光无源器件原理与实验

第一部分常用光无源器件参考文献:1.林学煌，光无源器件，人民邮电出版社。光源光隔离器光调制器光合波器光功率放大器(BA)活动连接光分路器光探测器监控系统固定连接光纤光线路放大器(LA)光纤光纤光探测器光接收机光前置放大器(PA)光通信系统中的无源和有源器件(子系统)第一节光纤连接器1.1光纤连接器•光纤链路的接续可以分为永久性的和活动性的两种。¾永久性的接续，大多采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现¾活动性的接续，一般采用活动连接器来实现。光纤活动连接器（简称光纤连接器，俗称活接头）是采用高精密组件实现光纤的对准连接，一般由两个插针和一个耦合管共三个部分组成。按照不同的分类方法，光纤连接器可以分为不同的种类¾按传输媒介的不同可分为单模光纤连接器和多模光纤连接器；¾按结构的不同可分为FC、SC、ST、D4、DIN、Biconic、MU、LC、MT等各种型式；¾按连接器的插针端面可分为FC、PC（UPC）和APC；¾按光纤芯数分还有单芯、多芯之分。(1)FC型光纤连接器（最早由日本NTT研制）•FC是FerruleConnector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。•最早，FC类型的连接器采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式(FC)。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。•后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。(2)SC型光纤连接器（由日本NTT公司开发）外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。(3)LC型连接器是Bell实验室研究开发出来的，采用模块化插孔(RJ)闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm。这样可以提高光配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。(4)MU型连接器MU(MiniatureUnit)连接器由NTT研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器，该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。其它类型的连接器：•双锥型连接器（BiconicConnector）•MT-RJ型连接器•DIN47256型光纤连接器适配器Adaptors第二节光纤耦合器•按光纤：耦合器的分类单模光纤耦合器多模光纤耦合器功率分配器(BranchingComponents)波长分配器(WDM/WDDM)•按结构：X形(2×2)Y形(1×2)树形(1×N)星形(N×N)•按功能：耦合器的分类•按带宽：单窗口窄带（StandardCouploer）单窗口宽带（WFC：WavelengthFlattenedCouploer）双窗口宽带（WIC：WavelengthIndependentCouploer）耦合器的性能指标•插入损耗：指定输出端口的光功率与输入光功率比值的分贝数•附加损耗：所有输出端口的光功率总和与输入光功率比值的分贝数。)(log10,dBPPILiniouti−=)(log10dBP∑PELinout−=)(log10dBPPDLin1in2−=CR=Pout,i∑Pout×100%Pin1Pin2Pout1Pout2•分光比：各输出端口的光功率比值•方向性：输入一侧从非注入口输出的光功率与输入光功率比值的分贝数。•均匀性：在工作带宽内输出光功率的最大起伏.)(log10dBMax(P)Min(P)ULoutout−=•偏振相关损耗：当输入光的偏振态在3600变化时,输出端口的光功率最大起伏。)(log10dBMax(P)Min(P)PDLout,iout,i−=•隔离度：在WDM器件中,某输出端口测到的其它光路的光功率.)(log10dBPPIint−=Pin1PtPout2耦合器的制作工艺全光纤熔融拉锥型耦合器耦合器的制作工艺全光纤熔融拉锥型耦合器121222221211111)()(2)()(AiCACidzzdAAiCACidzzdA++=++=ββ耦合方程（忽略损耗）Cij耦合系数)(2112CC=，≈0iiC1、2分别为光纤1、2中的光电场和传播常数A1、2、β)}sin()]0(2)0([)cos()0({)exp(21212FCACAiFzFCAziβββ−++×=)(2zA)}sin()]0(2)0([)cos()0({)exp(12121FCACAiFzFCAziβββ−++×=)(1zAzz2/1222121]4)(1[2−−+=+=CFβββββ平均传播常数可通过改变和来改变F。1β2βCz)(sin)()(sin1)(22222221FCzFzAFFzA=−=)(2zP)(1zP==F2代表着两根光纤之间耦合的最大功率。对宽带耦合器，要求F1，即：1β2β≠)(sin)(cos)(2221CzzP(Cz)zP==当F=12345拉伸长度,mm耦合比,%501001310nm1550nm全光纤熔融拉锥型WDM波长,nm耦合比,%5010013101550λ1λ2λ1λ2第三节光准直器（自聚焦透镜，SelfocLens）工作原理和作用•渐变折射率分布，使光线周期性地围绕中心轴向前传输。•如果入射光来自点光源，则光纤的轨迹近似为正弦波。1个周期（Pitch）折射率分布•光学不变原理：光束的宽度和发散角的乘积为常数。•SelfocLens通过对光束进行扩束，达到准直目的。ϕπλφ1×=A1/4周期φϕ其中：为折射率渐变常数A自聚焦棒的应用•自聚焦透镜的应用包括：•采用1/4pitch的自聚焦透镜,将从光纤射出的发散光准直。•采用1/4pitch的自聚焦透镜,将孔径较大的光束耦合至光纤中去。