光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)課件

IntroductionofopticaldevicesusedinCommunicationsystem1.Profile2.Introductionofbasicparameters3.TOSA,ROSAandBOSA(Activedevices)4.PassivedevicesIntroductionofopticaldevice1Profile

通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。不依靠外加電源（直流或交流）的存在就能獨立表現(xiàn)出其外特性的器件就是無源器件。否則就稱為有源器件。有源器件包括光源、光檢測器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機、光接收機和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴展和性能的提高都是不可缺少的。

Profile

通信用光器件可以分為有源器件2光放大器光放大器3光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件4Basicparameters1、插入損耗：IL---InsertionLoss2、回波損耗：RL---ReturnLossBasicparameters1、插入損耗：IL---In5IL測量IL測量6RL測量RL測量73、方向性：DIR---Directivity4、過盈損耗：EL---ExcessLoss3、方向性：DIR---Directivity85、損耗一致性：ILUniformity:ILmax-ILmin6、波長依存損耗：WDL:WavelengthDependentLoss5、損耗一致性：ILUniformity:ILmax-IL9PDL是光器件或系統(tǒng)在所有偏振狀態(tài)下的最大傳輸差值。它是光設(shè)備在所有偏振狀態(tài)下最大傳輸和最小傳輸?shù)谋嚷?。PDL定義如下：

PDL=-10log〔Tmax/Tmin〕

其中Tmax和Tmin分別表示測試器件（DUT）的最大傳輸和最小傳輸。PDL是光器件或系統(tǒng)在所有偏振狀態(tài)下的最大傳輸差值。它是光設(shè)107、溫度依存損耗TDL:TemperatureDependentLossTDL(25℃~85℃)=TDL(85℃)-TDL(25℃)TDL(25℃~-40℃)=TDL(-40℃)-TDL(25℃)TDL(85℃~-40℃)=TDL(-40℃)-TDL(85℃)光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件11TOSATOSA12(1)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴.(2)在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。(3)在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。(1)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在13光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件14光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件15光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件16光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件17光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件18光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件19光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件20光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件21光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件22光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件23光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件24光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件25光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件26光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件27光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件28ROSAROSA29光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件30光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件31光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件32光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件33光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件34光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件35光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件36光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件37光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件383.Passivedevices

一個完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外，還需要許多其它光器件，特別是無源器件。這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴展或性能的提高，都是不可缺少的。雖然對各種器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長、體積小、價格便宜，許多器件還要求便于集成。本節(jié)主要介紹無源光器件的類型、原理和主要性能。3.Passivedevices

一個39

3.1連接器和接頭連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。表3.5給出光纖連接器的一般性能。接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無源器件。連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器，其特性主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工精度和所用材料。單纖連接器結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中精密套管結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、效果良好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，因而得到很廣泛的應(yīng)用。3.1連接器和接頭40

表3.5光纖連接器一般性能表3.5光纖連接器一般性能41圖3.27示出精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡圖，包括用于對中的套管、帶有微孔的插針和端面的形狀(圖中畫出平面的端面)。光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對中實現(xiàn)連接。要求光纖與微孔、插針與套管精密配合。對低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移在1μm以內(nèi)，軸線傾角小于0.5°。普通的FC型連接器，光纖端面為平面。對于高反射損耗的連接器，要求光纖端面為球面或斜面，實現(xiàn)物理接觸(PC)型。套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼，但插針材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機械性能好、耐磨，熱膨脹系數(shù)和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數(shù))和工作溫度范圍(插入損耗變化±0.1dB)大大改善。圖3.27示出精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡圖，包42圖3.27套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖圖3.27套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖43一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度套管和矩形外殼，配合陶瓷插針構(gòu)成的，這種方法可以做成2纖或4纖連接器。另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密V形槽內(nèi)，然后多片疊加并配合適當外殼。這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜，適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的連接。對于實現(xiàn)固定連接的接頭，國內(nèi)外大多借助專用自動熔接機在現(xiàn)場進行熱熔接，也可以用V形槽連接。熱熔接的接頭平均損耗達0.05dB/個。一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度44

3.3.2光耦合器耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。這種器件對光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串擾噪聲耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。

1.耦合器類型圖3.28示出常用耦合器的類型，它們各具不同的功能和用途。T形耦合器這是一種2×2的3端耦合器，見圖3.28(a)，其功能是把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。3.3.2光耦合器45圖3.28常用耦合器的類型

圖3.28常用耦合器的類型46這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。星形耦合器這是一種n×m耦合器，見圖3.28(b)，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。定向耦合器這是一種2×2的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?。見圖3.28(c)，光信號從端1傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器47波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)這是一種與波長有關(guān)的耦合器，見圖3.28(d)。波分復(fù)用器的功能是把多個不同波長的發(fā)射機輸出的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號，分配給不同的接收機。

2.基本結(jié)構(gòu)耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖3.29~圖3.32示出這三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)。波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)這48

圖3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器圖3.29光纖型耦49光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。這種方法可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解復(fù)用器。圖3.29(a)和(b)分別示出單模2×2定向耦合器和多模n×n星形耦合器的結(jié)構(gòu)。單模星形耦合器的端數(shù)受到一定限制，通?？梢杂?×2耦合器組成，圖3.29(c)示出由12個單模2×2耦合器組成的8×8星形耦合器。圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。如圖3.30，光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到Pa=cos2(CλL)(3.28a)Pb=sin2(CλL)光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制50圖3.30光纖型波分解復(fù)用器原理圖3.30光纖型波分解復(fù)用器原理51式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù)。設(shè)特定波長為λ1和λ2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長度，使得當光纖a的輸出Pa(λ1)最大時，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；當Pa(λ2)=0時，Pb(λ2)最大。對于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長隔離度大于20dB。

微器件型用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器，如圖3.31所示。式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖52

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復(fù)用器；(d)光柵式解復(fù)圖3.31微器件型53波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。圖3.32示出波導(dǎo)型T型耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長選擇元件的波分解復(fù)用器。

波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，54圖3.32波導(dǎo)型藕合器圖3.32波導(dǎo)型藕合器55光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件56光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)ppt課件57

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而在許多實際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離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該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數(shù)，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對反向反射光的隔離度其值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1dB，隔離度的典型值的大致范圍為40~50dB。3.3.3光隔離器與光環(huán)行器58首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個偏振器。緊接第一個偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)。首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中59圖3.34隔離器的工作原理圖3.34隔離器的工作原理60法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個偏振器，這個偏振器的透振方向在45°方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能夠順利地通過第二個偏振器，也就是說光信號從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(插入損耗除外)。另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)，反射光的偏振態(tài)也在45°方向上，當反射光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，此時就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個偏振器)，于是就達到隔離效果。然而在實際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖3.35所示。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個偏振器，這個61圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器62具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個空間分離偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。這個SWP的作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。兩個分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45°。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片plate或halfwaveplate。這個半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時針旋轉(zhuǎn)45°。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。最后兩個分量的光在輸出端由另一個SWP合在一起輸出，如圖3.35(a)