《无源器件》PPT课件.ppt

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1、第五章第五章 光无源器件光无源器件 光无源器件光无源器件(光通路元器件光通路元器件-光能量消耗型器件光能量消耗型器件)是是光纤通信技术中的重要组成部分。随着光纤通信的发展光纤通信技术中的重要组成部分。随着光纤通信的发展,从用于点从用于点-点系统的光纤连接器，点系统的光纤连接器，光网络需要的定向耦光网络需要的定向耦合器和星型耦合器，合器和星型耦合器，WDM WDM和和DWDMDWDM系统的光波分复用系统的光波分复用/解解波分复用器，波分复用器，光纤与集成光路的耦合和相干光通信系统光纤与集成光路的耦合和相干光通信系统需要的偏振态控制器，需要的偏振态控制器，铒光纤放大器后滤除自发辐射噪铒光纤放大器后

2、滤除自发辐射噪声必须有滤波器，声必须有滤波器，各种通信系统和测量系统离不开光隔各种通信系统和测量系统离不开光隔离器离器，光无源器件的内容日益丰富，已广泛应用于，光无源器件的内容日益丰富，已广泛应用于光纤通信系统光纤通信系统,计算机光纤网计算机光纤网,微波光纤网微波光纤网,光纤传感网等光纤传感网等等光纤应用的各个领域。等光纤应用的各个领域。其主要作用：其主要作用：连接光波导或光路；连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间的光耦合；控制器控制光功率的分配；控制光波导之间的光耦合；控制器件之间的光耦合；控制光波导与器件间光耦合件之间的光耦合；控制光波导与

3、器件间光耦合。光无源器件按结构形式可分为块状、光纤和波导型三种。光无源器件按结构形式可分为块状、光纤和波导型三种。块状型由分立元件组成，因而也称分立元件型。块状型由分立元件组成，因而也称分立元件型。例如，玻璃片上镀例如，玻璃片上镀吸收介质吸收介质-衰减器，玻璃片两边镀高反膜衰减器，玻璃片两边镀高反膜-滤波器，闪耀光栅构成波分滤波器，闪耀光栅构成波分复用复用/解复用器等。这种元件的缺点是不能直接与光纤耦合，需要通解复用器等。这种元件的缺点是不能直接与光纤耦合，需要通过耦合元件，所以损耗较大。过耦合元件，所以损耗较大。2cm光纤型光纤型 损耗小，能做成在线式。具有光纤的一切优点。损耗小，能做成在线

4、式。具有光纤的一切优点。波导型波导型 由平面或带状介质光波导构成。沉积工艺之前先用光刻的由平面或带状介质光波导构成。沉积工艺之前先用光刻的方法将波导形状做在衬底上。方法将波导形状做在衬底上。a b c d永久性连接：熔接永久性连接：熔接 粘接粘接 固定连接器固定连接器 活动性连接：活动连接器活动性连接：活动连接器光纤间的连接光纤间的连接光纤与光源的连接光纤与光源的连接光纤与光检测器间连接光纤与光检测器间连接光器件之间的连接光器件之间的连接光器件与设备的连接光器件与设备的连接5.1 5.1 光纤连接器光纤连接器 无论是固定连接还是活动连接，都是一种特定的不连续点，自然无论是固定连接还是活动连接，

5、都是一种特定的不连续点，自然要产生损耗。要产生损耗。？以低损耗的方法把光纤相互连接起来，而且希望尽量减以低损耗的方法把光纤相互连接起来，而且希望尽量减少连接的地方出现光的反射。少连接的地方出现光的反射。连接损耗决定因素：连接损耗决定因素：光纤的特性参数光纤的特性参数 光纤端面质量光纤端面质量 相对几何位置对准相对几何位置对准 横向对准、轴向对准、角度对准横向对准、轴向对准、角度对准 2.2.纵向偏离对耦合效率纵向偏离对耦合效率的影响的影响 xl（d/2a）0.2,一一.横向偏离对耦合效率横向偏离对耦合效率的影响的影响dS。n n周围介质的折射率周围介质的折射率3.3.倾斜角度对耦合效率倾斜角度

