光无源器件分析

1光纤无源及有源器件技术及应用2主要内容：光纤无源器件技术光纤放大器技术光纤激光器技术光纤光栅、滤波器、调制器等多波长光纤激光器、锁模光纤激光器、单频光纤激光器等掺铒光纤放大器、拉曼放大器等3光器件用途:实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能，是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。类型：无源、有源无源器件主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光波分复用/解复用器、隔离器、环行器、滤波器、光调制器、光开光等。有源器件主要包括：激光器、光探测器、光放大器等。4光纤无源器件技术5光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。无源器件功能连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换、开关复用、解复用调制、解调编码、解码色散处理缓存、存储逻辑处理光无源器件的功能：6内容光连接器Connector光耦合器Coupler复用器、解复用器Multiplexer/Demultiplexer光隔离器与环行器Isolator/Circulator光衰减器Attenuator光起偏器与偏振控制器Polarizer/PolarizationController滤波器Filter光调制器Modulators光开关Switches7光连接器件是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤之间可拆卸（活动）连接的光无源器件，它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。影响连接损耗的因素：光纤连接时，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗。光纤连接器8精密套管结构连接器简图光纤套管插针粘结剂光纤连接器示意图9评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。光纤连接器特性(1)插入损耗插入损耗是指由于增加光无源器件而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，通常用dB表示，即其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。oiPPlg10(dB)10光纤连接器特性)(lg10dBppRLir其中Pi为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。(2)回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：（3）重复性和互换性重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。111.040~50PC型陶瓷-40~+80陶瓷-20~+70不锈钢工作温度/ºC不锈钢寿命（插拔次数）35~40FC型反射损耗/dB互换性/dB重复性/dB0.2~0.3插入损耗/dB性能型号或材料项目3101.0410光纤连接器一般性能12常用光纤接头类型13光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端口形式上划分，它包括X型(2×2)耦合器、Y形（1×2）耦合器、星形（N×N，N2）耦合器以及树形耦合器等。光纤耦合器Coupler14光纤耦合器Coupler1α1-αα：耦合分束比，3dBcouplerα=0.5熔锥形光纤耦合器示意图光纤耦合器示意图15熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。熔融拉锥系统示意图16光纤耦合器的技术参数（1）插入损耗（定义同前）（2）附加损耗附加损耗(ExcessLoss，EL)定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学表达式为：式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。17光纤耦合器的技术参数（3）分光比（CouplingRatio）分光比(CouplingRatio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为：例如对于标准X形耦合器，1∶1或50∶50代表了同样的分光比，即输出为均分的器件，通常称为3dB耦合器。18（4）方向性（串扰）方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：光纤耦合器的技术参数式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。19(5)偏振相关损耗偏振相关损耗(PolarizationDependentLoss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360°变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：光纤耦合器的技术参数在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件的偏振相关损耗足够小。20光纤耦合器的技术参数(6)工作波长范围工作波长范围是指无源器件能够按照规定的性能要求下工作的波长范围(λmin到λmax)。21zPP202sinzpzPPPP2020201cossin1%100122PPP光功率分配的百分比120log10PPP附加耦合损耗03log10PP串扰2×2光纤耦合器内的光功率分布是耦合系数50:5022μm-40~+70工作温度/ºC0.8~2.0稳定性/dB40~55方向性/dB3.45.6/1.810.8/0.7插入损耗/dB分光比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.55工作波长/2×2型耦合器耦合器的性能参数23例2×2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90mW，P2=85mW，P3=6.3nW，求耦合比，附加损耗，插入损耗（0口到1口），插入损耗（0口到2口），以及串扰。24例2×2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90mW，P2=85mW，P3=6.3nW，可以求得为：48.6%%100859085%100122PPP耦合比dB58.08590200log10log10120PPP附加损耗dB3.4790200log10log10)10(10PP端口端口到插入损耗dB45200103.6log10log10303PP串扰dB3.7285200log10log10)20(20PP端口端口到插入损耗25将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)，反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中的关键部件。光复用解复用器2612P0P1P2熔锥光纤型波分复用器结构和特性27衍射光栅型波分复用器结构示意图光纤透镜光栅1231231+2+31+2+31+2+312328采用棒透镜的光栅型WDM光纤棒透镜光栅1+2+31231+2+312329光波导开角(a)(b)(c)多模波导多层膜滤光片单模波导1.55mm1.55mm1.3mm1.3mm波导型波分解复用器30光波分复用解复用器波分复用器12341,2,3,4波分解复用器1234光波复用器解复用器应用示意图31耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。隔离器就是一种非互易器件，光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。光隔离器32光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应实现其功能。光隔离器的特性是：插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器分偏振相关与偏振无关隔离器。光隔离器光纤隔离器示意图33光环形器是由多个光隔离器单元组合而成的、控制光束传播方向的无源器件。光环形器三端口光环形器四端口光环形器箭头方向代表了允许光传输的方向。光纤环形器示意图34光发射机1光发射机2光接收机1光接收机2123321光环行器用于双向传输系统35光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为固定衰减器和可变衰减器。光衰减器36光衰减器37固定衰减器固定衰减器对光功率衰减量固定不变，主要用于调整光纤传输线路的光损耗。输入光纤输出光纤光纤连接器光纤连接器透镜透镜衰减部分38可变衰减器可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。(a)光路和结构(b)连续衰减片厚薄39用于从自然光中获得偏振光的无源器件称为起偏器(Polarizer).光起偏器40光偏振控制器光偏振控制器主要用于对入射光的偏振态改变及控制。理论上，偏振控制器能将输入的任何一种偏振态的光（椭圆偏振，圆偏振，线偏振）转变成任意指定偏振态的输出。三环型机械式偏振控制器采用了三个固定延迟的波片，通过调节波片的角度可使输出光偏振态完全覆盖Poincare球表面。41进行波长选择的无源光器件，即光滤波器。光滤波器1光滤波器1,2,3,4,,234梳状滤波器光滤波器1,2,,n宽带光源带通滤波器光滤波器示意图42几种常用光滤波器法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器马赫-曾德尔干涉仪(MZI:Mach-ZehnderInterferometer)光纤光栅43光滤波器的带宽－400.9960.99811.0021.004－30－20－100通带边缘20-dB带宽串扰能量3-dB带宽1-dB带宽相邻信道1dB3dB0/滤波器的幅度传输特性/dB带通滤波器的带宽44滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自由光谱范围(FSR：FreeSpectralRange)；用FWHM（Fullwidthathalfmaximum）表示传递函数的半高宽；比值FSR/FWHM称作FP滤波器的精细度(F:Finesse),则RRF1（7.12）滤波器的几个重要参数45滤波器的几个重要参数滤波器参数标识46法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的。这种滤波器也叫F-P干涉仪，传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。法布里-珀罗滤波器F-P滤波器输入信号F-P腔反射同相相加后的输出信号47法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的。这种滤波器也叫F-P干涉仪，传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。F-Ｐ滤波器的功率传递函数TFP(f)与光的频率f有关：22)]2sin(12[1)11(fRRRAfTFP（7.10）法布里-珀罗滤波器48若用自由空间波长λ表示，则：22)]2sin(12[1)11(nlRRRATFP这里A表示每个镜面的吸收损耗，R为每个镜面的反射率(假设两个镜相同)，光在腔内单程传播的时延为τ，腔内介质的折射率为n，腔长为l