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1、北大光纤通信课件：北大光纤通信课件：8元器元器件件2一、光纤光栅（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，分为光纤时相位变化，分为光纤布拉格光栅布拉格光栅（FBG）和）和长周期光栅长周期光栅（LPG）两类。）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。这个条件就是入光将被反射。这个条件就是“布拉格布拉格”条件。条件。如果输入光的波长为如果输入光的波长为 1.5 m，平均折射率为
2、平均折射率为 1.5，则光栅的周期约为，则光栅的周期约为 0.5 m。就工作原理而言，光纤光栅与就工作原理而言，光纤光栅与 DFB 激光器中的分布反馈腔相同。激光器中的分布反馈腔相同。8、元器件、元器件5月24日-6月7日n2z 传输方向n 折射率z 传输方向n 折射率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。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。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
3、性变换。因此，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。限幅器件一定要利用非线性效应。放大后的脉冲：波形呈三角形，上升、下降时间不变。限幅整形后：波形接近于矩形，上升、下降时间缩短。8、元器件、元器件5月24日-6月7日原始脉冲：波形呈三角形，上升、下降时间长。10非均匀周期光栅非均匀周期光栅：光栅的失谐量：光栅的失谐量 ( ( ) ) 或正向、反向波耦合系数或正向、反向波耦合系数 中的一个或两与坐标中的一个或两与坐标 z 有关。有关。啁啾光栅啁啾光栅折射率变化的周期是非均匀的折射率变化的周期是非均匀的色散补偿，脉冲压缩色散补偿，脉冲压缩z 传
4、输方向n 折射率色散补偿f1 f2 f3 f4132f4环行器f3匹配负载f2f1tPtP8、元器件、元器件5月24日-6月7日11非均匀周期光纤光栅非均匀周期光纤光栅：光栅的失谐量光栅的失谐量 ( ) 或正向、反向波耦合系数或正向、反向波耦合系数 中的一个或两个中的一个或两个与传输方向的坐标与传输方向的坐标 z 有关。有关。取样光栅取样光栅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。激光器的有源区内有取样光栅，用它形成分布反馈谐振腔。1/4波长相移波长相移z 传输方向传输方向n 折射率折射率8、元器件、元器件5月24日-6月7日12光子晶体光纤：光子晶体光纤：PCF（phot
5、onic crystal fiber）是在石英光纤中沿长度）是在石英光纤中沿长度方向方向（纵向）（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。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。（殊的色散特性和非线性特性。（3-p310 图图1.24）8、元器件、元器件5月24日-6月7日13光子晶体光纤：可以具有
6、以下特点：光子晶体光纤：可以具有以下特点：1）低传输损耗，目标）低传输损耗，目标 0.05dB/km，现在，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）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；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）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，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；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）可灵活地设
7、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。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）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。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研究，还处在实验室制作阶段以及理论分析阶段，目前关