6、对耦合效率的影响的影响n周围介质折射率周围介质折射率4.4.间隙与光纤的界面存在的菲涅尔反射损耗：间隙与光纤的界面存在的菲涅尔反射损耗：反射率反射率 R=(n1+n/n1-n)25.5.光纤参数不匹配对耦合效率光纤参数不匹配对耦合效率的影响的影响归一化频率不同归一化频率不同 纤芯相等纤芯相等 NA NA相等相等二二.光纤连接器的重要技术指标光纤连接器的重要技术指标插入损耗，回波损耗，重复性，互换性等插入损耗，回波损耗，重复性，互换性等对对于于单单模模光光纤纤,在在传传导导模模场场为为高高斯斯分分布布的的近近似似下下，连连接损耗主要是横向偏离，损耗与偏离量的关系为：接损耗主要是横向偏离，损耗与偏

7、离量的关系为：估算模场半径估算模场半径4.9m,4.9m,横向偏离距离横向偏离距离1m1m的连接损耗。的连接损耗。横向偏离距离横向偏离距离 光纤的光纤的模场模场半径半径 大于纤芯半径大于纤芯半径1.1.插插入入损损耗耗 表表示示光光纤纤中中的的光光信信号号通通过过连连接接器器后后，其其输出光功率相对输入光功率的分贝比。输出光功率相对输入光功率的分贝比。Pin 连接器连接器 Pout2.2.回波损耗回波损耗 后向反射损耗后向反射损耗光纤连接处后向反射光功率与输入光功率的分贝比。光纤连接处后向反射光功率与输入光功率的分贝比。PinPR连接器连接器 20dB 40dB?优优改进方案：改进方案：越大说

8、明反射光对前级系越大说明反射光对前级系统的影响越小。统的影响越小。端面端面端面端面端面端面端面端面端面端面端面端面平面接触平面接触球面接触球面接触斜面接触斜面接触3.3.重复性同一器件每次使用的插入损耗的变化。重复性同一器件每次使用的插入损耗的变化。dB dB表示。表示。4.4.互换性同型号的连接器中，各个连接器插入损耗互换性同型号的连接器中，各个连接器插入损耗 的差异，也用的差异，也用dBdB表示。表示。5.1.1 5.1.1 光纤的永久性连接光纤的永久性连接光纤的永久性连接光纤的永久性连接熔接法熔接法和粘接法和粘接法 固定连接器固定连接器1.1.光纤熔接技术光纤熔接技术 7070年代初年代

9、初 镍铬丝通电作为热源镍铬丝通电作为热源 对熔点低于对熔点低于10001000的多组分多模玻璃光纤进行熔接，的多组分多模玻璃光纤进行熔接，连接的损耗约。连接的损耗约。7070年代中期年代中期 采用电弧放电加热法采用电弧放电加热法(也有其他加热方式）也有其他加热方式）利用电弧使两根待接光纤熔化而连接在一起。光纤位置利用电弧使两根待接光纤熔化而连接在一起。光纤位置 控制借助于微动机构和显微镜来实现。控制借助于微动机构和显微镜来实现。多模光纤的平均损耗达到。多模光纤的平均损耗达到。8080年代开始年代开始 “预加热熔接法预加热熔接法”通过电弧对光纤端面进行预热整形，然后在放电的情况通过电弧对光纤端面

10、进行预热整形，然后在放电的情况 下下,让两根待连接光纤的其中之一沿轴线向另一根移动让两根待连接光纤的其中之一沿轴线向另一根移动,最后把它们熔合在一起。最后把它们熔合在一起。单模光纤熔接平均损耗达到单模光纤熔接平均损耗达到0.1dB 0.1dB 此后，以此技术为基础发展成为商品光纤熔接机系列。此后，以此技术为基础发展成为商品光纤熔接机系列。光纤熔接机原理框图光纤熔接机原理框图电电弧弧电电源源控制中心控制中心监测信号监测信号电极电极夹具及微调架夹具及微调架光纤熔接的具体操作光纤熔接的具体操作 端面制备端面制备 纤芯对准纤芯对准 熔熔 接接 接头增强接头增强 目前用得最目前用得最多的是超声多的是超声

