光无源器件

光无源器件万助军华中科技大学光电学院2007年12月8日目录光纤通信网中的无源器件基础知识和单元技术晶体光学器件密集波分复用器光纤熔融拉锥器件光纤光栅平面光路器件全光通信网的结构光纤通信网中的无源器件涉及子系统：OXC和ROADM涉及光无源器件：DWDM（密集波分复用器）和Splitter（分路器）光纤通信网中的无源器件双向光纤环网中的ROADM节点结构涉及光无源器件：光开关、DWDM、VOA（可调光衰减器）、Coupler（耦合器）。光纤通信网中的无源器件双向泵浦的EDFA结构涉及光无源器件：Coupler、WDM（波分复用器）、Isolator（光隔离器）、DGE（动态增益均衡器）。光纤通信网中的无源器件后向泵浦的光纤拉曼放大器（FRA）结构涉及光无源器件：Isolator、WDM、PBC（偏振合束器）。光纤通信网中的无源器件回顾一下前面涉及到的各种光无源器件：DWDM：ROADM设备中的两大核心器件之一，实现技术有TFF（介质膜滤波片）、FBG（光纤Bragg光栅）、AWG（阵列波导光栅）、Interleaver（梳状滤波器），等等；光开关：ROADM设备中的另一核心器件，可利用光的各种物理效应来实现，如机械光开关、电光开关、热光开关、磁光开关、声光开关、液晶光开关、MEMS光开关、气泡光开关，等等；Coupler：在光纤通信系统中的用量仅次于光纤连接器，实现技术有FBT（熔融拉锥）和PLC；Splitter：FTTH接入网中的核心器件，可以用PLC技术实现，也可以由许多50∶50分光比的Coupler级联而成；Isolator：分偏振相关型和偏振无关型两种，前者用偏振片和磁光旋光片制作，后者用双折射晶体和磁光旋光片制作；WDM：波长间隔比DWDM大的多，如EDFA中的980nm/1550nm和1480/1550nmWDM，FRA中的波长间隔约100nm的WDM等，实现技术主要有TFF和FBT两种；PBC：FRA的增益与泵浦光偏振态相关，用PBC将两路偏振正交的泵浦光合成一路以消偏，一般用双折射晶体制作；VOA：动态光通信网中应用最广的器件之一，实现技术有机械、MEMS、热光，等等。光纤通信网中的无源器件在对光无源器件有了一个初步了解之后，我们来对它作一个界定，以区别于光有源器件。光无源器件中不存在电子－光子、光子－电子、或者光子－光子等转换过程；光有源器件是利用电子－光子（如LD）、光子－电子（如PD）、或者光子－光子（如EDFA、FRA）等转换过程来工作；在一些动态光无源器件如光开关、VOA中，也涉及电子过程，但电子仅用于光路的控制，而没有发生以上三种转换过程。光无源器件的种类繁多，而且同一种器件往往有许多实现途径，很难用一个统一的标准进行分类。目录光纤通信网中的无源器件基础知识和单元技术晶体光学器件密集波分复用器光纤熔融拉锥器件光纤光栅平面光路器件基础知识和单元技术近轴光线传输矩阵高斯光束的传输高斯光束的能量耦合光纤头的8度减反射角单光纤准直器双光纤准直器Displacer晶体Displacer型Wedge对近轴光线传输矩阵近轴光线：光线与光学系统轴线夹角小于5度，可以近似近轴光线参数：为了方便的描述光学元件对近轴光线的变换作用，采用光线高度r和光线角度θ两个参数描述光线经过光学元件前后的状态。参数符号规定：光线位置－轴线以上为正，以下为负；光线角度－从轴线沿锐角绕至光线，逆时针为正，顺时针为负。传输矩阵：采用一个2×2矩阵描述光学元件对近轴光线的变换作用。sin近轴光线参数定义光学元件1r2r211122rDCBAr近轴光线传输矩阵1211'112/sinnLrLrr10/1nLDCBA平板玻璃传输矩阵Ln1'121r2r近轴光线传输矩阵n1R21rr12112121nrRnrrnRnDCBA/)1(01球面传输矩阵近轴光线传输矩阵ZAZAAnZAAnZAcossinsin1cos00GRIN－LENSnRLnRnnLcc/)1(1/)1(/1C－LENS准直透镜传输矩阵高斯光束的传输高斯光束的波函数)()(2exp)(exp)()(202200zjzRrnjkzrzAr2/12001)(zzz201)(zzzzR01tan)(zzz0200nz对确定波长，高斯光束的特性由其束腰半径ω0决定。高斯光束的传输2θ00n光束发散角：deg14.020055.1umum普通准直器：高斯光束的发散角高斯光束的传输)()(1)(120znjzRzqiiiq参数－为了描述高斯光束的传播特性，引入q参数如下：ABCD法则：DzCqBzAqzqiii)()()(1其中ABCD为光学元件的近轴光线传输矩阵。高斯光束传播的ABCD法则返回高斯光束的能量耦合高斯光束的耦合失配情况dxdyEdxdyEdxdyEET22212*21尾纤为单模光纤的光无源器件，可用高斯光束近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可如下计算：两高斯光束之间的耦合，存在：径向失配，轴向失配和角向失配。高斯光束的能量耦合两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系束腰半径分别为200um和5um，对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为200um的光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配有较大容差；束腰半径为5um的光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配有较大容差。