第三章 光纤通信器件

光纤F-P干涉仪
通过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩 作用来改变谐振腔的长度
工作原理---光多次干涉和谐振
E A B A Ar2 exp( j2kL) Ar4 exp( j4kL)
1
r
2
A exp(
j
2k
L)
I
|
E
|2
(1
r 2 )2
A2 4r2
sin 2 (kL)
形成驻波的条件？
平均插入损耗（dB）
最大插入损耗（dB）
性
能
重复性（dB）
指
互换性（dB）
标
回波损耗（dB）
插拔次数
使用温度范围
用途
FC/PC
凸球面 螺纹 圆形 0.2
0.3 0.1 0.1 40 1000 40+800C
长距离干线网, 用户网或局域网
FC/APC
80 斜面 螺纹 圆形 0.3
0.5 0.1 0.1 60 1000 40+800C
方向耦合器
把光功率发送到一个根据传播方向确定的输出端。 基本原理与光开关类似。
光纤耦合器
N×N
1×N
光开关
功能：转换光路，以实现光信号的交换。
分类：
机械光开关 微机电光开关 波导光开关
机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱
镜、反射镜等光学元件实现光路转换。
光纤 准直头
1 23 4
N 输出
M-Z干涉滤波器型
1
M-Z1
M-Z3
2
1+ 2
M-Z2
3
3 +4
4
1 2 3 +4
调制方式比较（按光源与调制信号的关系）
信息电信号
输出 调制光 激光器
信息 电信号
连续
激光器 光信号
外调 制器
输出 调制光
信息电信号 0 1 0 1 0 输出调制光波
LD 输出连续光 信息电信号 0 1 0 1 0
耦合器
功能：光功率分配
T形 方向
1 N
基本结构
星形
1 + N
波分
2×2熔拉双锥耦合器
分光原理：通过改变光纤间的消逝 场相互耦合长度，以及改变光纤纤 径来实现不同大小的分支量。
光约束在 光纤半径减小
纤芯中传播 V明显减小
部分光在
光输入
纤芯外传播
P0
发生耦合
后向反(散)射光
P3
拉伸时决定
火焰宽度决定
Tf
调谐 滤波器
调谐控 制电压
f fi
Pout f
fi
f
种类
法布里珀罗（F-P）滤波器 马赫-曾德尔（M-Z）滤波器 光纤布拉格（Bragg）光栅滤波器
F-P滤波器结构
入射光
L = /2
透射光
内部反射 镜面
由两块平行镜面组成的谐振腔，一块固 定，另一块可移动 镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜 或多层介质膜的玻璃板
微机电光开关（MEMS光开关）
一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可前倾后仰、 上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信 号可切换到不同输出光纤的微机电系统。
入射光 沟渠 波导
入射光 微反射镜
顶视图
顶视图
波导
可升降悬臂 微反射镜
通过光
侧面图
V= 0
电 极 硅 衬 底PLC
波导
（a）平行连接状态
反射光 沟渠
静电力
V 侧面图
电 极 硅 衬 底PLC
波导
（a）交叉连接状态
可升降微反射镜 MEMS光开关
可旋转微反射镜 MEMS 光开关
取向1 出射光 取向2
输出 波导1
控 制V 信号
输出 波导2
微反 射镜
输入 波导
衬底
入射光
出射光
可立卧微反射镜 MEMS 光开关
入射光
光纤
磁场 E''
H
E'
反
E'
射 镜
2 反射光
L
HL
磁致旋光不可逆性
磁光式光开关
波导光开关优缺点
优点：开关速度快，重复性好，可靠性高， 使用寿命长，尺寸小，可单片集成
缺点：插入损耗大，串扰大，应予改进
滤波器
功能： 从包含多个频率分量的信号中提出所需频率的信号。
fch
Pin f
fi fs
f
直通功率
P1
P2
耦合功率
总拉伸长度
熔拉双锥星形耦合器
(a) 传输型
1
5
9
2
6
10
3
7
11
4
8
12
(b)反射型
(c) 由 12 个 单 模 光 纤 耦 合 器 组 合 的 8×8 星形 耦合器
阵列波导光栅（AWG）星形耦合器
输入阵列 200m
4.5
m
D
5 0 0 m
输出阵列
Q
P
自由空间区 30 mm
y
m= 2 二阶 m= 1 一阶 m=0 零阶 m = -1 一 阶 m =-2 二 阶
光强
(b)接 收 到 的衍 射 光 强 分 布
d sin m
三种不同的衍射光栅
i
入 射 光 波
一 阶衍 射 光 束 零阶
入射光波
一阶
一阶 m=1
零阶 m=0
一阶 m =-1
(a) 传输光栅
(b) 反射光栅
一阶 m=1
输出调制光波
（a） 直接调制
