光波導理論與技術第六章

光波導理論與技術第六章第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三6.1光纖連接器單模和多模光纖連接器的插入損耗都可以做到小于0.5dB直接耦合式對端面間隙、橫向位移敏感，易受污染。第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光纖連接的損耗光纖的連接損耗（插入損耗）：連接器幾何誤差引起的傳輸損耗；光纖端面形狀畸變引起的損耗光纖結構參數失配引起的損耗第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三

光纖連接器的損耗光纖的連接損耗（插入損耗）兩光纖相對位置偏離引起的損耗橫向偏移:d2a連接損耗取決于偏移量和纖芯直徑之比。梯度光纖：階躍光纖：第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三多模梯度光纖可簡化成：單模光纖的傳輸模場近似為高斯分布時，可簡化成：例：多模光纖2a=50m，=1%，要求連接損耗Ld<0.1dB，則橫向錯位d<3m。單模光纖2a=10m，=0.3%，要求連接損耗Ld<0.1dB，則橫向錯位d<0.8m。w是模場半徑第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三角度偏移階躍多模光纖傾斜損耗：梯度多模光纖傾斜損耗：單模光纖傾斜損耗：當要求L<0.1dB

時，多模光纖

<0.7，單模光纖

<0.3。第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三縱向偏移，兩連接光纖端面間有間隙，只有部分能量進入接受光纖階躍多模光纖端面間隙損耗：單模光纖端面間隙損耗：S第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光纖端面形狀畸變引起的損耗階躍多模光纖端面間隙損耗：21xx2x1第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光纖結構參數失配引起的損耗兩光纖直徑不同引起的連接損耗，設多模光纖發(fā)射纖芯半徑為a1，接受纖芯半徑為a2，則有：兩單模光纖：兩光纖數值孔徑不同引起的連接損耗：第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三兩光纖折射率分布不同引起的連接損耗設多模光纖發(fā)射纖芯半徑為a1，接受纖芯半徑為a

2，則有：第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三連接器端面接觸形式平面接觸形：簡單、低成本，反射波明顯，影響性能物理接觸型：球面接觸，減少反射有傾角物理接觸型：端面法線與軸線有傾角，進一步減少反射第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三6.2光耦合器全光纖耦合器原理拼接法（磨拋法）：關鍵是控制光纖包層磨拋量優(yōu)點：通過改變光纖拚合角度和磨拋量調整耦合強弱。缺點：熱和機械穩(wěn)定性差熔錐法：嚴格控制拉錐長度、熔區(qū)形狀、錐體光滑度。對輸出光功率在線控制，性能好，成本低。第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三設：兩耦合波導相同第二波導輸入端振幅為零，兩波導z處的光功率為：耦合比與拉伸長度有關，到第九個周期附加損耗達到0.5dB不同長度可改變耦合波導輸出功率比第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三耦合器分類全光纖型：在錐形區(qū)變細處，高階模入射角超出臨界角，經纖芯—包層邊界進入包層，成為包層模在包層中傳輸，錐形區(qū)又變粗后高階模又重新耦合進纖芯成為導模。由于錐形區(qū)包層相同，因而高階模功率均勻分配到兩根光纖的輸出。低階模在纖芯中傳輸?？偡止獗热Q于錐形耦合區(qū)長度和包層厚度。第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三作用：將N個輸入功率復合后再平均分配到M個輸出端口。用熔錐法形成，適合于多模光纖；耦合特性對模式敏感，輸出端口功率變化大；用單模光纖難于精確調整多根光纖間的消逝場。第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三基于22耦合器級聯(lián)的NN星型耦合器第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三微型元件型：第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三集成光波導型：第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光源與光纖的耦合第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三6.3光濾波器

用于波分復用技術基于干涉原理的濾波器：Fabry-Perot濾波器、馬赫—曾德爾濾波器、多層介質膜濾波器；基于光柵原理的濾波器：體光柵濾波器、陣列波導光柵濾波器（AWG）、光纖光柵濾波器、聲光可調諧濾波器。

第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三Fabry-Perot濾波器結構：兩平行介質板，內表面為鍍高反射膜的鏡面，反射系數各為r1,r2，透射系數各為

t1,t2。透射波由幅振幅為At1，At2

At3

---光束組成。每束透射波比前束相位延遲，振幅減小，須乘因子r1r2

。令：則：第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三透射光幅振幅：設：則功率反射和透射系數各為：輸出光強：定義F-P腔功率傳輸系數為：則：第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三存在透射率為最大的峰值波長0或峰值頻率0；

峰值波長或頻率等間隔排列，諧振峰間的波長或頻率間隔：峰值波長或頻率在諧振腔中形成駐波，駐波的數量為N；N為整數第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三自由譜區(qū)FSR(FreeSpectralRange)——相鄰兩諧振頻率間隔，3dB帶寬ΔF——傳輸系數降為最大值的一半所對應的頻帶寬度。銳度（精細度）：

