第五章無(wú)源光器件資料教程

第五章無(wú)源光器件1/7/2025nancy

主要內(nèi)容連接器和接頭

光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光調(diào)制器光開關(guān)教學(xué)重點(diǎn)連接器的作用及分類光耦合器的作用光隔離器的作用1/7/2025nancy無(wú)源光器件的要求

插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、體積小、價(jià)格便宜、便于集成等。1/7/2025nancy連接器的分類

單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器。1/7/2025nancy3.4.1光定向耦合器1．光定向耦合器的結(jié)構(gòu)2．光纖式定向耦合器的參數(shù)

光通信中經(jīng)常需要把多個(gè)光信號(hào)耦合到一起，或?qū)⒐庑盘?hào)分到多根光纖中，光耦合器可以實(shí)現(xiàn)這些功能1/7/2025nancy1．光定向耦合器的結(jié)構(gòu)光定向耦合器按其結(jié)構(gòu)不同可分為棱鏡式和光纖式兩類。1/7/2025nancy1．光定向耦合器的結(jié)構(gòu)圖3-35棱鏡式和光纖式定向耦合器1/7/2025nancy2．光纖式定向耦合器的參數(shù)（1）隔離度A。

（2）插入損耗L。（3）分光比T。1/7/2025nancy3.4.2光隔離器與光環(huán)行器1．光隔離器的基本原理和結(jié)構(gòu)2．光環(huán)行器3．光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數(shù)1/7/2025nancy1．光隔離器的基本原理和結(jié)構(gòu)圖3-36光隔離器的工作原理圖1/7/2025nancy2．光環(huán)行器圖3-37三端口光環(huán)行器1/7/2025nancy3．光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數(shù)對(duì)于光隔離器與光環(huán)行器來(lái)講，它們都是希望從輸入端口輸入的光信號(hào)到輸出端口時(shí)，衰減盡量小，即要求器件的插入損耗要?。粚?duì)于不應(yīng)有輸出的端口，要求隔離度要高。器件典型的插入損耗為1dB左右，隔離度為40～50dB。1/7/2025nancy3.4.3光濾波器圖3-38F-P腔光濾波器1/7/2025nancy3.4.3光濾波器F-P腔型光濾波器的主體是F-P諧振腔。描述F-P腔型光濾波器的特性參數(shù)主要是自由譜域（FSR）及帶寬（BW）。（1）自由譜域（FSR）：為相鄰波長(zhǎng)之間的距離（2）帶寬（BW）：為諧振峰降至一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，又稱為3dB帶寬。1/7/2025nancy3.4.4光開關(guān)能夠控制傳輸通路中光信號(hào)通或斷或進(jìn)行光路切換作用的器件，稱為光開關(guān)。光開關(guān)是全光交換技術(shù)中的關(guān)鍵器件。光開關(guān)一般包括兩種：機(jī)械式光開關(guān)和電子式光開關(guān)。1/7/2025nancy3.4.4光開關(guān)圖3-39機(jī)械式光開關(guān)1/7/2025nancy3.4.4光開關(guān)圖3-40電子式光開關(guān)1/7/2025nancy3.4.5波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器能夠使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件稱為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器比較容易實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是與偏振無(wú)關(guān)；主要缺點(diǎn)是由于速度受電子器件限制，因此不適應(yīng)高速大容量光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的要求。全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器（SOA）構(gòu)成。1/7/2025nancy1．光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-41光電光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器1/7/2025nancy2．全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-42全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器1/7/2025nancy3.4.6波分復(fù)用器在一根光纖中能同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)，稱為光波分復(fù)用技術(shù)（WDM）。如果在系統(tǒng)發(fā)送端采用此技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)送入光纖傳輸?shù)脑O(shè)備稱為光波分復(fù)用器。在系統(tǒng)接收端可通過(guò)解復(fù)用器（分波器），將組合在一起的光信號(hào)分離并送入不同的終端。1/7/2025nancy3.4.6波分復(fù)用器1．光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理2．光波分復(fù)用器1/7/2025nancy1．光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理光波分復(fù)用器是對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行合成與分離的光器件。由光波分復(fù)用器構(gòu)成的光波分復(fù)用系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)分，可分為單纖單向WDM系統(tǒng)和單纖雙向WDM系統(tǒng)。1/7/2025nancy1．光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-43單纖單向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng)1/7/2025nancy1．光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-44單纖雙向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng)1/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器（1）光波分復(fù)用器的工作原理器件的各端口可以作為輸入端口，也可以作為輸出端口。1/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器圖3-45WDM光傳輸原理圖1/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器（2）光波分復(fù)用器的光學(xué)特性①?gòu)?fù)用器復(fù)用器的光學(xué)特性可以用給定的輸入端口的插入損耗—波長(zhǎng)關(guān)系曲線表示。②解復(fù)用器解復(fù)用的光學(xué)特性，可以用輸入端到N個(gè)輸出端的各信道的波長(zhǎng)—插入損耗關(guān)系曲線來(lái)表達(dá)1/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器圖3-46復(fù)用器插入損耗—波長(zhǎng)關(guān)系曲線1/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器圖3-47解復(fù)用器波長(zhǎng)—插入損耗關(guān)系曲線1/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器Ⅰ中心波長(zhǎng)λ和中心波長(zhǎng)的工作范圍Δλ

