常见光无源器.ppt

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1、第3章 常见光无源器件,第3章 常见光无源器件,光无源器件是光路的重要组成部分。光无源器件与电无源器件有许多相似之处，电无源器件如插头、开关、电容、电阻、电感等，是电路的重要组成部分。常见的光无源器件有光纤连接器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光衰减器、光开关等。光无源器件遵守光学的基本理论，即光线理论和电磁场理论。,第3章 常见光无源器件,3.1 光纤连接器,光纤连接器可分为两大类：活动连接器和固定连接器。,3.1.1 光纤活动连接器,1基本结构及工作原理光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤心对接，保证95以上的光能通过连接器。目前，活动连接器有代表性且正在使用的

2、结构有以下几种，如图3.1图3.5所示。图3.1 套管结构,3.1.1 光纤活动连接器,图3.2 双锥结构 图3.4 球面定心结构,图3.3 V形槽结构 图3.5 透镜耦合结构,3.1.1 光纤活动连接器,套管结构的核心是插针与套筒。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其结构和主要尺寸如图3.6所示。图3.6 插针的结构与主要尺寸,3.1.1 光纤活动连接器,插针的精度要求是：外径不圆度小于0.0005 mm；外圆柱面光洁度为；微孔偏心量小于；插针端面为球面，其曲率半径为20 60 mm。套筒是与插针相配合的零件，它有两种结构，如图3.7所示。,3.1.1 光纤活动连接器,图3.7 套筒的结构与尺

3、寸套筒的精度要求是：内孔光洁度为；拔插力为 3.92 5.88 N。开口套筒使用弹性好的材料，如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷等。,3.1.1 光纤活动连接器,光纤活动连接器结构上差别很大，品种也很多，但按功能可分成如下几部分：(1)连接器插头(Plug Connector)：由插针体和若干外部零件组成。(2)转换器或适配器(Adapter)：即插座，可以连接同型号插头，也可以连接不同型号插头，可以连一对插头，也可以连接几对插头或多心插头。,3.1.1 光纤活动连接器,(3)转换器(Converter)：将某一种型号的插头变换成另一种型号的插头，由一种型号的转换器加上另外其他型号的插头组成。(4)

4、光缆跳线(Cable Jumper)：一根光缆两端面装上插头，称为跳线。两个插头型号可以不同，可以是单心的，也可以是多心的。(5)裸光纤转换器(Bare Fiber Adapter):将裸光纤穿入裸光纤转换器，处理好光纤端面，形成一个插头。,3.1.1 光纤活动连接器,2主要性能指标及测试方法(1)插入损耗插入损耗是指光信号通过活动连接器后，输出光功率相对输入光功率的分贝数，其表达式为(dB)(3.1)式中，为输入光功率；为输出光功率。插入损耗 越小越好。,3.1.1 光纤活动连接器,(2)回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，后向反射光功率相对入射光功率的分贝数，其表达式为(d

5、B)(3.2)式中，为输入光功率；为后向反射光功率。回波损耗越大越好。,3.1.1 光纤活动连接器,(3)重复性和互换性重复性是指光纤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。,3.1.1 光纤活动连接器,影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多，现简述如下：(1)两个光纤纤心位置的错位，如图3.8所示。实际有三种情况，即横向错位、角度倾斜和端面间隙。图3.8 光纤纤心位置的错位,3.1.1 光纤活动连接器,(2)在两个光纤端面之间，由于存在不同的介质（如空气），光在介质之间多次反射，产生损耗，称为菲涅耳反射引起的损耗，其表达式为

6、(3.3)式中，。当=1,=1.46时，。(3)由于两根光纤纤心直径不同，数值孔径不同也会引起光纤连接器损耗。,3.1.2 光纤固定连接器,光纤固定连接器的作用是使一对或几对光纤之间永久性的连接。制作固定接头的方法有熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等。1熔接法用熔接法制作固定连接器，是光纤固定连接的主要方法。它采用加热的方法将光纤熔接在一起，只要操作得当，熔接机设计合理，连接插入损耗很小，后向反射光近似为零，可以得到非常理想的光纤固定接头。,3.1.2 光纤固定连接器,光纤加热和熔化的方法有三种，如图3.9所示。其特点如下：(1)电弧熔接(2)氢氧焰熔接(3)激光熔接图3.9 光纤熔接方法,