F=FSR/ΔF

無損耗時：用于波分復用的解復用器選頻，但輸入信號帶寬不能大于FSR；第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三激光器的縱模氣體激光器由兩反射鏡構成諧振腔，半導體激光由半導體晶體的解理面作為反射鏡構成諧振腔，譜峰與諧振級次對應；縱模數量：窄帶激光器必定是單縱模的；動態(tài)單模激光器：調制后仍能保持單縱模狀態(tài)的激光器，如分布反饋激光器DFB（Distributed-FeedBackLaserdiode），在諧振腔長度方向制作一個布拉格光柵，起選頻作用。第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光纖F-P濾波器光纖波導腔，腔長厘米到米量級空氣隙腔，腔長小于10微米改進型波導腔，腔長100微米到厘米量級第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三馬赫—曾德爾濾波器（Mach-Zehnder）馬赫—曾德爾干涉儀HM：半透半反鏡M：全反射鏡光路1的光程：S1=nL1光路2的光程：S2=nL2光路1的相位變化：光路2的相位變化：設半透半反鏡兩個方向的振幅反射率分別為：振幅透射率為：A1BoutAoutB1P1P2HMHMMM光路1光路2第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三若只有一個通道輸入，即B1=0，則Aout輸出光強度為：輸出光強是波長倒數的周期函數，具有濾波功能；濾波峰值波長為：（N=0,1,2,---）式中第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三馬赫—曾德爾光纖濾波器功能：分裂輸入光束；引進相移；重組信號：一輸出端為相加性干涉，另一輸出端為相消性干涉，信號只在一個輸出端出現。設兩個不同波長的光波從1端輸入，據耦合理論：干涉儀兩臂引入的相位差：測量臂參考臂d第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三如果從1端輸入的1

和2

滿足：則有：在L一定的情況下允許的最小頻率間隔為：在最小頻率間隔一定的情況下允許的L為：第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三最小頻率間隔一定，用級聯(lián)M—Z擴展輸出22石英M—Z，n=1.5，頻率間隔為10GHz（1550nm處，=0.08nm）L=10mm；頻率間隔為130GHz（=1nm），L=0.77mm第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三薄膜干涉濾波器若膜層厚度為/4，當垂直入射時，波長為的入射光在每層的反射光產生相位差（反相），反射波與入射波相互低消，波長為的波不被反射而透射——濾波，用于防反射鍍層。如果膜層厚度為/2，則反射光將相干加強——高反射鏡。斜入射時，用矩陣表示各界面上的入射波、反射波、透射波的邊界條件，由干涉矩陣求解。第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光柵濾波器光柵方程：光柵衍射特點：一個波長對應一個極大值；衍射角與波長成正比；衍射譜線均勻排列；角色散本領：只考慮界面表面的反射，未曾考慮光波在介質內部的傳播。第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光波在介質內的衍射散射：在折射率均勻的介質中存在尺度小于波長的物體，且折射率與介質不同，則產生散射；若散射體成等間距的規(guī)則排列，散射光就會沿一定方向形成波面；衍射光柵：線狀散射體按周期并行排列；A點和B點散射的柱面波滿足下式條件時，形成新波面：設光柵矢量的方向為m增大方向，幅值為：第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光柵方程可表示成：當垂直入射i=0時，m級衍射光的衍射角m為：衍射角與波長有關，廣譜光源入射時，不同波長的光將被分離，短波長光衍射角小，長波長光衍射角大；若散射體不是線狀的，而是等間隔分層面狀結構，且各層反射光很弱，可以忽略層之間的多次反射，只考慮菲涅耳反射，即反射角等于入射角，則反射光相互加強的條件為：布拉格反射條件：與衍射波長對應的入射角是特定角與光柵方程一致第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三衍射光柵的在光纖中的應用衍射在成像平面上出現離散的主極大，其位置與衍射角和離光柵平面距離有關；用柵距d=5m的光柵分離光纖中傳輸的1540.56nm和1541.35nm兩個波長，如何配置接收光纖？光柵能獲得多大角分離？衍射光柵離光纖端面多遠？根據光纖的角色散：計算角分離：第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三設接收光纖是常規(guī)的單模光纖，包層的直徑為245m，接受兩個波長的光纖中心間距至少等于直徑。衍射光柵離光纖端面的距離至少應滿足：衍射光柵離光纖端面的距離與衍射角的關系有：8信道波分復用于解復用器件的典型封裝尺寸：25020020（mm）解決途徑：用光學器件縮小距離第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三諧振腔+光柵自聚焦+光柵普通透鏡+光柵第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5.

可調諧濾波器具有動態(tài)改變選擇波長能力，動態(tài)范圍——第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三法布里—玻羅可調諧濾波器優(yōu)點：動態(tài)范圍寬，調諧速度快，低偏振相關損耗。缺點：穩(wěn)定性稍差，邊瓣壓制比低。第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三光柵調諧濾波器衍射光柵：改變角優(yōu)點：寬動態(tài)范圍光纖布拉格光柵改變光柵周期（力、熱）優(yōu)點：低損耗，易耦合，窄的通帶，高分辨率。缺點：動態(tài)范圍窄第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三介電薄膜多腔濾波器通過傾斜或滑動濾波器，改變光線經過濾波器的光程，產生相位差；優(yōu)點：低偏振相關損耗第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三電光調制電光效應：晶體具有電各向異性（雙折射），在外電場的作用下，折射率發(fā)生變化，改變光波傳輸常數。橫向電光調制：電場與光的傳播方向垂直。起偏器使輸入光波偏振方向與y和z軸方向成45

，經過晶體后y和z兩偏振分量產生相位延遲，延遲量與外加電壓成正比。體調制器：調制電壓高，體積大。第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三馬赫—曾德爾可調諧濾波器優(yōu)點：快速（幾十ns），可用金屬印制方法制造第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三電光可調諧濾波器光柵：鋰酸鈮LiNbO3

材料的電光效應：晶體的折射率與外加電場幅值成線性變化指狀電極使折射率周期變化，產生光柵效應，改變電壓可以改變光柵周期。馬赫—曾德爾干涉儀調諧選頻。第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三聲光可調諧濾波器由聲波建立布拉格光柵，濾波器使TE波和TM波互相轉換；諧振條件：第48頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三可調諧濾波器主要參數：動態(tài)范圍（）

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