03 光纤通信器件

2、性能要求：
• • • • • • • • 对比特率和信号形成形式具有透明性 变速速率快 即能向短波长变换，又能向长波长变换 适当的输入功率 较宽的输入功率 偏振不敏感 低啁啾输出，高信噪比，高消光比 实现简单
光/电/光型波长转换器
目前主要研究：用半导体光放大器的交叉增 益调制（SOA-XGM）或相位调制（SOAXPM）特性来实现波长转换 利用半导体光放大器的增益饱和特性，将泵 SOA 浦光和探测光都注入到SOA中，强泵浦光使 SOA增益发生饱和，从而使连续的探测光得 到调制，这样，就把泵浦光的信号变换到了 探测光上。
第三章 光纤通信器件
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 连接器 接头 耦合器 可调谐光滤波器 调制器 光开关 波长转换器
光纤通信主要器件： 连接器 耦合器 可调谐光滤波器 波分/复用/解复用器 调制器 光开关 光环形器 光隔离器 波长转换器 光分插复用器 光叉连接器
3.1 连接器
2、相位调制器：用LiNbO3（铌酸锂）晶 体制成，引入系数 Γ(0.5 ~ 0.7)
L ∆φ = φ1 − φ2 = Γ [n r V ] λ d
3 0 22
2π
3、声光调制器 基于光弹性效应，通过电极施加在压电 晶体上的射频调制信号，在晶体表面产 生压力，从而产生表面声波（SAW）。
表面声波信号通过声光材料传输时，产 生随声波幅度周期性变化的应力，使材 料的分子结构产生局部的密集和疏松， 相当于使折射率产生周期性的变化，形 成光栅。
微光元件型 光纤成型型 光纤对接耦合型 平面波导型
T型耦合器:3端耦合器,2×2耦合器等 功能：把一根光纤输入的光功率分配给 两根光纤
星型耦合器：N×N耦合器，N×M耦合 器 功能：把N根光纤输入的光功率组合在 一起，均分配给N根输出光纤。
3.4 可调谐光滤波器
1. 分类：
• 电子滤波器：低通、带通、带阻、高通，从 包含多个频率分量的电信号中提取所需要的 频率信号。 光滤波器：光通信系统的关键器件。
调制器通常利用线性电光效应，此时： n0 ∆n1 = αE = ⋅ rij E j 2 n0是E = 0时材料的折射率、ij：线性电光系数 r i、j对应于适当坐标系统中的各向异性材料 的轴线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相位差∆φ和电场强度E的关系为：
πL 3 π 3 L ∆φ = ∆n i L = n 0 rij E j = n0 rij U λ λ λ d
L : 相互作用长度 d：介质厚度 U：电位差
2π
光传输方向为z轴
假设入射光与y轴成45度的线偏振光E,入 射光用沿x和y方向的偏振光Ex和Ey表示， n1'、n2' 对应折射率 ，于是沿Z轴传输距离 L后，引起的相位变化为：
E x : φ1 = 2 π n 1' = φ + ∆φ E y :φ2 = 2 π n 2'
•
2. 原理分类：干涉型、衍射型和吸收型
可调谐光滤波器：一种波长选择器件， 功能是从许多不同频率的输入光信号中， 选择出一个特定频率的光信号。 可调谐滤波器的要求：
调谐范围宽，滤波器带宽必须足够大，以传 输所选择信道的全部频谱成分 调谐速度快 插入损耗小 对偏振不敏感 稳定性好 环境、温度和震动影响小，成本低
四种光滤波器：
法布里－珀罗滤波器（F-P）滤波器 马赫－曾德尔干涉滤波器（M-Z）干涉滤波 器 光栅滤波器 光纤环路谐振带通滤波器
上述可调谐滤波器各有优、缺点。
声光滤波器（ ATOF:Acousto-optic Tunable Optical
Filters
）
特 点：光栅由声波动态产生，声波又由施加在 压电晶体（LiNbO3）上的射频信号产生。 物理原理：基于光弹性效应，即声光材料传输的声 波或超声波信号产生随声波幅度周期性变化的应力， 使该材料的分子结构产生局部的密集和疏松，相当 于使折射率产生周期性的变化，其结果是声波产生 了可以对光束衍射的光栅，因此对波长具有选择性。 组 成：一个表面声波器件（SAW: Surface Accoustic Wave ）；两个正交偏振器，两个光波 导（紧密结合）
（3）波导光开关 电光效应和声光效应器件可构成波导开 关。
