北大光纤通信课件：8元器件1

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1、1,8、元器件 6月11日 6月24日,光纤通信(第三版) 第5章 光功率发射和耦合 p161184 非线性光纤光学原理及应用下篇 第1章 光纤光栅 p281292，p306311 第2章 光纤耦合器 p318327 第5章 光纤激光器 p403426 光纤光栅：原理、技术与传感应用李川等，科学出版社，2005年11月,2,一、光纤光栅（3-p281-9） 光纤光栅的折射率沿长度方向呈现周期性变化，导致光波沿光纤传输时相位变化，分为光纤布拉格光栅（FBG）和长周期光栅（LPG）两类。 如果输入光纤的光波长和折射率的周期性之间满足一定的条件，则输入光将被反射。这个条件就是“布拉格”条件。 如果输

2、入光的波长为 1.5 m，平均折射率为 1.5，则光栅的周期约为 0.5 m。就工作原理而言，光纤光栅与 DFB 激光器中的分布反馈腔相同。,8、元器件 5月24日-6月7日,3,光纤光栅的光谱特征 I 型，II A型光栅-反射/透射谱互补 II 型光栅-反射/透射谱无关,8、元器件 5月24日-6月7日,4,光纤光栅的制作技术 驻波法，全息相干法，相位掩膜法(批量成本低)，逐点写入法(设计灵活) 。 利用激光形成的高强度干涉条纹使石英光纤的折射率产生沿光纤轴线周期性分布的永久性变化。 光纤光栅的实质是一个分布式的反射镜（带阻滤波器），其反射率可高达100%，可实现窄带（0.1nm）或宽带（1

3、00nm）反射。 1978 年加拿大科学家发现了光纤的光敏特性，并提出了有关光纤光栅的早期理论和技术。当时是用波长为 488nm的氩离子激光束照射掺锗的光纤，在光纤内“刻”出光栅，使光纤芯子折射率呈周期性(按半波长的整数倍)改变，从而使某些特定波长的被光反射或耦合进纤芯。 1990 年代美国科学家发现在高压下将氢分子扩散进入普通光纤后再“写”（照射）光纤，其光敏性大为提高（折射率差的变化提高两个数量级）。,8、元器件 5月24日-6月7日,5,光纤光栅的制作技术 光敏性：光纤特性参数对光能量的敏感程度决定了光纤光栅的制作条件，也影响到光纤光栅的使用寿命。 一般说来，光纤光栅应当对特定的波长比较

4、敏感，以便写入光栅；同时，光纤光栅应当对自然界中普遍存在的光谱成分以及工作波段的光不敏感，以便延长使用寿命。 光纤的光敏性可以通过掺杂方法来改变或调整。但是，光纤光敏性的物理起因和微观机理目前还不十分清楚，仍然是重要的研究课题。,8、元器件 5月24日-6月7日,6,从 1993 年开始采用相位掩模（phase mask）技术（类似制作 IC 的照相平板印刷法，将与光栅对应的周期相位模版传递到光纤中），提高了生产效率，降低了成本，并且可用这种方法制作周期渐变的啁啾光纤光栅。 1995 年光纤光栅实现商品化， 光纤光栅主要优点是：与传输光纤相容性好（具有与传输光纤相同的几何尺寸），插入损耗低、消

5、光比高；频谱特性丰富，谱线尖锐，可将器件色散的影响降至最低。 光纤光栅作为色散补偿元件的缺点是：窄带器件，光栅长度与所补偿的带宽成正比；光栅的色散特性有轻微的相位畸变（相位与波长的关系不是直线，有波动），因而限制了色散补偿光纤光栅在 DWDM 系统上的商业应用。,8、元器件 5月24日-6月7日,7,光栅的主要特性参数： 1、一级光栅的光栅的失谐量 描述光信号工作波长与光栅周期的差。B 是一级光栅的布拉格波数。 2、一级光栅的正向、反向波耦合系数 描述正向波被反射了多少。 对于横向均匀光栅正向、反向波耦合系数为常数 耦合模方程的严格解无法得到，必须针对具体情况做简化、近似才可求解。,8、元器件

