光波导理论与技术_第六章.

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1、第六章 无源光器件 光纤连接器 光耦合器 光波复用、解复用器 光调制器 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器 6.1 光纤连接器 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于 0.5dB 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。 光纤连接的损耗 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗； 光纤端面形状畸变引起的损耗 光纤结构参数失配引起的损耗 光纤连接器的损耗 光纤的连接损耗（插入损耗） 两光纤相对位置偏离引起的损耗 横向偏移: d 2a 连接损耗取决于偏移量和纤芯直径之比 。 梯度光纤 ： 阶跃光纤 ： 多模梯度光纤可简化成： 单模光纤的传输模场近似为高斯分布时，可简

2、化成 ： 例： 多模光纤 2a=50m，=1%，要求连接损耗 Ld 0.1dB， 则横向错位d 3 m。 单模光纤 2a=10m，=0.3%，要求连接损耗 Ld 0.1dB ，则横向错位d 0.8 m。 w是模场半径 角度偏移 阶跃多模光纤倾斜损耗： 梯度多模光纤倾斜损耗： 单模光纤倾斜损耗： 当要求 L 0.1dB 时， 多模光纤 0.7， 单模光纤 0.3。 纵向偏移，两连接光纤端面间有间隙，只有部分能 量进入接受光纤 阶跃多模光纤端面间隙损耗： 单模光纤端面间隙损耗： S 光纤端面形状畸变引起的损耗 阶跃多模光纤端面间隙损耗： 21 x x2x1 光纤结构参数失配引起的损耗 两光纤直径不

3、同引起的连接损耗，设多模光纤发 射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有： 两单模光纤： 两光纤数值孔径不同引起的连接损耗： 两光纤折射率分布不同引起的连接损耗 设多模光纤发射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a 2 ，则有： 连接器端面接触形式 a) 平面接触形：简单、低成本，反射波明显，影 响性能 b) 物理接触型：球面接触，减少反射 c) 有倾角物理接触型：端面法线与轴线有倾角， 进一步减少反射 6.2 光耦合器 全光纤耦合器原理 q 拼接法（磨抛法）：关键是控制光纤包层磨抛量 优点：通过改变光纤拚合角度和磨抛量调整耦合强弱。 缺点：热和机械稳定性差 q 熔锥法：严格控制拉锥长度、熔区形状

4、、锥体光滑 度。对输出光功率在线控制，性能好，成本低。 设：两耦合波导相同 第二波导输入端振幅为零，两波导z 处的光功率为： 耦合比与拉伸长度有关，到第九个周期附加损耗达到0.5dB 不同长度可改变耦合波导 输出功率比 耦合器分类 全光纤型： 在锥形区变细处，高阶模入射角超出临界角，经纤 芯包层边界进入包层，成为包层模在包层中传输 ，锥形区又变粗后高阶模又重新耦合进纤芯成为导 模。 由于锥形区包层相同，因而高阶模功率均匀分配到 两根光纤的输出。 低阶模在纤芯中传输。 总分光比取决于锥形耦合区长度和包层厚度。 作用：将N个输入功率复合后再平均分配到M个输 出端口。用熔锥法形成，适合于多模光纤；

5、耦合特性对模式敏感，输出端口功率变化大； 用单模光纤难于精确调整多根光纤间的消逝场。 基于22耦合器级联的N N星型耦合器 微型元件型： 集成光波导型： 光源与光纤的耦合 6.3 光滤波器 用于波分复用技术 基于干涉原理的滤波器： Fabry-Perot滤波器、 马赫曾德尔滤波器、 多层介质膜滤波器； 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。 1.Fabry-Perot滤波器 结构：两平行介质板，内 表面为镀高反射膜的镜面 ，反射系数各为 r1, r2， 透射系数各为 t1, t2。 透射波由幅振幅为At1， At2 At3