光纤头的8度减反射角光纤头回波损耗与端面角度的关系以SMF-28型光纤为例，1310nm和1550nm的模场直径分别为9.2um和10.4um，计算得到两波长的回波损耗与端面角度关系如上图。当端面角度为8度时，1310nm和1550nm光的回损分别为40dB和36dB，前者约比后者大4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约4%的光反射回去，增加回损14dB，总回损分别为54dB和50dB；镀增透膜之后，剩余反射率0.25%，增加回损26dB，总回损分别为66dB和62dB。选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB单光纤准直器光束发散角大，随两光纤端面间距增加，耦合损耗迅速增大光纤准直器的结构和参数t22/wZ光纤头准直透镜L两准直器的理想耦合情况，束腰重合wZ光束发散角小，损耗对间距不敏感，允许插入光学元件θ－点精度，因光纤头8度斜面引起；Zw－工作距离，对应最小耦合损耗的间距；2ωt－光斑束腰直径。单光纤准直器单光纤准直器设计I1.确定工作距离Zw2.列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵光纤头与透镜间隙：Grin-Lens：透镜端面至光束束腰：总传输矩阵：1011111LDCBAZAZAAnZAAnZADCBAcossinsin1cos002222102/13333wZDCBA111122223333DCBADCBADCBADCBA单光纤准直器单光纤准直器设计II3.列出输出光束束腰位置的q参数光纤端面高斯光束的模场半径为ω0且波面曲率半径为R0=∞，因此光纤端面的q参数为：输出光束束腰位置的q参数为：4.确定光纤头与透镜间距L：※5.计算光斑尺寸和点精度根据确定的间距L0，可由q3计算光斑尺寸：点精度可根据各元件的传输矩阵，由光线追迹方法得到，此不赘述。20001jqDCqBAqq0030)(13LqRe)(130LqImt返回单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比I工作距离限制对※式稍作变换，等到一个关于L的一元二次方程，该方程有解（两个解中接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件。一元二次方程：系数条件：由此得到工作距离限制Grin-Lens：C-Lens：02cbLaL042acb2000AnZW22020220201121RnRnRnZWC-Lens在长工作距离应用中具有优势，而Grin-Lens是TFF型DWDM中不可缺少的。单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比IIAnt000001nRtZAncos10nRLnnc)1(11光斑尺寸取间距L等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下：Grin-Lens：C-Lens：点精度取间距L等于透镜焦距，得到点精度如下：Grin-Lens：C-Lens：双光纤准直器垂直排列水平排列双光纤准直器尾纤排列方式子午面cross2crossL双光纤准直器的交叉角度和交叉长度反射镜双光纤准直器双光纤准直器应用示例－2×2光开关双光纤准直器//轴线透镜端面子午面双光纤准直器输出光束方向双光纤准直器输出光偏角由水平偏角θ//和竖直偏角θ⊥两个分量组成，其中θ//因光纤位置离轴产生，θ⊥由端面斜角引起。////2)tan()cos(arctan2rZAAncrosssin220rRncross1221nRLcrossZAAnLcrosstan10Grin-Lens：C-Lens：双光纤准直器渥拉斯顿棱镜ooee2双光纤准直器与屋脊棱镜的耦合cross2双光纤准直器与Wedge对的耦合cross2在光开关和光环形器等器件中，为了减少准直器数量和缩小体积，常用到双光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合：双光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合tanarcsineonnWedge对，亦称渥拉斯顿棱镜，o光与e光夹角如下：Wedge对角度2φ必须与双光纤准直器交叉角2θcross匹配。Displacer晶体功能示意图光轴dθαO光e光LDisplacer晶体光轴oeoe单轴晶体对正入射光的双折射情况22222tan1tan1taneoeonnnnoennarctaneooennnn21arctanmaxDisplacer角度：当：时，对YVO4晶体，有no＝1.9447，ne＝2.1486，当θ＝47.85°时，αmax＝5.7°，晶体长度与e光偏移量的比值为L:d=1:tan(5.7°)＝10:1，这是钒酸钇晶体能够达到的最大偏移比率，此光轴方向是Displacer晶体中最常用的。第一片晶体的光轴角度同Displacer晶体，而两片晶体的光轴相互垂直，类似渥拉斯顿棱镜，我们称之为Displacer型Wedge对。Displacer型Wedge对的功能是，将一束自然光变换成以一定角度汇聚的两束偏振光：光轴光轴2Displacer型Wedge对tanarcsin2nnon2介于no与ne之间而接近ne，可由晶体光学定律详细计算。可应用于光环形器和PBC中光纤通信网中的无源器件基础知识和单元技术晶体光学器件密集波分复用器光纤熔融拉锥器件光纤光栅平面光路器件目录晶体光学器件Freespace型光隔离器Displacer型光隔离器Wedge型光隔离器双级光隔离器光环形器偏振合束器Freespace型光隔离器45°45