光纤通信系统与光器件光器件
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采用普通透 镜的WDM
采用渐变折 射率透镜， 简化了装置
的校准。
光栅工作原理
光栅周期
1＋2
成像平面 1
2
反射光栅
当以角度d衍射的射线满足下面的光栅方程时，在成像平面 内就会产生波长上的相加干涉，即：(sini－sind)=m
式中m是光栅阶数，一般只考虑m=1的一阶衍射条件。
由于对于不同的波长，可以在成像面内的不同点满足光栅 方程，所以光栅可分离出单独的波长。
光器件
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
光耦合器—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22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。
2
1
2
1
3
4
3
22光纤耦合器
输入功率 P0 P4
P3
串扰
L
锥形区域
直通功率 P1
Z 耦合区域
接，可以直接插拔。
FC型：螺纹连接。 外部材料为金属
ห้องสมุดไป่ตู้ •固定连接器
包括：熔接法、V形槽法和套管法
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
L 锥形区域
P2 耦合功率
P1 P0 cos2 Cz P2 P0 sin 2 Cz C--耦合系数
P0
P1
•技术指标：
P3
P2
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：
Li j
10lg
Pi Pj
[dB]
复用器与滤波器—Multiplexer and Filter
光滤波器 与解复用器(光波长选择器件)
0
滤波器
解复用器
•用途：
波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用
Wavelength filter
Wavelength multiplexer
Wavelength router
技术参数
光衰减器—Attenuator
根据工作原理分类：
横向位移型光衰减器
位移型光衰减器
纵向位移型光衰减器
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
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
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
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
2、附加损耗：输入功率对总的
输出功率的比值。
Le 10 lg
Pin dB
Pi
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22光纤耦合器为例：
串扰＝10
lg
P3 P0
[dB]
4、分光比或耦合比：输出
端口间光功率分配的百分比
SR
•发展趋势：集成化、全光纤化
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
•中心波长（固定、可调） •带宽（ 1dB带宽、3dB带宽、20dB带宽） •偏振相关性（PDL） •调谐范围 •隔离度(串音) •插损 •温度敏感系数
0/
0滤波器中心波长, 信号波长.
种类：
•基于干涉原理的滤波器：熔锥光纤滤波器、 Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、 马赫-曾德干涉滤波器
TFMF的传输特性： 腔越多滤波器顶越平
边缘越陡
•多层介质膜复用解复用器特点：
•通带特性好（平顶、隔离度高~25dB）
•温度敏感性小（0.0005nm/OC 不需温控）
•插损5~7dB（16波） 波长数16CH
•波长间隔0.8nm
价格较高
•PDL小(~0.2dB)
•是16波长WDM系统中主要选用的器件
f 级联腔
Problem:插损大、两级间耦合、两级统一调谐困难 Solution:光纤放大器补偿法、光隔离器法
三、多层介质膜滤波器TFF
Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长
Thin-Film resonant Multicavity Filter (TFMF) 薄膜多共振腔滤波器
光连接器—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。
L 10 lg Pout (dB) Pin
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。
LR
10 lg
PR Pin
(dB)
重复性和互换性
的频带宽度。 F C(1 R)
2dn R
R越大， F越窄
精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。
F FSR R
F 1 R
R越大，精细度越大。
传输函数
(f)
(a)
输入功率
Pin(f) (b)
FSR
输出功率 f1 f2 f3 …………. fN
DWDM系统对F-P滤波 器参数的要求：
体光栅滤波器的特点
波长通道数大（~132CH） 通道间隔小（商用~0.4nm) 插损不随通道数增加(6~7dB) 温度敏感(~0.01nm/OC),需温度补偿(温控、材料补偿） 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）
单模光纤
光波导
InP材料
光栅
采用凹面光 栅，可省去 聚焦透镜。
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
长波长
短波长
4. 取样光栅Sampled gratings：梳状滤波器 5. 相移光栅Phase-shifted FBGs:
相移
•FBG应用：滤波器、色散补偿器、光纤激光器等
特点： •插损小 •带宽窄 •易于光纤连接 •低成本 •温度特性 （0.0125nm/oC 未补偿, 0.0007nm/oC 经补偿) •应力敏感
七、光纤光栅FBG
对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg 条件，两波之间将发生能量的耦合。
Bragg条件：
1 2
2
光栅周期
特别地，如果满足
1
1
21
2
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
FBG:
length
光器件概述
•作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解 复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、 光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的 必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型：无源、有源 包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光
隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光 开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等
