光器件基础知识培训

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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。
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。
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。
1 .3 m 1 .5 5m
1 .5 5m
(c)
图3.32 波导型藕合器
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
光纤
自聚 焦透镜 1 3 (a) 光纤 自聚 焦透镜
光纤
自聚 焦透镜
分光 片 4
2 (b) 自聚 焦透镜 硅光 栅
1 、2 1 2 滤光 片 (c)
1 2 3 1 ＋2 ＋3
光纤
(d )
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
max min
Loss
WDL 10.4 10.2 10 9.8 9.6 9.4 1260nm
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6
IL
1360nm
1460nm Wavelength
1560nm
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。
合臂)的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到
Pa=cos2(CλL) Pb=sin2(CλL) (3.28a)
1 、2 a b
1
2 a 光功 率 b a 2 b 耦合长度 1
图 3.30 光纤型波分解复用器原理
式中，L为耦合器有效作用长度，Cλ为取决于光纤参数和 光波长的耦合系数。 设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度， 使得当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0；当 Pa(λ2)=0 时， Pb(λ2) 最大。对于 λ1 和 λ2 分别为 1.3μm和 1.55 μm 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。
…
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
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。
SOP 入射光 偏振器 法拉弟 旋转器 偏振器 反射光 阻塞
图 3.34 隔离器的工作原理
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。
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。
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。
光波 导
开角
(a)
(b)
1.3 m
多模 波导
多层 膜滤光 片 单模 波导
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。
…
…
T形 (a) 1 4 定向 (c) 2 3
星形 (b)
1 2 N
1 ＋2 ＋N
波分 (d)
图 3.28 常用耦合器的类型
(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E1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
围为40~50 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
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
• 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℃)
光纤
套管
插针
粘结剂
图 3.27 套管结构连接器简图
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Biblioteka Baidu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。
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:IL -IL • 6、波长依存损耗：WDL:Wavelength Dependent
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
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。
输入 光 1
光强 度
光纤 a
2 输出 光 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
4
光纤 b (a)
3
(b)
(c)
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
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
Introduction of optical devices used in
Communication system
1.Profile
2.Introduction of basic parameters
3.TOSA,ROSA and BOSA (Active devices) 4. Passive devices
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 μm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ZrO2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。