第3章光纤通信器件
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3.3.3 布拉格(Bragg) 光栅滤波器
§布拉格(Bragg)光栅由间距为 的一列 平行半反射镜组成, 称为布拉格间距,
如图3.3.9所示。 § 如果半反射镜数量N(布拉格周期)足够
大,那么对于某个特定波长的光信号,从 第一个反射镜反射出来的总能量约为入射 的能量,即使功率反射系数R很小。
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耦合器基本结构
T形耦合器是一种 3 端耦合器或 2×2 耦合器,它的功能是把一根光纤输 入的光功率分配给 2 根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分 路器或功率组合器,或局域网终端的光输入或光输出耦合器。 星形耦合器是一种 NN 耦合器,它的功能是把 N 根光纤输入的光功率 组合在一起,并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功 率分路器或功率组合器。
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如果半反射镜数量N(布拉格周期)足够大,那 么对于某个特定波长的光信号,从第一个反射镜 反射出来的总能量约为入射的能量,即使功率反 射系数R很小。 该特定波长强反射的条件是:
布拉格 光栅的 基本特 性就是 以共振 波长为 中心的 一个窄 带光学 滤波器 该共振 波长称 为布拉 格波长
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图3.3.5
F-P滤波器的传输特性
它具有 多个 谐振 峰, 每两 个谐 振峰 间的 频率 间距 为自 由光 谱区 FSR
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光纤FF-P调谐滤波器
每两个谐振峰间的频率间距FSR为:
式中, n是构成F-P滤波器的材料折射率,L是谐振腔长度。 FSR就是滤波器的自由光谱区。 假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过,如 图3.3.5(c)中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰, 所以只有fj = f1的信道才能通过滤波器,而其它信道被抑制 了。
§ 通常微反射镜的尺寸只有140m150m,驱动力 可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。
§ 这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右)、 对偏振不敏感、成本低,其开关速度适中(约5ms), 插入损耗小于1 dB。
§ 光纤法布里-珀罗(FF-P)干涉滤波器,如 图3.3.3所示,光纤端面本身就充当两块平行 的镜面。
§ 如果将光纤(即F-P的反射镜面)固定在压 电陶瓷上,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,同样可以 从复用信道中选取所需要的信道。
§ 这种结构可实现小型化。
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3.4.3 阵列波导光栅(AWG) 复用/解复用原理
这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差L,如图 3.4.3所示。输入光从第一个星形耦合器输入,该耦合 器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每 一个波导,由于阵列波导中的波导长度不等,相位延 迟也不等,由式(1.2.8)和式 (1.3.17)可知, 其相 邻波导间的相位差为:
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微机电系统
§ 微 机 电 系 统 (MEMS , Micro-Electro-Michanical Systems) 构 成 的 微 机 电 光 开 关 已 成 为 DWDM 网 中 大容量光交换技术的主流。
§ 它是一种在半导体衬底材料上,用传统的半导体 工艺制造出可以前倾后仰、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。
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•耦合器的光学特性参数
•1、插入损耗(Insertion Loss,IL) • 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
•Pin
•Coupler
•ILi=
-10×lg•Pouti •Pin
•Pou
t1
•Pout2
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•2、分光比(Coupling Ratio,CR) • 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
•Pin
•Coupler
•Pouti •CR=
•×100%
•∑Pout
•Pou
t1
•Pout2
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3.3 可调谐光滤波器
§ 可调谐光滤波器是一种波长(或频率) 选择器件,它的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。
§ 光频滤波根据其基理可分为干涉型、衍 射型和吸收型三类,每一类根据其实现 的原理又可以分为若干种;
光纤法布里-珀罗(FF-P)干涉滤波器
间隙型FF-P滤波器 内波导型FF-P滤波器
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光纤FF-P调谐滤波器的基本物理机理
§与1.3.3节讨论过的光多次干涉和 谐振特性类似。
§对于无源F-P滤波器,因为滤波 器只能允许满足谐振腔单纵模传 输的相位条件的频率信号通过, 所以传输特性与波长有关。
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对连接器的要求
§ 连接损耗(插入损耗)小; § 回波损耗大; § 多次插拨重复性好; § 互换性好; § 环境温度变化时,性能保持稳定; § 并有足够的机械强度; § 因此,需要精密的机械和光学设计和加工装配,
以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配, 并保特适当的间隙。
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图3.1.1 连接损耗的机理
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图3.1.1 连接损耗的机理
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图3.1.2 活动连接器结构和特性