二、法布里－珀罗滤波器 Fabry-Perot Filter
基本原理：F-P干涉仪，平行平板的多光束干涉。
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
四、马赫－曾德干涉滤波器MZI
Mach-Zehnder Interferometer
对输入信号 进行分路的 3dB耦合器
长度相差L的两根波 导，用来在两臂间产 生与波长有关的相移
在输出端将 信号复合的 3dB耦合器
通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组 的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出 端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。
•基于光栅原理的滤波器：体光栅滤波器、阵 列波导光栅滤波器（AWG）、光纤光栅滤波 器、声光可调谐滤波器
一、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
Input 1
Output 1 /2+L+ /2= L+ Output 2 /2+L- /2= L
L=2neff L /=k
k为奇数 k为偶数
Output 1 Output 2
五、体光栅滤波器
在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤 输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各 波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。
六、阵列波导光栅AWG
array-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。
AWG特点：
•信道间隔（1.6 0.8 0.4nm） •端口（18 116 132 164) •需要温控（0.01nm/C0) •插损不随通道数增加(6~7dB) •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 •PDL<1dB 应用： •复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力 的器件）
Period
•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 2neff 光栅
心波长
周期
纤芯的有效折射率
•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。
损耗 来源
•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
ST型：采用带键的 卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
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
•F-P腔的自由谱区FSR 必须大于多信道复用信 号的频谱宽度，以免使 信号重叠，造成混乱。
•在DWDM中，信道间 距小于1nm，所以要求 F-P腔有较窄的带宽F。
Pout(f) (c)
P1 P2 P3
…………. PN
f1 f2 f3 …………. fN F-P滤波器的传输特性
精细度F要高 级联F-P腔
(a)传输函数 (b)N个信道经波分复用后加到 滤波器输入端的频谱图 (c)滤波器输出端
级联F-P腔光滤波器
游标式级联腔：由两个腔长接近的F-P腔串联而成。
K FSR1=(K+1) FSR2 精细度为：FSRT= K FSR1=(K+1) FSR2
FSR1 FSR2
f 腔1 f 腔2
FSRT
Pi
100%
Pi
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
采用渐变折 射率透镜， 简化了装置
的校准。
光栅工作原理
光栅周期
1＋2
成像平面 1
2
反射光栅
当以角度d衍射的射线满足下面的光栅方程时，在成像平面 内就会产生波长上的相加干涉，即：(sini－sind)=m
式中m是光栅阶数，一般只考虑m=1的一阶衍射条件。
由于对于不同的波长，可以在成像面内的不同点满足光栅 方程，所以光栅可分离出单独的波长。
光器件
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
光耦合器—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22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。
2
1
2
1
3
4
3
22光纤耦合器
输入功率 P0 P4
P3
串扰
L
锥形区域
直通功率 P1
Z 耦合区域
接，可以直接插拔。
FC型：螺纹连接。 外部材料为金属
ห้องสมุดไป่ตู้ •固定连接器
包括：熔接法、V形槽法和套管法
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
L 锥形区域
P2 耦合功率
P1 P0 cos2 Cz P2 P0 sin 2 Cz C--耦合系数
P0
P1
•技术指标：
P3
P2
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：
Li j
10lg
Pi Pj
[dB]
复用器与滤波器—Multiplexer and Filter
光滤波器 与解复用器(光波长选择器件)
0
滤波器
解复用器
•用途：
波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用
Wavelength filter
Wavelength multiplexer
Wavelength router
技术参数
光衰减器—Attenuator
根据工作原理分类：
横向位移型光衰减器
位移型光衰减器
纵向位移型光衰减器
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
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
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
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
2、附加损耗：输入功率对总的
输出功率的比值。
Le 10 lg
Pin dB
Pi
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22光纤耦合器为例：
串扰＝10
lg
P3 P0
[dB]
4、分光比或耦合比：输出
端口间光功率分配的百分比
SR
•发展趋势：集成化、全光纤化
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
•中心波长（固定、可调） •带宽（ 1dB带宽、3dB带宽、20dB带宽） •偏振相关性（PDL） •调谐范围 •隔离度(串音) •插损 •温度敏感系数
0/
0滤波器中心波长, 信号波长.