8、于光子晶体的研究，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。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、元器件5月24日-6月7日14光纤耦合器光纤耦合器 光纤连接器光纤连接器（适配器）（适配器）接头接头-法兰盘法兰盘（单模（单模/多模）多模）8、元器件、元器件5月24日-6月7日陶瓷陶瓷/金属金属套筒套筒陶瓷插针陶瓷插针光纤光纤FC/PC-UPC-SPCFC/APCFC-FC技术指标：技术指标：1、损耗（、损耗（0.10.5dB）2、反射损耗（、反射损耗（2880dB）3、寿命（数千次）、寿命（数千次）15光纤连接器（适配器）光
9、纤连接器（适配器）8、元器件、元器件5月24日-6月7日陶瓷陶瓷/金属套筒金属套筒陶瓷插针陶瓷插针光纤光纤16光纤连接器（适配器）光纤连接器（适配器）接头接头8、元器件、元器件5月24日-6月7日17光纤连接器（适配器）光纤连接器（适配器）接头（接头（单模单模/多模）多模）8、元器件、元器件5月24日-6月7日FC/PC-UPC-SPCFC/APCSC/PCSC/APCSTLCMU反射损耗反射损耗 284050dB反射损耗反射损耗 60dB6-8斜角斜角绿色外套绿色外套18光纤连接器（适配器）光纤连接器（适配器）APC 接头接头（单模）（单模）8、元器件、元器件5月24日-6月7日FC/APC
10、SC/APC陶瓷陶瓷/金属套筒金属套筒陶瓷插针陶瓷插针光纤光纤6-8斜角斜角反射损耗反射损耗 60dB6-8斜角斜角绿色外套绿色外套19光纤连接器（适配器）光纤连接器（适配器）法兰盘法兰盘单模单模-套筒套筒-氧化铝氧化铝/氧化锆氧化锆多模多模-套筒套筒-金属金属8、元器件、元器件5月24日-6月7日SC-SCFC-FCST-STMU-MUSC-FCSC-FC20陶瓷陶瓷/金属套筒金属套筒陶瓷插针陶瓷插针光纤光纤保偏光纤连接器（适配器）保偏光纤连接器（适配器）接头接头8、元器件、元器件5月24日-6月7日FC/PC-UPC-SPCFC/APC技术要求：技术要求：1、慢轴对缺口、慢轴对缺口2、低档
11、：误差、低档：误差 30（额外插入损耗）（额外插入损耗）3、高档：误差、高档：误差 3慢轴慢轴21连续波光纤激光器连续波光纤激光器光纤放大器光纤放大器（SOA/EDFA）中加入适当的反馈机制，就可以构成光中加入适当的反馈机制，就可以构成光纤激光器。纤激光器。8、元器件、元器件5月24日-6月7日反馈信号光反馈信号光掺铒光纤掺铒光纤输出光输出光光滤波器光滤波器光耦合器光耦合器光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器同向同向泵浦激光泵浦激光器及控制电路器及控制电路反向反向泵浦激光泵浦激光器及控制电路器及控制电路光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器Pt22短脉冲激光器短脉冲激光器产生超短光脉冲产生超短光脉冲（p
12、s，fs量级）量级）的方法：调的方法：调 Q 技术，锁模技术。技术，锁模技术。调调 Q 技术：产生的短光脉冲波长容易调整，脉宽技术：产生的短光脉冲波长容易调整，脉宽 ps 量级。量级。锁模技术锁模技术（主动锁模，被动锁模）（主动锁模，被动锁模）：脉宽可达：脉宽可达 fs 量级。量级。锁模激光器锁模激光器1963 年，年，Gurs 和和 Muller 在红宝石激光器中第一次使用了锁模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发展，获得的脉冲技术。在其后几十年内，锁模技术得到了很大的发展，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宽度也越来
13、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。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。锁模可分为主动锁模、被动锁模和自锁模。8、元器件、元器件5月24日-6月7日23主动锁模的解析理论由主动锁模的解析理论由 Siegman 和和 Kuizenga 建立。建立。被动锁模理论由被动锁模理论由 Haus 等人提出，是一种全光非线性技术，能在等人提出，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利用非线性器件对输
