光纤通信系统与光器件(光器件)

单模光纤
光栅 InP材料 光波导
采用凹面光 栅，可省去 聚焦透镜。
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）
FBG:
length
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 心波长
2neff
纤芯的有效折射率
光栅 周期
•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。
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 C (1 R) 的频带宽度。 F R越大， F越窄 2dn R 精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。
•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
•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
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 •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
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
•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
FSR R F F 1 R


R越大，精细度越大。
传输函数
(f)
(a)
DWDM系统对F-P滤波 器参数的要求：
FSR
输入功率 Pin(f) (b) 输出功率 Pout(f) (c)
•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。
fN
f1 f2 f3

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
•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
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
1＋ 2 光栅周期 1 成像平面
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。

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 FSRT
f
f
腔1
腔2
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
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
2 1 1 2 1 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
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。
Input 1
•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
•PDL小(~0.2dB)
价格较高
•是16波长WDM系统中主要选用的器件
四、马赫－曾德干涉滤波器MZI

Mach-Zehnder Interferometer
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。
耦合功率
P 1 P 0 cos Cz
2
P2 P0 sin Cz
2
C--耦合系数
•技术指标：
P0
P1
P3
P2
1、插入损耗：特定的端口到另一端 Pi 口路径的损耗。如从输入端口i到输 Li j 10 lg P 出端口j的路径中的插入损耗为： j 2、附加损耗：输入功率对总的 Le 10 lg 输出功率的比值。
[ dB]
P in dB Pi
3、串扰：一个端口的输入信号与散 P 3 射或反射回另一个输入端口的光功率 [ dB] 串扰＝10 lg 间的隔离度。以22光纤耦合器为例： P0
4、分光比或耦合比：输出 S Pi 100 % 端口间光功率分配的百分比 R Pi
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 接，可以直接插拔。 FC型：螺纹连接。 外部材料为金属
•固定连接器
包括：熔接法、V形槽法和套管法
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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
光衰 减器
直接镀膜型光衰减器 （吸收模或反射模型）
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。
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）
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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

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光开光Switches
光波长转换器 光交叉互连器
复用器与滤波器—Multiplexer and Filter

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。
1
2 3 1 4 2 3
22光纤耦合器
输入功率 P0 P4 P3 P2 直通功率 P1
串扰
L
锥形区域
Z
耦合区域
L
锥形区域
P1 P2 P3
………….
•在DWDM中，信道间 距小于1nm，所以要求 F-P腔有较窄的带宽F。
………….
PN
精细度F要高 级联F-P腔
f1 f2 f3
………….
fN
F-P滤波器的传输特性 (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
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
TFMF的传输特性：
腔越多滤波器顶越平 边缘越陡
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。

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 P 10 lg R ( dB) P in

重复性和互换性
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
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。
P L 10 lg out ( dB) P in
衰减量调 节旋钮
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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
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
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。
衰减片型光衰减器 液晶型光衰减器
尾纤式固定光衰减器
固定光 衰减器 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
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