第五章.pptx

1、第五章 光无源器件,光纤系统(传感和通信系统)中如何连接、分 路、分光强、滤波、分波长、关断等功能介绍实现以上功能的无源器件,2,本章教学内容,无源器件：不需电支持有源器件：需要电支持，如光源、光电探测器 等,本章目录光纤连接器光纤耦合器光隔离器光环行器光纤光栅光学滤波器光开关光波分复用器件本章小结,3,1、光纤连接器,作用：光纤连接，光纤器件之间的互联光纤连接器的基本构成,光纤,套管,插针粘结剂,插头,4,转换器,插头,连接器插头插头组成与插针材料插头按其端面的形状可分为PC型、SPC型、APC型3类光纤跳线,5,转换器转换器俗称法兰盘，有FC型、SC型、ST型等 多种类型。不同类型之间的转

2、换。,6,光纤连接器的性能,插入损耗,反射损耗,重复性：对某一特定的连接器多次插拔，插入 损耗的统计平均值,aa互换性：换插头或转换器后插入损耗的波动范 围,Pin,7,I.Li,10 lg Pout,RL 10 lg PL/P0,2、光纤耦合器,8,光纤耦合器是使光纤中传输的光信号在特定的 耦合区发生耦合，并在两根或多根光纤进行功 率或波长分配的光无源器件。有时又称分路 器(1N)。分类光功率分配/光波长分配X/Y/星形/树形单窗口窄带单窗口宽带双窗口宽带(发展),9,光探测器,熔融拉锥法制作光纤耦合器夹具,光源,计算机,火焰,控制电路,光纤,P176,第3题,光纤耦合器的工作原理,工作原理

3、,入端锥体,出端锥体,耦合区,I1输入臂,I4耦合臂,I2背散射臂,I3直通臂,2a,纤芯,包层,半径,n2,V1,10,折射率倐逝场(evanescent wave)V2,光纤耦合器的技术参数插入损耗(Insertion Loss)I.L 10 lg PiPioutin附加损耗(Excess Loss),11,i,P,out,E.L 10 lg iPin分光比(Coupling Ratio)Pi,C.R out 100%,Pin,(相对分光比),光纤耦合器的技术参数,方向性(Directivity),偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss),P,D.L 10 l

4、g in2 Pin1,F.L 10 lg MIN(POUT)MAX(POUT),out,MIN(Pi),MAX(Pi),P.D.L 10 lg out,Pin,12,I 10 lg Pl,均匀性(Uniformity)(均分耦合器),(360度旋转),隔离度(Isolation)(波长分配型),13,补充：偏振和偏振片,偏振具有方向性，按偏振方向 平行或垂直于入射面分成p光 和s光。偏振片：特定振动方 向的光可透过,补充：双折射和双折射晶体,双折射：一束入射到介质中的光经折射后变为两束光，两束光均为线偏振光。如果采用自然光入射，两者 光强相等。光轴：沿此方向没有双折射双折射晶体：光沿非光轴方向

5、入射时，o光和e光分离,14,3、光隔离器,15,光隔离器又称光单向器，是一种光非互易 传输的光无源器件，其基本功能是实现光 信号的正向传输，同时抑制反向光，即具 有不可逆性。光隔离器的重要性:通信系统中的SL光盘系统中的LD分类：块状/光纤/波导,原理：偏振效应、法拉第效应（不可逆性）,两种偏振相关光隔离器,偏振片/4波片(自由空间),Incident beam,偏振分光棱镜(薄膜)波片(双折射),16,法拉第效应偏振分光棱镜/偏振片 法拉第旋光器,17,偏振无关光隔离器,Wedge型光隔离器,聚焦纤维透镜(GRIN),级联Wedge型光隔离器,单级结构的缺点：平行位移、偏振模色散、隔离度