6、- 光束组成。 每束透射波比前束相位延迟 ，振幅 减小，须乘因子 r1r2 。 令 ： 则 ： 透射光幅振幅： 设 ： 则功率反射和透射系数各为 ： 输出光强 ： 定义F-P腔功率传输系数为 ： 则 ： 存在透射率为最大的峰值 波长0或峰值频率0； 峰值波长或频率等间隔排 列，谐振峰间的波长或频 率间隔： 峰值波长或频率在谐振腔 中形成驻波，驻波的数量 为N； N为整数 自由谱区FSR( Free Spectral Range ) 相邻 两谐振频率间隔， 3dB带宽F 传输系数 降为最大值的一半所对应 的频带宽度。 锐度（精细度）： F = FSR / F 无损耗时： 用于波分复用的解复用器

7、选频，但输入信号带宽不 能大于FSR； 激光器的纵模 气体激光器由两反射镜构成 谐振腔，半导体激光由半导 体晶体的解理面作为反射镜 构成谐振腔，谱峰与谐振级 次对应； 纵模数量： 窄带激光器必定是单纵模的 ； 动态单模激光器：调制后仍 能保持单纵模状态的激光器 ，如分布反馈激光器DFB（ Distributed-FeedBack Laser diode），在谐振腔长度方 向制作一个布拉格光栅，起 选频作用。 光纤F-P 滤波器 光纤波导腔，腔长厘米 到米量级 空气隙腔，腔长小于10 微米 改进型波导腔，腔长 100微米到厘米量级 2.马赫曾德尔滤波器（Mach-Zehnder ） q 马赫曾德

8、尔干涉仪 HM：半透半反镜 M：全反射镜 光路1的光程：S1=nL1 光路2的光程：S2=nL2 光路1的相位变化： 光路2的相位变化： 设半透半反镜两个方向的振幅反射率分别为： 振幅透射率为： A1 Bout Aout B1 P1P2 HMHM M M光路1 光路2 若只有一个通道输入，即B1 = 0，则Aout输出光强度为： q 输出光强是波长倒数的周期 函数，具有滤波功能； q 滤波峰值波长为： （N=0,1,2,- - -） 式中 马赫曾德尔光纤滤波器 功能：分裂输入光束；引进相移；重组信号：一输出端 为相加性干涉，另一输出端为相消性干涉，信号只在一 个输出端出现。 设两个不同波长的光

9、波从1端输入，据耦合理论： 干涉仪两臂引入的相位差： 测量臂 参考臂 d 如果从1端输入的1 和2 满足 ： 则有 ： 在L一定的情况下允许的最小频率间隔为 ： 在最小频率间隔一定的情况下允许的L为： 最小频率间隔一定，用级联 MZ 扩展输出 22石英MZ ， n=1.5， 频率间隔为10GHz（1550nm处，=0.08nm）L=10mm； 频率间隔为130GHz（ =1nm），L=0.77mm 3.薄膜干涉滤波器 若膜层厚度为 /4，当垂直 入射时，波长为 的入射 光在每层的反射光产生相 位差（反相），反射波与入 射波相互低消，波长为的 波不被反射而透射滤波 ，用于防反射镀层。 如果膜层厚

10、度为 /2，则反 射光将相干加强高反射 镜。 斜入射时，用矩阵表 示各界面上的入射波 、反射波、透射波的 边界条件，由干涉矩 阵求解。 4.光栅滤波器 光栅方程： 光栅衍射特点： 一个波长对应一个极大值 ； 衍射角与波长成正比； 衍射谱线均匀排列； 角色散本领： 只考虑界面表面的反 射，未曾考虑光波在 介质内部的传播。 光波在介质内的衍射 散射：在折射率均匀的介质中存在尺度小于波长的物体， 且折射率与介质不同，则产生散射； 若散射体成等间距的规则排列，散射光就会沿一定方向形 成波面； 衍射光栅：线状散射体按周期并行排列； A点和B点散射的柱面波满足下式条件时，形成新波面： 设光栅矢量的方向为m

