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1、光子学无源器件简介复旦大学信息学院 光科学与工程系 2008.10.8主讲：主讲：张荣君张荣君 电 话：电 话：65643559 E-mail：什么是光无源器件？什么是光无源器件？ 光无源器件是一种不必借助外部的任何 光或者电的能量，由自身能够完成某种 光学功能的光学器件，其工作原理遵守 几何光学理论以及物理光学理论，各项 技术指标、各种计算公式和各种测试方 法与纤维光学和集成光学息息相关。光无源器件是一种不必借助外部的任何 光或者电的能量，由自身能够完成某种 光学功能的光学器件，其工作原理遵守 几何光学理论以及物理光学理论，各项 技术指标、各种计算公式和各种测试方 法与纤维光学和集成光学息息
2、相关。光无源器件的种类 光纤连接器：固定、活动（光纤连接器：固定、活动（FC、ST、SC等）连 接器等）连 接器 光分路器光分路器/耦合器：耦合器：1xN（树型）、（树型）、NxN（星型）（星型） 波分复用器：合波器和分波器、滤波器波分复用器：合波器和分波器、滤波器 光开关：机械式和非机械式（又称波导开关）光开关：机械式和非机械式（又称波导开关） 光衰减器：固定、可变光衰减器：固定、可变 光隔离器：单方向传输光的器件光隔离器：单方向传输光的器件 光纤光栅、阵列波导光栅等光纤光栅、阵列波导光栅等 准直器准直器条状波导的不同构型一、连 接 器光纤活动连接器：光纤活动连接器：是实现光纤之间活动连接到
3、无源 光器件，它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无 源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。是实现光纤之间活动连接到无源 光器件，它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无 源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。固定连接器：固定连接器：又称固定接头或接线子，其作用是使又称固定接头或接线子，其作用是使 一对和几对光纤之间形成永久性的连接。一对和几对光纤之间形成永久性的连接。连接器的重要性能指标：连接器的重要性能指标：插入损耗： 光纤中的光信号通过连接器后，其输 出光功率相对输入光功率的比率的分贝数：插入损耗： 光纤中的光信号通过连接器后，其输 出光功率相对输入光功率的比率的分贝数： IL
4、 = - 10 log10 ( Pout / Pin ) 0.2 - 0.3 dB 回波损耗：又称后向反射损耗，指在光纤连接处后 向反射光相对输入光的功率比率的分贝数：回波损耗：又称后向反射损耗，指在光纤连接处后 向反射光相对输入光的功率比率的分贝数： RL = - 10 log10 ( Pref/ Pin ) 40 dB重复性和互换性：重复性是指同一连接器多次插拔后插入损耗 的变化，用重复性和互换性：重复性是指同一连接器多次插拔后插入损耗 的变化，用dB表示。一般取表示。一般取5次，求次，求5个数据的平均值，再计算 相对于平均值的变化范围，性能稳定的连接器重复性一般小于 个数据的平均值，再计
5、算 相对于平均值的变化范围，性能稳定的连接器重复性一般小于 0.1 dB。重复性与使用寿命的区别？ 互换性指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用。重复性与使用寿命的区别？ 互换性指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。 这两项指标考核连接器结构设计和加工工艺的合理性。表示。 这两项指标考核连接器结构设计和加工工艺的合理性。3. 影响插入损耗的各种因素影响插入损耗的各种因素(IL2）以及树型（）以及树型（1xN,N2）耦合器等；（）耦合器等；（3）、按工作带宽分：单工作窗口窄带、单工作窗口宽带以及双工作窗口宽带耦合器等。）、按工作带宽分：单工作窗口窄带、单工作窗口宽带以及双工作窗口宽
