《无源耦合器》PPT课件.ppt

第四章 无源光耦合器器件,4.1 概述4.2 熔融拉锥型全光纤耦合器4.3 波导型光耦合器4.4 耦合器前景展望,定义：能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区内发生耦合，并进行再分配的器件。或光耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。耦合器（coupler）基本结构:耦合器多为双向无源器件，基本形式有X型、Y型、树型、星型等,第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源光耦合器器件,耦合器（coupler）主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用,光耦合器分类,从端口形式X型、Y型、星型以及树型从工作带宽的角度单工作窗口的窄带单工作窗口的宽带双工作窗口的宽带从传导光模式多模与单模从器件工艺实现方式分立光学元件组合型光纤型光耦合器集成波导型,几种常见光耦合器结构示意图,光耦合器类型T型光耦合器是一种21的3端耦合器，可把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤的输入光信号组合在一起，输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配器或组合器。星型光耦合器是一种nm的耦合器，可把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤。,第四章 无源光耦合器器件,定向光耦合器是一种22的3端或4端耦合器。只用于作分路器，不能作合路器。波分复用/解复用器波分复用器是与波长有关的耦合器，用于把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信号分配给不同的光接收机。,第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源耦合器,常用光耦合器类型示意图,4.1.2 描述光耦合器特性的一般技术参数1插入损耗(Insertion Loss)插入损耗定义为-指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。（或说是一个指定输入端光功率Pic和另一个指定输出端的光功率Poc的比值。,第四章 无源光耦合器器件,2附加损耗(Excess loss)全部输出端口的输出光功率总和相对于全部输入光功率的减少值。附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。所以插入损耗不能反映器件制作质量的优劣。,（4.2）,第四章 无源光耦合器器件,3分光比（或耦合比）（Coupling Ratio）是指耦合器各输出端口的输出功率的比值，在具体应用中用相对于输出总功率的百分比来表示。,(4.3),第四章 无源光耦合器器件,4.方向性（Directivity）方向性是衡量器件定向传输特性的参数。定义为从一个输入端到另一个输入端的插入损耗，即在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端的输出功率与全部注入光功率的比较值，数学表达式为：,(4.4),第四章 无源光耦合器器件,熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理,第四章 无源光耦合器器件,5.均匀性（Uniformity）均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。对均分性的分路器定义均匀性(dB)为所有输出端在整个工作波长范围内(带宽内)最大插入损耗与最小插入损耗之差，即各输出端口输出功率的最大变化量。非均分型的分路器则不具有该指标。,(4.5),第四章 无源光耦合器器件,6.偏振灵敏度或偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)定义为不同偏振态线偏振光入射时，最大插入损耗值和最小插入损耗值之差。是指当光信号的偏振发生3600变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量。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数，俗称偏振灵敏度。,(4.6),第四章 无源光耦合器器件,线偏振光：,自然光：,部分偏振光：,7隔离度(Isolation)波长隔离度定义为被隔离的工作波长在该输出端的插入损耗。即指光纤耦合器件的某一光路对其它光路中的光信号的隔离能力。它的意义是与反映WDM器件对不同波长信号的分离能力。,Pt是某一光路输出端测到的其它光路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输入功率值。