7、3.1.2 光纤固定连接器,(1)电弧熔接 用高压电极放电来加热光纤，使之熔融连接，电弧放电和光纤的对准可以由微机控制，实现自动化操作。电弧熔接是熔接法中应用广泛的方法。(2)氢氧焰熔接 用于一些特殊的场合，如海底光缆的光纤熔接，其特点是接头强度高，但火焰的控制较为困难。(3)激光熔接 如用激光器加热并熔接光纤，其特点是加热环境非常干净，接头强度高，但设备昂贵。,3.1.2 光纤固定连接器,实现光纤熔接的设备是光纤熔接机，它由下述部分组成：(1)光纤的准直与夹紧结构；(2)光纤的对准机构；(3)电弧放电机构；(4)电弧放电和电机驱动的控制机构。以下是详细介绍。(1)光纤的准直与夹紧结构光纤的准

8、直与夹紧结构由精密V形槽和压板构成，精密V形槽的作用是使一对光纤不产生轴偏移，压板使光纤固定在V形槽内。,3.1.2 光纤固定连接器,(2)光纤的对准机构在熔接光纤之前，一般要通过手动或自动装置使纤心完全对准。常用如下三种方法来实现光纤的对准：功率监测 纤心直视 包层对准(3)电弧放电机构熔接机的电弧放电由两根电极完成，电极由钼丝制成。(4)电弧放电和电机驱动的控制机构在电极放电过程中，电机的驱动都由微处理机控制，按预定程序工作。,3.1.2 光纤固定连接器,2其他固定连接方式(1)V 形槽固定接头这种接头携带方便，操作简单，不需要贵重的仪表和设备。V 形槽的结构是多样的，图3.10为 FMS

9、-1 型光纤固定连接器的结构图。图3.10 FMS-1型光纤固定连接器的结构图,3.1.2 光纤固定连接器,(2)毛细管固定接头毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作，将两根处理好的光纤从两头穿入玻璃毛细管内，利用其精密内孔使两根光纤纤心对准。在两根光纤端面加入匹配液，消除菲涅尔反射。(3)套管式固定接头与活动连接器一样，其主要零件也是插针和套筒。插入损耗在0.1 dB以下，回波损耗达45 dB以上。,3.2 光 耦 合 器,光耦合器(Coupler)是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波）耦合器。从端口形式上，可分为X

10、 形()、Y 形()、星形(N N,N2)以及树形(1 N,N2）耦合器。,3.2 光 耦 合 器,从工作带宽上，可分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。另外，由于传导光模式的不同，又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分。,3.2 光 耦 合 器,3.2.1 描述光耦合器特性的一些技术参数,1插入损耗(Insertion Loss)(3.4)式中，为第i个输出端口的插入损耗；为第i个输出端口的光功率；为输入的光功率。2附加损耗(Excess Loss)(3.5)插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与分光比有很大的关系。,3.2.1

11、描述光耦合器特性的一些技术参数,3分光比(Coupling Ration)(3.6)它是光耦合器特有的技术指标。4方向性(Directivity)方向性是光耦合器特有的技术指标,是衡量器件定向传输特性的参数。以X形耦合器为例，方向性定义为耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。,3.2.1 描述光耦合器特性的一些技术参数,由 2 端输出的光功率 与全部注入的光功率(即图3.11中 1 端注入的光功率)之比为(3.7)图3.11 X形耦合器的方向性,3.2.1 描述光耦合器特性的一些技术参数,5均匀性(Uniformity)对于要求均匀分光的光耦合器（主要是

