《光纖通信與數(shù)字傳輸》課件-21無(wú)源光器件-隔離器環(huán)形器光開關(guān)

光纖通信與數(shù)字傳輸?shù)诙恢v：無(wú)源光器件——光隔離器、環(huán)形器、光開關(guān)

1/151．光隔離器概念及作用概念：光隔離器是光單向傳輸?shù)囊环N非互易性器件，即光的單向器。其作用是消除光路中不連續(xù)處產(chǎn)生的反射光再次進(jìn)入對(duì)光源、光放大器以及光路系統(tǒng)中產(chǎn)生的不良影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。作用：它在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感、及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中有重要作用。光隔離器主要用在激光器或光放大器的后面。要求及主要指標(biāo)：插入損耗小(1~2dB)、隔離度大(反向衰減)(30~40dB)、飽和磁場(chǎng)低、價(jià)格便宜、體積小、便于集成分類：按構(gòu)成材料分三類：塊狀型、光纖型及波導(dǎo)型六、光隔離器與光環(huán)形器2/152．光隔離器原理組成：由起偏器、檢偏器及法拉第轉(zhuǎn)子材料所組成的法拉第旋光器等組成。光偏振(極化)：?jiǎn)文９饫w中傳輸光的偏振態(tài)(SOP：StateofPolarization)是垂直于光傳輸方向的平面上電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場(chǎng)矢量都可分解為兩個(gè)正交分量，分別稱為水平模和垂直模。法拉第轉(zhuǎn)子材料多為磁性晶體，即具有法拉第(Faraday)磁光效應(yīng)的材料(旋光材料)。當(dāng)通過(guò)受磁場(chǎng)作用的旋光材料時(shí)，偏振面要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)具有非互易性。當(dāng)平面偏振光入射到一段適當(dāng)?shù)男獠牧蠒r(shí)，如果磁場(chǎng)和光的傳播矢量平行，那么光偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角θF和磁場(chǎng)強(qiáng)度與材料厚度的乘積成正比例。六、光隔離器與光環(huán)形器3/15旋轉(zhuǎn)角θF和磁場(chǎng)強(qiáng)度與材料厚度的乘積成正比例：

θF=VHLH—磁場(chǎng)強(qiáng)度(0e)，L—材料厚度(mm)，V—維德(Verted)常數(shù)(/度0emm),(Oe：奧斯特，1A/m=4π.10-3Oe)常用的旋光材料：目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的是釔鐵石榴石(YIG-Y3Fe5O12)、鉍鐵石榴石(BIG)、和用稀土元素如釓(Gd)、鐿(Yb)部分取代釔(Y)形成的晶體。YIG：在1.15～5μm是透明的，在1.3～1.5μm吸收損耗<0.1dB，飽和磁場(chǎng)H=1300Oe

在飽和磁場(chǎng)作用下，θF＝215o(1.32μm)/θF＝15o(1.55μm),旋轉(zhuǎn)45o厚度應(yīng)為2.1mm/3.0mm，隔離度為30dB，插入損耗1~2dB，溫度特性較好。六、光隔離器與光環(huán)形器4/15圖1隔離器的工作原理5/15插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個(gè)主要性能參數(shù)，另還有回波損耗，偏振相關(guān)損耗和偏振模色散。（1）插入損耗插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號(hào)功率為Pi，經(jīng)過(guò)光隔離器后的功率為Po，則插入損耗IL為 （1）顯然，其值越小越好。3．光隔離器的性能指標(biāo)··2025/5/196/15

（2）回波損耗回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對(duì)入射光信號(hào)的衰減?；夭〒p耗RL為（2）其中，Pi為正向輸入光隔離器的光信號(hào)功率，Pr為返回輸入端口的光功率。RL值越大越好。

（3）隔離度隔離度是指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的損耗。有（3）其中，為反向輸入光隔離器的光信號(hào)功率，為反向通過(guò)光隔離器的光功率。隔離度越大越好。2025/5/19

（4）偏振相關(guān)損耗（PDL）指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其他參數(shù)不變時(shí)，器件插入損耗的最大變化量。它是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。（5）偏振模色散（PMD）指通過(guò)器件的信號(hào)光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。

注：一般情況下，光通信系統(tǒng)對(duì)光隔離器的主要技術(shù)指標(biāo)要求為：插入損耗≤1.0dB；隔離度≥35dB；回波損耗≥50dB；PDL≤0.2dB；PMD≤0.2ps。7/158/152．光環(huán)形器

概念：光環(huán)形器與光隔離起工作原理基本相同，只是光隔離器一般為兩端口器件，而光環(huán)形器則為多端口器件。如圖2所示。六、光隔離器與光環(huán)形器圖2光環(huán)形器示意圖9/15

圖3光環(huán)形器用于單纖雙向通信示意圖作用：光環(huán)形器為雙向通信中的重要器件，它可以完成正反向傳輸光的分離任務(wù)。圖3所示為光環(huán)形器用于單纖雙向通信的例子。2．光環(huán)形器端口1端口2端口3端口2反射棱鏡偏振分束立方體透鏡雙折射分離元件A雙折射分離元件B單向法拉第旋轉(zhuǎn)器相位旋轉(zhuǎn)器圖4光環(huán)行器原理圖原理：10/15環(huán)行器工作原理：雙折射分離元件A將輸入光束分離成正交偏振的尋常光線和非尋常光線。尋常光線繼續(xù)沿著其原來(lái)光路前進(jìn)，而非尋常光線則向上位移。接著單向法拉第旋轉(zhuǎn)器和相位延遲器的復(fù)合效應(yīng)使兩束光線的偏振方向反轉(zhuǎn)。由于偏振反轉(zhuǎn)，雙折射分離元件B的作用與A正好相反，它把兩束光線重新復(fù)合，在端口2輸出。光環(huán)行器的插入損耗一般為0.5～1.5dB，反射損耗和方向性均大于50dB。當(dāng)用光環(huán)行器取代隔離器(插入損耗1dB)和3dB方向耦合器用于雙向傳輸時(shí)，可使線路損耗增加4dB。11/1512/15光開關(guān)：傳輸通路中光信號(hào)通或斷或進(jìn)行光路切換作用的器件。光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。要求：插入損耗低、轉(zhuǎn)換重復(fù)性好、開關(guān)速度快、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊主要指標(biāo)：插入損耗、開關(guān)(轉(zhuǎn)換)速度(ms量級(jí))、消光比：接收機(jī)10lgP通/P斷分類：光開關(guān)一般包括兩種：機(jī)械式光開關(guān)和電子式光開關(guān)。機(jī)械式光開關(guān)可分為鏡可動(dòng)型和光纖可動(dòng)型兩種。七、光開關(guān)棒透鏡棱鏡可動(dòng)光纖光纖固定裝置反射鏡GRIN透鏡01624531×6機(jī)械式光開關(guān)圖5光開關(guān)工作原理圖13/152025/5/1914/15七、

光開關(guān)光開關(guān)特點(diǎn)：

機(jī)械式光開關(guān)的開關(guān)功能是通過(guò)機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)的。利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路切換。

優(yōu)點(diǎn)是插入