光纤无源及有源器件

《光纤无源及有源器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤无源及有源器件（148页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章第六章 光纤无源及有源器件光纤无源及有源器件 2 光器件：光器件： 光通信网络的基础光通信网络的基础 3 光无源器件光无源器件 定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅 4 光有源器件光有源器件 定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件 半导体光源 (LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,P

2、IN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM) 光调制器（EA） 光开关/路由器 5 光器件与电器件的类比光器件与电器件的类比 6 光器件的应用光器件的应用 多波长光源 DWDM 光调制器 光隔离器 光耦合器 光波长转换 光放大 DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器 光波长转换 OADM DWDM 光隔离器 光环行器 光开关 可调谐滤波 DWDM OXC 光耦合器 光调制解调 6.1 6.1 自聚焦透镜自聚焦透镜 8 球透镜与自聚焦透镜球透镜与自聚焦透镜 1、均匀折射率分布材料 2、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像

3、 3、通过非球面来克服像差， 提高成像质量 1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像 3、通过优化折射率分布， 提高成像质量 9 自聚焦透镜自聚焦透镜 应用：无源器件的耦合系统、复印机、传真机、计算机光盘系统、摄影物镜、 显微物镜、医用内窥镜等方面。 10 自聚焦透镜的基本特征自聚焦透镜的基本特征 n n 平方率折射率分布平方率折射率分布 n n 光线轨迹为光线轨迹为coscos或或sinsin曲线曲线 n n 从一点发出的不同角度的光线将会聚于另一点从一点发出的不同角度的光线将会聚于另一点 ，形成，形成“ “自聚焦自聚焦” ” n n 具有独到特点：具有独到特点： 体积小

4、、平端面体积小、平端面 超短焦距超短焦距 组合透镜成像特性组合透镜成像特性 可以弯曲成像可以弯曲成像 11 直角坐标系中的射线方程直角坐标系中的射线方程 12 13 14 光线的传播轨迹光线的传播轨迹 15 透镜传输矩阵透镜传输矩阵 q ds dx dy dz 16 近轴子午光线近似近轴子午光线近似 17 透镜传输矩阵透镜传输矩阵 18 矩阵光学符号公约矩阵光学符号公约 (1)原点:顶点、主点或焦点 (2)线段:以原点为基点,顺光线传播方向为正,反之为负; (3)角度:以光轴或端面法线为基轴,从基轴向光线转动, 顺时针为负,逆时针为正; (4)标记:在成象图中出现的几何量(长度和角度)均取绝

5、对值,正量直接标注,负量冠以“-号之后标注。 19 透镜成像矩阵透镜成像矩阵 20 总成像矩阵总成像矩阵 利用透镜传输矩阵S进行简化: 21 GRINGRIN透镜的成像（透镜的成像（I I） 22 GRINGRIN透镜的成像（透镜的成像（IIII） 23 GRINGRIN透镜的成像（透镜的成像（IIIIII） 24 GRINGRIN透镜的成像（透镜的成像（IIIIII） 25 GRINGRIN透镜的成像（透镜的成像（IVIV） 26 GRINGRIN透镜的成像（透镜的成像（V V） 27 透镜成像性质透镜成像性质 170170129129页表页表6.26.2 28 GRINGRIN透镜的应用：

6、准直透镜的应用：准直- -聚焦聚焦 29 0.25P lens:on axis0.25P lens:on axis 30 0.25P lens0.25P lens：off axisoff axis 双光纤准直器双光纤准直器, ,波分复用器件波分复用器件 31 GRINGRIN透镜的应用：光源耦合透镜的应用：光源耦合 32 0.23P lens0.23P lens：angle compressangle compress 33 0.29P lens：facula compress 34 自聚焦透镜的重要特性自聚焦透镜的重要特性 n重要性能参数： 焦距：f = -1/n0A1/2sin(A1/2L

7、) 聚焦参数：A = 2D/a2 数值孔径：NA = n0(2D)1/2 节距：P = 2p/A1/2 n成像特性：与透镜长度有关： 1/4 节距透镜 1/2 节距透镜 0.23节距透镜 0.29 节距透镜 35 GRINGRIN透镜的应用：准直透镜的应用：准直- -聚焦聚焦 36 0.25P lens:on axis0.25P lens:on axis 单光纤准直器单光纤准直器, ,光无源器件光无源器件 37 0.25P lens0.25P lens：off axisoff axis 双光纤准直器双光纤准直器, ,波分复用器件波分复用器件 38 GRINGRIN透镜的应用：光源耦合透镜的应用

8、：光源耦合 39 0.23P lens0.23P lens：angle compressangle compress 40 0.29P lens：facula compress 41 自聚焦透镜的重要特性自聚焦透镜的重要特性 n重要性能参数： 焦距：f = -1/n0A1/2sin(A1/2L) 聚焦参数：A = 2D/a2 数值孔径：NA = n0(2D)1/2 节距：P = 2p/A1/2 n成像特性：与透镜长度有关： 1/4 节距透镜 1/2 节距透镜 0.23节距透镜 0.29 节距透镜 6.2 6.2 光纤定向耦合器光纤定向耦合器 43 6.2.1 6.2.1 耦合器的基本知识耦合器

