2011-无源器件1

第五章光无源器件光无源器件(光通路元器件-光能量消耗型器件)是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-点系统的光纤连接器，光网络需要的定向耦合器和星型耦合器，WDM和DWDM系统的光波分复用/解波分复用器，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，铒光纤放大器后滤除自发辐射噪声必须有滤波器，各种通信系统和测量系统离不开光隔离器……，光无源器件的内容日益丰富，已广泛应用于光纤通信系统,计算机光纤网,微波光纤网,光纤传感网等等光纤应用的各个领域。其主要作用：连接光波导或光路；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；控制器件之间的光耦合；控制光波导与器件间光耦合……。光无源器件按结构形式可分为块状、光纤和波导型三种。块状型由分立元件组成，因而也称分立元件型。例如，玻璃片上镀吸收介质-衰减器，玻璃片两边镀高反膜-滤波器，闪耀光栅构成波分复用/解复用器等。这种元件的缺点是不能直接与光纤耦合，需要通过耦合元件，所以损耗较大。2cm光纤型损耗小，能做成在线式。具有光纤的一切优点。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方法将波导形状做在衬底上。abcd永久性连接：熔接粘接固定连接器活动性连接：活动连接器光纤间的连接光纤与光源的连接光纤与光检测器间连接光器件之间的连接光器件与设备的连接……5.1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，而且希望尽量减少连接的地方出现光的反射。连接损耗决定因素：光纤的特性参数光纤端面质量相对几何位置对准—横向对准、轴向对准、角度对准2.纵向偏离对耦合效率η的影响xl2222)1()/()(NAlannNAlaaxaa（d/2a）0.2,adad222arccosadadad2)2(1ad21210lg(1)dBda（）22)2(12arccos2adadadaS一.横向偏离对耦合效率η的影响dS。n周围介质的折射率3.倾斜角度对耦合效率η的影响NAnNAnNAnNAn1])2(122[arccos22n周围介质折射率4.间隙与光纤的界面存在的菲涅尔反射损耗：反射率R=(n1+n/n1-n)25.光纤参数不匹配对耦合效率η的影响22112()()2naVVna2)(ANNA2)(aa归一化频率不同纤芯相等NA相等θ二.光纤连接器的重要技术指标插入损耗，回波损耗，重复性，互换性等对于单模光纤,在传导模场为高斯分布的近似下，连接损耗主要是横向偏离，损耗与偏离量的关系为：2)(explg10Wd估算模场半径4.9μm,横向偏离距离1μm的连接损耗。横向偏离距离光纤的模场半径大于纤芯半径1.插入损耗表示光纤中的光信号通过连接器后，其输出光功率相对输入光功率的分贝比。)(lg10dBPPinoutLPin连接器Pout2.回波损耗—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。)(lg10dBPPinRRPinPR连接器20dB40dB?优改进方案：越大说明反射光对前级系统的影响越小。端面端面端面端面端面端面平面接触球面接触斜面接触3.重复性－同一器件每次使用的插入损耗的变化。dB表示。4.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dB表示。5.1.1光纤的永久性连接光纤的永久性连接熔接法和粘接法固定连接器1.光纤熔接技术70年代初镍铬丝通电作为热源对熔点低于1000℃的多组分多模玻璃光纤进行熔接，连接的损耗约0.5dB。70年代中期采用电弧放电加热法(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0.26dB。80年代开始“预加热熔接法”通过电弧对光纤端面进行预热整形，然后在放电的情况下,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。单模光纤熔接平均损耗达到0.1dB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电弧电源控制中心监测信号电极夹具及微调架光纤熔接的具体操作端面制备纤芯对准熔接接头增强目前用得最多的是超声光纤切割刀，它采用电子调谐的超声振动刀具,能制备优质的端面。要求有非常高的精度。多模光纤可以采用外径对准法，单模光纤则必须采用芯轴对准－用功率法或折射率差透镜效果法来确定。先让待接光纤的间隙维持几十微米，然后进行预热，最后使间隙逐渐缩小而熔合在一起。电弧熔接后，在光纤接续处用玻璃毛细管或不锈钢管增强；也可用热缩塑料管增强.之后，清洁，检查。2.固定连接器技术采用机械的连接具来支撑被连接的光纤，使其保持在固定的位置上。关键技术是光纤的对准和对准的保持。固定连接器毛细管定位固定连接器V型槽定位固定连接器利用V型槽保持两待接光纤相互对准定位.铅板作主要材料,用冲模冲出V型槽,也可以用单晶硅材料以化学腐蚀的方法刻蚀出V型槽.角度值一般选在60°左右。依靠毛细管本身定位并支撑。5.1.2光纤活动连接器目前使用数量最多的光无源器件。重复插拔的寿命长一般要求插拔次数在1000次以上。