《光纤光学》光纤无源器件--课件

,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,ppt课件,*,光纤光学,研究生课程,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,*,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,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,ppt课件,*,光纤无源器件,光纤光学,第六章,I,1,ppt课件,光纤光学第六章 I1ppt课件,Components and Modules in DWDM Networks,DWDM,Thin film filters,Fiber gratings,Waveguides,Circulators,Interleavers,Mux/Demux modules,Amplifiers,Isolators,Tap couplers,Pump lasers,Gain equalizers,Attenuators,Integrated amplifiers,SOAs,Optical Switches,Circulators,Couplers,Add/drop modules,Switching,Transmission,Source lasers,Modulators,Wavelockers,Receivers,Detectors,Tx/Rx modules,Over 9000 Products,2,ppt课件,Components and Modules in DWDM,6.1,光纤无源器件,何为光纤无源器件？,Optical fiber,passive,devices,无需借助外部的电或光的能量,你所知道的光纤无源器件？,。,3,ppt课件,6.1 光纤无源器件何为光纤无源器件？你所知道的光纤无源器,光纤连接器,Connector,光纤衰减器,Attenuator,光纤耦合器,Coupler,光纤滤波器,Filter,光纤隔离器与环行器,Isolator & Circulator,光开光,Switches,6.1,光纤无源器件,4,ppt课件,光纤连接器Connector6.1 光纤无源器件4ppt课,光纤连接器,Connector,光纤连接器的功能：,光纤,(,缆,),活动连接器是实现光纤,(,缆,),之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤,(,缆,),与其他无源器件、光纤,(,缆,),与系统和仪表进行活动连接的功能。,5,ppt课件,光纤连接器Connector光纤连接器的功能：5ppt课,光纤连接器由三个部分组成的：两个匹配插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。,光纤活动连接器基本结构：,光纤连接器,Connector,6,ppt课件,光纤连接器由三个部分组成的：两个匹配插头和一个耦合管。两个插,连接器的类型,按接头外形分类,FC,SC,LC,NTT,公司开发。,其外部加强方式是采,用金属套，紧固方式为螺丝扣,日本,NTT,公司开发的光纤连接器。,其外壳呈矩形，紧固方式是采用插,拔销闩式，不需旋转，具有安装密,度高的特点。,ST,由,Bell lab,开发出来。采用操作方便的模块化插孔闩锁,机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通,SC,、,FC,等所用尺寸的一半，为,1.25mm,，提高了光配线架中,连接器的密度。目前，在单模光纤方面，,LC,类型的连,接器实际已经占据了主导地位。,由,AT,T,开发出来，是双锥型连接器。,ST,光纤连接器有一个直通和卡口式锁定机构。,7,ppt课件,连接器的类型按接头外形分类FCSCLCNTT公司开发。其,8,ppt课件,8ppt课件,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,9,ppt课件,光纤连接器Connector技术指标：9ppt课件,损耗来源,光连接器,Connector,10,ppt课件,损耗来源 光连接器Connector10ppt课件,活动连接器,方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯,插入损耗目前水平,0.2dB,减低反射技术：,APC,类型：,FC,、,SC,、,ST,其它：多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光纤连接器,11,ppt课件,活动连接器方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯11ppt课件,固定连接器,包括：熔接法、,V,形槽法和套管法,12,ppt课件,固定连接器12ppt课件,光纤衰减器,Attenuator,根据工作原理分类：,位移型光衰减器,横向位移型光衰减器,纵向位移型光衰减器,直接镀膜型光衰减器（吸收模或反射模型）,衰减片型光衰减器,液晶型光衰减器,光衰减器,13,ppt课件,光纤衰减器Attenuator根据工作原理分类：位移型光,光衰减器,固定光衰减器,可变光衰减器,尾纤式固定光衰减器,转,变换器式固定光衰减器,SC-,FC,型、,FC-,ST,型、,SC-,ST,型、,SC,型、,FC,型、,ST,型,小可变光衰减器,步进可变光衰减器,连续可变光衰减器,机械型,智能型,光纤衰减器,Attenuator,14,ppt课件,光衰减器固定光衰减器可变光衰减器尾纤式固定光衰减器转变换器,技术指标：衰减量、精度、反射、插损,固定光衰减器,尾纤式,衰减量调节旋钮,光纤衰减器,Attenuator,15,ppt课件,技术指标：衰减量、精度、反射、插损固定光衰减器尾纤式衰减量调,16,ppt课件,16ppt课件,17,ppt课件,17ppt课件,光纤耦合器,Coupler,定义：,对,同一波长,的光功率进行分路或合路,类型：,Y,型、,X,型,2,2,耦合器、,1N,型、,MN,型,全光纤型、微光元件型、集成光波导型,功能：,光信号的分配、合成、提取、监控等。