12、星形和树形），由于工艺局限，往往不可能做到绝对的均匀，用均匀性来衡量其不均匀程度：(3.8)6偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，也称为偏振灵敏度。,3.2.1 描述光耦合器特性的一些技术参数,当传输光信号的偏振态变化 时，器件各输出端输出功率的最大变化量：(3.9)7隔离度(Isolation)(3.10)式中，为在第i个光路输出端测到的其他输出端光信号的功率；为输入的光功率。,3.2.2 光耦合器的制作方法,光耦合器大致可分为分立元件组合型、全光纤型和平面波导型。1、早期采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜、棱

13、镜等）组合拼接。其耦合机理简单直观，可用一般的几何光学进行描述。但损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定性较差。,3.2.2 光耦合器的制作方法,2、全光纤耦合器，即直接在两根（或两根以上）光纤之间形成某种形式的耦合。全光纤耦合器的发展：（1）最早是Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法（2）Bergh等人发明了光纤研磨法，（3）研磨结束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。,3.2.2 光耦合器的制作方法,（4）20世纪80年代初，人们开始用光纤熔融拉锥法制作单模光纤耦合器，已成为当前制作光耦合器的主要方法。3、集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。利用平面光波导制作的

14、光耦合器具有体积小，分光比控制精确，易于大批生产等特点。,3.2.2 光耦合器的制作方法,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。熔融拉锥制作系统的示意图如图3.12所示。图3.12 熔融拉锥制作系统示意,3.2.2 光耦合器的制作方法,熔融拉锥型全光纤耦合器有如下优点：(1)极低的附加损耗，对于X 形或Y 形耦合器（参见表3.1），附加损耗小于0.05 dB。表3.1 标准X,Y型全光纤耦合器的典型性能指标,3.2.2 光耦合器的制作方法,(2)方向性好，一般达到60

15、 dB，保证了传输光信号的定向性，减小了线路之间的串扰。(3)良好的环境稳定性，光路结构简单紧凑，在-4085温度范围内耦合器可以保证稳定工作。(4)控制方法简单、灵活，不仅可以方便地改变器件的性能参数，还能制作具有不同功能的其他器件。(5)制作成本低，适于批量生产。表3.1给出了标准X，Y型全光纤耦合器的典型性能指标。,3.2.3 耦合机理,1单模光纤耦合器在单模光纤中，传导模是两个正交的基模(模)，耦合器中光场强分布如图3.13所示。图3.13 耦合器中光场强分布,3.2.3 耦合机理,传导模进入熔融锥区，纤心不断变细，V 值逐渐减小，有越来越多的光功率进入光纤包层中，实际光功率是在以包层

16、为心、光纤外介质为包层的复合波导中传输的。在输出端，随着纤心的逐渐变粗，V 值增大，光功率被两根纤心以特定比例捕获。在熔锥区，两根光纤包层合并在一起，两根光纤纤心足够接近，形成弱耦合，如图3.14所示。图3.14 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理,3.2.3 耦合机理,在弱导近似下，假设光纤无损耗，则有耦合方程：(3.11)式中，分别为两根光纤的模式场幅度；是独立 状态的两根光纤的传输常数；是耦合系数。实际上，自耦合系数，且。当z=0 时，已知，则耦合方程的解为式(3.12)所示。,3.2.3 耦合机理,因此可求得每根光纤中的功率为(3.13)由此得到：耦合比率与熔融 拉伸长度的关系 曲线，如图

17、3.15 所示。最大耦合率 可以达到100。图3.15 耦合比率与熔融拉伸长度的关系,3.2.3 耦合机理,2多模光纤耦合器阶跃多模光纤的模式总数，当传导模（靠近光轴为低阶模，离光轴较远的是高阶模）进入多模光纤耦合器的熔锥区时，纤心变细，V值变小，纤心中束缚的模式数减小，较高阶模进入包层，形成包层模。在熔锥区，两光纤包层合并，在输出端纤心又逐渐变粗时，耦合臂的纤心将以一定比例捕获这些高次模式，获得耦合光功率，但低次模不参与耦合。,3.2.4 波导型光耦合器,在 等衬底材料上，通过薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成所需的波导结构，利用光波导实现光的耦合。单模光纤与单模波导的耦合有端面直接耦合和通过迅

