光器件基础知识培训LD PD TOSA ROSA BOSA WDM PLC FBT 隔离器 光开关课件.ppt

Introduction of optical devices used in Communication system1.Profile2.Introduction of basic parameters3.TOSA,ROSA and BOSA (Active devices)4. Passive devices Profile 通 信 用 光 器 件 可 以 分 为 有 源 器 件 和 无 源 器 件 两 种类 型 。 不 依 靠 外 加 电 源 （ 直 流 或 交 流 ） 的 存 在 就 能 独立 表 现 出 其 外 特 性 的 器 件 就 是 无 源 器 件 。 否 则 就 称 为有 源 器 件 。 有 源 器 件 包 括 光 源 、 光 检 测 器 和 光 放 大 器 ， 这 些器 件 是 光 发 射 机 、 光 接 收 机 和 光 中 继 器 的 关 键 器 件 ，和 光 纤 一 起 决 定 着 基 本 光 纤 传 输 系 统 的 水 平 。 光 无 源 器 件 主 要 有 连 接 器 、 耦 合 器 、 波 分 复 用器 、 调 制 器 、 光 开 关 和 隔 离 器 等 ， 这 些 器 件 对 光 纤 通信 系 统 的 构 成 、 功 能 的 扩 展 和 性 能 的 提 高 都 是 不 可 缺少 的 。 光 放 大 器 Basic parameters 1、 插 入 损 耗 ： IL-Insertion Loss 2、 回 波 损 耗 ： RL-Return Loss IL测 量 RL测 量 3、 方 向 性 ： DIR-Directivity 4、 过 盈 损 耗 ： EL-Excess Loss 5、 损 耗 一 致 性 ： IL Uniformity:ILmax-ILmin 6、 波 长 依 存 损 耗 ： WDL:Wavelength Dependent Loss WDL 9.4 9.6 9.8 10 10.2 10.4 1260nm 1360nm 1460nm 1560nm Wavelength IL CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 PDL是 光 器 件 或 系 统 在 所 有 偏 振 状 态 下的 最 大 传 输 差 值 。 它 是 光 设 备 在 所 有 偏振 状 态 下 最 大 传 输 和 最 小 传 输 的 比 率 。 PDL定 义 如 下 ：PDL=-10log Tmax/Tmin其 中 Tmax和 Tmin分 别 表 示 测 试 器 件 （ DUT）的 最 大 传 输 和 最 小 传 输 。 7、 温 度 依 存 损 耗 TDL:Temperature Dependent Loss TDL(25 85 )= TDL(85 ) -TDL(25 ) TDL(25 -40 )= TDL(-40 ) -TDL(25 ) TDL(85 -40 )= TDL(-40 ) -TDL(85 ) TOSA (1) 在 正 常 状 态 下 ， 电 子 处 于 低 能 级 E1， 在 入 射 光 作 用 下 ，它 会 吸 收 光 子 的 能 量 跃 迁 到 高 能 级 E2上 ， 这 种 跃 迁 称 为 受 激 吸收 。 电 子 跃 迁 后 ， 在 低 能 级 留 下 相 同 数 目 的 空 穴 . (2) 在 高 能 级 E2的 电 子 是 不 稳 定 的 ， 即 使 没 有 外 界 的 作 用 ， 也 会 自 动 地 跃 迁 到 低 能 级 E1上 与 空 穴 复 合 ， 释 放 的 能 量 转 换 为光 子 辐 射 出 去 ， 这 种 跃 迁 称 为 自 发 辐 射 。 (3) 在 高 能 级 E2的 电 子 ， 受 到 入 射 光 的 作 用 ， 被 迫 跃 迁 到低 能 级 E 1上 与 空 穴 复 合 ， 释 放 的 能 量 产 生 光 辐 射 ， 这 种 跃 迁 称为 受 激 辐 射 。 ROSA 3.Passive devices 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 。 