6、低.级联光隔离器能克服以上缺点,18,光隔离器的性能指标插入损耗,Pin,Pin,Pin,19,I.Li 10lgPout反向隔离度I.F 10 lg Pout回波损耗R.Li 10 lg Pr偏振模色散,20,光隔离器的应用,激光器、半导体激光器、激光二极管(光盘读写系统),光纤激光器、光纤放大器,隔离器,管芯,(a)尾纤式激光器,隔离器,（b）蝶式激光器,LD,耦合器,信号监测,PI,掺铒光纤,PD,WDM,PI,耦合器,PBS,放大监测1480nm 泵 浦 源LD,1480nm 泵 浦 源,PD,PI：偏振无关光隔离器 PD：偏振相关光隔离器 WDM：波分复用PBS：偏振合束器,LD,输

7、出光信号,4、光环形器,光学环行器是一种多端口输入输出的非互 易性器件。三端口/四端口结构原理：单向传输，与光隔离器工作原理基本 相同作用：按规定的端口顺序传输,A,C,D,B,图5.19 光学环行器原理图,入射光,21,光环形器参数,插入损耗 隔离度波长相关损耗方向性1-3偏振相关损耗偏振模色散 回波损耗,22,环形器应用1,功能：上/下路复用结构：光环形器与布拉格光栅组合使用,A,R2,R1,B,C,F,E,D,23,环形器应用2,功能：解调、提取信号结构：光环形器与光纤传感器组合使用，与22耦 合器用途类似29 October 2007/Vol.15,No.22/OPTICS EXPRE

8、SS 14936,24,功能：增益加倍(本质上是增加吸收/增益程,如激 光器/气体传感)结构：光环形器与光纤放大器组合使用,环形器应用3,反射镜,25,环形器应用4,功能：双向同步传输结构：两个光环形器与光源、探测器组成两套传 输系统，同时工作,26,5、光纤光栅,27,光栅：折射率周期性变化的光学介质结构当光波通过光栅时，光波的相位会产生周 期性的变化光纤光栅：光纤纤芯中形成的光栅优点：插入损耗小、器件微型化、易复用 和集成,光纤光栅的分类按周期分：布拉格光栅(周期小于1um)长周期光栅(周期几十到几百um)按折射率变化的分辨率：弱调制光栅(常用)强调制光栅按折射率分布：均匀光栅、啁啾光栅、

9、切趾光栅、倾斜光栅,28,几种典型的光纤光栅,布拉格条件：,布拉格光栅：反射式光纤光栅均匀光栅,啁啾光栅,0,n(z)n n cos(2z),0,(z),n(z)n n(z)1 cos(2z,2neff 2n,边带-切趾(n振幅减小),29,折射率分布闪耀光纤光栅（Blazed fiber grating）：倾 斜角度，向包层模、辐射模耦合，用于对特定 波段的光进行衰减,30,长周期光纤光栅同向模式之间的耦合，周期达几百微米(与FBG比较：应力相近，温度灵敏度更高),0,0,n(z cos)n n1 cos(2z cos),ncl)/,(nco,弹光效应：CO2激光加热使光纤释放残余应 力、氢

10、氟酸腐蚀改变光纤物理结构、电弧放电 使光纤微弯等,光纤光栅的制作光敏性：掩模曝光氢载掺锗光纤、横向干涉曝 光,31,光纤光栅的应用1,光纤激光器,激光器原理简介,32,光纤光栅的应用2,光纤传感：应力、温度、扭转、外界折射 率变化等因素会引起光纤光栅谐振波长变 化,MST_8(1997)355_In-fibre Bragg grating sensors,33,光纤光栅的应用3,光学滤波器（第6节）,波分复用（第8 节）例如，与 环行器结合用 作上/下路波分 复用器,34,6、光学滤波器,滤波器：使某一波长或某一波段的 光选择性透射或反射。,35,几种重要的光学滤波器：F-P腔型光滤波器马赫-

11、曾德干涉型光滤波器光栅滤波器声光、电光可调滤波器(属于光栅型)介质膜滤波器,36,F-P腔型光滤波器,法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)腔由两面彼此平行的 镜面构成,光线进入腔内并在两镜面间多次反射。原理：多光束干涉驻波，共振,梳状谱2nd=m*或kd=m*频率间隔：=c/2nd,FP腔透射率T随kd变化的曲线,37,T,38,F-P腔滤波器种类,应用F-P腔滤波原理的滤波器种类很多：光纤型、铁 电液晶光滤波器、MEMS滤波器等。通过调腔长来调节相位，从而改变共振条件使不同 波长的光透射,液晶,调折射率：液晶的折射率 随外加电压变化,马赫-曾德干涉型光滤波器,L1,3dB耦合器,39

