第二章 光無源器件

1、典型光纖激光器的結(jié)構(gòu)圖典型光纖激光器的結(jié)構(gòu)圖橫向橫向 (軸向軸向) 誤差誤差角度誤差角度誤差縱向誤差縱向誤差多模光纖中各種誤差帶來的損耗多模光纖中各種誤差帶來的損耗2;explog10WdLlatSM22;explog10WnLangSM對(duì)于高斯分布的光束，相同光纖間的橫向連接損耗為：對(duì)于高斯分布的光束，相同光纖間的橫向連接損耗為：對(duì)于角度對(duì)準(zhǔn)誤差引起的損耗與波長(zhǎng)有關(guān)：對(duì)于角度對(duì)準(zhǔn)誤差引起的損耗與波長(zhǎng)有關(guān)：?jiǎn)文９饫w的連接單模光纖的連接其中其中W為模場(chǎng)半徑，為模場(chǎng)半徑，G = s/kW2。對(duì)于縱向偏差為對(duì)于縱向偏差為s，間隙折射率為，間隙折射率為n3的連接損耗為：的連接損耗為： )4(64log

2、1024312321; GnnnnLgapSM;0.18SM latLdB;0.41SM angLdB一根單模光纖的歸一化頻率一根單模光纖的歸一化頻率V2.40，纖芯折射率，纖芯折射率n11.47，n21.465，纖芯尺寸，纖芯尺寸2a9 m，當(dāng)橫向偏移，當(dāng)橫向偏移d1 m時(shí)時(shí)相同光相同光纖間的橫向連接損耗為：纖間的橫向連接損耗為：當(dāng)波長(zhǎng)為當(dāng)波長(zhǎng)為1300nm時(shí)，角度對(duì)準(zhǔn)誤差為時(shí)，角度對(duì)準(zhǔn)誤差為1時(shí)時(shí)引起的損耗為：引起的損耗為：?jiǎn)文９饫w的連接單模光纖的連接當(dāng)縱向偏差當(dāng)縱向偏差s1 m 時(shí)的連接損耗為：時(shí)的連接損耗為：;0.329SM gapLdB藤倉(cāng)藤倉(cāng)50S單芯光纖熔接機(jī)單芯光纖熔接機(jī) 藤倉(cāng)

3、藤倉(cāng)40S單芯光纖熔接機(jī)單芯光纖熔接機(jī) 住友住友TYPE-37光纖熔接機(jī)光纖熔接機(jī) 光纖切割刀光纖切割刀光纖熔接機(jī)光纖熔接機(jī)套管結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu)多用于光纖終端盒或光纖多用于光纖終端盒或光纖配線架上，在實(shí)際工程中配線架上，在實(shí)際工程中用在光纖終端盒最常見。用在光纖終端盒最常見。優(yōu)點(diǎn)：牢靠、防灰塵，便于后期維護(hù)優(yōu)點(diǎn)：牢靠、防灰塵，便于后期維護(hù)缺點(diǎn)：初期安裝比其他類型麻煩缺點(diǎn)：初期安裝比其他類型麻煩多應(yīng)用在光纖收發(fā)器、千兆多應(yīng)用在光纖收發(fā)器、千兆位接口轉(zhuǎn)換器光纖模塊中。位接口轉(zhuǎn)換器光纖模塊中。優(yōu)點(diǎn)：便于安裝優(yōu)點(diǎn)：便于安裝缺點(diǎn)：易脫落缺點(diǎn)：易脫落多應(yīng)用在光纖終端盒或多應(yīng)用在光纖終端盒或光纖配線架上。光纖配

4、線架上。優(yōu)點(diǎn)：便于安裝。優(yōu)點(diǎn)：便于安裝。缺點(diǎn)：易于折斷。缺點(diǎn)：易于折斷。多應(yīng)用在多應(yīng)用在mini千兆位接千兆位接口轉(zhuǎn)換器光纖模塊中?？谵D(zhuǎn)換器光纖模塊中。優(yōu)點(diǎn)：便于安裝，體積小，尺寸精度高，插入損耗小，優(yōu)點(diǎn)：便于安裝，體積小，尺寸精度高，插入損耗小，回波損耗高?；夭〒p耗高。缺點(diǎn)：易于脫落。缺點(diǎn)：易于脫落。開口型套筒截面圖開口型套筒截面圖FC/PCFC/PC光纖連接器光纖連接器SC/PCSC/PC光纖適配器光纖適配器 ST/PCST/PC光纖適配器光纖適配器 SC-FSC-F轉(zhuǎn)接適配器轉(zhuǎn)接適配器 SCSC水平雙聯(lián)適配器水平雙聯(lián)適配器 耦合器應(yīng)用舉例耦合器應(yīng)用舉例本地分配器發(fā)射端波長(zhǎng)選擇耦合器128