连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。 光纤插针的端面有平面、球面(PC)或斜面(APC, Angled Physical Contact)。 对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微 孔结构、三棒结构或多层结构。 因此, 连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固 定效果最好,又适合大批量生产,得到了广泛的应用,如图3.1.2(b)所示。
AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理 (见3.3.2节),即两个相干单色光经过不同的光程传 输后的干涉理论。 所以输出端口与波长有一一对应的关系,也就是说, 由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后, 依波长的不同就出现在不同的波导出口上。
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3.6 光开关
光开关的功能是转换光路,实现光信号 的交换。 对光开关的要求是插入损耗小、串音低、 重复性高、开关速度快、回波损耗小、 消光比大、寿命长、结构小型化和操作 方便。
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3.3.1 法布里珀罗 (FP)滤波器
§ 基本法布里-珀罗干涉仪(F-PI)(见图3.3.2) 由两块平行镜面组成的谐振腔构成,一块镜面 固定,另一块可移动,以改变谐振腔的长度。 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,图中略去输入和输出光纤及 透镜系统,而集中讨论腔体本身。由光纤输入 的光经过谐振腔反射一次后,聚焦在输出光纤 端面上,借助改变谐振腔的长度达到从波分复 用信道中选取所需信道的目的。
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图3.3.11 光纤光栅带通滤波器
利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性, 可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器 如果在一个22光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同 样的布拉格光栅,则还可以构成带通滤波器
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•3.4.1 棱镜波分复用/解复用器件
波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长的发射机输出 的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能 与波分复用器正好相反。 棱镜对不同波长的光有不同的折射角,当这些分开的光从棱 镜进入空气时,又一次发生折射,从而进一步把复用光束分 开,完成解复用。
§ 马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉滤波器由两 个3 dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪, 干涉仪的两臂长度不等,光程差为L 。
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图3.3.7 马赫-曾德尔干涉滤波器
§ 马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相 干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
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布拉格光栅
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图3.3.10 光纤布拉格光栅
强激光辐照掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的 空间分布发生相应的变化,变化的大小与光强成线 性关系。如用特定波长的激光干涉条纹(全息照相) 从侧面辐照掺锗光纤,就会使其内部折射率呈现周 期性变化, 就象一个布拉格光栅,成为光纤光栅
的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类 型,通常有 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC 和 ST/PC 型等。
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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
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3.2 耦 合 器
耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多 个或一个光输出。 耦合器对线路的影响是附加插入损耗,可能还 有一定的反射和串音。 选择耦合器的主要依据是实际应用场合。
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F-P滤波器的精细度F
它决定滤波器的选择性,即能分辩的最小频率差, 从而也决定所能选择出的最大信道数。 精细度的概念与F-P干涉仪理论中的相同。假如谐振 腔内部损耗忽略不计,则精细度由镜面反射率R决定
假设两个镜面的R相等, 此时:
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3.3.2 马赫-曾德尔(MZ)滤波器
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3.4.2 衍射光栅解复用器
输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上; 光栅对不同波长光的衍射角不一样,从而把复合信号 分解为不同波长的分量; 然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。
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图3.4.2 光栅型解复用器
§ (a)透射光栅 (b)普通透镜反射光栅 § (c)渐变折射率透镜反射光栅
图3.3.7 M-Z 干涉滤波器
§ 为两臂长度差产生的相位差 § 式中n是波导折射率指数 § 复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条
件下,在两个输出光纤中的一个相长干涉,而 在另一个相消干涉。 § 如果在输出端口3, 满足相长条件,满足相消 条件,则输出光;如果在输出端口4, 满足相 消条件, 满足相长条件,则输出光。