《光纤耦合器2015复习课程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤耦合器2015复习课程（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光纤无源器件 之光纤耦合器 光电新技术讲座 光纤耦合器 光纤的发展光纤无源器件的蓬勃发展耦合模理论耦合器件种类及应用光纤耦合器的制作 1 光纤的诞生 在光纤出现之前 人们一直在追寻一种性能稳定的 廉价的 方便使用的介质来传输光信号 最初人们认识到光的直线传播 反射特性后除了利用大气做为波导 还开始采用各种介质利用作为光的传输介质 例如介质透镜 反射镜波导 气体透镜波导等 使光束限制在一定范围内并沿确定路线传播 在半导体激光器和集成光路中用到的平面型介质波导也被尝试作为光波导使用 由于制作成本高 工艺复杂 不适于大量铺设 能不能象电信号依靠铜缆传输一样 找到一种光波导来实现光信号廉价 低损耗的稳
2、定传输呢 1 光纤的诞生 早在古希腊的玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光 他们利用玻璃的这种性质 制作了各种流光异彩的玻璃工艺品 十九世纪中期英国的丁达尔 J Tyndall 利用实验证明利用光的全反射原理 光线在水中可以实现弯曲传播 1 光纤的诞生 1927年英国的贝尔德 J G Baird 提出利用光的全反射现象制成石英光纤 从此以后人们把注意力集中到石英这种材料上 早期的光纤只有纤芯 利用空气 石英构成的界面实现光线的全反射 由于这种结构的开放性 经常引起光线的泄漏 为解决这一问题人们实验在玻璃纤维上涂覆塑料 以降低光线的泄漏同时对玻璃芯起一定的保护 这时初步形成了光纤纤芯 包层结构
3、但由于塑料包层难以做到均匀一致 而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平滑理想 光能量损失很大 1 光纤的诞生 1955年 美国人B I Hirschowitz 西斯乔威兹 把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中 将它们放在高温炉中拉制 得到玻璃 纤芯 玻璃 包层 结构的光纤 解决了光纤的漏光问题 这一结构在后来被广泛采用 就是今天的光纤结构 但这时的光纤损耗是非常大高于1000dB km 即使是利用优质的光学玻璃制作光纤也无法得到低损耗的光纤 人们曾经一度对玻璃这种材料产生怀疑 转向塑料光纤 液芯光纤的研制 1966年 英籍华裔学者高锟 C K Kao 和霍克哈姆 C A Hockham 发表
4、了关于传输介质新概念的论文 指出了利用光纤 OpticalFiber 进行信息传输的可能性和技术途径 奠定了现代光通信 光纤通信的基础 指明通过 原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤 这一发展方向 光纤通信发明家高锟 左 1998年在英国接受IEE授予的奖章 2 光纤标准 通信用光纤经过二十几年的发展形成了一系列标准 ITU T国际电信联盟目前将单模光纤分为G 652 G 652A G 652B G 652C和G 652D G 653 G 653A和G 653B G 654 G 654A G 654B和G 654 G 655 G 655A G 655B和G 655C 以及用于S
5、C L三波段传输的G 656光纤 标准名称为 宽带光传输用非零色散单模光纤和光缆特性 按照零色散波长将单模光纤分为6种 非色散位移光纤 G 652色散位移光纤 G 653将零色散窗口从1310nm移到1550nm窗口截止波长位移光纤 G 654非零色散位移光纤 G 655将零色散窗口从1310nm移到1460 1500nm色散平坦光纤 1310 1550nm都是低色散 色散补偿光纤 1550nm有很大负色散 3 光纤的构造 纤芯 光信号的传输 包层 限制光信号溢出 一次涂敷层 预涂层 保护光纤增加韧性 缓冲层 减少对光纤的压力 二次涂敷层 套塑层 加强光纤的机械强度 纤芯 位于光纤中心部位 主