5、128,. 輸入2 耦合器耦合器耦合器的端口形式耦合器的端口形式2 耦合器耦合器熔錐型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)熔錐型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)2 耦合器耦合器 11111122dA ziCAiC Adz 22222211dAziCAiC AdzA1、A2兩根光纖的模場(chǎng)振幅；兩根光纖的模場(chǎng)振幅； 1、 2兩根光纖孤立狀態(tài)的傳播常數(shù)；兩根光纖孤立狀態(tài)的傳播常數(shù)；Cij耦合系數(shù)耦合系數(shù)耦合器輸出端功率與耦合區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線耦合器輸出端功率與耦合區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線2 耦合器耦合器耦合器作波分復(fù)用器耦合器作波分復(fù)用器2 耦合器耦合器耦合器的制作過程耦合器的制作過程2 耦合器耦合器熔融拉錐系統(tǒng)熔融拉錐系統(tǒng)2 耦合器耦合器2

6、耦合器耦合器2 耦合器耦合器2 耦合器耦合器耦合器性能衡量指標(biāo)耦合器性能衡量指標(biāo)插入損耗插入損耗指定輸出端口的光功率相對(duì)指定輸出端口的光功率相對(duì)全部輸入光功率的減小值全部輸入光功率的減小值附加損耗附加損耗所有輸出端口的光功率總和所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率的減小值相對(duì)于全部輸入光功率的減小值回波損耗回波損耗信道返回功率與輸入功率之比信道返回功率與輸入功率之比隔離度隔離度耦合器的某一光路對(duì)其它光路耦合器的某一光路對(duì)其它光路中的光信號(hào)的隔離能力中的光信號(hào)的隔離能力2 耦合器耦合器非線性光纖環(huán)形鏡（非線性光纖環(huán)形鏡（NOLMNOLM）2 耦合器耦合器第二章第二章 光無源器件光無源器件

7、2- 耦合器耦合器XPM2LnL222NLn A L nn22n ASPMSPMNOLM用于光開關(guān)用于光開關(guān)第二章第二章 光無源器件光無源器件2- 耦合器耦合器XPM1211cosT NOLM的透射率曲線的透射率曲線第二章第二章 光無源器件光無源器件2- 耦合器耦合器NOLM的透射率曲線的透射率曲線第二章第二章 光無源器件光無源器件2- 耦合器耦合器用于脈沖壓縮用于脈沖壓縮第二章第二章 光無源器件光無源器件2- 耦合器耦合器色散非平衡色散非平衡光纖干涉儀光纖干涉儀第二章第二章 光無源器件光無源器件2- 耦合器耦合器Sagnac 光纖干涉儀原理圖光纖干涉儀原理圖2 耦合器耦合器全光纖陀螺儀示意圖

8、全光纖陀螺儀示意圖2 耦合器耦合器2- 耦合器耦合器第二章第二章 光無源器件光無源器件0.000015/h3 偏振控制器偏振控制器基于固定延遲波片的偏振控制器基于固定延遲波片的偏振控制器準(zhǔn)直、鍍膜、插損、機(jī)械調(diào)諧準(zhǔn)直、鍍膜、插損、機(jī)械調(diào)諧引發(fā)局限引發(fā)局限3 偏振控制器偏振控制器基于鈮酸鋰的偏振控制器基于鈮酸鋰的偏振控制器高插損、偏振相關(guān)損耗、啟動(dòng)損耗、價(jià)格高插損、偏振相關(guān)損耗、啟動(dòng)損耗、價(jià)格限制應(yīng)用限制應(yīng)用3 偏振控制器偏振控制器全光纖結(jié)構(gòu)的偏振控制器全光纖結(jié)構(gòu)的偏振控制器低成本、低插損低成本、低插損3 偏振控制器偏振控制器全光纖結(jié)構(gòu)偏振控制器全光纖結(jié)構(gòu)偏振控制器3 偏振控制器偏振控制器擠壓旋

9、轉(zhuǎn)式全光纖偏振控制器擠壓旋轉(zhuǎn)式全光纖偏振控制器3 偏振控制器偏振控制器Agilent 8169A 光波偏振控制儀光波偏振控制儀IsolatorLD5 光隔離器光隔離器5 光隔離器光隔離器光隔離器的組成光隔離器的組成起起偏偏器器法法拉拉第第旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器器檢檢偏偏器器準(zhǔn)準(zhǔn)直直器器準(zhǔn)準(zhǔn)直直器器光隔離器光隔離器5 光隔離器光隔離器法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理B磁環(huán)磁環(huán)磁光材料磁光材料光傳輸方向光傳輸方向5 光隔離器光隔離器法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理B磁環(huán)磁環(huán)磁光材料磁光材料光傳輸方向光傳輸方向5 光隔離器光隔離器法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理線柵起偏器的典型結(jié)構(gòu)線柵起偏器的典型結(jié)

