衰減片型,特點 不具備連續(xù)可變的衰減特性 體器件,準(zhǔn)直鏡,準(zhǔn)直鏡,衰減片盤,衰減片,波導(dǎo)型 基本與光開關(guān)同樣的結(jié)構(gòu) 方向耦合器 MZI和對稱X交叉 Y分支和非對稱X交叉 直波導(dǎo) 電光、熱光或聲光效應(yīng)來控制衰減 體積小、性能好和易于集成等優(yōu)點,