,1,3,2,1,2,4,3,18,ppt课件,光纤耦合器Coupler定义：对同一波长的光功率进行分路,工作原理,消逝场耦合。,Put the cores close enough together to get a coupling effect,All now depends on the length of the coupling section,19,ppt课件,工作原理消逝场耦合。Put the cores close,Common commercial devices,Planar Waveguide Coupler,20,ppt课件,Common commercial devicesPlana,C-,耦合系数,2,2,光纤耦合器,P,4,P,0,输入功率,P,1,直通功率,P,3,串扰,P,2,耦合功率,L,锥形区域,L,锥形区域,Z,耦合区域,21,ppt课件,C-耦合系数22光纤耦合器P4P0输入功率P1直通功率P,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。,22,ppt课件,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,1,、插入损耗：,特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口,i,到输,出端口,j,的路径中的插入损耗为：,2,、附加损耗：,输入功率对总的输出功率的比值。,3,、串扰：,一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以,2,2,光纤耦合器为例：,4,、分光比或耦合比：,输出端口间光功率分配的百分比,技术指标：,串扰,P,0,P,1,P,2,P,3,23,ppt课件,1、插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i,散射矩阵表示法,以,2,2,耦合器为例，用散射矩阵,(,传播矩阵,)S,来分析：,输入场强,a,1,a,2,b,1,b,2,S,11,S,22,S,21,S,12,输出场强,b,Sa,24,ppt课件,散射矩阵表示法以22耦合器为例，用散射矩阵(传播矩阵)S来,在无源,2,2,耦合器中，使用相同的波长将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口是不可能的。最好的方法是将每路输入功率的一半发送到同一输出端。然而，如果两个输入端的波长不同，就可以把大部分功率耦合进同一根光纤中。,波长相同的两束光，分别从,a,1,和,a,2,两个端口输入，能否将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口？,散射矩阵表示法,假如从端口,a,1,输入的光功率中有比例为,(1,),的部分出现在输出端口,b,1,，剩余的,部分出现在端口,b,2,。散射矩阵：,a,1,a,2,b,1,b,2,25,ppt课件,在无源22耦合器中，使用相同的波长将两个输入端所有的功率同,令,E,in,2,=0,，则有,E,out,1,=(1/2)E,in,1,和,E,out,2,=(,j,/2)E,in,1,，输出功率为：,P,out,1,=E,out,1,E,out,1,*,=1/2E,in,1,2,=1/2P,0,P,out,2,=E,out,2,E,out,2,*,=1/2E,in,1,2,=1/2P,0,3dB,耦合器，,0.5,，输出场强：,2,2,光纤耦合器,26,ppt课件,令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和,27,ppt课件,27ppt课件,1,，,2,2,1,直通臂,耦合臂,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,公共臂,光纤,WDM,耦合器,P,in,P1,P,2,z,28,ppt课件,1，221直通臂耦合臂1 212121,Tree coupler,树形耦合器,29,ppt课件,Tree coupler 树形耦合器29ppt课件,Star Coupler,星形耦合器,P,1,P,N,P,i,1,i,N,(P,1,+P,2,+P,N,)/N,30,ppt课件,Star Coupler 星形耦合器P1PNPi1iN(P1,熔融拉锥法的原理：,熔融拉锥法就是将两根,(,或两根以上,),除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，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。,光纤耦合器的制备,31,ppt课件,熔融拉锥法的原理：光纤耦合器的制备31ppt课件,光纤耦合器的制备,32,ppt课件,光纤耦合器的制备32ppt课件,分类：,基于干涉原理的滤波器,：熔锥光纤滤波器、,Fabry-Perot,滤波器、马赫,-,曾德干涉滤波器,基于光栅原理的滤波器,：光纤光栅滤波器、,阵列波导光栅滤波器（,AWG,）、,声光可调谐滤波器,光纤滤波器,33,ppt课件,分类：光纤滤波器33ppt课件,熔锥光纤滤波器,利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。设计熔融区的锥度，控制拉锥速度。,特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度低、复用波长数少（两波）,应用：波长间隔较宽，常用于,1300nm/1550nm,、,980nm/1550nm,、,1480nm/1550nm,波长的分离,34,ppt课件,熔锥光纤滤波器34ppt课件,光纤法布里,-,珀罗滤波器,腔内介质,入射光,包层,纤芯,反射光,透射光,35,ppt课件,光纤法布里-珀罗滤波器 腔内介质入射光包层纤芯反射光透射光3,光纤法布里,-,珀罗滤波器,36,ppt课件,光纤法布里-珀罗滤波器 36ppt课件,F-P,滤波器特性,自由谱区,FSR,(Free Spectral Range),：相邻两个谐振频率的间距。,FSR=C/2nd,n-,中间介质折射率；,d-,腔长,3dB,带宽,F,：传输系数的数值降为最大值的一半应的频带宽度。