,(4.7),第四章 无源光耦合器器件,4.1.3光耦合器的制作方法 光纤型 全光纤型耦合器的制造方法有熔锥和研磨法两种。熔锥型光纤耦合器。把两根光纤或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成Y型耦合器、定向耦合器和波分解复用器等。研磨型光纤耦合器。研磨型光纤耦合器制作过程是：将两根光纤一边的包层研磨掉大部分剩下很薄的一层然后将两根光纤研磨的一侧拼合在一起，中间涂上一层折射率匹配液，于是两根光纤可以通过包层里的消失场发生耦合，得到所需的耦合功率。,第四章 无源光耦合器件,微器件型：用自聚焦透镜和分光片（光部分透射、光部分反射）、滤光片（一个波长的光透射，另一个波长反射）或光栅（不同波长的光有不同反射方向）等微光学器件可以构成Y型耦合器、定向耦合器和波分解复用器。用22的耦合器同样可以构成星状耦合器。自聚焦透镜在光无源器件中起着非常重要的作用。,第四章 无源光耦合器器件,波导型：在以平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，同时又做波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择。一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。,第四章 无源光耦合器器件,4.2.1 熔锥型光纤器件是全光器件中最具代表性的也是构成其它器件的一种基础器件，在光纤通信中得到了广泛的使用，这是因为它具有以下特点：(1)极低的附加损耗。目前，利用熔锥法制作的标准X(或Y)型耦合器的附加损耗已低于0.05dB，这是其他方法所难以达到的。(2)方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB，保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。(3)良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。(4)控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。(5)制作成本低廉、适于批量生产。,第四章 无源光耦合器器件,“熔融拉锥(fused bucolical taper，简称FBT)”法就是将两根(或以上)去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，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。,第四章 无源光耦合器器件,熔融拉锥型全光纤耦合器,第四章 无源光耦合器器件,4.2.2 耦合机理 对于单模光纤，传导模是两个正交的基模(HE11X,HE11y)信号。当其进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，光纤截止频率V逐渐减小，越来越多的光功率渗入光纤包层中。“耦合区”构成了“光纤包层为芯，空气为新包层”的复合波导，光信号在其中传输；在输出端，纤芯逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”，实现功率分配。,第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源光耦合器器件,标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式：,(4-15),第四章 无源光耦合器器件,图4.5 耦合比率与熔融拉锥长度的关系,第四章 无源光耦合器器件,式中为 纤芯半径，芯区折射率，传导模与光轴夹角，传输光波长。总的模式数为：,在多模光纤中，传导模是若干个分离的模式，不仅应在数值孔径角内，还要满足,(4.16),(4.17),第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源光耦合器器件,4.2.3 星型耦合器 星形耦合器的功能类似于自由空间的无线电通讯，将输入信号混合并将其传播至输出通道。因此，星形耦合器是将无线电传播系统的长处引入光纤传输系统。然而，缺点是混合通道的相干，会导致半音及接收机灵敏度的恶化，而且，对多模光纤的星形耦合器，模噪声会增加。,第四章 无源光耦合器器件,星型耦合器的制作方法:直接拉制法；单元拼接法。,直接拉接法：将N根光纤，以合适的拓扑结构紧密接触后，在较强加热源作用下，一次熔融拉锥获得NN星型耦合器。制造光纤耦合器有两种基本工艺：混合棒法和熔接法。熔接法:采用熔融拉制法制造的多纤耦合器是将两根或多根光纤，把涂覆层去掉清洗干净后，拧绞成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，中间部位是哑铃状的双锥体。熔接法的工作原理：在双锥体的前半部，随着光纤逐渐变细，原来在光纤中传播的芯模逐渐变成包层膜并向前传播，在双锥区光信号以使所有光纤“公有化”了，即发生光耦合。