12、,原理：双光束干涉一路为参考臂、另一路中插入一可调相位延迟 器件，两者的光程差等于半波长的整数倍时，相干增强，该波长的光可以透过。信号光输入信号光输出,3dB耦合器,光栅滤波器,布拉格光栅损耗低、易耦合和连接,40,声光可调谐滤波器,超声信号加在声光晶体上使晶体的折射率 呈周期分布，形成光栅。通过改变超声信 号的频率、强度等参数改变光栅周期、调 制深度等，从而实现可调谐滤波,射频,声栅,光栅周期,41,偏振分束器,光波入射方向,电光可调谐滤波器：利用外加电压改变晶体的折射率,介质膜滤波器,介质膜滤波器是一种干涉滤波器,它利用光的 薄膜干涉现象进行滤波。膜堆，高低折射率材料交替沉积,42,7、光

13、开关,43,光开关是光纤通信系统重要的光器件之一，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。有以下分类方式：1、工作媒质（损耗）：空间/波导2、工作方式（速度）：机械式/非机械式3、输入输出端口数（应用）：1X1，1X2，1XN，2X2,机械光开关：利用电机来旋转或移动光 纤，开关速度慢10-15ms电光光开关：通过电压调节波导折射率工 作，结构一般为定向耦合、M-Z干涉等。响应时间达到ns量级。常用材料有铌酸 锂，InP、GaAs等半导体材料基于InP的光开关：插入损耗和光通道隔 离度相对高半导体光放大器(SOA)开关：组合构成光 开关阵列

14、，响应速度为ns级,44,MEMS开关：基于微镜面，安装在机械底 座上受静电控制的二维或三维器件。开关 时间比较长、可靠性低,45,其它光开关声光开关：500ns到10s，可靠性较高，损耗低于2.5dB磁光开关(法拉第效应)：外加磁场的改变来改 变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而 达到切换光路的效果液晶光开关(与磁光开关原理类似，偏振)：液 晶片的作用是旋转入射光的极化角。,46,光开关的特性参数,47,光开关的特性参数主要有：插入损耗回波损耗开关时间,8 光波分复用器件,波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing,WDM)密集波分复用 DWDM解复用

15、的核心思想：采用色散或滤波元件 将多波长光源分离为单个波长的光。,多波长 光源,信号加 载，调 制,传输,48,棱镜解复用器,波分复用光12+N经透镜准直后，射入折 射率为n2的三角棱镜的输入表面，光线进入棱镜后发 生折射，棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这 些分开的光从楞镜进入空气时，又一次发生折射，从 而进一步把复用光束分开，完成解复用，然后再用一 个棱镜把各波长的光聚焦到各自的输出光纤中。,49,衍射光栅解复用器,输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上，光栅 对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号 分解为不同波长的光。,50,干涉膜滤光型WDM器件,窄带通滤波，该器件由8个单窗口2

16、波的DWDM 器件串联而成,信道间隔为200GHz。,透镜,透镜,玻璃衬底,1 8,光纤,光纤,DTMF,24 6光纤8,1,3,5,利用多层介质膜窄带滤光 器制成的8波DWDM器件,51,8信道DWDM器件的响应曲线,52,光纤光栅型WDM 器件,a种结构FBG少,但采用耦 合器,插入损耗大；b、c 种结构要利用较多的FBG,成本较高,但其插入损耗 小,比a种结构低6dB。光 纤光栅具有中心反射波长 可以精密控制、反射带宽 可以任意选择、反射带宽 可以做得很小、反射率可 以达到几乎100%、容易进 行温度补偿、与普通光纤,连接简便等优点。,53,本章小结,光无源器件是光纤通信系统和光纤传感系 统的不可或缺的重要组成部分。随着光通 信系统的发展和相关需求的日益增长，光 无源器件的性能不断地提高，光无源器件 在系统中的应用也越来越广泛。,