光纤通信技术第三章

1. 光纤通信技术第三章 王建萍 jpwang@tsinghua.edu.cn 信息光电子研究所 清华大学电子工程系 光纤通信中的关键光电子器件

2. Components and Modules in DWDM Networks Over 9000 Products DWDM Amplifiers Transmission Switching • Thin film filters • Fiber gratings • Waveguides • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules • Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated amplifiers • SOAs • Source lasers • Modulators • Wavelockers • Receivers • Detectors • Tx/Rx modules • Optical Switches • Circulators • Couplers • Add/drop modules

3. 第三章 光器件 3.1 光器件概述 3.2 光连接器Connector 3.3 光衰减器Attenuator 3.4 光耦合器Coupler 3.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 3.6 光隔离器与环行器 3.7 光调制器Modulators 3.8 光开光Switches 3.9 光波长转换器 3.10 光交叉互连器

4. 3.1 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。 • 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

5. 第三章 光器件 3.1 光器件概述 3.2 光连接器Connector 3.3 光衰减器Attenuator 3.4 光耦合器Coupler 3.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 3.6 光隔离器与环行器 3.7 光调制器Modulators 3.8 光开光Switches 3.9 光波长转换器 3.10 光交叉互连器

6. 3.2 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。 • 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。 • 重复性和互换性

7. 损耗来源

8. 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

9. ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。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

11. 固定连接器 • 包括：熔接法、V形槽法和套管法

12. 第三章 光器件 3.1 光器件概述 3.2 光连接器Connector 3.3 光衰减器Attenuator 3.4 光耦合器Coupler 3.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 3.6 光隔离器与环行器 3.7 光调制器Modulators 3.8 光开光Switches 3.9 光波长转换器 3.10 光交叉互连器

13. 3.3 光衰减器—Attenuator • 根据工作原理分类： 横向位移型光衰减器 位移型光衰减器 纵向位移型光衰减器 直接镀膜型光衰减器（吸收模或反射模型） 光衰减器 衰减片型光衰减器 液晶型光衰减器

14. 尾纤式固定光衰减器 固定光衰减器 SC—FC型、 FC—ST型、 SC—ST型、 SC型、FC型、ST型 转\变换器式固定光衰减器 光衰减器 小可变光衰减器 可变光衰减器 步进可变光衰减器 机械型 连续可变光衰减器 智能型

15. 固定光衰减器 技术指标：衰减量、精度、反射、插损 衰减量调节旋钮 尾纤式

18. 第三章 光器件 3.1 光器件概述 3.2 光连接器Connector 3.3 光衰减器Attenuator 3.4 光耦合器Coupler 3.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 3.6 光隔离器与环行器 3.7 光调制器Modulators 3.8 光开光Switches 3.9 光波长转换器 3.10 光交叉互连器

19. 1 2 2 1 3 4 3 3.4 光耦合器—Coupler • 定义：对同一波长的光功率进行分路或合路 • 类型： • Y型、X型22耦合器、1N型、MN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。

20. 工作原理 • 消逝场耦合。 Put the cores close enough together to get a coupling effect All now depends on the length of the coupling section

21. Common commercial devices • Planar Waveguide Coupler

22. 输入功率 直通功率 P0 P1 P4 P3 P2 串扰 L Z L 耦合功率 锥形区域 耦合区域 锥形区域 C--耦合系数 22光纤耦合器

23. 耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。 被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。

24. P0 P1 P3 P2 • 技术指标： 1、插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i到输 出端口j的路径中的插入损耗为： 2、附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。 3、串扰：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例： 串扰＝ 4、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比

25. 输入场强 S11 输出场强 a1 b1 S21 S12 a2 b2 S22 散射矩阵表示法 • 以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析: b＝Sa

26. 波长相同的两束光，分别从a1和a2两个端口输入，能否将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口？波长相同的两束光，分别从a1和a2两个端口输入，能否将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口？ a1 b1 散射矩阵表示法 a2 b2 • 假如从端口a1输入的光功率中有比例为(1－)的部分出现在输出端口b1，剩余的部分出现在端口b2。散射矩阵： a1输入的大部分功率出现在输出端口b1， 就必须小。这表示a2中相同波长光功率耦合进入b1的光功率数值变小了，结果是在无源22耦合器中，使用相同的波长将两个输入端所有的功率同时耦合进同一输出端口是不可能的。最好的方法是将每路输入功率的一半发送到同一输出端。然而，如果两个输入端的波长不同，就可以把大部分功率耦合进同一根光纤中。

27. 3dB耦合器， ＝0.5，输出场强： • 令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1，输出功率为： Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0 Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0

28. 3dB coupler

29. LAN and MAN networks P1 1 i Pi PN N (P1+P2+…+PN)/N Star Coupler: N input are mixed and made available on 8 outputs Reflective Coupler: input can be on any fiber and output is split equally among all fibers

30. Y-Coupler (Splitter) 光纤技术难实现，一般利用平面波导技术。 port1port2(50%)＋port3(50%) But light entering on port2 will exit on port1 attenuated by 50%(3dB)! Thus if we try to combine two input signals by using a Y-junction, the signals are combined but each signal will lose half of its power!

31. If two mixed signals (of different wavelengths) are injected into a coupler the power transfer between the waveguides has a different period for each wavelength. The coupling lengths are strongly wavelength dependent!

32. Wavelength Selective Coupling/Splitting The period of the shift is different for the two different wavelengths. Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used.

35. 第三章 光器件 3.1 光器件概述 3.2 光连接器Connector 3.3 光衰减器Attenuator 3.4 光耦合器Coupler 3.5 复用器与滤波器Multiplexer and Filter 3.6 光隔离器与环行器 3.7 光调制器Modulators 3.8 光开光Switches 3.9 光波长转换器 3.10 光交叉互连器

36. 0  滤波器 解复用器 3.5复用器与滤波器—Multiplexer and Filter • 光滤波器 与解复用器(光波长选择器件)

37. 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

38. 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

39. 0/ 0滤波器中心波长, 信号波长.

40. 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

41. 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

42. 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。

43. 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的频带宽度。 R越大， F越窄 • 精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。 R越大，精细度越大。

44. Frequency F FSR＝C/2nd 高反射率窄带滤波器

45. 传输函数 (f) (a) FSR 输入功率 Pin(f) (b) f1 f2 f3 …………. fN 输出功率 Pout(f) (c) P1 P2 P3 …………. PN f1 f2 f3 …………. fN • DWDM系统对F-P滤波器参数的要求： • 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。 • 在DWDM中，信道间距小于1nm，所以要求F-P腔有较窄的带宽F。 精细度F要高 级联F-P腔 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

46. FSR1 腔1 f FSR2 腔2 f 级联腔 FSRT f 级联F-P腔光滤波器 • 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 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

47. 可调光纤F-P滤波器(FFP)

48. 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

49. 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