第三章第三章 光纤通信中的关键光电子器件光纤通信中的关键光电子器件光纤通信系统光纤通信系统cw72xupt.edu.cncw72xupt.edu.cncw72xupt.edu.cncw72xupt.edu.cn光信息科学与技术专业光信息科学与技术专业光信息科学与技术专业光信息科学与技术专业光纤通信系统第四讲光器课件Components and Modules in DWDM Components and Modules in DWDM NetworksNetworks DWDMThin film filtersFiber gratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux modulesAmplifiersIsolatorsTap couplersPump lasersGain equalizersAttenuatorsIntegrated amplifiersSOAsOptical SwitchesCirculatorsCouplersAdd/drop modulesSwitchingTransmissionSource lasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/Rx modulesOver 9000 Products光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件3.1 光器件概述光器件概述 作用作用作用作用: : 实现光信号的连接、能量分路实现光信号的连接、能量分路实现光信号的连接、能量分路实现光信号的连接、能量分路/ /合路、波长复用合路、波长复用合路、波长复用合路、波长复用/ /解解解解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光- -电电电电- -光转换、光转换、光转换、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光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的光信号放大、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。必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。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：类型：类型：类型：无源、有源无源、有源无源、有源无源、有源 包括：包括：包括：包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光光连接器、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、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、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、光波长转换器等开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等 发展趋势：发展趋势：发展趋势：发展趋势：集成化、全光纤化集成化、全光纤化集成化、全光纤化集成化、全光纤化光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件n n连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动活动)连接的器件，连接的器件， 主要用于光纤线路与光发射主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。其他光无源器件之间的连接。n n 接头是实现光纤与光纤之间的永久性接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定固定)连接，主要用于光纤线路的构成，通连接，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。域最基本、应用最广泛的无源器件。 连接器和接头连接器和接头光纤通信系统第四讲光器课件3.2 光连接器光连接器Connectorn n技术指标：技术指标：n n插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光插入损耗：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。功率相对输入光功率的比率的分贝数。功率相对输入光功率的比率的分贝数。功率相对输入光功率的比率的分贝数。n n回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射回波损耗：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。光相对输入光的比率的分贝数。光相对输入光的比率的分贝数。光相对输入光的比率的分贝数。n n重复性和互换性重复性和互换性重复性和互换性重复性和互换性光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件n n光光光光衰减器衰减器衰减器衰减器是用于对光功率进行衰减的器件，它是用于对光功率进行衰减的器件，它是用于对光功率进行衰减的器件，它是用于对光功率进行衰减的器件，它主要用于光纤系统的指标测量、短距离通信系统主要用于光纤系统的指标测量、短距离通信系统主要用于光纤系统的指标测量、短距离通信系统主要用于光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。