18、衰场的表面耦合等方法。波导型光纤耦合器有以下优点：(1)体积小，质量轻，易于集成。(2)机械及环境稳定性好。(3)耦合分光比易于精确控制，母板定形后，可以进行 大批量生产。(4)易于制成小型化的宽带耦合器件。,3.2.4 波导型光耦合器,单模波导型分路器是对单模光信号进行功率分配的器件，可分为分支波导、方向耦合器和间隙渐变方向耦合器三种。1分支波导 分支波导的基本结构分为对称和非对称两种，如图3.16所示。其带宽仅取决于模色散的限制，适于制作宽带耦合器，带宽可达100 nm。图3.16 分支波导,3.2.4 波导型光耦合器,2方向耦合器 方向耦合器(如图3.17所示)对波长较为敏感，带宽为 1

19、0nm 左右，分光比通过耦合区的长度来调整。图3.17 波导方向耦合器,3.2.5 光波分复用器(WDM)和解复用器,光波分（解）复用器是按光波波长进行功率分离与合成的光无源器件，结构如图3.18所示。图3.18 WDM 光传输原理图光波分复用器的一个端口作为器件的输入/输出端，N个端口作为器件的输出/输入端。解复用器端口0#注入各种波长的光信号，在输出端，不同波长的光信号分别在N个端口输出，其功率在不同波长之间有极低的串扰。,3.2.5 光波分复用器(WDM)和解复用器,解复用器则与之相反，N 个端口的插入损耗与波长的关系如图3.19所示。其主要的光学特性为 图3.19 解复用器波长-插入损

20、耗的关系曲线,3.2.5 光波分复用器(WDM)和解复用器,(1)中心波长。ITU-TL 规定在1550 nm区域，以1552.52 nm为标准波长，其他波长与之间隔为0.8nm(100G)，或其整数倍()为复用波长。(2)中心波长 工作范围,，对于每一通道，确定了出射光的谱宽范围。(3)中心波长对应的最小插入损耗,是衡量解复用器的一项重要指标，越小越好。(4)相邻信道之间的串音耦合最大值是另一项重要指标，数字信号通信系统要求大于 30 dB，模拟信号通信系统要求大于50 dB。,3.2.5 光波分复用器(WDM)和解复用器,利用色散、偏振、干涉等物理现象都可以制作WDM 器件。以下是几种常见

21、的WDM 器件类型。1介质膜型利用窄带干涉滤光膜（带通型）进行波长的选择，通道数目48个，其结构如图 3.20 所示。图3.20 窄带介质膜带通滤光片构成的4通道WDM器件,3.2.5 光波分复用器(WDM)和解复用器,2光栅型利用光栅的衍射效应，不同波长的光衍射角度不同，实现空间的分离，通道数目64个，其结构如图3.21所示。图3.21 由反射光栅构成的解复用器,3.2.5 光波分复用器(WDM)和解复用器,3波导阵列光栅型波导阵列光栅型波分复用器由输入和输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。输入和输出波导用于与单模光纤连接，空间耦合器将各种波长光信号耦合进波导阵列光栅，波导阵列光栅由几百

22、条光程差为 的波导组成。,3.2.5 光波分复用器(WDM)和解复用器,根据衍射理论，在输出端光按波长大小顺序排列输出，通过空间耦合器传输到相应的输出波导端口，其结构如图3.22所示。图3.22 波导阵列光栅型D波分复用器,3.5 光 隔 离 器,光隔离器是只允许光线沿光路单向传输的无源器件，用于解决光纤通信中光路中光反射的问题。,3.5.1 光隔离器中使用的光学元件,1光纤准直器(Optical fiber Collimator)光纤准直器由自聚焦透镜和单模光纤组成，对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤之间的耦合效率。2法拉第旋转器(Faraday Rotator)1845年法拉第发现