虽 然 对 各 种 器 件 的 特 性 有 不 同 的 要 求 ， 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 命长 、 体 积 小 、 价 格 便 宜 ， 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 。 3.1连 接 器 和 接 头 连 接 器 是 实 现 光 纤 与 光 纤 之 间 可 拆 卸 (活 动 )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 ， 或光 纤 线 路 与 其 他 光 无 源 器 件 之 间 的 连 接 。 表 3.5给 出 光 纤 连 接器 的 一 般 性 能 。 接 头 是 实 现 光 纤 与 光 纤 之 间 的 永 久 性 (固 定 )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 纤 通 信 领 域 最 基 本 、 应 用 最 广 泛 的 无 源 器 件 。 连 接 器 有 单 纤 (芯 )连 接 器 和 多 纤 (芯 )连 接 器 ， 其 特 性 主 要取 决 于 结 构 设 计 、 加 工 精 度 和 所 用 材 料 。 单 纤 连 接 器 结 构 有许 多 种 类 型 ， 其 中 精 密 套 管 结 构 设 计 合 理 、 效 果 良 好 ， 适 宜大 规 模 生 产 ， 因 而 得 到 很 广 泛 的 应 用 。 表 3.5 光 纤 连 接 器 一 般 性 能 图 3.27示 出 精 密 套 管 结 构 的 连 接 器 简 图 ， 包 括 用 于 对 中的 套 管 、 带 有 微 孔 的 插 针 和 端 面 的 形 状 (图 中 画 出 平 面 的 端 面 )。 光 纤 固 定 在 插 针 的 微 孔 内 ， 两 支 带 光 纤 的 插 针 用 套 管 对 中 实现 连 接 。 要 求 光 纤 与 微 孔 、 插 针 与 套 管 精 密 配 合 。 对 低 插 入损 耗 的 连 接 器 ， 要 求 两 根 光 纤 之 间 的 横 向 偏 移 在 1 m以 内 ， 轴 线 倾 角 小 于 0.5 。 普 通 的 FC型 连 接 器 ， 光 纤 端 面 为 平 面 。 对 于 高 反 射 损 耗 的 连 接 器 ， 要 求 光 纤 端 面 为 球 面 或 斜 面 ， 实现 物 理 接 触 (PC)型 。 套 管 和 插 针 的 材 料 一 般 可 以 用 铜 或 不 锈 钢 ， 但 插 针 材 料 用 ZrO 2陶 瓷 最 理 想 。 ZrO2陶 瓷 机 械 性 能 好 、 耐 磨 ， 热 膨 胀 系 数 和 光 纤 相 近 ， 使 连 接 器 的 寿 命 (插 拔 次 数 )和 工 作 温度 范 围 (插 入 损 耗 变 化 0.1 dB)大 大 改 善 。 图 3.27 套 管 结 构 连 接 器 简 图 光 纤 套 管 插 针 粘 结 剂 一 种 常 用 的 多 纤 连 接 器 是 用 压 模 塑 料 形 成 的 高 精 度 套 管 和矩 形 外 壳 ， 配 合 陶 瓷 插 针 构 成 的 ， 这 种 方 法 可 以 做 成 2纤 或 4纤连 接 器 。 另 一 种 多 纤 连 接 器 是 把 光 纤 固 定 在 用 硅 晶 片 制 成 的 精密 V形 槽 内 ， 然 后 多 片 叠 加 并 配 合 适 当 外 壳 。 这 种 多 纤 连 接 器配 合 高 密 度 带 状 光 缆 ， 适 用 于 接 入 网 或 局 域 网 的 连 接 。 对 于 实 现 固 定 连 接 的 接 头 ， 国 内 外 大 多 借 助 专 用 自 动 熔 接机 在 现 场 进 行 热 熔 接 ， 也 可 以 用 V形 槽 连 接 。 热 熔 接 的 接 头 平均 损 耗 达 0.05 dB/个 。 3.3.2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 ， 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 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 复用 器 /解 复 用 器 。 1. 耦 合 器 类 型 图 3.28示 出 常 用 耦 合 器 的 类 型 ， 它 们 各 具 不 同 的 功 能 和用 途 。 