光衰减器要求的信号衰减以及系统试验等场合。光衰减器要求的信号衰减以及系统试验等场合。光衰减器要求的信号衰减以及系统试验等场合。光衰减器要求重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便等。等。等。等。n n可调式光衰减器一般用于光学测量中。在测可调式光衰减器一般用于光学测量中。在测可调式光衰减器一般用于光学测量中。在测可调式光衰减器一般用于光学测量中。在测量量量量光接收机光接收机光接收机光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的输入端，用来调整接收光功率的大小。使用光的输入端，用来调整接收光功率的大小。使用光的输入端，用来调整接收光功率的大小。使用光的输入端，用来调整接收光功率的大小。使用光衰减器时，要保持环境清洁干燥，不用时要盖好衰减器时，要保持环境清洁干燥，不用时要盖好衰减器时，要保持环境清洁干燥，不用时要盖好衰减器时，要保持环境清洁干燥，不用时要盖好保护帽。移动时要轻拿轻放，严禁碰撞。保护帽。移动时要轻拿轻放，严禁碰撞。保护帽。移动时要轻拿轻放，严禁碰撞。保护帽。移动时要轻拿轻放，严禁碰撞。光纤通信系统第四讲光器课件3.3 光衰减器光衰减器Attenuatorn n根据工作原理分类：根据工作原理分类：位移型光衰减器位移型光衰减器位移型光衰减器位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器纵向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直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器（吸收模或反射模型）（吸收模或反射模型）（吸收模或反射模型）（吸收模或反射模型）衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器光衰光衰光衰光衰减器减器减器减器光纤通信系统第四讲光器课件光衰光衰光衰光衰减器减器减器减器固定光固定光固定光固定光衰减器衰减器衰减器衰减器可变光可变光可变光可变光衰减器衰减器衰减器衰减器尾纤式固定光衰减器尾纤式固定光衰减器尾纤式固定光衰减器尾纤式固定光衰减器转转转转 变换器式变换器式变换器式变换器式固定光衰减器固定光衰减器固定光衰减器固定光衰减器SCSCFCFC型、型、型、型、 FCFCSTST型、型、型、型、 SCSCSTST型、型、型、型、 SCSC型、型、型、型、FCFC型、型、型、型、STST型型型型小可变光衰减器小可变光衰减器小可变光衰减器小可变光衰减器步进可变光衰减器步进可变光衰减器步进可变光衰减器步进可变光衰减器连续可变光衰减器连续可变光衰减器连续可变光衰减器连续可变光衰减器机械型机械型机械型机械型智能型智能型智能型智能型光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件n n耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，输出，输出，输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。或把多个输入的光信号组合成一个输出。或把多个输入的光信号组合成一个输出。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，这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，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还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无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关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/ /解复解复解复解复用器。用器。用器。用器。 1. 1. 耦合器类型耦合器类型耦合器类型耦合器类型n n 图示常用耦合器的类型，图示常用耦合器的类型，图示常用耦合器的类型，图示常用耦合器的类型， 它们各具不同的它们各具不同的它们各具不同的它们各具不同的功能和用途。功能和用途。功能和用途。功能和用途。 光纤通信系统第四讲光器课件常用耦合器的类型 光纤通信系统第四讲光器课件2. 基本结构基本结构 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有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，图示发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，图示这三种类型的有代表性器件的基本结构这三种类型的有代表性器件的基本结构光纤通信系统第四讲光器课件 光纤型光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12个22耦合器组成的88星形耦合器 光纤通信系统第四讲光器课件插入损耗：插入损耗：插入损耗：插入损耗：特定的端口到另一端口路特定的端口到另一端口路特定的端口到另一端口路特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口径的损耗。