在双锥体后半部分，随着光纤逐件变粗，包层膜又逐渐转换为芯模，使光功率分配到各个光纤中，这就是多纤星状耦合器的工作原理。混合棒法：用薄玻璃片将输入光纤的光混合然后在输出光纤中对混合的光进行分配。分透射式和反射式。,第四章 无源光耦合器器件,单元拼接法：在N不大于8的星型耦合器，可以采用22器件作为基本单元；如果N不小于 16，则采用44或88器件作为基本单元。,第四章 无源光耦合器器件,星型耦合器示意图,4.2.4 树型耦合器 树型耦合器：指具有1(2)N(N2)端口组态的功率分配器件,它用于CATV等技术中的重要器件。尽管功率均分的树型耦合器是标准器件，其关键参数同星型耦合器一样，也是插入损耗和均匀性等 制作的方法:在制作方法上采用直接拉制法和基本单元拼接法.,第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源光耦合器器件,树型耦合器示意图,第四章 无源光耦合器器件,4.2.5 宽带耦合器：宽带耦合器（WBC）是利用独特的带宽拓展技术（非对称工艺）改变器件的波长特性，使带宽拓展到 50nm，而且在这个带宽范围内均能满足低附加损耗、低偏振相关损耗等指标。,第四章 无源光耦合器器件,图4.5 耦合比率与熔融拉锥长度的关系,第四章 无源光耦合器器件,改变分光比的方法：（1）对两根相同光纤中的一根进行预腐蚀或预拉伸，造成传播常数的偏差，然后再同未处理的另一根光纤熔融拉锥成宽带耦合器。优点：光纤容易获得，传播常数偏差的调整方便，原则上可以实现任意分光比。缺点：制作工序较繁琐，预处理后光纤机械性能变差，制作效率低。（2）直接采用结构参数存在差异的商用光纤，通常是外径相同，纤芯直径有差异。优点：制作工序简单，光纤机械性能比较好，制作效率较高。缺点：光纤不容易获得，传播常数偏差的调整不方便，原则上不可以实现任意分光比。目前在应用通信领域中的宽带耦合器一般要求是：1310nm和1550nm双窗口，每窗口带宽50nm、分光比变化不大于5。,第四章 无源光耦合器器件,4.2.6 熔融拉锥型WDM耦合器制作原理：耦合系数对波长是敏感的，在制作器件时可以通过改变熔融拉锥条件，增强这种敏感性，从而制成波分复用器（WDM）即合波/分波耦合器。优点：是插入损耗低（最大值5dB，典型0.2dB），无需波长选择器件，制造简单，更易于批量生产，此外还具有较好的光通路带宽通路间隔比和温度稳定性。不足之处：是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较（20dB左右）低，一般不用在目前的密集波分复用系统中。,第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源光耦合器器件,将若干个这种器件适当组合，还可以实现更多功能。例如制作成上下波长型、中继型等WDM器件，这些器件正在获得广泛的应用。其中较成熟的熔融拉锥型WDM，是全光纤放大（EDFA）系统中用于泵浦光耦合的1480/1550nm、980/1550nmWDM。,第四章 无源光耦合器器件,参Er光纤的放大原理图,图4.11 掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构,掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤(EDFA)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。设计高增益掺铒光纤(EDFA)是实现光纤放大器的技术关键，EDFA的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 nm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100 mW,泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。,第四章 无源光耦合器器件,波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。对波分复用器的基本要求是：插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。光隔离器的作用是:防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪 声 对光隔离器的的基本要求是：插入损耗小，反射损耗大。,第四章 无源光耦合器器件,几种常见光耦合器结构示意图,4.3 波导型光耦合器光波导的基本概念：1.导波光：受到约束的光波。2.光波导：约束光波传输的媒介3.介质光波导的三要素：“芯/包”结构 凸形折射率分布 低传输损耗 光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。,第四章 无源光耦合器器件,波导型耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光耦合器件。