种类：
•基于干涉原理的滤波器：熔锥光纤滤波器、 Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、 马赫-曾德干涉滤波器
TFMF的传输特性： 腔越多滤波器顶越平
边缘越陡
•多层介质膜复用解复用器特点：
•通带特性好（平顶、隔离度高~25dB）
•温度敏感性小（0.0005nm/OC 不需温控）
•插损5~7dB（16波） 波长数16CH
•波长间隔0.8nm
价格较高
•PDL小(~0.2dB)
•是16波长WDM系统中主要选用的器件
f 级联腔
Problem:插损大、两级间耦合、两级统一调谐困难 Solution:光纤放大器补偿法、光隔离器法
三、多层介质膜滤波器TFF
Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长
Thin-Film resonant Multicavity Filter (TFMF) 薄膜多共振腔滤波器
光连接器—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。
L 10 lg Pout (dB) Pin
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。
LR
10 lg
PR Pin
(dB)
重复性和互换性
的频带宽度。 F C(1 R)
2dn R
R越大， F越窄
精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。
F FSR R
F 1 R
R越大，精细度越大。
传输函数
(f)
(a)
输入功率
Pin(f) (b)
FSR
输出功率 f1 f2 f3 …………. fN
DWDM系统对F-P滤波 器参数的要求：
体光栅滤波器的特点
波长通道数大（~132CH） 通道间隔小（商用~0.4nm) 插损不随通道数增加(6~7dB) 温度敏感(~0.01nm/OC),需温度补偿(温控、材料补偿） 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）
单模光纤
光波导
InP材料
光栅
采用凹面光 栅，可省去 聚焦透镜。
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
长波长
短波长
4. 取样光栅Sampled gratings：梳状滤波器 5. 相移光栅Phase-shifted FBGs:
相移
•FBG应用：滤波器、色散补偿器、光纤激光器等
特点： •插损小 •带宽窄 •易于光纤连接 •低成本 •温度特性 （0.0125nm/oC 未补偿, 0.0007nm/oC 经补偿) •应力敏感
七、光纤光栅FBG
对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg 条件，两波之间将发生能量的耦合。
Bragg条件：
1 2
2
光栅周期
特别地，如果满足
1
1
21
2
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
FBG:
length
光器件概述
•作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解 复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、 光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的 必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型：无源、有源 包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光
隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光 开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等
二、法布里－珀罗滤波器 Fabry-Perot Filter
基本原理：F-P干涉仪，平行平板的多光束干涉。
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
四、马赫－曾德干涉滤波器MZI
Mach-Zehnder Interferometer
对输入信号 进行分路的 3dB耦合器
长度相差L的两根波 导，用来在两臂间产 生与波长有关的相移
在输出端将 信号复合的 3dB耦合器
通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组 的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出 端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。
•基于光栅原理的滤波器：体光栅滤波器、阵 列波导光栅滤波器（AWG）、光纤光栅滤波 器、声光可调谐滤波器
一、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
Input 1
Output 1 /2+L+ /2= L+ Output 2 /2+L- /2= L
L=2neff L /=k
k为奇数 k为偶数
Output 1 Output 2
五、体光栅滤波器
在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤 输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各 波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。
六、阵列波导光栅AWG
array-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。
AWG特点：
•信道间隔（1.6 0.8 0.4nm） •端口（18 116 132 164) •需要温控（0.01nm/C0) •插损不随通道数增加(6~7dB) •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 •PDL<1dB 应用： •复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力 的器件）
Period
•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 2neff 光栅
心波长
周期
纤芯的有效折射率
•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。
损耗 来源
•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
ST型：采用带键的 卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
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
•F-P腔的自由谱区FSR 必须大于多信道复用信 号的频谱宽度，以免使 信号重叠，造成混乱。
•在DWDM中，信道间 距小于1nm，所以要求 F-P腔有较窄的带宽F。
Pout(f) (c)
P1 P2 P3
…………. PN
f1 f2 f3 …………. fN F-P滤波器的传输特性
精细度F要高 级联F-P腔
(a)传输函数 (b)N个信道经波分复用后加到 滤波器输入端的频谱图 (c)滤波器输出端
级联F-P腔光滤波器
游标式级联腔：由两个腔长接近的F-P腔串联而成。
K FSR1=(K+1) FSR2 精细度为：FSRT= K FSR1=(K+1) FSR2
FSR1 FSR2
f 腔1 f 腔2
FSRT
Pi
100%
Pi
目录
光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器