第四章无源光器件分析

第三讲无源光器件2021/3/302主要内容一、光纤的连接与光纤连接器☆二、光纤分路器及耦合器三、光合波器、光分波器四、光隔离器☆五、光开关六、光可变衰减器七、光纤光栅八、光锁相环与非线性光环镜NLOM2021/3/303概述构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件，如连接器、衰减器、隔离器、滤波器、分路器、复用器、光开关和调制器等。它们在系统中各起着光学连接、光功率分配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用的无源光器件的原理及性能。2021/3/304一、光纤的连接与光纤连接器光纤连接器fiberopticconnector又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用于设备与光纤之间的连接。光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多次使用。光纤连接器在工艺上应满足的条件：1）连接损耗要小于0.5dB；2）装、拆方便，重复性好；3）体积小，成本低等。光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。2021/3/305光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，另一种是活动连接。永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。光纤连接器的基本构成由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图所示。2021/3/306光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下，因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在接续点上没有光传输的不连续现象。下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（Fresnel）反射。2021/3/307接续点上的不连续现象2021/3/308由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式计算。设玻璃的折射率为n1时，光功率的反射系数可用下式求出：r=[(n1-n2)/(n1+n2)]2例如:当n1＝1.45，n2＝1，r＝3.4%时，即有14.7dB的反射损耗。在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径（MFD：ModeFieldDiameter）一致。目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头附加损耗可控制在0.1dB以下。2021/3/309使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏出去。为此把连接器的管芯端面按8°进行倾斜研磨，就可以实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做PC(PhysicalContact)型连接器。实际使用的PC型连接器如图所示，把套管端面研磨成球面。PC接续的反射很小，它的反射损耗可达25dB以上。如果经过精密加工研磨，就可将反射损耗指标提高到40dB以上。2021/3/3010光纤连接器又分为多模连接器和单模连接器。多模连接器用于多模光纤系统，它有U型环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器（FA）以及C型连接器等，它们的损耗在0.4-0.5dB以下。单模光纤连接器有PC型（直接接触型）、FC型（平面对接型）、SC型（矩形）、ST型等几种。2021/3/3011FC型(平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成，其结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很高的精度。2021/3/3012SF型连接器是室外用连接器，具有防水功能和良好的温度特性。由于使用了塑料套管，其价格便宜，可以和FC型连接器进行互换。MF型连接器用于隧（通）道里敷设光缆的缆间接续中，可以对带状5芯光纤进行一次性连接，由于体积小，可以装在标准接头盒内，实现光纤的高密度接续，其结构如图所示。2021/3/3013二、光纤分路器及耦合器图表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分。当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在1°～2°左右，因此分支器的长度不可能太短。2021/3/3014光纤耦合器fiberopticcoupler将不同方向的光信号耦合送入一根光纤中传输，或者相反。结构：棱镜耦合式光纤耦合式Port1Port4Port3Port22021/3/30152x2定向耦合器及lxN、NxN星形耦合器大多数采用熔融渐变双锥的制造方法，即将多根裸光纤绞合在一起，火焰加热到软化温度后适当拉伸，在熔融区形成渐变双锥结构。图b是X型2×2定向耦合器。2021/3/3016图c为8路传输型星型耦合器图d为8路反射型星型耦合器2021/3/3017光纤耦合器的指标有插入损耗、分光比与隔离度（或方向性）等。例如2x2定向耦合器插入损耗为：L1,2=10lg(P1,2/(P3+P4))(dB)式中，P1,2为从输入端1或2输入的光功率，P3,P4为输出端3、4的输出功率。定向耦合器的分光比为输出端的功率分配比，即§=P3/P4隔离度反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从1端注入光功率，3、4端输出功率时，2端对1端的隔离度定义为：I=10lg((P3+P4)/P2))(dB)光纤定向耦合器的插入损耗为0.2～1dB,分光比1％～99％（根据需要)，隔离度可大于65dB。2021/3/3018星形耦合器的插入损耗为从输入端口把光功率耦合到所有输出口的光功率损耗，即Lin=10lg[∑Pj/Pi]j=1….N式中Pj为从各端口输出的功率，Pi为从某个输入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数之和。进入星形耦合器的光功率分配是等分到N个输出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出端口输出的功率和的1／N，它称为功率分配系数。另外，可用多个2×2定向耦合器来构成N×N的星形耦合器。2021/3/3019三、光合波器、光分波器光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等几种类型。2021/3/3020光合波器和光分波器的类型2021/3/302112P0P1P2熔锥光纤型波分复用器结构和特性2021/3/3022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32021/3/3023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32021/3/3024图中给出了一种利用多层膜制成的滤光器，这是一种波导型分波滤光器。其结构是一直线形单模波导的中间开一斜槽，且在其中插入一多层膜滤光器。当1.55um的光进入时可通过该滤光器继续前进，而当1.3um的光进入时则被该滤光器反射，沿另一斜置的多模波导被分离出来。这种结构可用来作为分波器，但若反向使用时却不能做合波器用，这是因为多模一侧损耗大的缘故。2021/3/3025多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近λ/2或者λ/4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重塑形成薄膜，于是对于特定波长表现出较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等。2021/3/3026采用电子射束蒸镀方法，可将SiO2（低折射率材料，n=1.46）和TiO2（高折射率材料，n＝2.3）积层20～40层，实现带通滤波器（BPF）、长波长带通滤波器（LWPF）、短波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。这种带通滤波器的实际结构如图所示。2021/3/3027四、光隔离器半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易性。偏振器:一种光学器件，偏振器中有一透光轴，其输出光为某一种形式的偏振光。当光的偏振方向与透光轴水平时，则光全部通过；垂直时，则光全部隔离。2021/3/3028隔离器工作原理如下图所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45°，并且其旋转方向与光传播方向无关。回忆一下：光偏振(极化)单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。2021/3/3029偏振器法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP隔离器工作原理2021/3/3030法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45°方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45°后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45°方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45°，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如下图所示。2021/3/3031一种与输入光的偏振态无关的隔离器光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)2021/3/3032具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出。两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45°。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片(λ/2plate或halfwaveplate)。2021/3/3033另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图所示，于是就起到隔离作用。环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。光环行器主要用于光分插复用器中。2021/3/3034光环行器(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)13242021/3/3035五、光开关光开关在光纤通信技术中作光路切换之用，如为了提高系统可靠性用于主开关切换等。光开关大体可分为两种:一种是以机械方式驱动光纤和棱镜等光学器