如从输入端口径的损耗。如从输入端口径的损耗。如从输入端口i i到输到输到输到输出端口出端口出端口出端口j j的路径中的插入损耗为：的路径中的插入损耗为：的路径中的插入损耗为：的路径中的插入损耗为：附加损耗：附加损耗：附加损耗：附加损耗：输入功率对总的输输入功率对总的输输入功率对总的输输入功率对总的输出功率的比值。出功率的比值。出功率的比值。出功率的比值。串扰：串扰：串扰：串扰：一个端口的输入信号与散射或一个端口的输入信号与散射或一个端口的输入信号与散射或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反射回另一个输入端口的光功率间的反射回另一个输入端口的光功率间的反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以隔离度。以隔离度。以隔离度。以2 2 2 2光纤耦合器为例：光纤耦合器为例：光纤耦合器为例：光纤耦合器为例：分光比或耦合比：分光比或耦合比：分光比或耦合比：分光比或耦合比：输出端口输出端口输出端口输出端口间光功率分配的百分比间光功率分配的百分比间光功率分配的百分比间光功率分配的百分比3 3 3 3 技术指标：技术指标：技术指标：技术指标：串扰串扰串扰串扰光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件3.6 光隔离器与环行器光隔离器与环行器Isolators & Circulators Isolators & Circulators 非互易器件非互易器件非互易器件非互易器件用途：用途：用途：用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统放置于激光器及光放大器前面，防止系统放置于激光器及光放大器前面，防止系统放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。许光单向传输。许光单向传输。许光单向传输。主要指标：主要指标：主要指标：主要指标：低的插入损耗低的插入损耗低的插入损耗低的插入损耗( (对正向入射光，对正向入射光，对正向入射光，对正向入射光，1dB)1dB)高的隔离度高的隔离度高的隔离度高的隔离度( (对反向反射光，对反向反射光，对反向反射光，对反向反射光，4050dB)4050dB)原理：原理：原理：原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。光纤通信系统第四讲光器课件与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理PolarizerPolarizer PolarizerPolarizer FaradayFaradayrotatorrotator BlockedBlocked Reflect lightReflect light SOPSOPLight outLight out Light inLight in 起偏器与检偏器的透光轴成起偏器与检偏器的透光轴成起偏器与检偏器的透光轴成起偏器与检偏器的透光轴成454545450 0 0 0角，旋光器使通过的光发生角，旋光器使通过的光发生角，旋光器使通过的光发生角，旋光器使通过的光发生454545450 0 0 0旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转光轴旋转光轴旋转光轴旋转454545450 0 0 0，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转一部分光，经旋光器被旋转一部分光，经旋光器被旋转一部分光，经旋光器被旋转454545450 0 0 0 ，变成水平线偏振光，正好与，变成水平线偏振光，正好与，变成水平线偏振光，正好与，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。光纤通信系统第四讲光器课件光环形器光环形器基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：工作原理等同于隔离器，工作原理等同于隔离器，工作原理等同于隔离器，工作原理等同于隔离器，光传送顺序：光传送顺序：光传送顺序：光传送顺序：1 12 2 3 3 4 4 （三端口，四端口，多端口）三端口，四端口，多端口）三端口，四端口，多端口）三端口，四端口，多端口）主要特性：主要特性：主要特性：主要特性： 插入损耗插入损耗插入损耗插入损耗 隔离度隔离度隔离度隔离度 价格价格价格价格三端口光环行器三端口光环行器三端口光环行器三端口光环行器四端口光环行器四端口光环行器四端口光环行器四端口光环行器光纤通信系统第四讲光器课件IsolatorsIsolatorsIsolator/coupler hybridsIsolator/coupler hybrids光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件3.7 光调制器光调制器Modulatorsn n光调制器：光调制器：光调制器：光调制器：实现从电信号到光信号的转换实现从电信号到光信号的转换实现从电信号到光信号的转换实现从电信号到光信号的转换n n光调制的分类：光调制的分类：光调制的分类：光调制的分类： 从光源调制角度看，从光源调制角度看，从光源调制角度看，从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，有两种方法实现光调制，其一，有两种方法实现光调制，其一，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制而实现激光输出光强度等参数的调制而实现激光输出光强度等参数的调制而实现激光输出光强度等参数的调制- -内调制或直接内调制或直接内调制或直接内调制或直接调制调制调制调制（简单、经济、引入较大的啁啾）（简单、经济、引入较大的啁啾）（简单、经济、引入较大的啁啾）（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调；其二，将调；其二，将调；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变而变而变而变- -外调制外调制外调制外调制（调制信号啁啾小）（调制信号啁啾小）（调制信号啁啾小）（调制信号啁啾小）。 