6、要成分是高纯度的SiO2 纯度可达99 99999 其余成份为掺入极少量掺杂剂 如P2O5和GeO2 掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率 纤芯直径一般为2a 3 100 m包层 含有少量掺杂剂的高纯度SiO2 掺杂剂有氟或硼 其作用是降低包层折射率 包层直径2b 125 140 m一次涂层 厚度5 40 m 材料一般为环氧树脂或硅橡胶 可承受7kg拉力缓冲层 厚度100 m二次涂敷层 原料大都采用尼龙或聚乙烯 1层 2层 光纤3 4 5层 护层5层大约0 9mm左右 光纤的分类 1 从原材料分 石英系光纤多组份玻璃光纤氟化物光纤塑料光纤液芯光纤掺杂光纤 如掺铒光纤由于石英系光纤具有传输衰减小 通信
7、频带宽 机械强度较高等特点 在通信系统中得到广泛应用 光纤分类 2 按照光纤横截面上折射率分布特征n r 分 阶跃型光纤 也称突变型光纤 常用SI表示 StepIndexfibber 纤芯与包层的折射率均为一常数 其界面处呈阶跃式变化 渐变型光纤 也称梯度光纤或自聚焦光纤 常用GI表示 GradedIndexfibber 纤芯折射率连续变化 包层的折射率则为一常数 W型光纤等 相对折射率差 n1 n2 n1 光纤分类 3 按光纤内的导模数分多模光纤 MM MultiModefiber 可传输多种模式 或允许多种场结构存在2a 50 75 m 2b 100 200 m 多模 单模光纤 SM Si
8、ngleModefiber 只传输一种模式2a 4 10 m 2b 125 m 单模 光纤分类 4 按套塑的情况分松套紧套按工作波长分短波长光纤 0 8 0 9 m长波长光纤 1 0 1 7 m超长波长光纤 2 m短波长与长波长光纤为石英系光纤 而超长波长光纤为非石英系光纤 如重金属氧化物 硫硒碲化合物和卤化物光纤等 3 光纤的传光原理 分析光纤的传输原理有两种方法 几何光学法 将光看成一条条的几何射线来分析 也称射线理论应用条件 光波的波长远小于光纤的几何尺寸 只适用于多模光纤波动光学法 光波按电磁场理论 用麦克斯韦方程组求解 也称模式理论 它既可用于多模光纤 也可用于单模光纤 4光纤光缆制
9、造技术 选材的准则 1 能拉长 拉细 具有一定的柔韧性 可卷绕2 在特定波长损耗低3 能使纤芯的折射率略高于包层 满足波导条件按材料分类 1 无源玻璃纤维 2 有源玻璃纤维 3 塑料纤维 4 1光纤材料 无源玻璃纤维 玻璃纤维的主材 SiO2 物理和化学稳定性好 对通信光波段的透明性好折射率差的引入 通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应 通过掺入硫属元素 SiO2中掺GeO2或P2O5 折射率增加SiO2中掺氟或B2O3 折射率减小 典型组合 1 GeO2 SiO2纤芯 SiO2包层2 P2O5 SiO2纤芯 SiO2包层3 SiO2纤芯 B2O3 SiO2包层4 GeO2 B2O3 S
10、iO2纤芯 B2O3 SiO2包层 卤化物玻璃纤维 红外光纤 氟化物光纤 低损耗范围 0 2 8 m 最低损耗窗口 2 55 m 理论最小损耗 0 01 0 001dB km 缺点 不成熟 性能不稳定 有源玻璃纤维 掺稀土光纤 在SiO2中掺入稀土元素实现光放大 或吸收 如 掺铒光纤 EDF 掺钕光纤 硫属化合物玻璃纤维 非线性光纤 用作非线性光学器件 如 As40S58Se2纤芯 As2S3包层 塑料光纤 POF 特点 更好的韧性 更耐用 可用于环境恶劣的场合低成本 低续接成本损耗比玻璃纤维高 一般用于短距离传输使用范围还十分有限 主要用于接入网 4 2光纤制造 两种基本方法1 直接熔化法
11、按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净组分直接制造成光纤2 汽相氧化过程 高纯度金属卤化物 如SiCl4和GeCl4 与氧反应生成SiO2微粒 通过四种不同的方法 将微粒收集在玻璃容器的表面 烧结 在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体 制成预制棒 拉丝成纤 直接熔化法 双坩埚法 直接熔化法 可用于制造石英光纤 卤化物光纤和硫属光纤具有可连续制造的优点但坯料棒熔化过程中容易带来杂质 它的最低损耗值为5dB km 光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝 光纤拉丝机 几点关键 为了防止石墨在高温下氧化 充入氩气等惰性气体加以保护 送棒机构与牵引辊的速度要一致 以保持光纤外径的均匀性 激光测径