（b）外调制
直接调制是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出 光随电信号变化而实现的。
光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输 出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。
调制器种类 电光调制器 电吸收波导调制器
电光效应
二阶电光效应系数
线性电光效应系数
n' n E E2 由于高阶项的影响很小， 略去不计
3 dB 耦合器
4
1
7
输出
4
输出
完全相同的
共振波长为 4 的布拉格光栅
1
7
波分复用/解复用器件
种类
棱镜型 衍射光栅型 阵列波导光栅型 M-Z干涉滤波器型
棱镜解复用器
衍射光栅
一种可能的
y 衍射光束
a
入
射
光
波
d
波前
z
dsin =0
(a) 有 限 裂 缝数 衍 射 光 栅
单个裂缝 衍射包络
fc h
f
f
N
光频
PN f
f
N
光频
双腔F-P滤波器的级联
(a) 级联双腔 FP 滤波器
光输入
第一腔
第二腔 光输出
(b)
F =10 单腔 FP 滤波器的传输函数
传输函数
T f
f F-P 光频
FSR
(c)
i=0 1 2 3 4 5 6 7
级联用的第一个 FP
滤波器的传输函数
f
F =10 , FSR是图（ b）的1/3
凸球面
卡口 圆形
0.2 0.3
0.1
0.1 40 1000 40+800
C 用户网 或局域网
光纤固定连接---死接头
光纤熔接机的不断改进是应用微处理器，实现自动 对准、自动熔接、自动检测，并估算连接损耗。
机械连接
毛细管黏结连接
把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固 化粘结剂固定，对端面进行抛光；在支架上用压 缩弹簧把毛细管挤压在一起。调节光纤位置，使 输出功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容 环氧树脂粘结形成接头。这种连接方法接头损耗 很低。
kmL m
c
谐振腔的谐振频率fm？
模间隔Δfm =自由频谱范围（FSR）？
fm
fm
m 2L
fm1
fm
c 2L
频谱宽度δfm ？
f m
f m
F
谐振腔的精细度F？
F fm R 当R 0.6 fm 1 R
例:考虑一个空隙间隙长为100微米的F-P谐 振腔，镜面反射系数为0.9，请计算靠近波 长900nm的模式、模式间隔和每个模式的 频谱宽度？
固
ห้องสมุดไป่ตู้输入
定
光纤
输
移动臂
出 光
纤
N -1 N
（a）1N 移动光纤开关
光纤 反射镜 旋转轴
（b）12 移动反射镜开关
棒透镜
棱镜
1×2移动棱镜光开关
机械式光开关优缺点
优点：插入损耗小，串扰小，适合各种光纤， 技术成熟
缺点：开关速度慢（几十ms---ms），结 构不紧凑，容易受振动、冲击的影响，开关 尺寸较大，而且不易集成。
SC型：轴向插拔矩形外壳
ST型：弹簧带键卡口结构
LC型：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。
表3.1.1 各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标
类型
结构和特性
结
插针套管(包括光纤) 端面形状
构
特
连接方式
点
连接器形状
康宁等公司。
波导光开关：利用固体物理效应
电光开关 热光开关 磁光开关
马赫-曾德尔11光开关
电光效应是在电场作用下 改变材料的折射率和光的 相位，再利用光的干涉或 偏振等使光强突变或光路 转变。
控 制 信 号 Vt
共平面 条形电极
偏振光输入 A
CB
LiNbO 3
-+-
控制信号
Ea
V t
t
D
出射光 输出 光纤1
微反射镜
镜面 旋转轴
输出 光纤2
控制 信号
硅衬底PLC
MEMS光开关优缺点
具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了 它们所固有的缺点；
采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那 样，集成在单片硅基上；
基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。 主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和
输出 输出光
t
Ti-
L iNb O
波导
3
Eoutput 2Acos cost
热光波导开关
热光效应是通过电流加热 的方法，使介质的温度变
化，导致光在介质传输的
Cr薄膜加热器
