1、第第9章章 光通信无源器件技术光通信无源器件技术 本章主要内容：光通信历史 光电子器件类型 2022-9-284.1 光通信的历史光通信的历史电话、摄象机、计算机、电视编码、调制、发射机信息源传输介质信息终端接收机、解调、解码光纤、双绞线、自由空间发送单元接收单元4.1.1 光通信系统介绍2022-9-28通讯系统基本要素1.信息源2.发送单元3.传输介质4.接收单元5.信息终端 2022-9-28对通信系统的要求1.提高传输保真度 2.提高数据率 3.增加传输距离 载波：光频电磁波 光通信系统组成：1.电端机2.光端机3.光纤、光缆4.光端机5.电端机 2022-9-28光发射机、光调制器电
2、端机光纤（缆）光端机电端机光端机光接收机光纤（光缆）、光放大器2022-9-28器件1.光发射机2.光调制器3.光纤（光缆）4.光放大器5.光接收机6.其它器件2022-9-28最早的光通信o烽火？手势？旗语？o1883:Alexander Graham Bell光电话实验：200米，太阳光 关键问题o可靠的光源n相干性o合适当传播介质n损耗低n可靠性高4.1.2 光通信的历史2022-9-28o1960 Maiman：红宝石激光器o1962 GaAs二极管激光器：脉冲方式，77K.o1966 高锟、Hockham及Werts：n石英光纤的损耗可以减小到适合作为传输介质o1970两大重要突破n
3、康宁公司：单模光纤，损耗 20dB/km，传输介质的阈值n贝尔实验室：室温连续AlGaAs半导体激光器o波长850nmo寿命几分钟数小时o结构：GaAs材料上外延生长双异质结AlGaAs 2022-9-28o随后的其它技术突破：n多模光纤：4dB/km，SiO2 掺 GeO2nAlGaAs激光二极管：寿命-几十万小时(1978107 小时）o第一代光纤通信系统n1976-45 Mb/s 野外实验，Atlanta，MMF，0.85mn1977-45 Mb/s 芝加哥，商业应用，2办公室，7km o第二代光纤通信系统n1976两大进步oNTT：MMF，损耗 1dB/km0.5dB/km，1.3m&
4、1.55moLincoln实验室：室温长波长InGaAsP/InP激光器n1981，1.3m MMF 通信系统-第二代光通信系统.2022-9-28o第三代光纤通信系统n 1.3m,SMF,0.5dB/km,140Mb/s (1984)n 1.3m,SMF,565Mb/s,1.7Gbits/s (1986生产，1987商用)n 2.488Gbits/s(1991商用化)n 实验：10Gb/s2022-9-28o1986第四代光纤通信系统n两大技术革新：o波分复用（WDM）光放大器（EDFA）o1.55m,SMF,0.2dB/kmn商用:o410Gb/s 40Gb/s(Nortel)o810Gb
5、/s 80Gb/s(Lucent)o805Gb/s 400Gb/s(Lucent:wavestarTM OLS 400G)n实验:Tb/s2022-9-28o下一代n光孤子？n全光网络？n智能光网络？o对器件要求n集成化n小型化 2022-9-28n概念o基础o应用n类型o分立器件o集成器件n功能集成和数量集成n光电集成和光光集成n单片集成和混合集成2022-9-28主要应用有源无源器件光纤通信干线光交换接入网 DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H 位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度可以测量70 多个物理化学量 广告显示牌 激光手术刀 仪表照明
6、 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块 信号处理信息获取信息传输信息处理其它应用2022-9-28激光器光放大器探测器光调制器波长转换器光隔离器光耦合器光滤波器光开关光衰减器色散补偿器偏振控制器偏振模补偿器2022-9-289.2 光通信系统的无源器件n光纤连接器n 光开关n光衰减器n 光调制器n 光隔离器2022-9-28 光纤连接器 光纤连接器的主要指标：光纤连接器的类型：2022-9-282、光纤连接器件o光纤连接器件的作用是一根光纤中的光最大限度地传到另一光纤中，或光信号在不同光纤之间耦合传递。o广义上连接器分为两种类型：o
7、可拆卸型连接器。它被设计成可被连接，必要时又可拆开。o 永久型连接器。它被一次型连接使用，不能在拆开后重复使用。2022-9-28可拆卸型光纤连接器2022-9-28各种光纤连接器2022-9-28o一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件o机械式和非机械式机械式和非机械式n机械式机械式o插入损耗低，隔离度高，不受偏振和波长影响插入损耗低，隔离度高，不受偏振和波长影响o开关时间较长（毫秒量级），存在回跳抖动，重复性差开关时间较长（毫秒量级）