,R,越大，,F,越窄,精细度,F,(Finesse),：自由谱区与,3dB,带宽之比。,R,越大，精细度越大。,37,ppt课件,F-P 滤波器特性自由谱区FSR(Free Spectral,Frequency,F,FSR,C/2nd,高反射率,窄带滤波器,38,ppt课件,FrequencyFFSRC/2nd高反射率窄带滤波器,可调光纤,F-P,滤波器,(FFP),39,ppt课件,可调光纤F-P滤波器(FFP)39ppt课件,Mach-Zehnder Interferometer (MZI),解,/,复用器,l,1,l,2,l,1,l,2,l,1,l,2,l,1,l,2,40,ppt课件,Mach-Zehnder Interferometer (M,相邻波导,长度差,D,L,N,M,M,N,AWG,是,MZI,的扩展,:,阵列波导光栅,Arrayed-waveguide-grating,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。,41,ppt课件,相邻波导NMMNAWG是MZI的扩展:阵列波导光栅 Ar,AWG,特点：,信道间隔（,1.6 0.8 0.4nm,）,端口（,1,8,1,16,1,32,1,64),需要温控（,0.01nm/C,0,),插损不随通道数增加,(67dB),高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）,隔离度,22dB,PDL1dB,应用：,复用,/,解复用（,16,通道以上,WDM,系统中最具竞争力的器件）,42,ppt课件,AWG特点：42ppt课件,光纤光栅的形成：,光纤敏化（载氢或光敏光纤）,-,紫外光（,244nm,）以光栅条纹方式照射光纤,-,形成,折射率光栅。,反射中心波长,纤芯的有效折射率,光栅周期,光纤光栅,FBG,43,ppt课件,光纤光栅的形成：反射中心波长纤芯的有效折射率光栅周期光纤光栅,根据不同的折射率分布，,FBG,分类：,1.,均匀的,Bragg,光栅：,谐振峰两边有一些旁瓣。,由于光纤光栅两端折射率突变引起,F-P,效应导致的。,旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。,44,ppt课件,根据不同的折射率分布，FBG分类：1. 均匀的Bragg光栅,2.,切趾型光栅,apodisation,：,两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使反射谱不存在旁瓣,45,ppt课件,2. 切趾型光栅apodisation：45ppt课,3.,啁啾光栅,Chirped FBGs,：,折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，反射谱宽增加,短波长,长波长,46,ppt课件,3. 啁啾光栅Chirped FBGs：短波长长波长,4.,取样光栅,Sampled gratings,：梳状滤波器,5.,相移光栅,Phase-shifted FBGs:,相移,47,ppt课件,4. 取样光栅Sampled gratings：梳状滤波器5,FBG,应用：滤波器、色散补偿器、光纤激光器等,现状,:,制作方式还不能满足商业要求,器件性能还未达到替代已商用器件的程度,特点：,插损小,带宽窄,易于光纤连接,低成本,温度特性（,0.0125nm/,o,C,未补偿, 0.0007nm/,o,C,经补偿,),应力敏感,48,ppt课件,FBG应用：滤波器、色散补偿器、光纤激光器等现状: 制作方,实现对光纤光栅的折射率调制,Laser Beam,-1,级,+1,级,0,级,3%,Translation of UV Beam,相位模板,光纤,z,n,0,n,0,+,n,eff,n,干涉区域,49,ppt课件,实现对光纤光栅的折射率调制Laser Beam-1级+1级0,Fabrication of Fiber Gratings,Phase mask,Optical fib,er,UV laser Pulse,193 nm or 248 nm,Diffraction beams,(-1, 0, +1 orders),Fiber Bragg Grating,50,ppt课件,Fabrication of Fiber GratingsP,Phase mask,Optical fib,er,cw,UV laser 244 nm,Fiber Bragg Grating,Fabrication of Fiber Gratings,51,ppt课件,Phase maskOptical fibercw UV l,Frequency-doubled Argon Laser (244nm),OSA,PC,mirror,waveplate,tunable laser or BBS,fiber holder,phase mask,mirror,cylindrical lens,mirror,translation stage,Fabrication of Fiber Gratings,52,ppt课件,Frequency-doubled Argon Laser,长周期光纤光栅：,能量耦合,:,传输模,-,同向的包层模,P,阶包层模,耦合至包层模的能量迅速损耗,-,损耗的波长相关性,应用,: EDFA,的增益均衡,Amplitude mask,Optical fiber,53,ppt课件,长周期光纤光栅：P阶包层模耦合至包层模的能量迅速损耗-损,2024/11/5,54,CO2 laser method for LPG,Fabrication methods,Focused CO,2,laser,Periodic mechanical pressure,Fiber deformation,Stress relaxation,CO,2,laser,OSA,SLD Super Luminescent Diode,OSA Optical Spectrum Analyzer,CCD Charge Coupled Device,CCD Camera,SLD,PCF,54,ppt课件,2023/7/3054CO2 laser method fo,光隔离器与环行器,Isolators & Circulators,非互易器件,用途：,放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。