对接耦合式耦合方式透镜耦合式外套套筒插针体光纤对接耦合式光纤连接器示意图透镜－厚度分布型透镜耦合式光纤连接器示意图自聚焦透镜－折射率分布型国产活动连接器的主要技术指标FC型不锈钢PC型陶瓷PC型单模光纤多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤插入损耗（dB）≤0.2≤0.3≤0.2≤0.3≤0.3重复性（dB）≤0.1≤0.1≤0.1≤0.1≤0.1互换性（dB）≤0.1≤0.1≤0.1≤0.1≤0.1最大插入损耗（dB）≤0.4≤0.5≤0.4≤0.5≤0.5反射损耗（dB）≥35≥38寿命(插拔次数)≥1000≥1000≥10000使用温度范围(0C）-20—+70-20—+70-40—+80y型耦合器最基本的有x型耦合器星型耦合器5.2光方向耦合器-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。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，以了解发光元件和传输线路的特性和状态；在相干光通信接收端机中,光方向耦合器用于光混频器;在光纤应用领域光方向耦合器的应用将越来越广泛。分路器和合路器没有实质上的区别，但输入、输出端不是完全可逆的。微元件型从原理而言光纤型1.微小光元件型方向耦合器微光元件型方向耦合器结构示意图分束器：1为输入端，2、3为输出端。根据光路可逆可否作合束器用？L1ML31232.光纤型方向耦合器利用渐逝场耦合的原理。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。耦合部分的直径拉细成20—40μm左右。拉力拉力氢氧焰熔融拉锥光方向耦合器的原理－波导间的横向耦合设a1(z),a2(z)为光波在两波导中的复振幅,由于耦合作用,随z变化,规律平行耦合波导系xyz1122()exp()()dazjjzazdz2211()exp()()dazjjzazdz120渐逝场的能量交换，耦合影响表现在复振幅耦合系数失配相位因子21*12211221,两波导相同，为实数。耦合波方程ldzzajkla01212)()(21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）相位匹配，即，或近似相等得到极大耦合。l耦合长度1122()exp()()dazjjzazdz2211()exp()()dazjjzazdz1122()()dazjazdz21()()dazjazdz耦合波方程112212()exp()exp()()exp()exp()azCjzCjzazCjzCjz2002211(/)2()UKWdanaVKW耦合波方程的解－传输功率随耦合区长度的变化d光纤轴线间距,U,V,W光纤归一化参数，K0,K1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211221()(0)cos()(0)sinpzpzpzpzC由入口决定，设入射端两波导中振幅为a1(0)，a2(0)，再将写成功率形式(过程略):插入损耗：一般要求≤0.5dB。3.光方向耦合器的主要特性参数分光比插入损耗隔离度分光比：P3:P4,1-99之间。)(lg10143dBPPP22121213410lg()10lgPPAdBAPPP，隔离度：光方向耦合器端口示意光方向耦合器1P1P332P2P441122()(0)1()(0)1alaCjCalajCC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。类型偏振有关型偏振无关型正向插入损耗小主要技术指标反向隔离度高回波损耗大器件体积小环境性能好……5.3光隔离器-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。它的作用－隔离反向光对前级工作单元的影响。基本结构法拉第旋光器旋光器偏振器准直器偏振无关光隔离器结构示意图450旋光器P1P21)偏振相关光隔离器4502）偏振无关光隔离器－与输入光波的偏振状态无关450旋光器P1P2偏振相关结构450旋光器P1P2偏振无关结构由同学画出具体光路,说明P2取向由于法拉第效应的非互易性,当光束反向传输时,经过晶体P2分为o光和e光;这两束线偏振光经法拉第旋光器时,振动面的旋转方向由磁感应强度B决定而不受光线传播方向的影响,所以振动面与正向相同的方向又旋转450,相对于第一个晶体PI的晶轴共旋转了900.整个后向光路相当于经过一个屋拉斯顿棱镜,出射的两束线偏振光被P1进一步分开,构成一个较大的角度,不能被自聚焦透镜耦合进光纤纤芯,从而达到反向隔离的目的。P1将入射光波分为o光和e光，传播方向有一夹角法拉第旋光器将两出射光的偏振面各自向同一个方向旋转450两个光的振动方向平行于第二个晶体中的e光和o光的振动方向，因此被P2折射成两束间距很小的平行光并被耦合到光纤纤芯中450旋光器P1P2原理结构图光纤双折射光纤双折射光纤光纤磁光晶体磁铁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技术指标的意义隔离度－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。无论那种型号的光隔离器，其隔离度应在30dB以上，越高越好。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要的指标。优良的光隔离器的回波损耗都在55dB以上。)lg('RRSOPPI)lg('ininRLPP