23、，原来不具有旋光性的物质在磁场作用下，偏振光通过该物质时其偏振面将发生旋转，旋转角度为(3.14)式中，V为Verdet常数；L为光在介质中的传输距离；B为磁感应强度。,3.5.1 光隔离器中使用的光学元件,3偏振器(Polarizator)双折射晶体被加工成楔形，入射光沿非光轴方向入射，出射光分为偏振方向正交的两束线偏光o 光和e 光。薄膜起偏分束器是由人造各向异性介质制作的，其结构如图3.23所示。两种电介质材料周期性层叠，厚度周期小于波长。o 光和e光的分离角度由两种材料的折射率、厚度、以及入射角度决定。图3.23 薄膜起偏分束器,3.5.1 光隔离器中使用的光学元件,线栅起偏器由金属和

24、电介质周期交替层叠构成，如图3.24所示。光穿过线栅时，偏振与线栅方向平行的线偏光被吸收，垂直线栅方向的线偏光损耗很小，输出线偏光。4特种光纤 图3.24 线栅起偏器 磁敏光纤在制造中掺入稀土元素，具有良好的透光性和法拉第旋光性。,3.5.2 光隔离器的作用和工作原理,在光通信系统中，从光源到接收机的传输过程中，会出现光学界面产生的反射引起的频率漂移幅度变化，影响系统的正常工作。采用光隔离器就可以消除反射光的影响。根据偏振特性，光隔离器可分为偏振相关型光隔离器和偏振无关型光隔离器。1偏振相关型光隔离器对于偏振相关型光隔离器，入射光不论是否是线偏光，出射光一定是线偏光。空间偏振相关型光隔离器的结

25、构如图3.25所示。,3.5.2 光隔离器的作用和工作原理,起偏和检偏器的光轴有45夹角，入射光经过起偏器 后成为线偏光，再经过法拉第旋转器，偏振面逆时针旋转45，刚好和检偏器的光轴 方向一致，顺利通过。图3.25 偏振相关型光隔离器结构,3.5.2 光隔离器的作用和工作原理,反射光通过 成为与检偏器光轴一致的线偏光，经过法拉第旋转器，由于磁场不变，光的偏振面继续顺时针旋转45，成为偏振方向与 光轴垂直的线偏光，不能通过起偏器，起到了反向隔离的作用。图3.25 偏振相关型光隔离器结构,3.5.2 光隔离器的作用和工作原理,2偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器是一种与输入光偏振态相关很小的光隔

26、离器。Wedge 型偏振无关光隔离器结构与偏振光传输示意图如图3.26所示。光束正向传输时，光纤中的光由准直透镜射出，进入起偏器P1，分为偏振方向相互垂直的o光和e光，经过法拉第旋转器偏振面各自顺时针旋转45，由于检偏器 P2 的光轴与P1的光轴成 45夹角，o光和e光被折射到一起，合成一束平行光经准直耦合进光纤。,3.5.2 光隔离器的作用和工作原理,光束反向传输时，由于法拉第效应的非互易性，经过P2后分为与P1光轴成45的o光和e光，在经过法拉第旋转器时，由于磁感应强度不变，o光和e光的偏振面依然继续顺时针旋转45，相对于P1的光轴共旋转了90，因此o光和e光被P1进一步分开，准直透镜无法

27、将这两束光耦合进入光纤，达到了反向光被隔离的目的。此结构制作简单，插入损耗小，整个器件体积小，但是由于准直透镜和双折射棱镜的使用，具有一定的偏振相关损耗和偏振模色散。,3.5.2 光隔离器的作用和工作原理,图3.26 Wedge型偏振无关光隔离器结构与偏振光传输示意图,习 题,3.1 某种半导体激光器的输出光功率P与注入电流I之间的关系如题图3.1所示，求此半导体激光器的阈值电流 和外微分量子效率。若用其作为数字通信光源，则调制的偏置电流I应取值约为多少？其中，,。题图3.1 输出光功率 P 与注入 电流 I 之间的关系,习 题,3.2 有一个无源树形光耦合器（1 6耦合器），输入端注入光功率 30 mW，6 个输出端口分别输出光功率 4.9 mW,5.1 mW,4.8 mW,4.8 mW,4.9 mw和5.0 mW，求此光耦合器的各端口插入损耗、附加损耗和分光比。,