6、 5月24日-6月7日,折射率变化大，反射大,8,光纤光栅的基本特点 光纤光栅可以视为带阻滤波器，其传递函数特性包括幅度和相位，与电路理论中的概念完全相同。 布拉格光纤光栅（FBG）：即折射率 n(z) 沿光纤轴线的变化与光信号波长的关系符合布拉格条件 长周期光纤光栅（LPG） ：即折射率 n(z) 沿光纤轴线的变化率很小，可以视为传输系统结构参数的扰动，这时传输系统成为非均匀传输系统，非均匀传输系统中的各模式之间将产生能量耦合，因此传输模式所携带的能量将减小。 3-p307图1.20(b)显示，长周期光栅对输入信号有限幅效应，因此有可能用于对光脉冲进行限幅整形。但是，由于在长周期光栅产生限幅

7、效应需要的光能量密度很大，目前还不能应用于光纤通信系统中。,8、元器件 5月24日-6月7日,9,对数字脉冲信号进行整形的基本法方之一就是将信号放大后再限幅。现在，光放大已经不成问题，因此研制出光的限幅器件将是全光信号处理技术的重大进步。 应当注意，信号的衰减是线性变换，信号的限幅是非线性变换。因此，限幅器件一定要利用非线性效应。,8、元器件 5月24日-6月7日,10,非均匀周期光栅：光栅的失谐量 () 或正向、反向波耦合系数 中的一个或两与坐标 z 有关。 啁啾光栅 折射率变化的周期是非均匀的 色散补偿，脉冲压缩,8、元器件 5月24日-6月7日,11,非均匀周期光纤光栅： 光栅的失谐量

8、() 或正向、反向波耦合系数 中的一个或两个与传输方向的坐标 z 有关。 取样光栅 DFB 激光器的有源区内有取样光栅，用它形成分布反馈谐振腔。,8、元器件 5月24日-6月7日,12,光子晶体光纤：PCF（photonic crystal fiber）是在石英光纤中沿长度方向（纵向）上规则地排列空气孔，从光纤的端面看，存在周期性的二维光子晶体结构。光纤的中心有缺陷态，光可以沿着空心或缺陷态传输。 纵向均匀，横向周期性结构。相对于普通光纤，光子晶体光纤具有特殊的色散特性和非线性特性。（3-p310 图1.24）,8、元器件 5月24日-6月7日,13,光子晶体光纤：可以具有以下特点： 1）低传

9、输损耗，目标 0.05dB/km，现在1.72dB/km； 2）在很宽的频率范围内支持单模传输，通过合理的设计可以支持任何波长光波的单模传输； 3）光子晶体光纤的纤芯面积可能大于传统光纤纤芯面积的 10 倍左右，这样就可在不出现非线性的前提下，允许较高的入射光功率； 4）可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿，可以把零色散波长的位置移到 1.0 m以下。光子晶体可以制作全新原理的高性能光学器件，在光通信领域也可能有重要应用，被认为是新一代的光电子材料。 5）综合利用光子晶体的各种性能，可以制作全反射镜、无阈值激光器、光波导、光偏振器、光开关、光放大器、光聚焦器，等等。 目前关于光子晶体的

10、研究，还处在实验室制作阶段以及理论分析阶段，离实用有一定的距离，主要障碍是制备工艺和生产成本。,8、元器件 5月24日-6月7日,14,光纤耦合器 光纤连接器（适配器）接头-法兰盘（单模/多模）,8、元器件 5月24日-6月7日,FC/PC-UPC-SPC,FC/APC,FC-FC,技术指标： 1、损耗（0.10.5dB） 2、反射损耗（2880dB） 3、寿命（数千次）,15,光纤连接器（适配器）,8、元器件 5月24日-6月7日,16,光纤连接器（适配器） 接头,8、元器件 5月24日-6月7日,17,光纤连接器（适配器） 接头（单模/多模）,8、元器件 5月24日-6月7日,FC/PC-

11、UPC-SPC,FC/APC,SC/PC,SC/APC,ST,LC,MU,反射损耗 284050dB,反射损耗 60dB 6-8斜角 绿色外套,18,光纤连接器（适配器） APC 接头（单模）,8、元器件 5月24日-6月7日,FC/APC,SC/APC,陶瓷/金属套筒,陶瓷插针,光纤,6-8斜角,反射损耗 60dB 6-8斜角 绿色外套,19,光纤连接器（适配器） 法兰盘 单模-套筒-氧化铝/氧化锆 多模-套筒-金属,8、元器件 5月24日-6月7日,SC-SC,FC-FC,ST-ST,MU-MU,SC-FC,SC-FC,20,保偏光纤连接器（适配器）接头,8、元器件 5月24日-6月7日,

