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标题: 光耦合器件 [打印本页]

作者: lczhy00001 时间: 2004-1-19 20:26
标题: 光耦合器件

无源器件的发展方向之一----集成光学

1969年贝尔实验室的S.E.Miller首次提出光集成的概念，经过20多年的发展，取得了长足的进展。特别是近十年来，光通信向高速率、大容量的方向发展，对于光集成器件的要求越来越迫切；同时，随着半导体制作技术的飞速发展，光集成器件不断涌现，有些器件已逐步成熟，开始从实验室走向实用化。可以预期，光集成器件将在光通信、光交换、光传感等领域大量使用，新的集成度更高的器件将逐渐取代现有的分立元件。
什么是集成光学？集成光学是指各种光器件和光波导器件的集成技术，即采用各种半导体工艺，在某种基片上制作出光器件和光波导器件，简称PIC。与光集成相对应的是光电集成，光电集成是指将光电子器件（激光器、发光管、探测器）与电路（驱动器、前置放大器）集成在同一半导体基片上构成的单片光电集成器件，简称OEIC。
光集成和光电集成目前一方面朝着各自的领域在深入和发展，另一方面这两种技术又正在互相靠拢和汇合。在新的、大量的光集成和光电集成器件不断出现的时候，能同时进行光信号处理和电信号处理的光电集成器件也开始研制出来。
光波导是光集成的核心。大部分集成光器件，如光相位调制器、光强度调制器、光开关、波导型的光耦合器、波分复用器、偏振分束器、光滤波器、微透镜等等，都是以光波导为基础的。各种光集成的结构，都是围绕光波导而展开的。
光波导是为光波的传播所规定的通道。光集成中的光波导是用溅射、镀膜、扩散、光刻或离子注入等半导体工艺在某种衬底上（如LiNbO3、LiTaO3、GaAlAs、Si单晶、玻璃）加工出适合于某种波长的光输的通道。
这种波导可以与器件或光纤相连接。波导的折射率是可以控制的，利用电光、磁光、声光、热光效应可以调节折射率的变化，从而实现对入射光的相位、强度、偏振、方向、波长的控制。可见，光集成是离不开光波导的，只有设计制作出合格的光波导，才能集成出各种各样的光器件。

一、光耦合器件

光耦合器coupler是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。
目前，光耦合器已形成一个多功能、多用途的产品系列。从功能上看，它可分为光功率分配器splitter以及光波长分配（合/分波）耦合器WDM coupler；从端口形式上划分，它包括X形（2*2）耦合器，Y形（1*2）耦合器、星形（N*N，N2）耦合器以及树形（1*N，N2）耦合器、星形（N*N，N2）耦合器以及树形（1*N，N2）耦合器等；从工作带宽的角度划分，它分为单工作窗口的窄带耦合器standard coupler、单工作窗口的宽带耦合器wavelength flattened coupler，简称WFC，和双工作窗口的宽带耦合器wavelength independent coupler，简称WIC。另外，由于传导光模式的不同，它又有多模耦合器和单模耦合器之分。
一般技术参数：
1．插入损耗
2．附加损耗
3．分光比
4．方向性
5．均匀性
6．偏振相关损耗
7．隔离度
集成化是未来光纤通信发展的必然趋势，集成光学在通信器件方面的应用会越来越广泛。利用平面光波导原理制作的光耦合器具有体积小、分光比控制精确、易于大批量生产等特点，尤其适用于制作多路均分（例如64路以上）的树形和星形耦合器。目前其技术尚在发展、完善之中。

波导型光耦合器
波导型光耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光耦合器件。其关键技术不仅包括波导结构的制作，还必须考虑到器件与传输线路的耦合。
目前广泛采用的制作介质光波导的方法是，在铌酸锂LiNbO3等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成所需的波导结构。单模波导与单模光纤的耦合则有端面直接耦合和通过迅衷场的表面耦合等基本方法。
优点：
1．体积小，重量轻，易于集成。这是这种器件最重要的优点之一。一般来讲，波导型器件的尺寸仅为相应光纤型器件的几分之一或更小，而且制作光波导采用的是与集成电路相似的工艺，可以非常方便地与其他的光电元器件集成在一起，组成功能组件。这是符合未来集成光学的发展趋势的。
2．机械及环境稳定性好。
3．耦合分光易于精确控制，在母板定形后，可以进行在批量生产。
4．易于制成小型化的宽带耦合器件。
尚存在的几个问题：
1．解决与传输光纤的耦合技术。
2．技术尚不完善，尤其在商品化方面，还需不断努力。
3．波导制作工艺需要投入价格昂贵的设备，在目前集成光学并未成为通信技术的主流、且多分路器件还未大量应用情况下，波导型耦合器的优越性并未充分显现。
4．由于制作波导母板的成本较高，非批量的生产往往得不偿失。
5．对于较少路数（N8）的耦合器，熔融拉锥型具有更低的损耗。

在光无源器件的应用中，光耦合器也已成为仅次于光连接器的最重要的一类器件，而且随着光纤通信、光纤传感技术、光纤CATV、局域网、光纤用户网以及用户接入网、精密测试系统等的迅速发展，对光耦合器的需求会进一步增大。
在迅速膨胀的光耦合器市场中，多路数的树形及星形耦合器将变得越来越重要，这是因为光耦合器用量最大的各种光纤网络（包括CATV、局域网、光纤用户网及用户接入网等）用户数的增多。为适应这种情况，一方面需要能获得大功率的激光源，另一方面要不断在增加耦合器路数的同时，进一步降低附加损耗、减少器件体积、并提高使用可靠性。这些方面，随着波导型耦合器技术的日臻完善，其优越性将逐渐显示出来。
器件性能宽带化，因为技术成本的逐渐降低和工程上的需要，将成为对下一代光耦合器的基本要求。目前，熔融拉锥型和波导型耦合器都可以做成宽带，但从批量生产的角度、从宽带树形和星形耦合器的角度来看，波导型器件将具有优势。另外，下一代光耦合器还应逐渐与集成光学的发展接轨。
综上所述，未来的光耦合器件将是宽带的、集成化的（包括无源集成和与有源器件的集成）、低损耗、易接入的器件。

二、光开关
光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。
根据工作原理，光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关靠光纤或光学元件移动，使光路发生改变。它的优点是：插入损耗较低，一般不大于2dB；隔离度高，一般大于45dB；不受偏振和波长的影响。不足之处是：开关时间较长，一般为毫秒数量级，随着传输速度的增加将明显影响运行速度，有的还存在回跳抖动和重复性较差的问题。非机械式光开关则依靠电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变，它是近年来非常热门的研究课题。这类开关的优点是：开关时间短，达到毫微秒数量级甚至更低；体积小，便于光集成或光电集成。不足之处是插入损耗大，隔离度低，只有20dB左右。

波导型光开关
某些材料，如晶体或高分子聚合物，在电场、磁场、声波或热的作用下，其折射率或介电常数将发生变化，人们利用这种产生的电光、磁光、声光或热光效应，可以实现光的开关、调制或模式转换功能，做成波导型光开关。其工作原理与波导型调制器完全相同。
特别是用铌酸锂单晶的电光效应做成的光开关，采用马赫-泽德效应。

作者: lczhy00001 时间: 2004-1-30 23:23
标题: 光耦合器件
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作者: sundown 时间: 2012-11-9 15:52
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作者: xianlingyue 时间: 2012-12-3 15:42

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