11、光纤切割刀，光纤切割刀，它采用电子它采用电子调谐的超声调谐的超声振动刀具振动刀具,能能制备优质的制备优质的端面。端面。要求有非常高的要求有非常高的精度。多模光纤精度。多模光纤可以采用外径对可以采用外径对准法，单模光纤准法，单模光纤则必须采用芯轴则必须采用芯轴对准用功率法对准用功率法或折射率差透镜或折射率差透镜效果法来确定。效果法来确定。先让待接光先让待接光纤的间隙维纤的间隙维持几十微米，持几十微米，然后进行预然后进行预热，最后使热，最后使间隙逐渐缩间隙逐渐缩小而熔合在小而熔合在一起。一起。电弧熔接后，电弧熔接后，在光纤接续在光纤接续处用玻璃毛处用玻璃毛细管或不锈细管或不锈钢管增强；钢管增强；也

12、可用热缩也可用热缩塑料管增强塑料管增强.之后，清洁，检查。之后，清洁，检查。2.2.固定连接器技术固定连接器技术 采用机械的连接具来支撑被连接的光纤，使其保持采用机械的连接具来支撑被连接的光纤，使其保持 在固定的位置上。在固定的位置上。关键技术是光纤的对准和对准的保持。关键技术是光纤的对准和对准的保持。固定连接器固定连接器毛细管定位固定连接器毛细管定位固定连接器 V V型槽定位固定连接器型槽定位固定连接器 利用利用V型槽保持两待接光纤相互对型槽保持两待接光纤相互对准定位准定位.铅板作主要材料铅板作主要材料,用冲模用冲模冲出冲出V型槽型槽,也可以用单晶硅材料也可以用单晶硅材料以化学腐蚀的方法刻蚀

13、出以化学腐蚀的方法刻蚀出V型槽型槽.角度值一般选在角度值一般选在6060左右。左右。依靠毛细管本身定位并支撑。依靠毛细管本身定位并支撑。5.1.2 5.1.2 光纤活动连接器光纤活动连接器目目前前使使用用数数量量最最多多的的光光无无源源器器件件。重重复复插插拔拔的的寿寿命命长长一般要求插拔次数在一般要求插拔次数在10001000次以上。次以上。对接耦合式对接耦合式耦合方式耦合方式 透镜耦合式透镜耦合式 外套外套套筒套筒插针体插针体光纤光纤对接耦合式对接耦合式光纤连接器示意图光纤连接器示意图 透镜厚度分布型透镜厚度分布型透镜耦合式透镜耦合式光纤连接器示意图光纤连接器示意图自聚焦透镜折射率分布型自

14、聚焦透镜折射率分布型国产活动连接器的主要技术指标国产活动连接器的主要技术指标 连接器类型连接器类型技术指标技术指标FC型型不锈钢不锈钢PC型型陶瓷陶瓷PC型型单模单模光纤光纤多模多模光纤光纤单模单模光纤光纤多模多模光纤光纤单模单模光纤光纤插入损耗（插入损耗（dB）0.20.30.20.30.3重复性（重复性（dB）0.10.10.10.10.1互换性（互换性（dB）0.10.10.10.10.1最大插入损耗最大插入损耗（dB）0.40.50.40.50.5反射损耗（反射损耗（dB）3538寿命寿命(插拔次数插拔次数)1000100010000使用温度范围使用温度范围(0C）-20+70-20+

15、70-40+80 y y型耦合器型耦合器 最基本的有最基本的有 x x型耦合器型耦合器 星型耦合器星型耦合器5.2 5.2 光方向耦合器光方向耦合器-光定向耦合器光定向耦合器是对光实现分路、合路、插入和分配的无源器件。是对光实现分路、合路、插入和分配的无源器件。在光纤通信系统中，用于数据母线和数据线路的光信号在光纤通信系统中，用于数据母线和数据线路的光信号的分路和接入以及从光路上取出监测光，以了解发光元件的分路和接入以及从光路上取出监测光，以了解发光元件和传输线路的特性和状态；在相干光通信接收端机中和传输线路的特性和状态；在相干光通信接收端机中,光光方向耦合器用于光混频器方向耦合器用于光混频器

