光纖通信系統(tǒng) 第四講 光器件課件

第三章光纖通信中的關(guān)鍵光電子器件光纖通信系統(tǒng)光信息科學與技術(shù)專業(yè)ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products第三章光器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5光隔離器與環(huán)行器3.6光調(diào)制器Modulators3.7光開光Switches3.8光波長轉(zhuǎn)換器3.9光交叉互連器第三章光器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5光隔離器與環(huán)行器3.6光調(diào)制器Modulators3.7光開光Switches3.8光波長轉(zhuǎn)換器3.9光交叉互連器連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應用最廣泛的無源器件。連接器和接頭3.2光連接器—Connector技術(shù)指標：插入損耗：光信號通過連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)?；夭〒p耗：反射損耗，光纖連接處，后向反射光相對輸入光的比率的分貝數(shù)。重復性和互換性

光衰減器是用于對光功率進行衰減的器件，它主要用于光纖系統(tǒng)的指標測量、短距離通信系統(tǒng)的信號衰減以及系統(tǒng)試驗等場合。光衰減器要求重量輕、體積小、精度高、穩(wěn)定性好、使用方便等?？烧{(diào)式光衰減器一般用于光學測量中。在測量光接收機的靈敏度時，通常把它置于光接收機的輸入端，用來調(diào)整接收光功率的大小。使用光衰減器時，要保持環(huán)境清潔干燥，不用時要蓋好保護帽。移動時要輕拿輕放，嚴禁碰撞。3.3光衰減器—Attenuator根據(jù)工作原理分類：位移型光衰減器橫向位移型光衰減器縱向位移型光衰減器直接鍍膜型光衰減器（吸收模或反射模型）衰減片型光衰減器液晶型光衰減器光衰減器光衰減器固定光衰減器可變光衰減器尾纖式固定光衰減器轉(zhuǎn)\變換器式固定光衰減器SC—FC型、FC—ST型、SC—ST型、SC型、FC型、ST型小可變光衰減器步進可變光衰減器連續(xù)可變光衰減器機械型智能型耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。這種器件對光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串擾噪聲耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復用器/解復用器。1.耦合器類型

圖示常用耦合器的類型，它們各具不同的功能和用途。常用耦合器的類型

2.基本結(jié)構(gòu)

耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導型，圖示這三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)插入損耗：特定的端口到另一端口路徑的損耗。如從輸入端口i到輸出端口j的路徑中的插入損耗為：附加損耗：輸入功率對總的輸出功率的比值。串擾：一個端口的輸入信號與散射或反射回另一個輸入端口的光功率間的隔離度。以22光纖耦合器為例：分光比或耦合比：輸出端口間光功率分配的百分比3技術(shù)指標：串擾＝第三章光器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5光隔離器與環(huán)行器3.6光調(diào)制器Modulators3.7光開光Switches3.8光波長轉(zhuǎn)換器3.9光交叉互連器3.6光隔離器與環(huán)行器Isolators&Circulators非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系統(tǒng)中的反射光對器件性能的影響甚至損傷，即只允許光單向傳輸。主要指標：低的插入損耗(對正向入射光，~1dB)高的隔離度(對反向反射光，40~50dB)原理：一般由起偏器、檢偏器和旋光器組成。光環(huán)形器基本原理：工作原理等同于隔離器，光傳送順序：1234（三端口，四端口，多端口）主要特性：

插入損耗隔離度價格三端口光環(huán)行器四端口光環(huán)行器IsolatorsIsolator/couplerhybrids第三章光器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5光隔離器與環(huán)行器3.6光調(diào)制器Modulators3.7光開光Switches3.8光波長轉(zhuǎn)換器3.9光交叉互連器直接調(diào)制和外調(diào)制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外調(diào)制技術(shù)調(diào)制信號不直接施加在LD上，而是施加在光調(diào)制器上。外調(diào)制技術(shù)分類：電光調(diào)制ElectroopticEffects電致吸收Electro-AbsorptionEffects磁光調(diào)制MagnetoopticEffects聲光調(diào)制AcousticModulators其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。電光效應光調(diào)制器電光效應：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3)

