-第五章无源光器件-PPT课件.ppt

1、光纤套管插针粘结剂231321441lg10lg10PPTPPPLPPA、nlcffFSRqq21 一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽

2、、性能稳定、寿命长、长、体积小、价格便宜，体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主许多器件还要求便于集成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。3.3.1 连接器和接头连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动活动)连接的器件，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之间的连接。光纤线路与其他光无源器件之间的连接。接头是实现光纤与光纤之间的永久性接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定固定)连接，主要

3、连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是光用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是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。图 3.27 套管结构连接器简图 对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在在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。对于高反射损耗的连接器，对于高反射损耗的连接器，要求光纤端面为球面或斜面，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触实现物理接触(PC)型。型。套管和插针的材

4、料一般可以用铜或不锈钢，套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料但插针材料用用ZrO2陶瓷最理想。陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、陶瓷机械性能好、耐磨，耐磨，热膨胀热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命系数和光纤相近，使连接器的寿命(插拔次数插拔次数)和工作温度范围和工作温度范围(插入损耗变化插入损耗变化0.1 dB)大大改善。大大改善。3.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入

5、损耗，还有一定的反射和串扰噪声路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器用器/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，它们各具不同的功能和它们各具不同的功能和用途。用途。图 3.28 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定向(c)231412N12N(d)波分2.基本结构基本结构 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，图途的

6、有光纤型、微器件型和波导型，图3.29图图 3.32示出这示出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。图 3.29 光纤型光纤型耦合器 (a)定向耦合器；(b)88星形耦合器；(c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器 图图3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分复用所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。解复用器。如图如图3.30，光纤，光纤a(直通臂直通臂)传输的输出光功率为传输的输出光功率为Pa，光纤，光纤b(耦合臂耦合臂)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

7、，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。和光波长的耦合系数。图 3.30 光纤型波分解复用器原理 1、21212耦合长度光功率ababbaPa=cos2(CL)Pb=sin2(CL)设特定波长为设特定波长为1和和2，选择光纤参数，调整有效作选择光纤参数，调整有效作用长度，使得当光纤用长度，使得当光纤a的输的输出出Pa(1)最大时，光纤最大时，光纤b的输的输出出Pb(1)=0；当；当Pa(2)=0时，时，Pb(2)最大。对于最大。对于1和和2分分别为别为1.3m和和1.55 m的光纤的光纤型解复用器，可以做到附加型解复用器，可以

8、做到附加损耗为损耗为0.5 dB，波长隔离度，波长隔离度大于大于20 dB。1、21212耦合长度光功率ababba 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)光栅式解复光 纤自 聚 焦 透 镜自 聚 焦 透 镜光 纤滤 光 片1、2121231 2 3光 纤自 聚 焦 透 镜硅 光 栅光 纤自 聚 焦 透 镜分 光 片1342(b)(a)(c)(d)波导型波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择

9、，一般是来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。图，横截面为矩形或半圆形。图3.32示示出波导型出波导型T型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。择元件的波分解复用器。图3.32 波导型藕合器光波导开角(a)(b)(c)多模波导多层膜滤光片单模波导1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m 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。NnonocOtOCppPPCR1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)1(CR 附

10、加损耗附加损耗Le由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示 Le=10 lg NnNnotitPoNPiNpP11lg10 插入损耗插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定和一个指定输出端的光功率输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示 Lt=10lg ocicpp 方向性方向性DIR(隔离度隔离度)是一个输入端的光功率是一个输入端的光功率Pic和由耦合和由耦合器反射到其它

11、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 ricpp 一致性一致性U是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不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。3.3.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。以互换的，称之为互易器件。在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔

12、离在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，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。首先介绍一下首先介绍一下光偏振光偏振(极化极化)的概念。单模光纤中传输的的概念。单模光纤中传输的光的偏振态光的偏振态(SOP：State of Polarization)是在垂直于光传是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水

13、量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。平模和垂直模。图 3.34 隔离器的工作原理 在实际应用中，入射光的偏振态在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向偏振方向)是任意的，并且是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，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。具有任意偏振态具有任意偏振态的入射光通过一个空间分离偏振器的入射光通过一个空间分离偏振器(SWP:Spatial Walkoff Polarizer)。图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出SW

14、P半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)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。132(a)(b)1324 图 3.36光环行器 (a)三端口；(b)四端口 图 3.36光环行器 (a)三端口；(b)四端口 132(a)(b)1324 3.3.4 光调制器光调制器 为提高光纤通信系统的质量，避免直接调制激光器时产生为提高光纤通信系统的质量，避免直接调制激光器时产生线性调频的限制，要采用线性调频的限制，要采用外调制外调制方式，把激光的产生和调制方式，把激光的产生和调制分开。分开。在高

15、速率系统、在高速率系统、波分复用系统和相干光系统中都要用调制波分复用系统和相干光系统中都要用调制器。调制器可以用器。调制器可以用电光效应、电光效应、磁光效应或声光效应磁光效应或声光效应来实现。来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶晶体制成的。体制成的。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 式中，式中，n0为为E=0时晶体的折射率。时晶体的折射率。和和是张量，称为电光是张量，称为电光系数，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。图图 3

16、.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信号电压电极输出光电光晶体光波导输入光图 3.38 马赫-曾德尔干涉仪型调制器特性 2102输出波形输入波形相位差输出光功率 P 3.3.5 光开关光开关 光开关的功能是转换光路，光开关的功能是转换光路，实现光交换，实现光交换，它是光网络的它是光网络的重要器件。重要器件。光开关可分为两大类：光开关可分为两大类：一类是一类是机械光开关机械光开关，利用电磁铁利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换；换；另一类是另一类是固体光开关固体光开关，利用磁光效应、电光效应或声光，利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。机械光开关的优点是插入损耗小，串扰，效应实现光路转换。机械光开关的优点是插入损耗小，串扰，适合各种光纤，技术成熟；适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度慢。固体光开关缺点是开关速度慢。固体光开关正相反，正相反，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，串扰大，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。