10、構(gòu)5 光隔離器光隔離器楔形雙折射晶體偏振分束器楔形雙折射晶體偏振分束器空間分離偏振器（空間分離偏振器（SWP）的典型結(jié)構(gòu)）的典型結(jié)構(gòu)5 光隔離器光隔離器PolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForward transmissionBackward transmission偏振相關(guān)隔離器原理偏振相關(guān)隔離器原理5 光隔離器光隔離器5 光隔離器光隔離器偏振無關(guān)隔離器偏振無關(guān)隔離器雙級(jí)光隔離器雙級(jí)光隔離器偏振無關(guān)隔離器偏振無關(guān)隔離器CollimatorCollimatorCore5 光隔離器光隔離器帶尾纖的偏振無關(guān)隔

11、離器結(jié)構(gòu)帶尾纖的偏振無關(guān)隔離器結(jié)構(gòu)5 光隔離器光隔離器帶尾纖的偏振無關(guān)隔離器結(jié)構(gòu)帶尾纖的偏振無關(guān)隔離器結(jié)構(gòu)Solder ring磁光材料磁光材料鍍金環(huán)鍍金環(huán)法拉第旋轉(zhuǎn)器的封裝法拉第旋轉(zhuǎn)器的封裝5 光隔離器光隔離器隔離器核心部分的封裝隔離器核心部分的封裝環(huán)氧膠環(huán)氧膠紫外紫外起偏器和檢偏器的封裝起偏器和檢偏器的封裝5 光隔離器光隔離器環(huán)氧膠環(huán)氧膠隔離器核心部分的封裝隔離器核心部分的封裝EpoxyMagnet ring核心部分的最后封裝核心部分的最后封裝5 光隔離器光隔離器隔離器核心部分的封裝隔離器核心部分的封裝4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡0.29周期透鏡：光斑尺寸壓縮周期透鏡：光斑尺寸壓縮4 自聚焦透

12、鏡自聚焦透鏡4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡1/4周期透鏡：光線準(zhǔn)直周期透鏡：光線準(zhǔn)直 在準(zhǔn)直器中一般采用在準(zhǔn)直器中一般采用1/4個(gè)周期長(zhǎng)的自聚焦透鏡，個(gè)周期長(zhǎng)的自聚焦透鏡，實(shí)現(xiàn)光束放大和準(zhǔn)直。實(shí)現(xiàn)光束放大和準(zhǔn)直。 自聚焦透鏡中的光束周期性地聚焦自聚焦透鏡中的光束周期性地聚焦4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡自聚焦透鏡作準(zhǔn)直器自聚焦透鏡作準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器Collimated beamFiber endReal image of the fiber endGrin Lenses(1/4 pitch)4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡準(zhǔn)直器尾纖的組裝準(zhǔn)直器尾纖的組裝4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡Cut off pointAngl

13、e polishingAR Coating4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡準(zhǔn)直器尾纖的組裝準(zhǔn)直器尾纖的組裝UV AdhesiveEpoxy4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡準(zhǔn)直器的組裝準(zhǔn)直器的組裝Align facesMark4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡準(zhǔn)直器的組裝準(zhǔn)直器的組裝P/MUV AdhesivePositioner #2 (Reference)Positioner #1 (to be assembled)準(zhǔn)直器的組裝準(zhǔn)直器的組裝4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡 Tube (lens holder)準(zhǔn)直器的組裝準(zhǔn)直器的組裝4 自聚焦透鏡自聚焦透鏡FibX CorporationS/N: 0000 00015 光隔離

14、器光隔離器帶尾纖的偏振無關(guān)隔離器結(jié)構(gòu)帶尾纖的偏振無關(guān)隔離器結(jié)構(gòu)5 光隔離器光隔離器偏振無關(guān)隔離器的實(shí)物圖偏振無關(guān)隔離器的實(shí)物圖 Only allows transmission in one direction through it. Main application: To protect lasers and optical amplifiers from returning reflected light, which can cause instabilities. Insertion loss: Low loss (0.2 to 2 dB) in forward direction

15、High loss in reverse direction:20 to 40 dB single stage, 40 to 80 dB dual stage) Return loss: More than 60 dB without connectors5 光隔離器光隔離器光隔離器的應(yīng)用領(lǐng)域光隔離器的應(yīng)用領(lǐng)域用在激光器與光纖之間用在激光器與光纖之間 當(dāng)光纖與激光器耦合時(shí)當(dāng)光纖與激光器耦合時(shí),其端面或接頭處的反射將影響激光其端面或接頭處的反射將影響激光器的穩(wěn)定性。器的穩(wěn)定性。為了消除反射波對(duì)激光器的影響為了消除反射波對(duì)激光器的影響,需要在激光器需要在激光器與光纖之間加光隔離器。與光纖之間加光隔