16、;在光纤应用领域光方向耦合器在光纤应用领域光方向耦合器的应用将越来越广泛。的应用将越来越广泛。分路器和合路器没有实质上的区别，分路器和合路器没有实质上的区别，但输入、输出端不但输入、输出端不是完全可逆的。是完全可逆的。微元件型微元件型从原理而言从原理而言 光纤型光纤型 1.1.微微小小光元件型方向耦合器光元件型方向耦合器微光元件型方向耦合器结构示意图微光元件型方向耦合器结构示意图 分束器：分束器：1 1为输入端，为输入端，2 2、3 3为输出端。为输出端。根据光路可逆可否作合根据光路可逆可否作合束器用？束器用？L1ML31232.2.光纤型方向耦合器光纤型方向耦合器利用渐逝场耦合的原理利用渐逝

17、场耦合的原理。在渐逝场耦合时，光的能在渐逝场耦合时，光的能量通过两纤芯之间电磁场重叠从一根光纤传输到另量通过两纤芯之间电磁场重叠从一根光纤传输到另一根光纤。由于光纤渐逝场是一个按指数规律衰减一根光纤。由于光纤渐逝场是一个按指数规律衰减的场，所以两光纤的纤芯必须紧紧地靠在一起。的场，所以两光纤的纤芯必须紧紧地靠在一起。耦合部分的直径拉细成耦合部分的直径拉细成2040m2040m左右。左右。拉力拉力 拉力拉力氢氧焰氢氧焰熔融拉锥光方向耦合器的原理熔融拉锥光方向耦合器的原理波导间的波导间的横向耦合横向耦合设设a1(z)(z),a2(z)(z)为光波为光波在两波导中的复振幅在两波导中的复振幅,由于耦合

18、作用由于耦合作用,随随z z变变化化,规律规律平行耦合波导系平行耦合波导系xyz120渐逝场的能量交换，渐逝场的能量交换，耦耦合影响表现在复振幅合影响表现在复振幅耦合系数耦合系数失配相位因子失配相位因子两波导相同，两波导相同，为实数。为实数。耦合波方程耦合波方程下面给出简化后的耦合波方程的解：下面给出简化后的耦合波方程的解：有效耦合条件（相位匹配条件）有效耦合条件（相位匹配条件）相位匹配，即相位匹配，即 ，或近似相等得到极大耦合。，或近似相等得到极大耦合。l 耦合长度耦合长度耦合波方程耦合波方程耦合波方程的耦合波方程的解解传输功率随耦合区长度的变化传输功率随耦合区长度的变化d d光纤轴线间距光

19、纤轴线间距,U,V,W,U,V,W光纤归一化参光纤归一化参数，数，K K0 0,K,K1 1修正的二类贝塞尔函数。修正的二类贝塞尔函数。只要控制耦合长度，就可以获得不同功率比的定向耦合器。在只要控制耦合长度，就可以获得不同功率比的定向耦合器。在C由入口决定，设入射端两波导中振幅为由入口决定，设入射端两波导中振幅为a1(0)，a2(0)，再将再将写成功率形式写成功率形式(过程略过程略):插入损耗插入损耗 ：一般要求一般要求。3.3.光方向耦合器的主要特性参数光方向耦合器的主要特性参数 分光比分光比 插入损耗插入损耗 隔离度隔离度分光比：分光比：P3:P4,1-991-99之间。之间。隔离度：隔离

20、度：光方向耦合器端口示意光方向耦合器端口示意光方向光方向耦合器耦合器1P1P332P2P44在具体分析、计算中，用传输矩阵表示方向耦合器的传输特性，在具体分析、计算中，用传输矩阵表示方向耦合器的传输特性，它表明输出端与输入端光场之间的关系。它表明输出端与输入端光场之间的关系。类类 型型偏振有关型偏振有关型 偏振无关型偏振无关型 正向插入损耗小正向插入损耗小主要技术指标主要技术指标 反向隔离度高反向隔离度高 回波损耗大回波损耗大 器件体积小器件体积小 环境性能好环境性能好 5.3 5.3 光隔离器光隔离器-非互易性器件非互易性器件一种只允许光波沿光路单向传输的非互易性光无源器件。一种只允许光波沿