按被调制光波的参数分：按被调制光波的参数分：按被调制光波的参数分：按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振强度调制、相位调制、偏振强度调制、相位调制、偏振强度调制、相位调制、偏振调制等。调制等。调制等。调制等。光纤通信系统第四讲光器课件直接调制和外调制直接调制和外调制直接调制和外调制直接调制和外调制 Direct Modulation of Laser DiodeDirect Modulation of Laser DiodeBias + DATABias + DATAIssues - Complex Dynamics YieldIssues - Complex Dynamics Yield External Modulation of Laser DiodeExternal Modulation of Laser DiodeBiasBiasBias + DATABias + DATAIssues - Additional ComponentIssues - Additional Component光纤通信系统第四讲光器课件光源的外调制技术光源的外调制技术n n调制信号不直接施加在调制信号不直接施加在调制信号不直接施加在调制信号不直接施加在LDLD上，而是施加在光调制上，而是施加在光调制上，而是施加在光调制上，而是施加在光调制器上。器上。器上。器上。n n外调制技术分类：外调制技术分类：外调制技术分类：外调制技术分类：n n电光调制电光调制电光调制电光调制 Electrooptic Effects Electrooptic Effectsn n电致吸收电致吸收电致吸收电致吸收 Electro-Absorption Effects Electro-Absorption Effectsn n磁光调制磁光调制磁光调制磁光调制 Magnetooptic Effects Magnetooptic Effectsn n声光调制声光调制声光调制声光调制 Acoustic Modulators Acoustic Modulatorsn n其中其中其中其中电光调制和电致吸收电光调制和电致吸收电光调制和电致吸收电光调制和电致吸收最为常用。最为常用。最为常用。最为常用。光纤通信系统第四讲光器课件电光效应光调制器电光效应光调制器n n电光效应：电光效应：电光效应：电光效应：电压施加于某些电光晶体电压施加于某些电光晶体电压施加于某些电光晶体电压施加于某些电光晶体( (如如如如LiNbOLiNbO3 3 ) ) ，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。波特性发生变化。波特性发生变化。波特性发生变化。n n折射率变化折射率变化折射率变化折射率变化 n n与外加电场与外加电场与外加电场与外加电场E E有着复杂的关系，可近有着复杂的关系，可近有着复杂的关系，可近有着复杂的关系，可近似地认为似地认为似地认为似地认为 n n与与与与( (r r E E + +RR E E 2 2) )成正比。成正比。成正比。成正比。电光调制器主要利用电光调制器主要利用电光调制器主要利用电光调制器主要利用普科尔普科尔普科尔普科尔(Pocket)(Pocket)效应效应效应效应. .普科尔普科尔普科尔普科尔(Pocket)(Pocket)效应：效应：效应：效应：晶体折射率与外加电场晶体折射率与外加电场晶体折射率与外加电场晶体折射率与外加电场幅度成线形变化幅度成线形变化幅度成线形变化幅度成线形变化克尔克尔克尔克尔(Kerr)(Kerr)效应：晶体效应：晶体效应：晶体效应：晶体折射率与外加电场幅度折射率与外加电场幅度折射率与外加电场幅度折射率与外加电场幅度的平方成比例变化的平方成比例变化的平方成比例变化的平方成比例变化光纤通信系统第四讲光器课件晶体折射率随外加电场而晶体折射率随外加电场而晶体折射率随外加电场而晶体折射率随外加电场而变化。具有非常好的消啁变化。具有非常好的消啁变化。具有非常好的消啁变化。具有非常好的消啁啾特性，适合于高速系统啾特性，适合于高速系统啾特性，适合于高速系统啾特性，适合于高速系统的超长距离传输。但调制的超长距离传输。但调制的超长距离传输。但调制的超长距离传输。但调制器的插入损耗大，需要较器的插入损耗大，需要较器的插入损耗大，需要较器的插入损耗大，需要较高的驱动电压高的驱动电压高的驱动电压高的驱动电压( (典型值为典型值为典型值为典型值为4V)4V)，难以与光源集成，难以与光源集成，难以与光源集成，难以与光源集成，而且对偏振敏感。而且对偏振敏感。而且对偏振敏感。而且对偏振敏感。