9、的基本知识 44 耦合器的分类耦合器的分类 45 6.2.2 6.2.2 耦合器的工作原理耦合器的工作原理 两光纤的纤芯很接近时，光场导致两光纤的纤芯很接近时，光场导致 介质极化，模场互相渗透，发生耦合介质极化，模场互相渗透，发生耦合 46 平行光纤之间的耦合平行光纤之间的耦合 n耦合波方程组： dR/dz- jdR = -jKS; dS/dz+ jdS = -jKR Am=R exp(-jdz); An= S exp(jdz) n失谐系数：d=(bn-bm)/2 n耦合系数: K 47 耦合波方程组的解耦合波方程组的解 边界条件边界条件:R(0)=1,S(0)=0:R(0)=1,S(0)=0

10、 48 两参数相同光纤的耦合两参数相同光纤的耦合 d=0，R2(z)=cos2(Kz) S2(z)=sin2(Kz) n耦合长度 ： Lc=p/2K n耦合系数 ： 2a 2a d n2 n1 n2 n1 n2 可以通过控制平行光纤的长度以及两光纤间距来控制耦合比 49 耦合长度耦合长度 n耦合长度定义为对于确定波长的光信号功率从一 根光纤100%耦合进入另一根光纤的最小长度。 n光信号功率耦合的强弱以及耦合长度取决于两光 纤纤芯的间距，间距越大耦合耦合长度就越长。 n耦合长度与传输的波长也紧密相关！不同波长的 光具有不同的耦合长度。 耦合长度的波长相关性 50 相同波长光信号耦合相同波长光信

11、号耦合 R(0)=1,S(0)=0R(0)=1,S(0)=0 d=0， R2(z)=cos2(Kz) S2(z)=sin2(Kz) 耦合长度耦合长度: : L Lc c = =p/2p/2K K 功率功率100%100%耦合耦合 P1P1 P2P2 P3P3 P4P4 51 光互易定理光互易定理 当耦合器的参数相同时 (1)相同波长间的耦合总是会引入3dB(50%)损耗 (2)不可能利用光纤耦合器将两个光纤的相同波长光 信号功率耦合到同一根光纤之中！ 52 不同波长光信号的耦合不同波长光信号的耦合( (分波分波) ) 两个波长从输入端口两个波长从输入端口P1P1输入输入, ,分别在输出端口分别

12、在输出端口P2,P3P2,P3输出输出 1 1 2 2 1 1 2 2 P1P1 P2P2 P3P3 53 不同波长光信号的耦合不同波长光信号的耦合( (合波合波) ) 两个波长从两个波长从P1, P4P1, P4端口输入端口输入, ,在同一个输出端口在同一个输出端口P2P2输出输出 1 1 2 2 1 1 2 2 P1P1 P2P2 P4P4 54 光纤耦合器光纤耦合器WDMWDM (1)对EDFA注入光功率（泵浦光信号光） (2)对简单的 WDM系统作波长分离 (3)对DWDM系统增加管理信道 55 1XN 1XN 耦合器耦合器 56 Tap Tap 耦合器耦合器 n从主干线传输光信号功率

13、中分出一小部分 光功率供监控等应用； n典型分光比 : 99:1 或 1% tap耦合器。 57 星型耦合器星型耦合器 58 性能参数性能参数 5. 5. 回波损耗：沿输入光路返回的光功率与输入光功率之比回波损耗：沿输入光路返回的光功率与输入光功率之比 59 制备工艺制备工艺 6.3 6.3 光隔离器与环行器光隔离器与环行器 61 1. 1. 光隔离器光隔离器 n光隔离器是一种光的非互易传输器件，只 允许光波沿着一个方向传输，而光的另一 个方向的传输是禁止的。也就是说，光信 号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被 接通；光信号沿着反方向传输时损耗大， 光路被阻断。 62 法拉第效应法拉第效应 n

14、把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通 过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生 旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和 磁场强度等因素有关。 n磁光效应的非互易性: 光波的偏振方向总是沿与磁 场（H）方向构成右手螺旋方向旋转，而与光波的 传播方向无关。当光正、反方向两次通过法拉第旋 光片时，偏振方向旋转角度将迭加而不抵消。 n磁光效应的基本材料 :钇铁石榴石（YIG： Yttrium-Iron-Garnet）、康宁（Corning）8363 号玻璃等 63 偏振相关光隔离器偏振相关光隔离器 n自然偏振光入射功 率损耗50! n与起偏方向垂直的 偏振光入射损耗100 ！. n随

15、机偏振光入射带 来严重的偏振噪声! 64 偏振无关光隔离器偏振无关光隔离器 n将入射的任意偏 振光分解为两束 相互正交的线偏 振光； n分别处理这两束 线偏光； n再将经过处理的 两束线偏振光合 束输出。 65 同轴结构光隔离器同轴结构光隔离器 1、3： 偏振分束镜：YVO4双折射晶体（“Walk-off”） 2：非互易的法拉第旋光片与光互易的玻片 1 2 31 2 3 66 应用应用 n高速光通信系统中的DFB激光器的光隔离 n光放大器中的光隔离 n光纤环行腔中的单向器。 67 2. 2. 光环形器光环形器 n光环形器总是使得光沿着 规定的路径进行传输，即 从器件的1端口输入，2端 口输出；由2端口输入， 就由3端口输出，由3端口 输入，就由4端口输出， 由4端口输入，就由1端口 输出。 68 顺序传输顺序传输 n对于从1端口向2端口传输的光，由端口1输入的光，被第一双 折