12、FC/PC-UPC-SPC,FC/APC,技术要求： 1、慢轴对缺口 2、低档：误差 30（额外插入损耗） 3、高档：误差 3,慢轴,21,连续波光纤激光器 光纤放大器（SOA/EDFA）中加入适当的反馈机制，就可以构成光纤激光器。,8、元器件 5月24日-6月7日,22,短脉冲激光器 产生超短光脉冲（ps，fs量级）的方法：调 Q 技术，锁模技术。 调 Q 技术：产生的短光脉冲波长容易调整，脉宽 ps 量级。 锁模技术（主动锁模，被动锁模）：脉宽可达 fs 量级。 锁模激光器 1963 年，Gurs 和 Muller 在红宝石激光器中第一次使用了锁模技术。在其后几十年内，锁模技术得到了很大的

13、发展，获得的脉冲宽度也越来越窄，到目前为止，人类通过锁模技术已经能获得飞秒量级的超短光脉冲。 锁模可分为主动锁模、被动锁模和自锁模。,8、元器件 5月24日-6月7日,23,主动锁模的解析理论由 Siegman 和 Kuizenga 建立。 被动锁模理论由 Haus 等人提出，是一种全光非线性技术，能在腔内无调制器等有源器件的情况下实现窄脉冲的输出。被动锁模是利用非线性器件对输入脉冲强度的依赖性，得到比输入脉冲更窄的脉冲。 自锁模主要应用于钛宝石锁模激光器，利用的是 Kerr 效应。激光晶体在强光作用下折射率随光强变化产生自聚焦，有：n E2，再通过泵浦光聚焦产生中心小范围高增益区，这一过程对

14、越强的光脉冲增益越高。此过程相当于进行自相位调制，最后将选出锁模脉冲序列。,8、元器件 6月1日,24,锁模现象产生的条件：激光器工作在多纵模状态，各纵模的相位同步，相邻纵模的频率差为同一常数 f 。 主动锁模：对激光器进行调幅或调频的调制频率 fm 等于相邻纵模的频率间隔 f。,8、元器件 5月24日-6月7日,25,主动锁模：对激光器进行调幅或调频的调制频率 fm 等于相邻纵模的频率间隔 f。 主动锁模的物理意义 1、注入锁定现象： 当两个电磁波源 A 和 B 在空间上靠的足够近，在频率上相差足够小时，这两个电磁波源就有频率趋于一致、相位趋于同步的趋势。如果最后的输出频率和相位与电磁波源

15、A 相同，则称电磁波源 B 被电磁波源 A 注入锁定。 一般说来，功率大或频率稳定度高的电磁波源将注入锁定功率小或频率稳定度低的电磁波源。如果两个电磁波源的功率和频率稳定度都相当，则两个电磁波源将相互注入锁定最后形成单一的输出频率和同步的相位。（激光器也是电磁波源）,8、元器件 5月24日-6月7日,26,2、电磁波信号在频域和时域的对应关系：若一个电磁波源的输出频谱如图所示，如果该频谱中各谱线的相位都不相同(即各谱线形成的时刻不相同/不同步) ，则该电磁波源在时域上是连续波；如果该频谱中各谱线的相位都相同(即各谱线形成的时刻相同/同步) ；则该电磁波源在时域上是窄脉冲，且谱线条数越多，脉冲宽

16、度越窄。,8、元器件 5月24日-6月7日,27,锁模激光器：在多纵模工作状态下，F-P 腔激光器和光纤激光器的输出在时域上是连续波，在频域上是图中所示的光谱。其中每一个谱线都相当于一个独立的连续波电磁波源。设相邻谱线的间隔为 f，如果用频率为 fM = f 的信号调制（调频、调幅均可）该激光器，则每一个谱线（独立的连续波电磁波源）产生的调制边频将落在相邻谱线上。这样，N 个独立的连续波电磁波源将相互注入锁定，从而使所有谱线在相位上同步。这时，输出信号在时域上就变为窄脉冲，脉冲宽度与 (2N +1) f 成反比，重复周期为 1/f。 上述过程称为主动锁模，采用这种方法构成的激光器就是主动锁模激光器。锁模激光器的主要用途是产生超短光脉冲。,8、元器件 5月24日-6月7日,28,主动锁模光纤激光器光纤放大器中加入适当的反馈机制，就可以构成光纤激光器。 光脉冲重复周期由微波信号频率决定，容易