T形 耦 合 器 这 是 一 种 2 2的 3端 耦 合 器 ， 见 图 3.28(a)， 其功 能 是 把 一 根 光 纤 输 入 的 光 信 号 按 一 定 比 例 分 配 给 两 根 光 纤 ， 或 把 两 根 光 纤 输 入 的 光 信 号 组 合 在 一 起 ， 输 入 一 根 光 纤 。 图 3.28 常 用 耦 合 器 的 类 型 T形(a) 星形(b)定向(c) 2314 12N 12N(d)波分 这 种 耦 合 器 主 要 用 作 不 同 分 路 比 的 功 率 分 配 器 或 功 率 组合 器 。 星 形 耦 合 器 这 是 一 种 n m耦 合 器 ， 见 图 3.28(b)， 其功 能 是 把 n根 光 纤 输 入 的 光 功 率 组 合 在 一 起 ， 均 匀 地 分 配 给 m根 光 纤 ， m和 n不 一 定 相 等 。 这 种 耦 合 器 通 常 用 作 多 端 功 率 分配 器 。 定 向 耦 合 器 这 是 一 种 2 2的 3端 或 4端 耦 合 器 ， 其 功 能 是 分别 取 出 光 纤 中 向 不 同 方 向 传 输 的 光 信 号 。 见 图 3.28(c)， 光 信 号从 端 1传 输 到 端 2， 一 部 分 由 端 3输 出 ， 端 4无 输 出 ； 光 信 号 从端 2传 输 到 端 1， 一 部 分 由 端 4输 出 ， 端 3无 输 出 。 定 向 耦 合 器 可用 作 分 路 器 ， 不 能 用 作 合 路 器 。 波 分 复 用 器 /解 复 用 器 (也 称 合 波 器 /分 波 器 )这 是 一 种 与波 长 有 关 的 耦 合 器 ， 见 图 3.28(d)。 波 分 复 用 器 的 功 能 是 把 多个 不 同 波 长 的 发 射 机 输 出 的 光 信 号 组 合 在 一 起 ， 输 入 到 一 根光 纤 ； 解 复 用 器 是 把 一 根 光 纤 输 出 的 多 个 不 同 波 长 的 光 信 号 ， 分 配 给 不 同 的 接 收 机 。 2. 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 前途 的 有 光 纤 型 、 微 器 件 型 和 波 导 型 ， 图 3.29图 3.32示 出 这三 种 类 型 的 有 代 表 性 器 件 的 基 本 结 构 。 图 3.29光 纤 型 耦 合 器 (a)定 向 耦 合 器 ； (b) 8 8星 形 耦 合 器 ； (c) 由 12个 2 2耦 合 器 组 成 的8 8星 形 耦 合 器 输入光 光强度 光纤a光纤b 输出光2341 (a)(b) 1234 5678 9101112(c) 光 纤 型 把 两 根 或 多 根 光 纤 排 列 ， 用 熔 拉 双 锥 技 术 制 作 各种 器 件 。 这 种 方 法 可 以 构 成 T型 耦 合 器 、 定 向 耦 合 器 、 星 型 耦合 器 和 波 分 解 复 用 器 。 图 3.29(a)和 (b)分 别 示 出 单 模 2 2定 向耦 合 器 和 多 模 n n星 形 耦 合 器 的 结 构 。 单 模 星 形 耦 合 器 的 端数 受 到 一 定 限 制 ， 通 常 可 以 用 2 2耦 合 器 组 成 ， 图 3.29(c)示出 由 12个 单 模 2 2耦 合 器 组 成 的 8 8星 形 耦 合 器 。 图 3.29(a)所 示 定 向 耦 合 器 可 以 制 成 波 分 复 用 /解 复 用 器 。 如 图 3.30， 光 纤 a(直 通 臂 )传 输 的 输 出 光 功 率 为 Pa， 光 纤 b(耦合 臂 )的 输 出 光 功 率 为 Pb， 根 据 耦 合 理 论 得 到 Pa=cos 2(CL) (3.28a) Pb=sin2(CL) 图 3.30 光 纤 型 波 分 解 复 用 器 原 理 1、2 1 2 1 2 耦合长度 光功 率 a b a b b a 式 中 ， L为 耦 合 器 有 效 作 用 长 度 ， C为 取 决 于 光 纤 参 数 和光 波 长 的 耦 合 系 数 。 设 特 定 波 长 为 1和 2， 选 择 光 纤 参 数 ， 调 整 有 效 作 用 长 度 ，使 得 当 光 纤 a的 输 出 Pa(1)最 大 时 ， 光 纤 b的 输 出 Pb(1)=0； 当Pa(2)=0时 ， Pb(2)最 大 。 