《光纖光學教學》第十四講

1、 HUST 20121/1/2022.第六章光纖無源及有源器件 HUST 20121/1/2022.二、 光纖定向耦合器 HUST 20121/1/2022. HUST 20121/1/2022. HUST 20121/1/2022.三、 光纖定向耦合器1 1、簡介、簡介光耦合器：傳送和分配光信號的無源器件，光從一個端口輸入，從另一個或多 個端口輸出。對光信號進行合波或以不同的方式（波長、光功率） 進行分波。主要特點：器件的主體是光纖；光纖中模式的耦合作用來實現光的功率及方向的分配。光信號的傳送方向是固定的。分類：MN透射型反射型透反型 HUST 20121/1/2022. HUST 2012

2、1/1/2022.2、 耦合器的工作原理單模光纖：模式耦合理論來分析； 多模光纖：彎曲理論來分析。（1） 兩平行光纖之間的耦合機理：當兩光纖的纖芯平行靠近時，一個光纖中的導波場將引起另一個光纖介質極化，導致在光纖激勵起傳導模，場將相互滲透，相互交疊。光功率的分配將在兩光纖的纖芯間諧振光功率的分配將在兩光纖的纖芯間諧振 HUST 20121/1/2022. 12111222,izi tizi tEr tA z ee r eEr tAz eer e 12122121exp2exp2dAzAz kizdzdAzAz kizdz 12expexpA zR zi zAzS zi z212令令 HUST

3、20121/1/2022.基模場間的耦合方程： ziKSzRidzdR ziKRzSidzdS ziezRzA1 ziezSzA2失諧參量：212耦合系數： dxdyeenkK1*22202)sin()sin()cos(2222222222zKKiKSzKKizKRR(0)=1; S(0)=0 HUST 20121/1/2022. 經“L”長度后，從“1”號光纖耦合到“2”號光纖的光功率為： 222222*2sinLKLLKLKLSSP仍留在“1”號光纖中的光功率為： 22222222*1sincosLKLLKLLLKLRRP兩參數相同光纖間的耦合：0 KzzR22cos KzzS22sin弱

4、導階躍光纖，K可以表示如下： WKaWdKVaUnK2102220/2d：為兩光纖之間的距離。 HUST 20121/1/2022.Y型光纖耦合器KL20耦合長度：0 KzzR22cos KzzS22sin HUST 20121/1/2022.Y型光纖耦合器2RSmax()1RS對相同波長、相同光功率的耦合會產生3dB損耗。 HUST 20121/1/2022.X型光纖耦合器1端口輸出2端口輸出 HUST 20121/1/2022.光纖耦合器特性：耦合長度：針對具體的波長，光能量從一個光纖完全進入另一個光纖的長度。耦合的強弱：取決于兩光纖纖芯的分離程度。耦合長度與傳輸的波長緊密相關！不同的傳輸

5、波長將產生不同的耦合長度。耦合長度與傳輸的波長緊密相關！不同的傳輸波長將產生不同的耦合長度。X & Y- 光纖耦合器互易原理：用Y-耦合器對相同波長的光進行合波，信號輸出時，將引入3dB 的 功率損耗！(輸入功率相同的情況下輸入功率相同的情況下) HUST 20121/1/2022. 耦合器僅分出小部分的光從一端輸出，而在另一耦合器僅分出小部分的光從一端輸出，而在另一端仍保留大部分的光，稱此耦合器為端仍保留大部分的光，稱此耦合器為Tap型耦合型耦合器。器。 典型分光比典型分光比 : 99:1 或或 1% tap耦合器。耦合器。 從主干線傳輸光信號功率中分出一小部分光功率從主干線傳輸光信

6、號功率中分出一小部分光功率供監(jiān)控等應用。供監(jiān)控等應用。 HUST 20121/1/2022.3、波分復用光纖耦合器12341234復用器解復用器主要應用于： 波分復用光纖通信系統(tǒng)；光纖放大器中。屬于非對稱形式耦合器，選擇光纖參數不同，耦合分光比不僅與耦合長度有關，而且與信號波長有關。 HUST 20121/1/2022.傳播常數差為： 120122121nnK將其在處展開，0 01200ddnddn 012ddnddn00/耦合分光比：220202202022sinLKLLKLKL不同波長、相同光纖間的耦合：0 zKzR)(cos22 zKzS)(sin22 HUST 20121/1/2022

7、.使1，波長1應滿足：222220011241KLmL使0， 波長2應滿足：222220011241KLmL其中m=1,2,3.耦合效率對波長具有選擇特性，構成波分復用耦合器。 HUST 20121/1/2022.光纖復用耦合器 HUST 20121/1/2022.光纖解復用耦合器( )Kz2cos ( ) )Kz211 1 HUST 20121/1/2022.波長可選擇的耦合器和分波器：對EDFA注入光功率（泵浦光信號光）對簡單的 WDM系統(tǒng)作波長分離對DWDM系統(tǒng)增加管理信道 HUST 20121/1/2022.4、耦合器的性能參數及制備工藝1. 性能參數 耦合比：輸入信道 i 耦合到輸出