12、 紫外固化外径的波动控制在0 5微米之内 拉丝的速度可以调整 600m min 1000m m 预制棒体积 Vpreform D2L 4 D mm L mm光纤体积 Vfiber d2l 4 d 125um拉丝长度l Vpreform Vfiber l 6 4 10 5D2L km 拉丝原理 保持芯 包层结构不变 二 光纤无源器件的蓬勃发展 光纤通信元件包括有源器件和无源器件等 光纤通信的发展促进了光源 探测器等有源器件的发展 同时由于工程应用的需要 各种各样的光无源器件也相应的出现 光纤的发展给光无源器件带来了新的一页 光纤无源器件包括光纤活动连接器光纤耦合器光纤衰减器光纤滤波器光纤隔离器光
13、开关光纤环行器光纤调制器 耦合器 coupler 主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用 耦合器 coupler 基本结构耦合器是双向无源器件基本形式有树型 星型 与耦合器对应的有分路器 splitter 耦合器以图形表示 两波导之间的横向耦合 当两波导的间距足够大时 各自模式场分布形式不会改变 称两波导之间为弱耦合 在弱耦合条件下 波导之间光场的横向耦合可用各波导独立时传输模式间的模式耦合方程来描述 在两个正规光波导互相平行靠近时 波导之间会发生横向耦合 其物理过程可以看成是 波导1中的模通过进入公共层的电磁场使波导2中的介质极化 从而影响了波导2中的模
14、 三 耦合模理论 两波导之间的横向耦合 考虑两波导中都只有单模存在的情况 单模的传输常数分别为两波导中模场的表达式分别为则耦合后的总电场可以写为 定义模式沿波导正向传输时 p q 则耦合模方程变为 由模式耦合方程所规定的模耦合系数 具有对称性 当两光波导折射率完全相同时 可以证明模式耦合只能在两个相互简并的模之间发生 即 则耦合模方程进一步变为 其通解为 设初始条件为 如果 则 传输功率在两个波导之间周期性交替传递 光从波导1完全耦合至波导2的长度为 耦合长度 在其奇数倍长度处也可实现完全耦合 熔锥型光纤耦合器光功率的分配 耦合光功率P2跟以下参数有关 拉伸区长度2L W拉伸区内逐渐变小的光纤
15、半径r耦合区中两根光纤的半径差Dr 四 耦合器件种类及应用 按照结构分1 2 2 2 3 3 1 N N N光耦合器 1 8单模光纤耦合器的二级构造 四 耦合器件种类及应用 2 2光耦合器 熔锥型光纤耦合器的结构图 耦合器实物图 四 耦合器件种类及应用 按照传输波长分窄带耦合器 宽带耦合器 波分复用器 波长敏感耦合器 窄带耦合器 工作带宽为 10nm 宽带耦合器 工作带宽为 40nm 或不同波段的合波功能 波分复用器 1 2 1 2 1 2 公共臂 熔锥光纤型波长耦合器 波分复用器 WDM WavelengthDivisionMultiplexer在一条光纤中传输多个光信号 这些光信号频率不同
16、 颜色不同 波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中 解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来 波分复用器 波分复用器 图例 波分复用器二类用途 一类用于通信系统 作为1300nm和1550nm的合波 分波器 另一类用于掺杂光纤的激光器和放大器 作为信号光和泵浦光的合波器 主要工作波长有1017 1310nm 807 1550nm 980 1550和1480 1550nm等几种 其中研制1480 1550nm的波分复用的难度最大 由于其波分间隔小 70nm 受到熔锥形耦合器中固有的偏振分离现象的限制 它的波长隔离一般只有15dB左右 因此 通过这种研制工艺 要想在同一个光通信波段 1310nm或1550nm 即在小于40nm的波段内实现二个以上的波分复用 似乎是不可能的 为此 McLandrich通过改变常规耦合器的拉锥工艺 首先研制成功了1550nm波段最小波分复用间隔为16nm的窄带波分复用器 输入光 1 4 3 2 1 4 3 2 光栅 输入光 光栅 其它波长耦合器 光栅型 光栅具有特殊性质 与波长相关的反射特性 不同波长的光具有不同的衍射角 因此它们可以被分开 光