对 于 1和 2分 别 为 1.3m和 1.55 m的 光 纤 型 解 复 用 器 ， 可 以 做 到 附 加 损 耗 为 0.5 dB， 波 长 隔 离度 大 于 20 dB。 微 器 件 型 用 自 聚 焦 透 镜 和 分 光 片 (光 部 分 透 射 ， 部 分 反射 )、 滤 光 片 (一 个 波 长 的 光 透 射 ， 另 一 个 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 可 以 构 成 T型耦 合 器 、 定 向 耦 合 器 和 波 分 解 复 用 器 ， 如 图 3.31所 示 。 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、2 12 123123 光纤 自聚焦透镜 硅光栅光纤 自聚焦透镜 分光片13 42(b)(a)(c) (d) 波 导 型 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 能来 选 择 ， 一 般 是 SiO2， 横 截 面 为 矩 形 或 半 圆 形 。 图 3.32示出 波 导 型 T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 。 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 m 1.55 m 1.3 m 1.3 m 3.3.3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 可以 互 换 的 ， 称 之 为 互 易 器 件 。 然 而 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 向 上 传 输 ， 阻 止 光 波 往 其 他 方向 特 别 是 反 方 向 传 输 。 隔 离 器 主 要 用 在 激 光 器 或 光 放 大 器 的后 面 ， 以 避 免 反 射 光 返 回 到 该 器 件 致 使 器 件 性 能 变 坏 。 插 入损 耗 和 隔 离 度 是 隔 离 器 的 两 个 主 要 参 数 ， 对 正 向 入 射 光 的 插入 损 耗 其 值 越 小 越 好 ， 对 反 向 反 射 光 的 隔 离 度 其 值 越 大 越 好 ， 目 前 插 入 损 耗 的 典 型 值 约 为 1 dB， 隔 离 度 的 典 型 值 的 大 致 范围 为 4050 dB。 首 先 介 绍 一 下 光 偏 振 (极 化 )的 概 念 。 单 模 光 纤 中 传 输 的光 的 偏 振 态 (SOP： State of Polarization) 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 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 。 隔 离 器 工 作 原 理 如 图 3.34所 示 。 这 里 假 设 入 射 光 只 是 垂直 偏 振 光 ， 第 一 个 偏 振 器 的 透 振 方 向 也 在 垂 直 方 向 ， 因 此 输入 光 能 够 通 过 第 一 个 偏 振 器 。 紧 接 第 一 个 偏 振 器 的 是 法 拉 弟旋 转 器 ， 法 拉 弟 旋 转 器 由 旋 光 材 料 制 成 ， 能 使 光 的 偏 振 态 旋转 一 定 角 度 ， 例 如 45 ， 并 且 其 旋 转 方 向 与 光 传 播 方 向 无 关 。 图 3.34 隔 离 器 的 工 作 原 理 法 拉 弟旋 转 器 偏 振 器 反 射 光阻 塞入 射 光 偏 振 器SOP 法 拉 弟 旋 转 器 后 面 跟 着 的 是 第 二 个 偏 振 器 ， 这 个 偏 振器 的 透 振 方 向 在 45 方 向 上 ， 因 此 经 过 法 拉 弟 旋 转 器 旋 转45 后 的 光 能 够 顺 利 地 通 过 第 二 个 偏 振 器 ， 也 就 是 说 光 信 号从 左 到 右 通 过 这 些 器 件 (即 正 方 向 传 输 )是 没 有 损 耗 的 (插 入 损耗 除 外 )。 