8、，存在回跳抖动，重复性差o移动光纤、移动套管、移动准直镜、移动反光镜、移动棱镜、移动移动光纤、移动套管、移动准直镜、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器、耦合器、MEMSn非机械式非机械式o开关时间短，体积小，易于集成开关时间短，体积小，易于集成o插损大，隔离度低，有的具有偏振和插损大，隔离度低，有的具有偏振和/或波长相关或波长相关o电光、磁光、声光、热光等电光、磁光、声光、热光等2022-9-28移动光纤式移动光纤式固定光纤移动光纤移动反射镜型移动反射镜型反射镜转动轴光纤转动轴反射镜光纤节距移动反射镜型移动反射镜型2022-9-282022-9-282022-9-282022-9-284444组
9、成的882022-9-282022-9-282022-9-28入射光入射光xzyV45V=0V=V Iout=IinIout=02022-9-28方向耦合器型X交叉型MZI型Y分支型非对称X交叉型2022-9-28aE1dE(x)xxn(x)x0n0ng波导波导1 波导波导2E2x2ax,2axxn2axx2axn)x(n00000g1x2adx,2adxxn2adxx2adxn)x(n00000g2其它位置00000gn2adxx2adx,2axx2axn)x(n波导波导1波导波导2输入输入输出输出z=0z=Lz=2L2022-9-28波导波导1波导波导2输入输入输出输出z=0z=Lz=2L
10、zP(z)P2P1z=L)z(cosPP201)z(sinPP202111222200E,EE,E)nn(2kxn(x)x0n0ng波导波导1 波导波导222222021sinPPL2L2022-9-28波导波导1波导波导2输入输入输出输出z=0z=Lz=2L2022-9-28X交叉型MZI型通过电光或热光效应通过电光或热光效应调节两臂之间的相位调节两臂之间的相位差，使得光束会合处差，使得光束会合处出现相长干涉或相消出现相长干涉或相消干涉，从而达到切换干涉，从而达到切换输出端口的目的。输出端口的目的。又称零间距方向耦合又称零间距方向耦合器型器型通过交叉部队光模式通过交叉部队光模式间的干涉实现切
11、换输间的干涉实现切换输出端口的目的出端口的目的2022-9-28Y分支型非对称X交叉型Cij43.02p43.02p仅为功率分配器：仅为功率分配器：进入两波导分支的进入两波导分支的功率几乎相等功率几乎相等为模分配器：为模分配器：(TE)0输入输入变成在具有较大变成在具有较大 的分的分支波导中有支波导中有(TE)0模式，模式，而而(TE)1输入变成在输入变成在具有具有较大较大 的分支波导中有的分支波导中有(TE)0模式。模式。p为耦合区中场的平均衰减常数为耦合区中场的平均衰减常数对称对称Y分支热光光开关分支热光光开关2022-9-28Y分支型非对称X交叉型2022-9-28光衰减器o按照用户要求
12、对光信号进行预期的衰减o用途：n光通信线路、系统评估、研究n光通信线路、系统调整、校正n在波分复用光纤网络中用来调整各信道信号的强弱n测试仪器的光功率衰减n光放大器的功率平坦n模拟光纤长距离传输n检测传输系统的动态范围。2022-9-28光衰减器o类型n固定光衰减器n可调光衰减器o位移型o光衰减片型o波导型oMEMS2022-9-28位移型光衰减器横向位移型横向位移型d特点特点仅用于固定衰减器仅用于固定衰减器回波损耗大，偏振无关回波损耗大，偏振无关体器件体器件2022-9-28位移型光衰减器纵向位移型纵向位移型特点特点用于固定衰减器和一些小型可调光衰减器用于固定衰减器和一些小型可调光衰减器偏振
13、无关偏振无关体器件体器件2022-9-28光衰减片型特点特点不具备连续可变的衰减特性不具备连续可变的衰减特性体器件体器件准直镜准直镜准直镜准直镜衰减片盘衰减片盘衰减片衰减片2022-9-28波导型o基本与光开关同样的结构n方向耦合器nMZI和对称X交叉nY分支和非对称X交叉n直波导o电光、热光或声光效应来控制衰减 o体积小、性能好和易于集成等优点 2022-9-28Y分支型2022-9-28直波导型利用多模相干利用多模相干2022-9-28微机电系统型（微机电系统型（MEMS）o微机电系统型光衰减器是利用MEMS技术制造光衰减器的精密部分，然后再将他们精密的组装起来。它实际上也是一种机械式的光衰减器。o优点：在硅基体上制造，使用相当标准的半导体工艺，因此可以低成本大批量自动化生产 o缺点：它是机械部件，应用于通讯的可靠性还有待于证实 2022-9-28