•成对使用，允许在两个自聚焦透镜之间加入一些体光学元器件。光纤P/4自聚焦透镜P/4自聚焦透镜光纤单模光纤准直器结构及最佳长度选择80光纤P/4自聚焦透镜P/4自聚焦透镜光纤第四节光波分复用器DEMλ1λ2λ3λ4MUXλ1λ2λ3λ4概述•波分复用合波器（WDM）/分波器（WDDM）是将不同波长光信号进行组合/分开的器件，是DWDM系统最基本的无源器件。通过它，光纤的频带资源可以得到充分利用。•WDM的基本功能是将N个不同波长的光信号合在一起，输入至光纤中去；WDDM则是将N个合在一起的不同波长光信号分开。1.中心波长：符合ITU-T建议，即WDM系统的技术要求,200,100GHzGHzf=Δ,2,1,0,1.193(THz)nfnfn=Δ×±=,6.1,8.0,52.1552nmnmnmn≈ΔΔ×±=λλλ绝对参考2.中心频率(波长)偏移)16.0(20nmGHz≤±（寿命终了值）3.分离频带方案e.g.对32波长系统，红带为1—16波长，蓝带为17—32波长，两带之间间隔900GHz（7.2nm）•插入损耗•回波损耗•偏振相关损耗•通带带宽•串扰•……波分复用器的基本技术要求波分复用器分类粗波分复用器•980/1550、1480/1550泵浦/信号波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。•1310/1550波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。•1550波段内粗波分复用器（有可能用全光纤熔融拉锥方法实现）。密集波分复用器DWDM一、干涉滤光膜型波分复用器输入光纤λ1λ4λ3λ2λ0(监管信道)干涉滤光膜aa、、分分波波器器输出光纤λ0(监管信道)λ1λ4λ3λ2bb、、合合波波器器λ1—λ16λ1—λ15λ16干涉滤光膜型DWDM的一种工艺方案λ1—λ14λ15二、光栅型波分复用器输入光λ1λ4λ3λ21.体光栅型光纤布拉格光栅(FBG)ΛλreλinλoutFBG谱特性示意图2.光纤光栅型λ1—λ16λ1—λ15λ16kk´kkB−=　−=knk´eff=Λ=　22πnkeff=2λπΛ三、阵列波导光栅型波分复用器(AWG)AboutAWG„TheAWGoriginatesfrom1987alsoknowasPhasars„TheinventorwasMeintSmitattheUniversityofDelft,HollandRFocalplaneAWGλ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4ffffff(1,2,3,4,5)(3)(2)(1)(4)(5)MultiplexerDemultiplexer第五节光开关光开关的基本参数•插入损耗•回波损耗•隔离度•串扰•偏振相关损耗•消光比•重复性•开关时间•……光开关类型机械式光开关•移动光纤、套管或自聚焦透镜式电磁驱动、压电陶瓷驱动等•移动反射镜、透射镜式磁光、电光效应式光开关集成光学光开关•集成光波导光开关（电光、热光）M-Z型光开关•MEMS•光衰减器是对光功率进行预定量衰减的器件，分为可变光衰减器和固定光衰减器。前者主要用于调节光线路、设备等的功率电平，后者主要用于电平过高的光纤通信线路。•光衰减器的类型很多，传统的光衰减器实现方法包括位移型（分为横向位移型和纵向位移型）、直接镀膜型、衰减片型和液晶型。随着光电子技术和材料技术的发展，又出现了热光型、电光型、MEMS型等多种结构。第六节光衰减器采用微型步进电机控制的可变光衰减器（VOA）VLCElectrodePolarizedBeamOffVLCElectrodePolarizedBeamOn液晶VOA原理图Collimator1Collimator2Displacer1Displacer2LCcell驱动电压（V）衰减量(dB)几种不同类型VOA技术指标的对比第七节光隔离器和环行器•Faraday效应：不具有旋光性的材料，在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。•具有这种效应的材料叫磁光材料。光隔离器的原理磁光旋转器•磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。•这种效应与材料的固有旋光效应不同，在固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关(互易)。外加磁场外加磁场Faraday旋磁材料外加磁场外加磁场固有磁光材料•磁光材料的光偏转角：—材料厚度（毫米）H—磁场强度（奥斯忒）V—维尔德常数（度/奥斯忒·毫米）VH=θ•磁光材料有：†YIG（钇铁石榴石）：工作波长范围1.3-1.5nm，饱和磁场1300奥斯忒，在此磁场下，θ1310=21.50/mm,θ1550=150/mm，温度特性好。（1奥斯忒=1/4π×103安培/米）。†各种薄膜材料（高性能磁光晶体）：工作波长范围1.3-1.5nm，饱和磁场小（比YIG小1/3—1/2），旋转角大（5倍以上），因此，可做成小型器件。光隔离器的原理外加磁场外加磁场450起偏器解偏器光隔离器的工艺结构和应用偏振分束器偏振无关光隔离器的工艺结构RR(450)FR(450)RR(450)FR(450)oeeeoooe光隔离器的应用•单模半导体激光器：抑制反射光对激射特性的影响。•光放大器：抑制反射光引起的振荡现象。•光纤通信系统，特别是模拟通信系统（如CATV、相干光通信）。•其它光学系统，如光纤传感器等。光环行器的原理及应用光环行器的原理RR(450)FR(450)eeooRR(450)FR(450)oeoe端口1端口1端口2端口2端口3反射镜偏振合波器第二部分光器件性能指标相关标准和常用测试设备•插入损耗(InsertionLoss)•回波损耗(ReturnLoss)•隔离度(Isolation)•串扰(Crosstalk)•偏振相关损耗(PDL)、偏振相关增益(PDG)•消光比(distinguishingratio)•重复性(repeatability)•开关时间•……•环境试验：温度、湿度、振动