光无源器件课

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1、光纤与光无源器件技术1复习复习光纤连接器光纤连接器 (Connector)与光纤的熔接与光纤的熔接光纤与光无源器件技术2第四课1、光纤连接器的参数光纤连接器的参数 插入损耗、回波损耗插入损耗、回波损耗、重复性、 互换性、工作寿命、重复性、 互换性、工作寿命 注：定义、影响因素、公式、测试方法注：定义、影响因素、公式、测试方法 2、光纤连接的另一种形式光纤连接的另一种形式光纤熔接 对应的光纤基础实验：光纤熔接 对应的光纤基础实验： （1）了解光纤的结构和几何特性 （2）掌握光纤的切割、焊接及耦合方法光纤与光无源器件技术3光纤的熔接光纤的熔接光纤熔接技术是在光纤熔接技术是在高压电弧高压电弧的作 用

2、下将两根需要熔接的光纤重新 融合在一起。光纤熔接后，光线 能在两根光纤之间以极低的损耗 传输，一般小于的作 用下将两根需要熔接的光纤重新 融合在一起。光纤熔接后，光线 能在两根光纤之间以极低的损耗 传输，一般小于0.1dB。光纤熔接不产生缝隙，因而不会引起反射损耗，是减小插入损耗的最好方法。光纤熔接不产生缝隙，因而不会引起反射损耗，是减小插入损耗的最好方法。光纤与光无源器件技术4准备工作准备工作使用剥线钳去除光纤外表皮，涂覆层等使用剥线钳去除光纤外表皮，涂覆层等使用切割刀进行端面切割使用切割刀进行端面切割将光纤放入熔接机的将光纤放入熔接机的V型槽内型槽内通过监视屏幕确定最佳位置通过监视屏幕确定

3、最佳位置高压放电熔接高压放电熔接质量检查质量检查通过调节熔接机上的通过调节熔接机上的X,Y,Z坐标来使光纤端面对准坐标来使光纤端面对准光纤熔接流程图光纤熔接流程图完成熔接完成熔接1、工具2、具体操作步骤3、注意的问题4、熔接后测试和衡量光纤与光无源器件技术5光纤与光无源器件技术6耦合器、衰减器、隔离器光纤与光无源器件技术8光纤传输过程中，如何实现 光信号的分路、合路？光纤与光无源器件技术93.3 耦合器（耦合器（Coupler）?定义： 将传输中的光信号在特殊结构耦合区 耦合，并进行再分配的光无源器件。?注：2、可以实现光信号的分路、路、插入和分配（也就是说： 耦 合器可以将输入的光信号分配到

4、两个或更多输口，或将两个或 更多个输入光耦合到一个输出端） ；3、耦合器不改变光路的连接方式（与光开关不同）。1、耦合器是一个无源器件（不涉及任何能量转换）；耦合区2012-11-5Page10光纤结构示意图光纤结构示意图Coating包胶层Core纤芯Cladding涂覆层1、耦合机理耦合机理2012-11-5Page11光线的传播光线的传播（1）. Meridional Ray子午光线的传播（总与光纤轴相交）子午光线的传播（总与光纤轴相交）CladdingCladding2012-11-5Page12（2）. Skew Ray斜光线的传播（射入角大于子午线，与光纤轴相交）斜光线的传播（射入

5、角大于子午线，与光纤轴相交）光线的传播光线的传播2012-11-5Page13耦合机理示意图耦合机理示意图(1X2 Single为例为例)耦合区耦合区单模输入光 （小角度单一路径）单模输入光 （小角度单一路径）背散射臂背散射臂输入臂输入臂入射角度变大入射角度变大逸出折射光逸出折射光耦合臂耦合臂形成新的全反射形成新的全反射直通臂直通臂2012-11-5Page14耦合机理：（单模光纤耦合器）耦合机理：（单模光纤耦合器）耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过 “直通臂直通臂”继续传输，另一部分由继续传输，另一部分由“耦合

6、臂耦合臂”传到另一光路。基本原理是：当光线输入进入熔锥区输入端时，由于纤芯的不断变 细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部 分的光功率会逸出传到另一光路。基本原理是：当光线输入进入熔锥区输入端时，由于纤芯的不断变 细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部 分的光功率会逸出“输入臂输入臂”熔锥区的光纤包层，这时光功率是以包 层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输出 端，随着纤芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特定 的比率捕获。熔锥区的光纤包层，这时光功率是以包 层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输出 端，随着纤

7、芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特定 的比率捕获。光纤与光无源器件技术152、分类分类10、按功能：光功率分配器、光波长合/分耦合器； 20、按结构和制备方法：块型：利用光学分立元件。熔融光纤型和平面波导型： 利用连接结构。 （主要方式：全光纤型和 集成光学型）块型、熔融光纤型和平面波导型；光纤与光无源器件技术162、分类分类30、按对通过的光是否敏感： 方向（定向）耦合器、非方向耦合器；（a）左端口输入的光在右边 分成两个；然而，若光从右边 输入，所有的光都会进入左边， 进入右下端口的很少。（b）组合所有的光，并 将它们传送到所有的端口 （包括输入端）。注：绝大多数耦合器是双向器

8、件。光纤与光无源器件技术172、分类分类40、按接口类型： T形和Y形（12）、树形（1N，N2）、 星形（NN (M)，N2）耦合器；光纤与光无源器件技术18（1）Y形（T形）耦合器10、功能：把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给 两根光纤，或把两光纤输入信号组合在一起。即：不同分路的功率分配或功率组合。20、用途：功率分路器、合路器、光开关、 干涉仪（两个Y耦合器）、调制器等。30、优缺点：优点：耦合区长度短；缺点：高损耗，主要是 分支点处得辐射损耗。光纤与光无源器件技术19（1）Y形（T形）耦合器如图，是一种降低损耗的方法： n3n1 (n3n2)简易型：进入两臂的输入波相对两臂的波导