11、 增大方 向，幅值为： 光栅方程可表示成： 当垂直入射 i = 0时，m级衍射光的衍射角m 为： 衍射角与波长有关，广谱光源入射时，不同波长的光将被 分离，短波长光衍射角小，长波长光衍射角大； 若散射体不是线状的，而是等间隔分层面状结构，且各层 反射光很弱，可以忽略层之间的多次反射，只考虑菲涅耳 反射，即反射角等于入射角，则反射光相互加强的条件为 ： 布拉格反射条件：与衍射波长 对应的入射角是特定角 与光栅方程一致 衍射光栅的在光纤中的应用 q 衍射在成像平面上出现离散 的主极大，其位置与衍射角 和离光栅平面距离有关； v 用栅距d = 5m 的光栅分离 光纤中传输的1540.56nm和 15

12、41.35nm两个波长，如何 配置接收光纤？ v 光栅能获得多大角分离？ v 衍射光栅离光纤端面多远？ 根据光纤的角色散： 计算角分离： 设接收光纤是常规的单模光纤，包层的直径为245 m ，接 受两个波长的光纤中心间距至少等于直径。 衍射光栅离光纤端面的距离至少应满足： 衍射光栅离光纤端面的距离与衍射角的关系有： 8信道波分复用于解复用器件的典型封装尺寸： 25020020（mm） 解决途径：用光学器件缩小距离 谐振腔+光栅 自聚焦+光栅 普通透镜+光栅 5. 可调谐滤波器 q 具有动态改变选择波长能力，动态范围 法布里玻罗可调谐滤波器 优点：动态范围宽，调谐速度快，低偏振相关损耗。 缺点：

13、稳定性稍差，边瓣压制比低。 光栅调谐滤波器 衍射光栅：改变 角 优点：宽动态范围 光纤布拉格光栅 改变光栅周期（力、热） 优点：低损耗，易耦合 ，窄的通带，高分辨率 。 缺点：动态范围窄 介电薄膜多腔滤波器 通过倾斜或滑动滤波器 ，改变光线经过滤波器 的光程，产生相位差； 优点：低偏振相关损耗 电光调制 电光效应：晶体具有电各向异性（双折射），在外电场 的作用下，折射率发生变化，改变光波传输常数。 横向电光调制：电场与光的传播方向垂直。 起偏器使输入光波偏振方向与y和z轴方向成45 ，经过 晶体后y和z两偏振分量产生相位延迟，延迟量与外加电 压成正比。 体调制器： 调制电压高 ，体积大。 马赫

14、曾德尔可调谐滤波器 优点：快速（几十ns），可用金属印制方法制造 电光可调谐滤波器 光栅：锂酸铌LiNbO3 材料的电光效应：晶体的折射率 与外加电场幅值成线性变化 指状电极使折射率周期变化，产生光栅效应，改变电 压可以改变光栅周期。 马赫曾德尔干涉仪调谐选频。 声光可调谐滤波器 由声波建立布拉格光栅，滤波器使TE波和TM波互相 转换； 谐振条件： q 可调谐滤波器主要参数： q动态范围（ ） nm q带宽（BW）nm q可分辨信道数 q调谐速度（s） q损耗或插入损失（dB） q偏振相关损耗PDL（dB） q边瓣压制比SSR（dB）：第一边峰与主峰功率比 q分辨率nm：能检测的最小波长偏移

15、阵列波导光栅 ( Array waveguide grating) 实现波分复用/ 解复用的器件:棱镜、干涉性滤波片 、全息光栅、光纤耦合器、光纤光栅、刻槽光栅、 多模波导干涉器件、马赫- 曾德干涉器件、声光可 调滤波器、波导光栅等. 阵列波导光栅(AWG) 型波分复用/ 解复用器,设计简 单、制造成本低、性能优越，集成度高,一块基片上 可将几十甚至上百路光信号耦合或分离出来,成为 DWDM 系统的首选技术. 阵列波导光栅(AWG) q 由三部分构成： 输入/输出波导； 平板波导； 阵列波导。 q 整体集成在一个芯片内。 q 阵列波导：其有效折射率为nc，相 邻波导有固定长度差L，则经过阵 列波导的光波产生与波长相关的相 移为