其技术不仅包括波导结构的制作，还需考虑到器件与传输线路的耦合。所以从工艺的角度来讲，更为复杂。但由于器件本身具有明显的优越性，使这种制作方法逐渐发展成为制作光耦合器的一种重要法。,第四章 无源光耦合器器件,光波导器件按其组成材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物光波导。LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。,第四章 无源光耦合器器件,基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。,第四章 无源光耦合器器件,聚合物光波导是近年来研究的热点。在两个近红外传输窗口（1330nm和 1550nm）光损耗小，聚合物具有一定的热稳定性，可以承受制作器件的熔接温度，并且在器件使用的过程中对环境变化有一定的稳定性，具有尽可能低的双折射率，确保聚合物材料的光学各向同性。当前研究的有聚甲基丙烯酸甲酯衍生出来的氟代，氘代聚甲基丙烯酸酯，耐高温聚合物聚酰（xian）亚胺的氟代衍生物，交联含氟聚芳醚以及聚硅氧烷等。,第四章 无源光耦合器器件,该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、平面阵列波导光栅（AWG）等。采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。同时由于有机聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得样品的制备非常简单。聚合物通过外场极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数。,第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源光耦合器器件,光波导的制作方法：在铌酸锂等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成所需的波导结构。波导耦合器的优点：体积小，重量轻，易于集中。机械及稳定性好。耦合分光比易于精确控制，在母板定型后，可以进行大批量生产。易于制成小型化的宽带耦合器。,与熔融拉锥耦合器比较，还存在不足：还须解决与光纤的耦合技术问题 技术尚不完善 波导制作工艺需要投入价格昂贵的设备 由于制作薄到母板的成本较高，非批量的生产往往得不偿失。对于较少路数（N8）的耦合器，熔融拉锥型具有更低损耗。,第四章 无源光耦合器器件,4.3.2波导耦合器的结构单模波导型单模波导型分路器是对单模光信号进行功率分配的器件，可由离子交换玻璃波导、Ti扩散铌酸锂波导或聚合物波导构成。分之波导方向耦合器间隙渐变的方向耦合器,第四章 无源光耦合器器件,分之波导特点：由于这种结构的带宽与光的分布耦合无关，仅取决于模色散的限制，因此极适合制作宽带分路器，单窗口带宽可达100nm。图4.13是实物图。分支波导制作的关键：抑制分支点产生二阶横模即确定最佳的分支角。前者要求在分支点前面选择合适的斜坡形波导；后者则要求兼顾最小分支角和分支点处散射损耗随分支角增大而增加。对于非均分的分路器，应当采用非对称分支，分光比通过调整分支角来控制。树形分路器可以采用对称多分支结构，当然更多的是采用两分支波导串接的方法。其在工艺上更容易控制。而且原则上没有路数的限制。,第四章 无源光耦合器器件,(1)分支波导,第四章 无源光耦合器器件,（2）方向耦合器 方向耦合器是功率分路器的另一种重要结构，也是制作星型耦合器的基础器件。特点：与分之波导不同，分光比通过耦合长度来调整对波长较为敏感，器件的带宽仅为10nm左右,第四章 无源光耦合器器件,（3）间隙渐变的方向耦合器特点：可以在获得与分支波导相似的工作特性的同时，显著降低器件的功率损耗。,多模波导型问题：在局域网中，目前较多采用的是多模耦合器。在多模波导中，往往激励出多种不同模式在相同的波导结构下，这些模式在输出端口通常有不同的分配特性。解决办法：通过设计合适的耦合长度，使各种模式因衍射而展宽，在侧壁上往返反射，直至横向的光强分布达到相同，从而实现光功率在各输出端口的均匀分配。,第四章 无源光耦合器器件,第四章 无源耦合器,4.4 耦合器的前景展望,有一个120的耦合器，如果输入信号为，则每个输出端口的信号为。这个耦合器的附加损耗是多少？解：根据,一个耦合器在16个输出端均分一输出信号，耦合器无附加损耗，如果输入信号为，那么每个输出端的功率是多少？,解：根据附加损耗,1.什么是耦合器？2光纤耦合器的结构有哪几种？3光纤耦合器的分类（分别从功能、端口形式、工作带宽、传导模式分类）？4叙述熔锥型耦合器（包括单模和多模）的原理。熔锥型光纤耦合器的特点？5怎样定义光纤耦合器的插入损耗、附加损耗、耦合比（分光比）、方向性、隔离度（串音）和偏振相关损耗？,第四章 无源光耦合器器件,6平面光波导器件按其组成材料可分为那四种基本类型8.一个耦合器在两个端口之间按9010的分束比分配输入信号，如果输入信号为且耦合器无附加损耗，那么接收小部分信号的端口输出是多少？,