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1、光无源器件,光纤通信第三章,光源,光无源器件,光检测器,光器件是构成光纤通信系统的必备元件,全球光纤通信设备主要供应商,光有源器件：,需要外加能源驱动工作,近年来世界各国都在研究开发全光网络，即希望在整个传输系统中全部采用光信号，取消光电转换，尽量使用光学手段处理信号，这对光器件尤其是无源器件提出了相当高要求。,第四章 常用光无源器件,4.1 光纤连接器4.2 光纤耦合器4.3 波分复用/解复用器4.4 光开关,用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间,光纤与其它部件之间，设备和设备之间的连接。又叫活接头。,4.1.光纤连接器的结构和种类,4.1 光纤连接器的结构和种类,光纤连接器最重要是使两根
2、光纤的轴心对准，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤，并使其介入光路后对系统影响最小。,FC型：螺纹连接。外部材料为金属,SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。,ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。,4.1光纤连接器Connector,技术指标：插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。重复性和互换性,一、光方向耦合器,4.2光方向耦合器,光耦合器（Coupler）是对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件一类能使传输中
3、的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端口形式上划分，它包括X型(22)耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器以及树形耦合器等。,C-耦合系数,22光纤耦合器,。,熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法.,被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。,耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。,3dB coupler,88星
4、形耦合器的结构示意图,多端口定向耦合器,例题：用22的光纤耦合器构成一个88的光纤耦合器,主要技术指标,插入损耗IL是指定输出端的光功率Pouti和全部输入光功率Pin和的比值。附加损耗EL是全部输入端光功率总和和全部输出端光功率总和的比值。分光比或耦合比CR是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比值。,隔离度I 某一光路对其它光路中的信号的隔离能力。,22双锥形光纤耦合器的输入功率为Pin=200W,另外三个端口的输出功率分别为P1=90W，P2=85W，P3=6.3nW，试计算光纤耦合器的主要性能参数。,解：分光比为:,附加损耗为:,4.3光衰减器,光衰减器是一种插入光传输链路
5、中控制光能的衰耗的无源器件。用途：光通信线路、系统评估、研究光通信线路、系统调整、校正在波分复用光纤网络中用来调整各信道信号的强弱测试仪器的光功率衰减光放大器的功率平坦模拟光纤长距离传输检测传输系统的动态范围。,卡口式光衰减器,螺旋式光衰减器,。,根据衰减量是否变化，可以分为固定式、分级可变式和连续可调式,衰减基本原理：在玻璃基片上蒸镀透射系数(或反射系数)变化很小的金属膜，使通过镀膜玻璃片的光功率被膜层材料吸收一部分，光强度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化合物材料，光的衰减量有膜的厚度进行控制。,4.3光衰减器,固定衰减器,固定衰减器对光功率衰减量固定不变，主要用于调整光纤传输线路的光损耗。,
6、（1）位移式固定衰减器,特点仅用于固定衰减器回波损耗大，偏振无关体器件,固定衰减器,（2）衰减片型固定衰减器,利用吸收光的衰减片,无准直透镜型：,不能用于大功率的光路中,可变衰减器,可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。,4.4光隔离器,1.定义：光隔离器是一种非互易性器件,只允许光波往一个方向传输,阻止光波往其他方向尤其是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后，插入损耗值为1dB，隔离度的典型值为40-50dB。,4.4光隔离器,2.构成：由起偏器、检偏器以及放置在它们之间的法拉第旋转器组成。法拉第旋转器由具有法拉第特性而透光率高的材料和产生相应磁场的永磁铁
7、组成。,在偏振光的传播方向外加电磁场时，其偏振方向会旋转一定的角度。无论光的传播方向如何，顺着外加磁场的传播方向观察，偏振光按顺时针的方向旋转.,法拉第效应,SWPSpatial Walk-off Polarizer空间分离偏振器，其作用是将入射光分解为垂直与水平两个正交偏振分量，让垂直分量通过，而水平分量偏折通过。,假设入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方向是在垂直方向，故入射光顺利通过它射向法拉第旋转器，法拉第旋转器在磁场的作用下，使光的偏振态旋转一定角度(如45),其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋转器后的检偏振器透振方向若在45方向上，则经过法拉第旋转器旋转45后的光能通过检偏振器，
8、即光沿正方向通过这些器件是没有损耗的。沿反方向传送的反射光，其偏振态也在45，当反射光经过法拉第旋转器后，偏振态再旋转45，变为水平偏振光，则无法通过起偏振器。,（1）正向插入衰减 沿光传播方向的衰减。,a fi=10Lg(Pin/Pout)（dB）,(2)隔离度,反向衰减，反向光被阻止的程度。,A=10Lg(Pin/Pout)(dB),参数,4.5 光环行器,光环行器是多端口的隔离器。主要用于光分插复用器。典型的环行器一般有三或四个端口，在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入光信号在端口1输出。,用途：用于光放大器和光时域反射仪。,常用光