，導致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化。折射率變化n與外加電場E有著復雜的關(guān)系，可近似地認為n與(rE+RE2)成正比。電光調(diào)制器主要利用普科爾(Pocket)效應.普科爾(Pocket)效應：晶體折射率與外加電場幅度成線形變化克爾(Kerr)效應：晶體折射率與外加電場幅度的平方成比例變化40Gb/sLiNbO3ModulatorV/2VVt調(diào)制電壓透射光強半波電壓V是把調(diào)制器從最小光強轉(zhuǎn)換到最大光強所需的電壓電光調(diào)制的透過率(調(diào)制器被偏置在V/2點上)電致吸收光調(diào)制器是一種損耗器件，利用Franz-Keldysh效應和量子限制Stark效應，工作在調(diào)制器材料吸收邊界波長處。Franz-Keldysh效應：1958年提出，是指在電場作用下半導體材料的吸收邊紅移的理論。原理：改變調(diào)制器上的偏壓，使多量子阱(MQW)的吸收邊界波長發(fā)生變化，進而改變光束的通斷，實現(xiàn)調(diào)制。當調(diào)制器無偏壓時，光束處于通狀態(tài)，輸出功率最大；隨著調(diào)制器上偏壓的增加，MQW的吸收邊移向長波長，原光束波長處吸收系數(shù)增大，調(diào)制器為斷狀態(tài)，輸出功率最小。使用材料：III-V族半導體材料特點：易與激光器集成、體積小、驅(qū)動電壓低（~2V）、啁啾大于LN調(diào)制器（2.5Gb/s--640km;10Gb/s--80km)、調(diào)制碼率（40Gb/s）、消光比低于LN調(diào)制器（~10dB）40Gb/sEAModulator聲光效應光調(diào)制器聲光效應是指聲波作用于某晶體時，產(chǎn)生光彈性作用，使折射率發(fā)生變化，從而達到光調(diào)制的目的。特點：消光比高（~30dB）、驅(qū)動功率較低、帶寬窄。磁光效應光調(diào)制器磁光效應又稱為法拉第效應。當光通過介質(zhì)傳播時，若在垂直光的傳播方向上加一強磁場，則光的偏振面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角與介質(zhì)長度、外磁場強度成正比。調(diào)制原理：經(jīng)起偏器的光信號通過磁光晶體，其偏轉(zhuǎn)角與調(diào)制電流有關(guān)。由于起偏器與檢偏器的透光軸相互平行，當調(diào)制電流為零時，透過檢偏器的光強最大；隨著電流逐漸最大，旋轉(zhuǎn)角加大，透過檢偏器的光強逐漸下降。第三章光器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5光隔離器與環(huán)行器3.6光調(diào)制器Modulators3.7光開光Switches3.8光波長轉(zhuǎn)換器3.9光交叉互連器3.8光開關(guān)Switches實現(xiàn)光通道的通斷和轉(zhuǎn)換。光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件。開關(guān)時間是光開關(guān)的主要指標。不同的應用場合,對光開關(guān)的開關(guān)時間要求不同。應用開關(guān)時間需求光路的交換及管理(OADM、OXC)1~10ms保護開關(guān)1~10ms光包交換1ns外調(diào)制10ps消光比、插損、串話、偏振相關(guān)性(PDL)也是光開關(guān)的重要參數(shù)機械光開關(guān)熱光開關(guān)電光開關(guān)微光機電系統(tǒng)（MOEMS）光開關(guān)的分類機械式光開關(guān)特點：低插損、低PDL、低串話(隔離度高)、性能穩(wěn)定、低價格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM節(jié)點中。是目前最為成熟，應用最廣的光開關(guān)活動光纖光纖光纖固定裝置熱光效應光開關(guān)基本結(jié)構(gòu)：MZ干涉儀，通過改變某一干涉臂的材料溫度，而改變其相位差，進而實現(xiàn)光信號的通斷特點：可以集成、開關(guān)速度優(yōu)于機械式（ms）3dB耦合器波導臂薄膜加熱器相位移動電光效應光開關(guān)LiNbO3波導型電光開關(guān)：等同于外調(diào)制器特點：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、價格昂貴半導體光放大器SOA光開關(guān)：改變SOA驅(qū)動電流來實現(xiàn)特點：速度快（~ns）、無損開關(guān)，但引入ASE噪聲和可能導致信號畸變、價格昂貴類型大小插損(dB)串話(dB)PDL(dB)開關(guān)時間機械式883550.210ms熱光開關(guān)SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms電光開關(guān)LiNbO3SOA44448035401Low10ps1ns光開關(guān)性能比較新型光開關(guān)——MOEMS微光機電系統(tǒng)(MOEMS)光開關(guān)是微機電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)與傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型機械式光開關(guān)。MEMS技術(shù)是基于半導體微細加工技術(shù)而成長起來的制作工藝技術(shù)，利用這種技術(shù)可以制作出微小而活動的機械系統(tǒng)。采用集成電路(IC)標準工藝在Si襯底上制作出集成的微反射鏡陣列，反射鏡尺寸非常小，僅300微米左右，比頭發(fā)絲還細。第三章光器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5光隔離器與環(huán)行器3.6光調(diào)制器Modulators3.7光開光Switches3.8光波長轉(zhuǎn)換器3.9光交叉互連器3.9光波長轉(zhuǎn)換器光波長轉(zhuǎn)換器（WavelengthConverter）是一種實現(xiàn)將光信號從某一波長的光載波轉(zhuǎn)換至另一波長光載波的器件，是波分復用光通信系統(tǒng)向光網(wǎng)絡(luò)演變的一個關(guān)鍵性器件。它可以在光通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛地用于光交換、波長路由以及光信號的全光再生等。光－電－光式光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(zhuǎn)換器光-電-光式光波長轉(zhuǎn)換器inReceiver/PhotodiodeElect.Amplifier/regenerator+driverLaserExternalmodulatorout

特點信號格式透明轉(zhuǎn)換速率可達10Gbit/s可以實現(xiàn)消光比增強及信號再生信噪比高偏振無關(guān)允許in=out輸入信號功率要求低技術(shù)成熟光電轉(zhuǎn)換線路復雜，終究要受電子瓶頸的限制全光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(zhuǎn)換器是將信號從一個波長變?yōu)榱硪粋€波長而不需要變換到電域，因此