• • • • 电光开关 热光开关 声光开关 磁光开关
3.7 波长转换器 1、在WDM网络中，波长数目确定了 信道数量，在光纤的1.55um窗口这个 数目很大，但可用波长数自然有限，不 足以支持大量节点的应用。 相同波长的两个信道选通同一输 出端时，出现阻塞。解决办法就是把信 号从一个波长转到另一个波长，这就是 波长转换。
相位调解器 马赫－曾德尔幅度调制器 耦合波导调制器
电光效应
对于一个入射偏振光，施加的电场E对折射率n的影响为： n ' = n + αE + βE 2 LL = n + ∆n1 + ∆n2 + LL ∆n1 = αE ∆n 2 = βE 2
3
珀克（pocvel）效应，线性电光效应 克尔（kerr）效应，二阶电光效应
非线性光学环境（NLOM）型波长变换 器 基于四波混频效应的全光波长变换器。 非线性作用产生新的波长，新波长包含 有泵浦光的强度和相位信息，所以它是 唯一能对输入信号进行透明变换的 AOWC。缺点：效率低 基于饱和吸收的半导体激光器型波长变 换器。原理是：输入信号使载波子产生 受激吸收，在带隙附近达到饱和，允许 探测光束透过。
设计重点：端面（连接面） 设计目的：缩短光纤端面的间隙，减少费 涅尔反射，降低插入损耗，并 使部分反射光旁路，以增大回 波损耗。
3.2 接头
接头：永久性连接，在现代通信设施光纤光 缆线路建造中的重要技术
热溶连接 机械连接 毛细管黏结连接
3.3 耦合器
耦合器：类似于微波中的耦合器，将光信 号进行分路或合路、插入、分配 的一种器件。 结构四大类：
连接器：光纤通信中应用最广泛最基本的 无源器件，是把两个光纤端面结合在一起， 以实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。 连接器分类：
尾纤：用于和光源或检测器耦合，构成发射机 或接收机的输出或输入接口；或者构成光缆或 各种光无源器件两端的接口。
跳线：用于终端设备和光缆线路及各种光无 源器件之间的互连，以构成光纤传输系统。
λ
L =
2π L
λ
2π L
1 3 V ( n 0 + n 0 r22 ) 2 d 1 3 V ( n 0 − n 0 r22 ) d 2
= φ − ∆φ 2π
λ
L =
λ
3
L ∆ φ = φ1 − φ 2 = ( n 0 r22 V ) λ d
于是施加的外电压 ∆φ ，在两个电场分 量之间产生一个可调整的相位差，因此 出射光波的偏振态可被施加的外电压控 制。
连接器主要技术要求：
低的插入损耗 好的重复性 好的互换性 低的反射损耗 长的使用寿命 环境温度变化性能稳定
连接型号：
FC型 表示用螺纹连接 SC型 表示轴向插拔矩形外壳结构 ST型 表示弹簧带键卡口结构
光纤插针的端面类型：
PC:平面/球面 APC:斜面
连接型号组合： 光纤活动连接器有：PC/FC、 SC/PC、 SC/APC、ST/PC等类型
3.5 调制器
调制器：把电信号调制成光信号
直接调制：激光器的注入电流直接随承载信息 的信号而变化，容易引入线性调频（啁啾） 外调制：让激光器连续工作，把外调制器放于 激光器输出端之后，用承载信息的信号通过调 制器的连续输出进行调制。
1、电光调制器 基本原理：基于晶体和各向异性聚合物 中的线性电光效应，即电光材料的折射 率n随施加的外电场E而变化，从而实现 对激光的调制。 几种调制器：
3.6 光开关 转换光路，实现信号的交换 （1）基本要求：
插入损耗小 重复性高 开关速度快 回波损耗小 消光比大 寿命长 结构小型化 操作方便
（2）机械光开关 微机电系统（MEMS）构成的光开关已 用于DWDM网中的大容量光交换技术。 它是一种在半导体衬底上用传统的半导 体工艺制造的可以前倾后仰、上下移动 或旋转的微反射阵列，在驱动力的作用 下，对输入光信号可切换到不同的输出 光纤的微机电系统。
滤波器通带
∆λ = (0.8λ ) /( L∆n)
2
（um）
λ：ATOF选择的波长
∆n：材料双折射 L： 产生TE / TM模式变化的宽带 SAW在射频信号作用下使声光 偏振态从TE模转化到TM模
典型的ATOF的特性
调谐范围宽（1.2um～1.6um） 带 宽 （1nm） 调谐块 （10us） 插入损耗<5dB 串话小<-20dB 波长稳定性好 极化无关