光纤通信系统第四讲光器课件40Gb/s LiNbO3 Modulator光纤通信系统第四讲光器课件VV /2/2VV VVt调制电压调制电压调制电压调制电压透射光强透射光强透射光强透射光强半波电压半波电压半波电压半波电压VV 是把调制是把调制是把调制是把调制器从最小光强转换到器从最小光强转换到器从最小光强转换到器从最小光强转换到最大光强所需的电压最大光强所需的电压最大光强所需的电压最大光强所需的电压电光调制的透过率电光调制的透过率( (调制器被偏置在调制器被偏置在VV /2/2点上点上) )光纤通信系统第四讲光器课件电致吸收光调制器电致吸收光调制器n n是一种是一种是一种是一种损耗器件损耗器件损耗器件损耗器件，利用，利用，利用，利用Franz-KeldyshFranz-Keldysh效应和量子限效应和量子限效应和量子限效应和量子限制制制制StarkStark效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。n nFranz-KeldyshFranz-Keldysh效应：效应：效应：效应：19581958年提出，是指在电场作年提出，是指在电场作年提出，是指在电场作年提出，是指在电场作用下半导体材料的用下半导体材料的用下半导体材料的用下半导体材料的吸收边红移吸收边红移吸收边红移吸收边红移的理论。的理论。的理论。的理论。n n原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)(MQW)的吸收的吸收的吸收的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上偏压的增加，随着调制器上偏压的增加，随着调制器上偏压的增加，随着调制器上偏压的增加，MQWMQW的吸收边移向长波长，的吸收边移向长波长，的吸收边移向长波长，的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出功率最小。功率最小。功率最小。功率最小。光纤通信系统第四讲光器课件n n使用材料：使用材料：使用材料：使用材料：III-VIII-V族半导体材料族半导体材料族半导体材料族半导体材料n n特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低（2V2V）、啁啾大于）、啁啾大于）、啁啾大于）、啁啾大于LNLN调制器（调制器（调制器（调制器（2.5Gb/s-2.5Gb/s-640km;10Gb/s-80km)640km;10Gb/s-80km)、调制码率（、调制码率（、调制码率（、调制码率（40Gb/s40Gb/s）、）、）、）、消光比低于消光比低于消光比低于消光比低于LNLN调制器（调制器（调制器（调制器（10dB10dB）40Gb/s EA Modulator40Gb/s EA Modulator光纤通信系统第四讲光器课件声光效应光调制器声光效应光调制器n n声光效应声光效应是指声波作用于某晶体时，是指声波作用于某晶体时，产生光弹性作用，使折射率发生变化，产生光弹性作用，使折射率发生变化，从而达到光调制的目的。从而达到光调制的目的。n n特点：特点：消光比高（消光比高（30dB）、驱动功）、驱动功率较低、带宽窄。率较低、带宽窄。光纤通信系统第四讲光器课件磁光效应光调制器磁光效应光调制器n n磁光效应又称为磁光效应又称为磁光效应又称为磁光效应又称为法拉第效应法拉第效应法拉第效应法拉第效应。当光通过介质传播时，若在。当光通过介质传播时，若在。当光通过介质传播时，若在。当光通过介质传播时，若在垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，其旋转角与介质长度、外磁场强度成正比。其旋转角与介质长度、外磁场强度成正比。其旋转角与介质长度、外磁场强度成正比。其旋转角与介质长度、外磁场强度成正比。n n调制原理：调制原理：调制原理：调制原理：经起偏器的光经起偏器的光经起偏器的光经起偏器的光 信号通过磁光晶体，其偏信号通过磁光晶体，其偏信号通过磁光晶体，其偏信号通过磁光晶体，其偏 转角与调制电流有关。由转角与调制电流有关。由转角与调制电流有关。由转角与调制电流有关。由 于起偏器与检偏器的透光于起偏器与检偏器的透光于起偏器与检偏器的透光于起偏器与检偏器的透光 轴相互平行，当调制电流轴相互平行，当调制电流轴相互平行，当调制电流轴相互平行，当调制电流 为零时，透过检偏器的光强为零时，透过检偏器的光强为零时，透过检偏器的光强为零时，透过检偏器的光强 最大；随着电流逐渐最大，最大；随着电流逐渐最大，最大；随着电流逐渐最大，最大；随着电流逐渐最大， 旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件3.8 光开关光开关Switchesn n实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。n n开关时间开关时间开关时间开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合是光开关的主要指标。不同的应用场合是光开关的主要指标。不同的应用场合是光开关的主要指标。不同的应用场合, ,对光开关的开关时间要求不同。对光开关的开关时间要求不同。对光开关的开关时间要求不同。对光开关的开关时间要求不同。