9、环行器示意图,4.6光纤光栅,光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。,光纤光栅的结构,当光栅的周期较小时，入射角和衍射角符号相反，在法线同侧短周期光栅是反射光栅。当光栅的周期很大时，入射角和衍射角符号相反，在法线两侧长周期光栅是透射光栅。,1.按光栅周期大小分类周期小于1m的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称布拉格光纤
10、光栅（FBG）。周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅（LPFG），又称透射光纤光栅。周期长达数毫米的光纤光栅虽然属于长周期光纤光栅（LPFG），为了研究方便，把它称为超长周期光纤光栅。注：按周期分类只考虑周期大小，并没有考虑构成光栅的每个周期大小是否均匀，各个周期折射率变化是否相等问题，需进一步分类。,2.按光纤光栅折射率调制分类光纤光栅折射率调制是指把光栅沿着光纤轴线的折射率变化当作某一类函数时，可将该函数分成两个相互调制的函数形式：一是啁啾函数，反应光栅周期大小沿着光纤轴线的变化规律；二是折射率缓变包络函数，反应光栅每个周期折射率变化程度沿光纤轴线的分布。,按啁啾函数分类（a）
11、均匀布拉格光纤光栅或长周期光纤光栅，每个光栅周期大小相等，主要由紫外曝光方法写入。（b）线性啁啾布拉格光纤光栅，每个光栅周期的周期大小呈线性变化，主要作用是密集波分复用系统的色散补偿器。（c）相移布拉格或长周期光纤光栅，光栅周期中存在周期跳变的情况，本质是在光栅的某些位置引入相位跳变，改变光谱分布。（d）特殊函数关系的光纤光栅，这部分特种光纤光栅，由于写入方法的限制，研究极少。,按折射率变包络函数不同分类高斯变迹布拉格光纤光栅；倾斜光纤光栅，也称闪耀光纤光栅；采样光纤光栅由许多小段光纤光栅构成。3.光纤光栅的其他分类法按光纤光栅形成机理分类：利用光纤材料的光敏性形成的光纤光栅光敏性光纤光栅利用
12、弹光效应形成的光纤光栅利用光纤的物理结构变化使轴向周期性地改变光纤的应力分布。利用热光效应形成的光纤光栅加热使光纤释放剩余应力，材料致密化，熔融变形等物理过程，形成光纤光栅。,4.7波分复用/解复用器,A、分类熔锥型(粗WDM)多层干涉滤光膜型(细WDM DWDM)棱镜分光型(粗WDM)光栅型-体光栅、光纤光栅(粗WDM，细WDM)阵列波导光栅(细WDM DWDM)B、原理,1.熔锥波分复用器,单波长：,双波长：,工作原理：消逝场耦合,与波长有关,If two mixed signals(of different wavelengths)are injected into a coupler
13、the power transfer between the waveguides has a different period for each wavelength.The coupling lengths are strongly wavelength dependent!,The period of the shift is different for the two different wavelengths.Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used.,Wavele
14、ngth Selective Coupling/Splitting,复用器,解复用器,熔锥光纤滤波器,干涉滤光片型波分复用器,光栅型波分复用器-体光栅,主最大强度的方向由下式给出：d sin=m/=m/d cos其中d为光栅周期，为衍射角，m=0，1，2，等等，为角分离，为波长间隔。,光纤光栅型波分复用器,其反射波长成为布拉格波长（B）由下面的布拉格条件确定：,2neff=B,其中为光栅周期，,neff为有效纤芯折射率。,Array Waveguide Grating(AWG),NTT：256波，间隔0.2nm，3dB带宽0.12nm，插入损耗，串扰-33dB，偏振相关波长差0.03nm，需要
15、温控。,光波分复用器的性能参数,插入损耗是指由于增加波分复用器/解复用器而产生的附加损耗。定义如下：其中Pi表示发送进输入端口的光功率，P0为从输出端口接收到的光功率。串扰抑制度即串扰隔离度，其中Pi是波长 i为的光信号输入光功率，Pij是波长i为的光信号串扰到波长为j信道的光功率。回波损耗指从无源器件输入端口返回的光功率Pr与输入光功率Pj的比值。即,WDM系统的重要组成部分,反射系数指在WDM器件的指定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比。工作波长范围指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围。（min到max）信道宽度指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。偏振相关损耗指由于偏
16、振态的变化而引起的插入损耗的最大变化值。,用自聚焦透镜和滤光片(一个波长的光透射，其他波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成,2.微器件型,主流实用化,衍射光栅型波分复用器,光 纤,透 镜,光 栅,缺点：引入额外色散,AWG:规则排列的波导，相邻波导的长度相差固定值L，因而产生的相移随波长而变。,3.阵列波导光栅AWG array-waveguide-grating,AWG特点：密集波分复用（信道间隔0.8 0.4 0.2 0.1nm）端口（18 116 132 164)需要温控（0.01nm/C0)插损不随通道数增加(67dB)隔离度22dBPDL1dB光集成器件缺点：损耗大，光栅引入色散，导致空间波形变差已有产品，贵。40G以上系统的首选 应用：复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件）,面光栅方程：体光栅方程：,4.光纤光栅FBG,设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为1和2，如果满足布喇格相位匹配条件：特别地，如果满足 能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射中-反射式滤波器FBG,应用：基于光纤光栅结构的光分插复用器OADM,光纤布喇格光栅是一种反射型光纤光栅，只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射，而不影响其它波长的光通过。,
