第四章光电子器件I

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,光电子器件I,光器件与电器件的类比,光电子器件II,光纤定向耦合器,光调制器,光复用器,光放大器,衰减器、环形器、隔离器和连接器,光滤波器,光开关,1、光纤定向耦合器,P,2,P,1,P,0,将光信号按照一定比例进行功率分配,光纤定向耦合器,一、分类：,标准耦合器(40nm),宽带耦合器(80nm),双窗口宽带耦合器(1310/1550nm),二、原理,熔锥型,磨抛型,波导,耦合器的分类,光纤耦合器,波导耦合器,衬底,SiO,2,研磨法光纤耦合器原理示意图,22 光纤耦合器,耦合区,W,锥形区,L,锥形区,L,拉伸区,2,L,+,W,L,：由拉伸时决定,W,：由加热的火焰宽度决定,P,1,和,P,2,跟什么因素有关?,耦合器内的光功率分布：随位移的变化,假设耦合器无损耗,k,是耦合系数,f,1,=,f,2,-,p,/2,f,1,=,f,2,-,p,/2,P1和P2与拉伸区宽度有关,z,耦合器内的光功率分布：随波长的变化,P1和P2与入射波长有关,例如成品上会标注：1550 nm 50:50,影响耦合光功率的参数,注入光束的波长,拉伸区长度2,L,+,W,光纤折射率分布,拉伸区内逐渐变小,的光纤半径,r,耦合区中两根光纤的半径差D,r,耦合光功率,22光纤耦合器的参数,1,1,N,M,星形耦合器,光耦合器,N,N,1,N,P,1,/,N,P,1,/,N,P,1,/,N,22,N,N,星型耦合器,多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器,P,P,/,N,级联的办法构造大规模光耦合器,构成一个,N,N,耦合器所需3 dB耦合器的数量：,一个,N,N,星形耦合器附加损耗：,级联光耦合器的损耗,其中,F,T,(01)为通过每个3 dB耦合器的附加损耗比。,光电子器件II,光纤定向耦合器,光调制器,光复用器,光放大器,衰减器、环形器、隔离器和连接器,光滤波器,光开关,2、光调制,基带,信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始,载波,载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会使传输信号失真,调制,调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程,Why？,RS-232串口通信最远距离是15米,标准波特率4800、9600、,19.2Kbps、33.6Kbps、56Kbps,调制,加大传输距离,提高传输速率,串口按位（bit）发送和接收字节（基带信号）,光调制器,利用LiNbO,3,晶体的,线性电光效应或声光效应,，通过,外加激励,引起光波导,介质折射率变化,，进而引起导波,光传播的相位变化,，所形成的器件称为LiNbO,3,波导相位调制器,光纤调制器：在纤芯两侧包层区做2个金属电极，利用光纤材料的Kerr效应，当电极上有外加电压时，纤芯中将引起双折射效应，从而构成光相位调制器。石英材料的Kerr效应很弱，但可以利用光纤长作用区获得足够大的相移。,电光相位调制器,结构,输入偏振光场:,应用KDP晶体的纵向电光效应，也可以获得相近的效果。,原理,输出光场:,Integrated Mach-Zehnder Optical Modulators,器件结构,z,x,y,工作原理,Bias Voltage,Modulator Construction,LiNbO,3,Material cuts:,Z-cut,+-0.7 fixed chirp,X-cut,Zero chirp,or small fixed chirp applications,Z,Z-cut,Z,+,-,-,+,-,-,X-cut,Waveguide,Electrode,Electric Field,Modulator:System Implementation,Modulator,Optical Input,From Laser,Mod Bias and Mod,Driver Control,Circuitry,Optical Output,Power Monitor,Mod Bias,Voltage Monitor,Mod Driver,Output Level,Adjustment,Driver Crossing,Level Adjustment,Bias,Voltage,PD Output,RF Power,Amplitude&,Crossing,Control,Dither Signal,Power,Control,Optical Output,To Fiber Link,RF In,DC Bias In,Mod Driver Amp,Electrical Data from MUX,Voltage,Transmission,0,1,-V,p,/2,V,p,/2,Fiber transmission,Electrical data in,at data rate,Optical data out,at data rate,NRZ Transmission,Biased at,quadrature,0,Voltage,Transmission,0,1,-V,p,V,p,to encoder,Clock signal input,at 20GHz,Optical pulsed output,at 40GHz,Carrier Suppressed-RZ Transmission,Biased at,minimum,0,Clock modulator(RZ),Data modulator(NRZ),RZ-NRZ Modulator,Integrate both devices on single substrate,Provides footprint and cost reduction,Reduced non-linear sensitivity allows longer transmission distances,光电子器件II,光纤定向耦合器,光调制器,光复用器,光放大器,衰减器、环形器、隔离器和连接器,光滤波器,光开关,光时分复用,光波分复用,光频分复用,光码分复用,3、复用技术,尽管目前光纤通信单信道实用化系统的传输速率发展到了10Gbit/s，线路的利用率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。,波分复,用(WDM,)全光网关键技,术,WDM的工作原理,在13001600 nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播。,例：,这两个低损耗波长,窗口可以容纳 290,个40-Gb/s PSK信号,点到点的波分复用系统,波分复用器,100 GHz间隔的WDM信道频谱,基于相位阵列的WDM器件,相邻波导,长度差,D,L,阵列波导光栅,AWG是MZI的扩展,N,N,波分复用与解复用器(WDM),波分复用器(,合波器,),l,1,l,2,l,3,l,1,.,.,.,n,解复用器(,分波器,),l,1,l,2,l,3,l,1,.,.,.,n,WDM是用于光纤通信的FDM(频分复用)技术，其中，多个光信道是在单根光纤上以不同的光波波长承载的。可以将每个波长想象成可以携带数据的红外范围内不同颜色的光。,棱镜型复用/解复用器,复用,解复用,光路可逆原理,光栅型复用/解复用器,1,2,n,1,2,n,反射光栅,波分复用的分类,CWDM(粗波分复用).,每条光纤48个波长，有时候更多。用于中短程网络(区域和城域)。,WDM,DWDM(密集波分复用).,WDM的扩展技术，具有更高的带宽和带宽密度。通常的DWDM系统支持8个或更多波长。新兴系统支持数百个波长。,初期是双信道l310/l550nm系统。,CWDM的波长间隔为大约1020nm，而DWDM的波长间隔为大约12nm。,OTDM 技术,光码分复用,光码分复用(OCDM)技术是CDM(Code Division Multiplexing)技术和光纤通信技术相结合的产物，在这种复用技术中，每个信道不是占用一个给定的波长、频率或者时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。,基本原理是不同信道的信号用互成正交的不同码序列来填充，经过填充的信道信号调制在同一光波上在光纤信道中传输，接收端用与发送方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复出原信道的信号。,