折射率和相位发生改变的
物理效应。
2
A
4
1 .0
1
B
L (a) 俯视图 加热W
3
相
对 0.8
输
出
功 率
0 .6
/W
0 .4
薄膜
薄膜
第三章 光纤通信器件
本章内容
3.1 连接器 3.2 耦合器 3.3 光滤波器 3.4 波分复用/解复用器件 3.5 调制器 3.6 光开关 3.7 光隔离器 3.8 光环行器 3.9 光分插复用器 3.10 波长转换器
连接器
活动连接、固定连接 连接器设计基础---尽量减小连接损耗
数值孔径失配
长距离干线网, 高速率数字系统 或模拟视频系统
SC/PC
SC/APC
ST/PC
凸球面 轴向插拔
矩形 0.3 0.5 0.1 0.1 40 1000 40+800C
用户网 或局域网
80 斜面 轴向插拔
矩形 0.3 0.5 0.1 0.1 60 1000 40+800C
用户网 或局域网
连接损耗机理
折射率分布失配
纤芯尺寸失配
纤芯不同心
(a)固有损耗
d
端面间隙
轴向倾角
x
横向偏移
菲涅尔反射 端面粗糙
(b)外部损耗
活动连接器结构 接口零件、光纤插针和对中三部分。
插针结构及端面形状
(b)
(a)
(b)
(a) 连接插座； (b) 连接插针
活动连接器的种类（FC、SC、ST、LC） FC型：用螺纹连接
必须精确地控制在 f c 2nL 的整数倍。
光纤布拉格光栅（FBG）滤波器
紫外干涉光
1234 光 纤
芯 1 34
光栅
包层
2
用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅滤波器
B 2neff
内部写入法
干涉法
相位掩模板法 相位掩模板
+1级
包层 芯层
-1级
光纤光栅带通滤波器
1 4 7
输入 1 输出 2
4
F-P滤波器的传输特性
(a) 传输函数
T(f )
传 1.0 输 函 0.5 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) 滤波器输出频谱图
P
in
f
输
入
功
f ch
率
f
i
f
1
f2
Pout f
输 出 功 率
P1 P2
FSR= f L
f3
f s
P3
f1
f
2
f
3
f F-P
光频
1.0
相位中心星形耦合器外形原理图
自由空间区的设计1： 输入（出）波导辐 射段法线方向直接 指向输出（入）阵 列波导辐射段的相 位中心P（Q）点
自由空间区的设计2：光栅圆中心耦合区原理图
光栅圆
R
o
P
Q
R/2
罗兰圆
输入/输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规则，即输入/输出波导 的端口以等间距设置在半径为R的光栅圆周上，并对称地分布在聚 焦平板波导的两侧，输入（出）波导端面法线方向指向右（左）侧 光栅圆的圆心P（Q）点，两个光栅圆周的圆心在中心输入/输出波 导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处。
光频 FSR
(d)
级联用的第二个 FP
滤波器的传输函数 F =10 , FSR 是图（ b）的 1/4
j=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
f 光频 FSR
(e) 级联后的复合传输函数
f F-P f
FSR
M-Z滤波器结构
输入
1
1, 2
2
3 dB 耦合器
工作原理？
热敏薄膜
延 迟t
L L
L
3 dB 耦合器
0 .2
波导 A
波导 B
Si 衬 底
0
0
0 .5
1 .0
热 驱 动 功 率/W
(c) 2 x2 热电光开关响应曲线
(b) 截面图
磁光开关
法拉第（Faraday）磁致旋光效应
——在外加磁场作用下，某些原本各向 同性的介质变成旋光性物质，偏振光 通过该物质时其偏振面发生旋转。
偏振器 光 源
y
E
法拉第介质
与界面 垂直
与光栅 平面垂直
入射光波
d
(c) 阶梯面反射光栅
d (sin m sini ) m
光栅型解复用器
（a)普通透镜反射光栅
（b)渐变折射率透镜反射光栅
AWG型
星形耦合器
1
输2入...
1 2 ... N N
自由 空间区
L = 常数
neff
R
o
Q
R/2
罗兰圆 光栅圆
星形耦合器
1
. ..2
输出
3 2
4 1
fm
c 2nL
基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
级联M-Z干涉滤波器
1, 5
M-Z
4f
1 5
M-Z
2f
1, 3 , 5 , 7
1, 2 8 M-Z
M-Z
3, 7 4f
3 7
f
2 , 4 , 6 , 8
2 ,6
M-Z
4f
M-Z
2 6
2f
M-Z
4
4 ,8 4f
8
要求：输入光波的频率间隔