8、信道 j 的功率之比。ijTijijPPT 附加損耗：輸出信道功率之和與輸入信號功率之比。(dB)lg10jijPP HUST 20121/1/2022.信道插入損耗：輸入信道i到指定輸出信道j的損耗。ij ijijijTPPlg10lg10隔離度：透射式同側端口之間，非指定信道輸出功率Pk與輸入功率Pi之比。ikikPPlg10 HUST 20121/1/2022.除此之外：對等比耦合器、應考察耦合器的均勻性、反向散射（回波損耗）、工作波長（波長）、偏振敏感度。耦合器制備方法：浸蝕法：腐蝕液、匹配液、膠合；磨削法：磨、匹配液、對拼、精確對位、膠合；熔錐法：按所要求的端數、一定的耦合矩陣將光纖

9、膠合在一起，加熱拉伸成 雙錐形，控制過程中監(jiān)控光功率。 HUST 20121/1/2022.內容小節(jié)光纖耦合器及特點：定向、全光纖、模式耦合相同波長的光信號功率分配不同波長的光信號波長路由相同波長、相同光纖、相同光功率耦合3dB損耗不同波長的光信號完全耦合波長間隔越大，完全耦合的作用長度越小；波長間隔越小，完全耦合的作用長度越大； HUST 20121/1/2022. HUST 20121/1/2022.三、光隔離器1、簡介定義：光隔離器只允許光波沿著一個方向傳輸，而光的另一個方向的傳輸是禁止的。一種光非互易傳輸耦合器。光信號沿著指定正方向傳輸時損耗低，光路被接通；光信號沿著反方向傳輸時損耗大

10、，光路被阻斷。2、應用半導體激光器防止反饋，降低誤碼率；半導體光放大器，防止回波，提高穩(wěn)定性；摻雜光纖放大器（如：EDFA）；光纖激光器中，確保環(huán)形激光器的單向激射。 HUST 20121/1/2022.3、原理：法拉第磁光效應 光波通過置于磁場中的法拉第旋光片時，光波的偏振方向總是沿與磁場（H）方向構成右手螺旋方向旋轉，而與光波的傳播方向無關。 正、反方向兩次通過法拉第旋光片時，偏振方向旋轉角度將迭加而不抵消?；静牧希ù殴饨橘|） :釔鐵石榴石(YIG: Yttrium-Iron-Garnet)康寧（康寧（Corning）8363號玻璃等號玻璃等 HUST 20121/1/2022.4、結構

11、（1）偏振有關的光隔離器：由一對偏振方向成 的偏振片和 偏振旋光片構成。o45o45正向：偏振方向旋轉 ，與檢偏器相平行光路通；反向：偏振方向也旋， 但與檢偏器垂直光路斷；o45o45 HUST 20121/1/2022.缺點：光隔離器是偏振相關的對任意偏振態(tài)注入的光，將損失50的光功率如果光信號是特定的偏振態(tài)，有可能損失全部的光功率若光的偏振態(tài)是隨著時間變化的，這種變化將體現在對光的衰減上，因而將產生很大的噪聲H HUST 20121/1/2022.(2) 偏振無關的光隔離器：由一對偏振分光鏡、法拉第旋光片， 互易旋光片組成：o45YIG與波片的前后位置有關， 玻片（互易）YIG磁環(huán)inou

12、t偏振分光鏡（a）正向 玻片（互易）YIG磁環(huán)in偏振分光鏡（b）反向out正向： 法拉第旋光片與互易 旋光片對兩偏振方向的角度互相抵消，輸入光的偏振方向一致。o45反向： 法拉第旋光片與互易旋光片對兩偏振方向的角度相迭加，輸入光與輸出光的偏振方向相垂直。o45 HUST 20121/1/2022.關鍵：YIG總是向右旋轉，而與光的行進方向無關，而互易波片是與傳播方向有關的。光 隔 離 器性能參數：插入損耗： 10lg (Pout/Pin ), (正向輸入)隔離比： I = 10lg(Pout/Pin), (反向輸入）回波損耗： Ib = 10lg(Pback/Pin) 通帶帶寬： D偏振靈敏

13、度： S = -10lg1-|(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin)| HUST 20121/1/2022.四、光環(huán)形器 1、 定義：光由環(huán)行器的一個端口（如端口 1）輸入，沿著環(huán)形器傳輸，將從端口2輸出；由端口2輸入，則由端口3輸出。光總是按規(guī)定的路徑傳輸。2、應用 HUST 20121/1/2022.3、基本結構：Polarising Beam Splitter Cube ，Birefringent “Walk-off” Block(YVO4)，Faraday Rotator and Phase Plate由端口1輸入的光，被第一雙折射鏡(block A)分成偏振方向互相正交的兩束光。這兩束光的偏振方向均發(fā)生90的旋轉。在第二雙折射鏡(block A)處，兩光束再次折射并合成。 HUST 20121/1/2022.n由2端口向1端口傳輸的光，首先由block B進行分光，兩束互相正交的偏振光經45法拉第旋光片與互易旋光片后，兩束光的偏振態(tài)維持不變，由block B輸出后，兩光束通過反射棱鏡和偏