应用应用应用应用开关时间需求开关时间需求开关时间需求开关时间需求光路的交换及管理光路的交换及管理光路的交换及管理光路的交换及管理(OADM(OADM、OXC)OXC)110ms110ms保护开关保护开关保护开关保护开关110110 mms s光包交换光包交换光包交换光包交换1ns1ns外调制外调制外调制外调制10ps10ps 消光比、插损、串话、偏振相关性消光比、插损、串话、偏振相关性消光比、插损、串话、偏振相关性消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)(PDL)也是光也是光也是光也是光开关的重要参数开关的重要参数开关的重要参数开关的重要参数光纤通信系统第四讲光器课件n n 机械光开关机械光开关n n 热光开关热光开关n n 电光开关电光开关n n 微光机电系统（微光机电系统（MOEMS） 光开关的分类光开关的分类光纤通信系统第四讲光器课件机械式光开关机械式光开关n n特点：特点：特点：特点：低插损、低低插损、低低插损、低低插损、低PDLPDL、低串话、低串话、低串话、低串话( (隔离度高隔离度高隔离度高隔离度高) )、性能稳定、性能稳定、性能稳定、性能稳定、低价格，但速度慢低价格，但速度慢低价格，但速度慢低价格，但速度慢(ms)(ms)只能用在只能用在只能用在只能用在OXCOXC和和和和OADMOADM节点中。节点中。节点中。节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关是目前最为成熟，应用最广的光开关是目前最为成熟，应用最广的光开关是目前最为成熟，应用最广的光开关活动光纤活动光纤活动光纤活动光纤光纤光纤光纤光纤光纤固定装置光纤固定装置光纤固定装置光纤固定装置光纤通信系统第四讲光器课件热光效应光开关热光效应光开关n n基本结构：基本结构：基本结构：基本结构：MZMZ干涉仪，通过改变某一干涉臂干涉仪，通过改变某一干涉臂干涉仪，通过改变某一干涉臂干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断号的通断号的通断号的通断n n特点：特点：特点：特点：可以集成、开关速度优于机械式可以集成、开关速度优于机械式可以集成、开关速度优于机械式可以集成、开关速度优于机械式（msms）3dB3dB耦合器耦合器耦合器耦合器波导臂波导臂波导臂波导臂薄膜加热器薄膜加热器薄膜加热器薄膜加热器相位移动相位移动相位移动相位移动光纤通信系统第四讲光器课件电光效应光开关电光效应光开关n nLiNbOLiNbO3 3波导型电光开关：波导型电光开关：波导型电光开关：波导型电光开关：等同于外调制器等同于外调制器等同于外调制器等同于外调制器n n特点：速度快（特点：速度快（特点：速度快（特点：速度快（10ps1ns10ps1ns）、偏振敏感、价格昂贵）、偏振敏感、价格昂贵）、偏振敏感、价格昂贵）、偏振敏感、价格昂贵n n半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器SOASOA光开关：光开关：光开关：光开关：改变改变改变改变SOASOA驱动电流来实现驱动电流来实现驱动电流来实现驱动电流来实现n n特点：速度快（特点：速度快（特点：速度快（特点：速度快（nsns）、无损开关，但引入）、无损开关，但引入）、无损开关，但引入）、无损开关，但引入ASEASE噪声噪声噪声噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵和可能导致信号畸变、价格昂贵和可能导致信号畸变、价格昂贵和可能导致信号畸变、价格昂贵光纤通信系统第四讲光器课件类型类型类型类型大小大小大小大小插损插损插损插损(dB)(dB)串话串话串话串话(dB)(dB)PDLPDL(dB)(dB)开关开关开关开关时间时间时间时间机械式机械式机械式机械式8 8 8 83 355550.20.210ms10ms热光开关热光开关热光开关热光开关 Silica SilicaPolymerPolymer8 8 8 88 8 8 81010101015153030LowLowLowLow2ms2ms2ms2ms电光开关电光开关电光开关电光开关 LiNbO LiNbO3 3 SOA SOA4 4 4 44 4 4 48 80 0353540401 1LowLow10ps10ps1ns1ns光开关性能比较光开关性能比较光纤通信系统第四讲光器课件新型光开关新型光开关MOEMSn n微光机电系统微光机电系统微光机电系统微光机电系统( (MOEMSMOEMS) )光开关是微机电系统光开关是微机电系统光开关是微机电系统光开关是微机电系统技术技术技术技术(MEMS)(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式与传统光技术相结合的新型机械式与传统光技术相结合的新型机械式与传统光技术相结合的新型机械式光开关。光开关。光开关。光开关。n nMEMSMEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长技术是基于半导体微细加工技术而成长技术是基于半导体微细加工技术而成长技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。出微小而活动的机械系统。出微小而活动的机械系统。出微小而活动的机械系统。n n采用集成电路采用集成电路采用集成电路采用集成电路(IC)(IC)标准工艺在标准工艺在标准工艺在标准工艺在S Si i衬底上制作出衬底上制作出衬底上制作出衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300300微米左右，比头发丝还细。微米左右，比头发丝还细。微米左右，比头发丝还细。微米左右，比头发丝还细。光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件3.9 光波长转换器光波长转换器n n光波长转换器（光波长转换器（光波长转换器（光波长转换器（Wavelength ConverterWavelength Converter）是是是是一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向光网络演变的一个关键性器件。