另 一 方 面 ， 假 定 在 右 边 存 在 某 种 反 射 (比 如 接 头 的反 射 )， 反 射 光 的 偏 振 态 也 在 45 方 向 上 ， 当 反 射 光 通 过 法拉 弟 旋 转 器 时 再 继 续 旋 转 45 ， 此 时 就 变 成 了 水 平 偏 振 光 。水 平 偏 振 光 不 能 通 过 左 面 偏 振 器 (第 一 个 偏 振 器 )， 于 是 就 达到 隔 离 效 果 。 然 而 在 实 际 应 用 中 ， 入 射 光 的 偏 振 态 (偏 振 方 向 )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 无 关 ， 于 是 隔 离 器 的 结 构 就 变 复 杂 了 。 一 种 小 型 的与 入 射 光 的 偏 振 态 无 关 的 隔 离 器 结 构 如 图 3.35所 示 。 图 3.35 一 种 与 输 入 光 的 偏 振 态 无 关 的 隔 离 器 光 纤 输 出SWP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) 具 有 任 意 偏 振 态 的 入 射 光 首 先 通 过 一 个 空 间 分 离 偏 振 器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。 这 个 SWP的 作 用 是 将 入 射光 分 解 为 两 个 正 交 偏 振 分 量 ， 让 垂 直 分 量 直 线 通 过 ， 水 平 分量 偏 折 通 过 。 两 个 分 量 都 要 通 过 法 拉 弟 旋 转 器 ， 其 偏 振 态 都要 旋 转 45 。 法 拉 弟 旋 转 器 后 面 跟 随 的 是 一 块 半 波 片 plate或 half wave plate。 这 个 半 波 片 的 作 用 是 将 从 左 向 右 传播 的 光 的 偏 振 态 顺 时 针 旋 转 45 ， 将 从 右 向 左 传 播 的 光 的 偏振 态 逆 时 针 旋 转 45 。 因 而 法 拉 弟 旋 转 器 与 半 波 片 的 组 合 可以 使 垂 直 偏 振 光 变 为 水 平 偏 振 光 ， 反 之 亦 然 。 最 后 两 个 分 量的 光 在 输 出 端 由 另 一 个 SWP合 在 一 起 输 出 ， 如 图 3.35(a)所 示 。 另 一 方 面 ， 如 果 存 在 反 射 光 在 反 方 向 上 传 输 ， 半 波 片 和法 拉 弟 旋 转 器 的 旋 转 方 向 正 好 相 反 ， 当 两 个 分 量 的 光 通 过 这 两个 器 件 时 ， 其 旋 转 效 果 相 互 抵 消 ， 偏 振 态 维 持 不 变 ， 在 输 入端 不 能 被 SWP再 组 合 在 一 起 ， 如 图 3.35(b)所 示 ， 于 是 就 起 到 隔离 作 用 。 环 行 器 除 了 有 多 个 端 口 外 ， 其 工 作 原 理 与 隔 离 器 类 似 。 如 图 3.36所 示 ， 典 型 的 环 行 器 一 般 有 三 个 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 的 光 信 号 由 端 口 1输 出 。 光 环行 器 主 要 用 于 光 分 插 复 用 器 中 。 图 3.36光 环 行 器 (a) 三 端 口 ； (b) 四 端 口 1 32(a) (b)1 324 3.3.5光 开 关 光 开 关 的 功 能 是 转 换 光 路 ， 实 现 光 交 换 ， 它 是 光 网 络 的重 要 器 件 。 光 开 关 可 分 为 两 大 类 ： 一 类 是 机 械 光 开 关 ， 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 转换 ； 另 一 类 是 固 体 光 开 关 ， 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 ， 适 合 各 种 光 纤 ， 技 术 成 熟 ； 缺 点 是 开 关 速 度 慢 。 固 体 光 开 关正 相 反 ， 优 点 是 开 关 速 度 快 ； 缺 点 是 插 入 损 耗 大 ， 串 扰 大 ， 只 适 合 单 模 光 纤 。 两 类 光 开 关 的 一 般 性 能 如 表 3.8所 示 。 End, Thanks!