,主要指标：,低的插入损耗,(,对正向入射光，,1dB),高的隔离度,(,对反向反射光，,4050dB),原理：,一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。,55,ppt课件,光隔离器与环行器Isolators & Circulator,与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理,Polarizer,Polarizer,Faraday,rotator,Blocked,Reflect light,SOP,Light out,Light in,起偏器与检偏器的透光轴成,45,0,角，旋光器使通过的光发生,45,0,旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转,45,0,，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转,45,0,，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。,光隔离器,56,ppt课件,与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer Po,光隔离器,57,ppt课件,光隔离器57ppt课件,Isolators,Isolator/coupler hybrids,光隔离器,c,58,ppt课件,IsolatorsIsolator/coupler hybr,光环行器,基本原理：,工作原理等同于隔离器，,光传送顺序：,1,2 3 4,（,三端口，四端口，多端口）,主要特性：,插入损耗,隔离度,价格,三端口光环行器,四端口光环行器,59,ppt课件,光环行器基本原理：工作原理等同于隔离器，三端口光环行器四端口,光环行器,端口,1, 2,端口,2, 3,60,ppt课件,光环行器端口1 2端口2 360ppt课件,光开关,Switches,实现光通道的通断和转换,。光网络中的关键器件。,开关时间,是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。,应用,开关时间需求,光路的交换及管理,(OADM,、,OXC),110ms,保护开关,110,m,s,光包交换,1ns,外调制,10ps,消光比、插损、串话、偏振相关性,(PDL),也是光开关的重要参数,61,ppt课件,光开关Switches实现光通道的通断和转换。光网络中的关,机械光开关,热光开关,电光开关,微光机电系统（,MOEMS,）,光开关的分类,62,ppt课件,机械光开关光开关的分类62ppt课件,机械式光开关,特点：,低插损、低,PDL,、低串话,(,隔离度高,),、性能稳定、低价格，但速度慢,(ms),只能用在,OXC,和,OADM,节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关,活动光纤,光纤,光纤固定装置,63,ppt课件,机械式光开关特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能,热光效应光开关,基本结构：,MZ,干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断,特点：,可以集成、开关速度优于机械式（,ms,）,3dB,耦合器,波导臂,薄膜加热器,相位移动,64,ppt课件,热光效应光开关基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料,电光效应光开关,LiNbO,3,波导型电光开关：,等同于外调制器,特点：速度快（,10ps1ns,）、偏振敏感、价格昂贵,半导体光放大器,SOA,光开关：,改变,SOA,驱动电流来实现,特点：速度快（,ns,）、无损开关，但引入,ASE,噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵,65,ppt课件,电光效应光开关LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器65,光开关性能比较,66,ppt课件,光开关性能比较66ppt课件,新型光开关,MOEMS,微光机电系统,(,MOEMS,),光开关是微机电系统技术,(MEMS),与传统光技术相结合的新型机械式光开关。,MEMS,技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。,采用集成电路,(IC),标准工艺在,S,i,衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅,300,微米左右，比头发丝还细。,67,ppt课件,新型光开关MOEMS微光机电系统(MOEMS)光开关是微,I/O Fibers,Imaging Lenses,Reflector,MEMS 2-axis Tilt Mirrors,MEMS,光开关阵列,优点：,可实现超大规模交叉连接,可利用,IC,工艺，批量生产,68,ppt课件,I/O FibersImaging LensesReflec,Mirror,69,ppt课件,Mirror69ppt课件,Detailed View of Mode - Eclipsing Optical Switch,-Lucent.,70,ppt课件,Detailed View of Mode - Ecl,1,N MEMS Switch,71,ppt课件,1N MEMS Switch 71ppt课,大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使,MOEMS,光开关阵列成为光开关的主流,长距离系统中光交换设备市场预测,(Lightwave May 2000),MOEMS,光开关阵列可能成为光开关的主流,72,ppt课件,大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使MOEMS光开关阵列成为,