它可以在光通信光网络演变的一个关键性器件。它可以在光通信光网络演变的一个关键性器件。它可以在光通信光网络演变的一个关键性器件。它可以在光通信网络中广泛地用于光交换、波长路由以及光信号网络中广泛地用于光交换、波长路由以及光信号网络中广泛地用于光交换、波长路由以及光信号网络中广泛地用于光交换、波长路由以及光信号的全光再生等。的全光再生等。的全光再生等。的全光再生等。n n光电光式光波长转换器光电光式光波长转换器光电光式光波长转换器光电光式光波长转换器n n全光波长转换器全光波长转换器全光波长转换器全光波长转换器光纤通信系统第四讲光器课件光光- -电电- -光式光波长转换器光式光波长转换器 ininReceiver/Photo diodeReceiver/Photo diodeElect. Amplifier/Elect. Amplifier/regenerator + driverregenerator + driverLaserLaserExternalExternalmodulatormodulator outout 特点特点特点特点 信号格式透明信号格式透明信号格式透明信号格式透明 转换速率可达转换速率可达转换速率可达转换速率可达10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s 可以实现消光比增强及信号再生可以实现消光比增强及信号再生可以实现消光比增强及信号再生可以实现消光比增强及信号再生 信噪比高信噪比高信噪比高信噪比高 偏振无关偏振无关偏振无关偏振无关 允许允许允许允许 in=in=in=in= outoutoutout 输入信号功率要求低输入信号功率要求低输入信号功率要求低输入信号功率要求低 技术成熟技术成熟技术成熟技术成熟 光电转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制光电转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制光电转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制光电转换线路复杂，终究要受电子瓶颈的限制光纤通信系统第四讲光器课件全光波长转换器全光波长转换器全光全光波长转换器波长转换器是是将信号从一个波长变为另将信号从一个波长变为另一个波长而不需要变换到电域，因此具有高一个波长而不需要变换到电域，因此具有高速、宽带、透明速、宽带、透明(与信号格式无关与信号格式无关)的特点。的特点。n n利用利用SOA中的交叉增益调制中的交叉增益调制(XGM)n n利用利用SOA中的交叉相位调制中的交叉相位调制(XPM)n n利用利用SOA中的四波混频效应中的四波混频效应(FWM)光纤通信系统第四讲光器课件第三章 光器件3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器CouplerCoupler3.5 3.5 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.6 3.6 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.7 3.7 光开光光开光光开光光开光SwitchesSwitches3.8 3.8 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.9 3.9 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光纤通信系统第四讲光器课件3.10 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连节点光交叉互连节点光交叉互连节点光交叉互连节点 ( ( Optical cross-connecter, OXC)Optical cross-connecter, OXC)光上光上光上光上/ /下话路节点下话路节点下话路节点下话路节点(Optical add/drop multiplexer, OADM)(Optical add/drop multiplexer, OADM)OXCOXCOADMOADM光纤通信系统第四讲光器课件上上上上/ /下话路器下话路器下话路器下话路器 Optical Optical add/drop add/drop multiplexersmultiplexersAWGAWG和光开和光开和光开和光开关结合；关结合；关结合；关结合；可以动态控可以动态控可以动态控可以动态控制网络重构制网络重构制网络重构制网络重构ADDADDDROPDROPDEMUXDEMUXMUXMUX2 2 2 2 switchswitchOADMOADM光纤通信系统第四讲光器课件OXCOXC基本结构：基本结构： 波分复用波分复用波分复用波分复用/ / / /解复用器解复用器解复用器解复用器 交叉矩阵交叉矩阵交叉矩阵交叉矩阵 波长转换模块波长转换模块波长转换模块波长转换模块addadddrop 分插复用分插复用分插复用分插复用( ( ( (上下路上下路上下路上下路) ) ) )OXCOXC光纤通信系统第四讲光器课件光纤通信系统第四讲光器课件支撑未来光网络的关键器件支撑未来光网络的关键器件未来光网络的发展很大程度上未来光网络的发展很大程度上是基于光器件的创新是基于光器件的创新光子集成工艺的突破将引起大光子集成工艺的突破将引起大规模的光器件创新规模的光器件创新 光交叉器件光交叉器件 可调谐器件可调谐器件 宽带光纤放大器宽带光纤放大器 新型高速光信号处理器件新型高速光信号处理器件光纤通信系统第四讲光器课件