6、带耦合器等。耦合器制作工艺（1）熔融拉锥法光纤耦合器（）熔融拉锥法光纤耦合器（2）波导法耦合器）波导法耦合器（1）熔融拉锥型光纤耦合器工艺原理：工艺原理：就是将就是将2根（或根（或2根以上）裸光纤以一 定方式靠拢，在高温下加热熔融，同时向两端拉 伸，最终在加热区形成双锥体形式结构，而实现 传输光功率耦合的工艺方法；根以上）裸光纤以一 定方式靠拢，在高温下加热熔融，同时向两端拉 伸，最终在加热区形成双锥体形式结构，而实现 传输光功率耦合的工艺方法；熔融拉锥型光纤耦合器熔融拉锥型光纤耦合器目前耦合器制作的主要工艺方法，优点：目前耦合器制作的主要工艺方法，优点：极低的附加损耗；极低的附加损耗；方向性
7、好；方向性好；环境稳定性好；环境稳定性好；控制方法简单、灵活；控制方法简单、灵活；制作成本低廉、易于批量生产。制作成本低廉、易于批量生产。（2）波导耦合器）波导耦合器波导耦合器利用平面介质光波导工艺制作。其关键技术不仅包括波导结构的 制作，还必须考虑导器件与传输线路的耦合。目前常用利用平面介质光波导工艺制作。其关键技术不仅包括波导结构的 制作，还必须考虑导器件与传输线路的耦合。目前常用LiNbO3 等材料，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成所需的波导结构。等材料，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成所需的波导结构。优点：优点： 体积小、重量轻、易于集成； 体积小、重量轻、易于集成； 机械及环境稳定性
8、好； 机械及环境稳定性好； 耦合分光比易于精确控制； 耦合分光比易于精确控制； 易于制成小型化的宽带耦合器件。 易于制成小型化的宽带耦合器件。缺点：缺点： 技术难度大； 技术难度大； 设备昂贵等。 设备昂贵等。四、隔 离 器1、作用：在光通信系统中，光从光源到接收机的 传输过程中，会经过许多不同的光学界面，在每个 界面处，都会出现不同程度的反射，这些反射产生 的回程光最终会沿原光路传回光源。当回程光强度 达到一定程度时，就会引起光源工作不稳定：如频 率漂移、幅度变化等问题，从而影响整个系统。、作用：在光通信系统中，光从光源到接收机的 传输过程中，会经过许多不同的光学界面，在每个 界面处，都会出
9、现不同程度的反射，这些反射产生 的回程光最终会沿原光路传回光源。当回程光强度 达到一定程度时，就会引起光源工作不稳定：如频 率漂移、幅度变化等问题，从而影响整个系统。为了保证光信号在通信系统中单向传输，就需要 这种只允许光沿光路正向传输的非互易性无源器 件：光隔离器。为了保证光信号在通信系统中单向传输，就需要 这种只允许光沿光路正向传输的非互易性无源器 件：光隔离器。2、原理：利用磁光晶体的法拉第旋光效应、原理：利用磁光晶体的法拉第旋光效应法拉第旋光效应法拉第旋光效应：迎着光的方向看，当线偏光沿磁力 线方向通过介质时，振动面右旋；反射后线偏光逆着 磁力线方向通过介质，振动面左旋。：迎着光的方向
10、看，当线偏光沿磁力 线方向通过介质时，振动面右旋；反射后线偏光逆着 磁力线方向通过介质，振动面左旋。法拉第磁致旋光效应与材料固有旋光效应不同：固有旋 光效应的方向受光的传播方向影响，而与外界磁场的 方向无关，无论外界磁场是否改变，迎着光看过去， 光的偏振面总朝一个方向旋转。所以，在材料的固有 旋光效应中， 如果光沿原光路返回，其振动面将回 到初始位置。法拉第磁致旋光效应与材料固有旋光效应不同：固有旋 光效应的方向受光的传播方向影响，而与外界磁场的 方向无关，无论外界磁场是否改变，迎着光看过去， 光的偏振面总朝一个方向旋转。所以，在材料的固有 旋光效应中， 如果光沿原光路返回，其振动面将回 到初
11、始位置。3、用作光隔离器的材料：（1）钇铁石榴石）钇铁石榴石(YIG) 单晶（波长单晶（波长0.81.6微米， 需强磁场，价格昂贵，早期使用，现在很少用；微米， 需强磁场，价格昂贵，早期使用，现在很少用； （2）掺镱、镓、钬或铽的石榴石单晶薄膜，体积 小（）掺镱、镓、钬或铽的石榴石单晶薄膜，体积 小（mm量级），价格便宜量级），价格便宜 （ 吸收窗口位于（ 吸收窗口位于13001550nm波段）波段）旋转角的大小受磁光材料的旋磁特性、长度、工作波长 以及磁场强度的影响，另外，也受环境温度影响。旋转角的大小受磁光材料的旋磁特性、长度、工作波长 以及磁场强度的影响，另外，也受环境温度影响。微型光隔