9、是倾斜的，使损耗严重。触角型：输入场会进入n3区（n3n1），而后进入两臂。 场扩散的结果就是波前垂直于两臂波导。实验结果：简易型和触角Y形耦合器的损耗分别为：3.4 dB和1.0 dB。光纤与光无源器件技术20（2） 22耦合器将光注入光纤，并在加热的工程中控制从光纤中输出的 光功率，可得到精确耦合率的耦合器。光纤与光无源器件技术21（2） 22耦合器111121221222babaS SS S=传输矩阵：Sij：从输入端j输出端i的耦合系数。对于单模无损器件，显然有：1221SS=（互易性）光纤与光无源器件技术22（2） 22耦合器（能量守恒）2222 1212oiIbbIaa=+=+22

10、 111222 222111SSSS+=+=* 111212220S SS S+=由传输矩阵和上述两性质，可得：光纤与光无源器件技术23 = 2121 )cos()sin()sin()cos(iilioo EEllilileEE（2） 22耦合器式中，l是耦合区长度，光波传输常数，是耦合 系数（01），与耦合区宽度、纤芯折射率有关。光纤与光无源器件技术24（3） 星形耦合器10、由其形状而得名，具有多个输入端口和多个输出端口。 （ NM耦合器，N=1的特殊情况即使树形）可分：双向型、非双向性。20、两个基本制备工艺：混合棒法和熔接法。光纤与光无源器件技术25混合棒工艺：用一个薄玻璃片将输入光纤

11、的光混合，然后 对光进行分配。（3） 星形耦合器透射式：输入输出端口在设计、 制造时已经确定。反射式：输入输出端口选择有 一定的灵活性。注：相对反射式而言透射式耦合器 的效率高一些。光纤与光无源器件技术26（3） 星形耦合器熔接工艺：将构成星形耦合器的光纤捆在一束、扭转、加热 并拉成所需器件。工业上已经制备了： 77的星形耦合器， 附加损耗0.4 dB； 119的星（树）形耦合 器，附加损耗0.85 dB；光纤与光无源器件技术27（3） 星形耦合器一种代替星形耦合器的方法：利用3 dB耦合器分级排列。NN型：信号经过N？个 3 dB耦合器2log N若每个3dB耦合器的附加损耗已知，那么由信号

12、通过NN耦 合器导致的损耗是多少？光纤与光无源器件技术281. 插入损耗（Insertion Loss） 插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对于 全部输入光功率的减少值。 )(log10dBPPILioi i=2. 附加损耗（Excess Loss）附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对 于全部输入光功率的减小值。)(log10dBPPELioi=3、光耦合器的技术参数光纤与光无源器件技术29附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反 映器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗表示 各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的 因素，更考虑了分光比的影响。%100=ooi PPCRPi1Pi

13、NPo1PoNPotPit3、光耦合器的技术参数3. 分光比（Coupling Ratio） 分光比是耦合器各输出端口的输出功率与 输入功率的比值。光纤与光无源器件技术304. 方向性（Directivity） 在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一 端的输出光功率与全部注入光功率的比较值。5. 均匀性（uniformity) 在器件的工作带宽内，各输出端口输出光功率 的变大变化量。用来衡量均分器件的“不均匀程度 “的参数。Pi1PiNPo1PoN3、光耦合器的技术参数光纤与光无源器件技术316. 偏振相关损耗（Polarization dependent loss） 衡量器件性能对于传输光

14、信号的偏振态的敏感程 度的参量，俗称偏振灵敏度。指当传输光信号的偏振 态发生360度变化时，器件个输出端口光功率的最大 变化量。7. 隔离度（Isolation) 是指光纤耦合器件的某一光路对其他光路中的光信号 隔离能力。最大应用是用于反映WDM器件对不同波 长信号的分离能力。3、光耦合器的技术参数光纤与光无源器件技术32m-40+70-40+70工作温度工作温度/C11.250.82.0稳定性稳定性/dB4055方向性方向性/dB0 44 78 88 1112 32 32 17193.4 5.6/1.8 10.8/0.7插入损耗插入损耗/dB 分路比分路比 0.5/0.5 0.3/0.7 0

15、.1/0.91.31或或1.551.31或或1.55工作波长工作波长/nn星型星型22型耦合器型耦合器光纤耦合器的一般特性光纤耦合器的一般特性光纤与光无源器件技术331.侵蚀法 2.研磨法 3. 熔融拉锥法 熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层 的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向 两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊 波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。光耦合器的制作方法2012-11-5Page34熔融拉锥示意图熔融拉锥示意图最常用的制备方法最常用的制备方法99.9氢气火焰氢气火焰拉力拉力一定要打两个结一定要打两个结2012-11-5Page35V-shape Quartz Tube 石英基板石英基板Shrink Tube热缩套热缩套Silicon Rubber硅胶硅胶Stainless Steel Tube 锈钢套锈钢套Epoxy环氧胶环氧胶UV 胶胶Fiber光纤光纤Shrink Tube 热缩套热缩套Silicon Rubber硅胶硅胶V-shape Quartz Tube V 型石英基板型石英基板Stainless Steel Tube 锈钢套 锈钢套结构示意图结构示意图4、光耦合器的制作工艺流程2012-11-5Page36热风枪热风枪185度温 度热缩度温 度热缩18sCoupler制作工艺流程制作工艺流程光纤间打结光纤间打结FF