Ⅱ中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最小插入損耗L1和L2

Ⅲ相鄰信道之間串音耦合最大值L12和L231/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器（3）熔融光纖型波分復(fù)用器熔融光纖型是指將兩根光纖緊靠在一起并通過(guò)加熱使兩光纖熔接而成。這種復(fù)用器非常便于與光纖通信系統(tǒng)耦合連接，而且插入損耗極小，且體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。1/7/2025nancy2．光波分復(fù)用器圖3-48熔融光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖1/7/2025nancy3.4.7光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無(wú)源器件。它是利用光纖中的光敏性而制成的。光敏性是指當(dāng)外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在幾厘米之內(nèi)寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。光纖光柵最顯著的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長(zhǎng)選擇性。1/7/2025nancy3.4.7光纖光柵圖3-49光纖布拉格光柵濾波器1/7/2025nancy3.3光無(wú)源器件

一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測(cè)器外，還需要許多其它光器件，特別是無(wú)源器件。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。雖然對(duì)各種器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、體積小、價(jià)格便宜，許多器件還要求便于集成。本節(jié)主要介紹無(wú)源光器件的類型、原理和主要性能。1/7/2025nancy

3.3.1連接器和接頭

連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng))連接的器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無(wú)源器件之間的連接。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源器件。1/7/2025nancy圖3.27套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖1/7/2025nancy對(duì)低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移在1μm以內(nèi)，軸線傾角小于0.5°。普通的FC型連接器，光纖端面為平面。對(duì)于高反射損耗的連接器，要求光纖端面為球面或斜面，實(shí)現(xiàn)物理接觸(PC)型。套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼，但插針材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機(jī)械性能好、耐磨，熱膨脹系數(shù)和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數(shù))和工作溫度范圍(插入損耗變化±0.1dB)大大改善。1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy

3.3.2光耦合器

耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。這種器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲耦合器大多與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。

1.耦合器類型

圖3.28示出常用耦合器的類型，它們各具不同的功能和用途。

1/7/2025nancy圖3.28常用耦合器的類型

1/7/2025nancy2.基本結(jié)構(gòu)

耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖3.29~圖3.32示出這三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)。

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圖3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個(gè)2×2耦合器組成的8×8星形耦合器1/7/2025nancy圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。如圖3.30，光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到Pa=cos2(CλL)(3.28a)Pb=sin2(CλL)式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。1/7/2025nancy圖3.30光纖型波分解復(fù)用器原理Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)1/7/2025nancy

設(shè)特定波長(zhǎng)為λ1和λ2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長(zhǎng)度，使得當(dāng)光纖a的輸出Pa(λ1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；當(dāng)Pa(λ2)=0時(shí)，Pb(λ2)最大。對(duì)于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長(zhǎng)隔離度大于20dB。

1/7/2025nancy微器件型自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射)光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器，如圖3.31所示。1/7/2025nancy

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復(fù)用器；(d)光柵式解復(fù)1/7/2025nancy

波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來(lái)選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。圖3.32示出波導(dǎo)型T型耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器。

1/7/2025nancy圖3.32波導(dǎo)型藕合器1/7/2025nancy

3.主要特性

說(shuō)明耦合器參數(shù)的模型如圖3.33所示，主要參數(shù)定義如下。1/7/2025nancy由此可定義功率分路損耗Ls：Ls=10lg

附加損耗Le由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示Le=10lg

插入損耗Lt是一個(gè)指定輸入端的光功率Pic和一個(gè)指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示1/7/2025nancyLt=10lg

方向性DIR(隔離度)是一個(gè)輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示DIR=10lg

一致性U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。

表3.6、表3.7列出波長(zhǎng)為1.31μm或(和)1.55μm單模光纖型耦合器和波分復(fù)用器/解復(fù)用器的一般性能。1/7/2025nancy1/7/2025nancy1/7/2025nancy

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

耦合器和其他大多數(shù)光無(wú)源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。

1/7/2025nancy隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1dB，隔離度的典型值的大致范圍為40~50dB。1/7/2025nancy

首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場(chǎng)矢量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱為水平模和垂直模。

1/7/2025nancy圖3.34隔離器的工作原理1/7/2025nancy在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時(shí)間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。

具有任意偏振態(tài)的入射光通過(guò)一個(gè)空間分離偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。1/7/2025nancy圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器1/7/2025nancy環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。

圖3.36光環(huán)行器(a)三端口；(b)四端口1/7/2025nancy

圖3.36光環(huán)行器(a)三端口；(b)四端口1/7