12、离器中的微型光隔离器中的 旋光部件旋光部件法拉第旋光效应材料法拉第旋光效应材料（1）偏振相关型光隔离器: 结构与工作原理 2个偏振器和一个法拉第旋转器4、种类：、种类：根据光隔离器的偏振特性可分为：偏振相关型 （也称偏振有关或者偏振灵敏）和偏振无关型。根据光隔离器的偏振特性可分为：偏振相关型 （也称偏振有关或者偏振灵敏）和偏振无关型。（2）偏振无关型光隔离器）偏振无关型光隔离器 对输入光的偏振依赖性小，偏振无关型光隔 离器的典型结构、工作原理都更复杂。它采 用有角度地分离光束的原理来制成。对输入光的偏振依赖性小，偏振无关型光隔 离器的典型结构、工作原理都更复杂。它采 用有角度地分离光束的原理来
13、制成。（a）楔型结构）楔型结构 2个双折射晶体个双折射晶体 1个法拉第旋转器个法拉第旋转器插入损耗插入损耗 0.5 dB反向隔离度反向隔离度 60-70dB 回波损耗回波损耗 60-70dB （b）结构）结构与楔型相似，但增加了一个偏振分束器，三个 偏振分束器表面均为平面。与楔型相似，但增加了一个偏振分束器，三个 偏振分束器表面均为平面。 隔离器体积大、插入损耗增加、工艺难度大。隔离器体积大、插入损耗增加、工艺难度大。（c）结构 正向光：）结构 正向光： 2个光轴呈个光轴呈900的完全相同的偏振分束器，经的完全相同的偏振分束器，经P1 分束后两束线偏振光分束后两束线偏振光o光和光和e光的偏振面
14、，由互易旋光器光的偏振面，由互易旋光器 RR旋转旋转450后，再经过非互易旋光器后，再经过非互易旋光器FR（即法拉第旋转 器）旋转（即法拉第旋转 器）旋转450，偏振方向变为与原来垂直的方向，与，偏振方向变为与原来垂直的方向，与P2 光轴一致，最后经光轴一致，最后经P2合束。 反向光：首先被合束。 反向光：首先被P2分束，经过分束，经过FR 和和RR 后，后，o光和光和e光的 偏振方向保持不变。因此，与光的 偏振方向保持不变。因此，与P1的光轴方向不一致，被的光轴方向不一致，被 P1进一步分开为夹角更大的两束光，而不能耦合到入射 光钎中。进一步分开为夹角更大的两束光，而不能耦合到入射 光钎中。
15、反射式光隔离器反射式光隔离器还有：全光纤型、波导型光隔离器还有：全光纤型、波导型光隔离器五、光纤准直器五、光纤准直器：单模光纤单模光纤+自聚焦透镜自聚焦透镜 (GRIN)对光纤中的高斯光束进行 准直，以提高与光纤之间 的耦合效率。这样，两光 纤准直器间可以有较长间 距，可以插入光学元件。对光纤中的高斯光束进行 准直，以提高与光纤之间 的耦合效率。这样，两光 纤准直器间可以有较长间 距，可以插入光学元件。六、光开关六、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。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
16、成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。按照工作原理可以分为机械式和非机械式按照工作原理可以分为机械式和非机械式按端口数量可以分为：按端口数量可以分为：1x1, 1xN(100), 2x2,4x4,NxM(78x78)七、波分复用器（七、波分复用器（WDM滤波器）滤波器）光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光 无源器件。在高速光通信系统、接入网、全光网 等领域中，有着广泛的应用。光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光 无源器件。在高速光通信系统、接入网、全光网 等领域中，有着广泛的应用。光波分复用器一般有四种：光波分复用器一般有四种：（1）光栅型：传统光栅、光纤光栅、波导阵列光栅）光栅型：传统光栅、光纤光栅、波导阵列光栅(AWG)（2）干涉元件：带通滤波）干涉元件：带通滤波(一般、窄带一般、窄带)、截止滤波、截止滤波（3）波导型：光耦合器）波导型：光耦合器（4）全光纤型：熔融拉锥方