21、光路单向传输的非互易性光无源器件。它的作用隔离反向光对前级工作单元的影响。它的作用隔离反向光对前级工作单元的影响。基本结构基本结构法拉第法拉第旋光器旋光器旋光器旋光器偏振器偏振器准直器准直器 偏振无关光隔离器结构示意图偏振无关光隔离器结构示意图 450旋光器旋光器P1 P2P1 P2 1)1)偏振相关光隔离器偏振相关光隔离器4502 2）偏振）偏振无关无关光隔离器与输入光波的偏振状态无关光隔离器与输入光波的偏振状态无关450旋光器旋光器P1 P2P1 P2偏振相关结构偏振相关结构450旋光器旋光器P1 P2P1 P2偏振无关结构偏振无关结构由同学画出具体光路由同学画出具体光路,说明说明P2取向

22、取向由由于于法法拉拉第第效效应应的的非非互互易易性性,当当光光束束反反向向传传输输时时,经经过过晶晶体体P2P2分分为为o o光光和和e e光光;这这两两束束线线偏偏振振光光经经法法拉拉第第旋旋光光器器时时,振振动动面面的的旋旋转转方方向向由由磁磁感感应应强强度度B B决决定定而而不不受受光光线线传传播播方方向向的的影影响响,所所以以振振动动面面与与正正向向相相同的方向又旋转同的方向又旋转45450 0,相对于第一个晶体相对于第一个晶体PIPI的晶轴共旋转了的晶轴共旋转了90900 0.整整个个后后向向光光路路相相当当于于经经过过一一个个屋屋拉拉斯斯顿顿棱棱镜镜,出出射射的的两两束束线线偏偏振

23、振光光被被P1P1进进一一步步分分开开,构构成成一一个个较较大大的的角角度度,不不能能被被自自聚聚焦焦透透镜镜耦耦合合进进光光纤纤芯纤纤芯,从而达到反向隔离的目的。从而达到反向隔离的目的。P1P1将入射光将入射光波分为波分为o o光光和和e e光，传光，传播方向有一播方向有一夹角夹角法拉第旋光器法拉第旋光器将两出射光的将两出射光的偏振面各自向偏振面各自向同一个方向旋同一个方向旋转转45450 0两个光的振动方向平行于两个光的振动方向平行于第二个晶体中的第二个晶体中的e e光和光和o o光光的振动方向，因此被的振动方向，因此被P2P2折折射成两束间距很小的平行射成两束间距很小的平行光并被耦合到光

24、纤纤芯中光并被耦合到光纤纤芯中450旋光器旋光器P1P2+原理结构图原理结构图光纤光纤 双折射光纤双折射光纤 双折射光纤双折射光纤 光纤光纤磁光晶体磁光晶体 磁铁磁铁 锥型双折射光纤隔离器的基本结构锥型双折射光纤隔离器的基本结构全光纤结构的偏振无关光隔离器全光纤结构的偏振无关光隔离器 技术指标的意义技术指标的意义隔离度定义为对反向光的隔离程度。隔离度定义为对反向光的隔离程度。是光隔离器的重要指标之一。研究表明，起偏器与检偏是光隔离器的重要指标之一。研究表明，起偏器与检偏器的偏振轴的夹角有微小的变化可引起隔离度的很大变器的偏振轴的夹角有微小的变化可引起隔离度的很大变化，所以隔离度对偏振轴的夹角的对准非常重要。化，所以隔离度对偏振轴的夹角的对准非常重要。无论那种型号的光隔离器，其隔离度应在无论那种型号的光隔离器，其隔离度应在30dB30dB以上，越以上，越 高越好。高越好。回波损耗定义为光隔离器的正向输入光功率和反回到回波损耗定义为光隔离器的正向输入光功率和反回到输入端的光功率之比。输入端的光功率之比。回波直接影响系统的性能，所以回波损耗是一个相当重回波直接影响系统的性能，所以回波损耗是一个相当重要的指标。优良的光隔离器的回波损耗都在要的指标。优良的光隔离器的回波损耗都在5555dB以上。以上。