14、入脉冲强度的依赖性，得到比输入脉冲更窄的脉冲。脉冲。自锁模主要应用于钛宝石锁模激光器，利用的是自锁模主要应用于钛宝石锁模激光器，利用的是 Kerr 效应。激效应。激光晶体在强光作用下折射率随光强变化产生自聚焦，有：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，这一过程对越强的光再通过泵浦光聚焦产生中心小范围高增益区，这一过程对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。冲序列。8、元器件、元器件6月1日24锁模现象产生的条件锁模现象产生的条件：激光器工
15、作在多纵模状态，各纵模的相：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位同步，相邻纵模的频率差为同一常数 f 。主动锁模主动锁模：对激光器进行调幅或调频的调制频率：对激光器进行调幅或调频的调制频率 fm 等于相邻纵等于相邻纵模的频率间隔模的频率间隔 f。8、元器件、元器件5月24日-6月7日25主动锁模主动锁模：对激光器进行调幅或调频的调制频率：对激光器进行调幅或调频的调制频率 fm 等于相邻纵模等于相邻纵模的频率间隔的频率间隔 f。主动锁模的物理意义主动锁模的物理意义1、注入锁定现象注入锁定现象：当两个电磁波源当两个电磁波源 A 和和 B 在空间上靠的足够近，在频率
16、上相差足够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。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如果最后的输出频率和相位与电磁波源 A 相同，则称电磁波源相同，则称电磁波源 B 被被电磁波源电磁波源 A 注入锁定。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
17、一的输出频度都相当，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。率和同步的相位。（激光器也是电磁波源）（激光器也是电磁波源）8、元器件、元器件5月24日-6月7日262、电磁波信号在频域和时域的对应关系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：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(即各谱线形成即各谱线形成的时刻不相同的时刻不相同/不同步不同步) ，则该电磁波源在时域上是连续波；如果该频谱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中各谱线的相位都相同(即各谱线形成的时刻
18、相同即各谱线形成的时刻相同/同步同步) ；则该电磁波源则该电磁波源在时域上是窄脉冲，且谱线条数越多，脉冲宽度越窄。在时域上是窄脉冲，且谱线条数越多，脉冲宽度越窄。tPtP8、元器件、元器件5月24日-6月7日27锁模激光器锁模激光器：在多纵模工作状态下，：在多纵模工作状态下，F-P 腔激光器和光纤激光器的输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。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其中每一个谱线都相当于一个独立的连续波电磁波源。当于一个独立的连续波电磁波源。设相邻谱线的间隔为设相邻谱线的间隔为 f，如果用频率为，如果用频率为 fM =
19、f 的信号调制的信号调制（调频、调幅均可）（调频、调幅均可）该激光器，则每一个谱线该激光器，则每一个谱线（独立的连续波（独立的连续波电磁波源）电磁波源）产生的调制边频将落在相邻谱线上。这样，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，重复周期为成反比，重复周期为 1/ f。上述过程称为上述过程称为主动锁模主动锁模，采用这种方法构成的激光器就是主动
20、锁模激，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。光器。锁模激光器的主要用途是产生超短光脉冲。8、元器件、元器件5月24日-6月7日28主动锁模光纤激光器主动锁模光纤激光器光纤放大器中加入适当的反馈机制，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。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，容易调整。光脉冲重复周期由微波信号频率决定，容易调整。光脉冲宽度由光纤环腔的长度和调制频率决定。光脉冲宽度由光纤环腔的长度和调制频率决定。8、元器件、元器件5月24日-6月7日反馈信号光反馈信号光掺铒光纤掺铒光纤输出光输出光光滤波器光滤波器光耦合
21、器光耦合器光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器同向同向泵浦激光泵浦激光器及控制电路器及控制电路反向反向泵浦激光泵浦激光器及控制电路器及控制电路光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器光调制器光调制器微波信号微波信号发生器发生器Pt29被动锁模被动锁模：采用有源方式实现锁模即主动锁模，采用无源方式：采用有源方式实现锁模即主动锁模，采用无源方式实现锁模即被动锁模。实现锁模即被动锁模。被动锁模是利用无源系统的非线性特性被动锁模是利用无源系统的非线性特性（主要是系统特性与脉冲强度（主要是系统特性与脉冲强度的依赖关系）的依赖关系），使输入信号的频谱得到大幅度扩展，从而实现时域上，使输入信号的频谱得到大幅度扩展，从而
22、实现时域上的脉冲压缩。的脉冲压缩。1、可饱和吸收材料（、可饱和吸收材料（3-420）2、非线性光纤环（、非线性光纤环（3-422）3、非线性偏振旋转光纤环（、非线性偏振旋转光纤环（3-423）8、元器件、元器件5月24日-6月7日30利用可饱和吸收材料的利用可饱和吸收材料的被动锁模被动锁模（自锁模）（自锁模）技术技术主要问题：启动机制，稳定性，重复性。主要问题：启动机制，稳定性，重复性。8、元器件、元器件5月24日-6月7日反馈信号光反馈信号光掺铒光纤掺铒光纤输出光输出光光滤波器光滤波器光耦合器光耦合器光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器同向同向泵浦激光泵浦激光器及控制电路器及控制电路反向反向泵浦
23、激光泵浦激光器及控制电路器及控制电路光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器可饱和吸收材料可饱和吸收材料PtP插入损耗插入损耗tP31主动锁模技术的特点：主动锁模技术的特点：1、脉冲宽度为、脉冲宽度为 ps 量级，量级，2、重复频率高、重复频率高（40GHz 或更高）或更高），也容易调整、控制，也容易调整、控制，3、波长容易调整，、波长容易调整，4、主动锁模激光器在光通信系统中的应用前景较好。、主动锁模激光器在光通信系统中的应用前景较好。被动锁模技术的特点：被动锁模技术的特点：1、产生的光脉冲宽度更窄、产生的光脉冲宽度更窄（fs 量级）量级），2、脉冲重复频率很低、脉冲重复频率很低（百（百 MHz 量
24、级）量级）且不易调整，且不易调整，3、波长不容易调整，、波长不容易调整，4、脉冲串同步困难，脉冲的抖动较大，、脉冲串同步困难，脉冲的抖动较大，5、在物理学、化学、医学方面应用前景较好，但不适宜于光纤、在物理学、化学、医学方面应用前景较好，但不适宜于光纤通信系统的应用。通信系统的应用。混合锁模混合锁模：8、元器件、元器件5月24日-6月7日32主动锁模激光器原理框图：主动锁模激光器原理框图：8、元器件、元器件5月24日-6月7日光耦合器光耦合器SOA EDFA光信号输出光信号输出光调制器光调制器射频信号发生器射频信号发生器 fR6.3ps93ps33锁模激光器产生的超短光脉冲的测量方法：锁模激光
25、器产生的超短光脉冲的测量方法：高速光示波器，高速光采样示波器，光自相关仪。高速光示波器，高速光采样示波器，光自相关仪。前前 2 种仪器的工作原理与常规示波器相同，都需要同步时钟触种仪器的工作原理与常规示波器相同，都需要同步时钟触发。发。光自相关仪将高速光脉冲信号转换为低速电脉冲信号并输出同光自相关仪将高速光脉冲信号转换为低速电脉冲信号并输出同步触发信号，然后在常规示波器上显示脉冲波形。步触发信号，然后在常规示波器上显示脉冲波形。8、元器件、元器件5月24日-6月7日6.3ps93ps34主动锁模激光器在高速主动锁模激光器在高速光纤通信系统中的应用光纤通信系统中的应用8、元器件、元器件5月24日
26、-6月7日1:2 耦合器耦合器SOA EDFA脉冲序列光信号输出脉冲序列光信号输出光调制器光调制器射频信号发生器射频信号发生器 fR光调制器光调制器码形发生器码形发生器RZ 码光信号输出码光信号输出fRNRZ 调制调制码码RZ 码光信号码光信号脉冲序列脉冲序列358、元器件、元器件5月24日-6月7日1:2 耦合器耦合器SOA EDFA脉冲序列光信号输出脉冲序列光信号输出光调制器光调制器射频信号发生器射频信号发生器 fR光调制器光调制器码形发生器码形发生器RZ 码光信号输出码光信号输出光分光分波器波器光合光合波器波器主动锁模激光器在高速主动锁模激光器在高速光纤通信系统中的应用光纤通信系统中的应用fR脉冲序列脉冲序列 1脉冲序列脉冲序列 2脉冲序列脉冲序列 3脉冲序列脉冲序列 1合波脉冲序列合波脉冲序列36 结束语结束语