16、離器。作為光纖放大器的組成部件作為光纖放大器的組成部件 光隔離器是光纖放大器的重要組成部件光隔離器是光纖放大器的重要組成部件,光隔離器光隔離器可以防止可以防止輸出光返回到光纖放大器中產(chǎn)生不良的干擾。輸出光返回到光纖放大器中產(chǎn)生不良的干擾。用在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中用在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中 在光譜分析實(shí)驗(yàn)中在光譜分析實(shí)驗(yàn)中,如果如果材料的發(fā)光能力不僅很弱材料的發(fā)光能力不僅很弱,而且它們而且它們的發(fā)光狀況容易受外來光的影響的發(fā)光狀況容易受外來光的影響,這就要求我們?cè)谘芯克鼈兊倪@就要求我們?cè)谘芯克鼈兊陌l(fā)光機(jī)制時(shí)更要發(fā)光機(jī)制時(shí)更要排除外界物質(zhì)的反射光對(duì)它們的影響排除外界物質(zhì)的反射光對(duì)它們的影響,為了消為了消

17、除這些外界的干擾除這些外界的干擾,我們常在發(fā)光材料和測(cè)量?jī)x器之間加一光我們常在發(fā)光材料和測(cè)量?jī)x器之間加一光隔離器。隔離器。5 光隔離器光隔離器隔離器用于半導(dǎo)體激光器中隔離器用于半導(dǎo)體激光器中6 光濾波器光濾波器/復(fù)用器復(fù)用器Wavelengthfilter4321,1432,濾波器的典型應(yīng)用濾波器的典型應(yīng)用選擇波長(zhǎng)選擇波長(zhǎng)激光波長(zhǎng)的調(diào)諧激光波長(zhǎng)的調(diào)諧復(fù)用和解復(fù)用復(fù)用和解復(fù)用增益譜平坦增益譜平坦Filter TypesDiffraction gratingsFiber gratingsFabry-Perot interferometerThin-Film filterMach-Zehnder t

18、ypeArrayed waveguide gratingAcousto-optic tunable filteri1d2d2112GratingplaneImagingplaneTransmissiongrating6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵i1d2d2112GratingplaneImagingplaneReflectiongrating6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵 resonant wavelengths are reflected back toward the source non-resonant wavelengths are

19、transmitted through the device without loss. The centre wavelength is given by:effn2 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with higher refractive index than that of cores6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵光柵周期光柵周期光柵長(zhǎng)度光柵長(zhǎng)度折射率調(diào)制深度折射率調(diào)制深度折射率分布曲線折射率分

20、布曲線中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)帶寬帶寬反射峰值反射峰值 1 cm FBG ，折射率變化量相對(duì)較低，反射峰值高，折射率變化量相對(duì)較低，反射峰值高 其它條件相同，折射率變化量增加，反射帶寬增加其它條件相同，折射率變化量增加，反射帶寬增加(c) 切趾后的結(jié)果，旁瓣減少，反射峰值降低。切趾后的結(jié)果，旁瓣減少，反射峰值降低。6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵Fiber DFB Bragg GratingFP based on FBGFBG用于波長(zhǎng)選擇用于波長(zhǎng)選擇Add - Drop Multiplexers Circulator with FBGAdd iDrop i 1, 2, 3, . i 1, 2, 3

21、, . iFBGC1C2 Dielectric thin-film filter designFilter reflects iAdd / DropCommonPassbandwavelengthFor a given grating period a particular wavelength (frequency) of light is reflected. In this case yellow light will be reflectedIf the grating spacing is changed (e.g. reduced due to compression of the

22、 fibre or a drop in temperature the wavelength of the reflected light changes. In this case it becomes higher and reflects blue lightIn practice the colour shifts will be much finer than those illustatedOptical fibreGrating pattern etched into body of fibreDetectorFiber Bragg Gratings (FBG)6 光濾波器光濾波

23、器光纖光柵光纖光柵Fiber Brag Gratings (FBG) Increasing intervals: “chirped” FBG compensation for chromatic dispersion Regular interval pattern: reflective at one wavelength Notch filter, add / drop multiplexerOptical FibreBragg Gratings z z 1 2 3 NDispersion Compensation using Chirped FBG FBG is linearly chi

24、rped, I.e. the period of the grating varies linearly with position. This makes the grating to reflect different wavelengths at different points along its length. Therefore, introducing different delay. In a standard fibre. Chromatic dispersion introduces larger delay for lower frequency (high wavele

25、ngth) components of a pulse.Fast Slow InputOutput132FBG Chirped FBG introduces larger delay for the higher frequency components, thus compensating for the dispersion effect (I.e. compressing the pulse)光纖光柵寫入光纖光柵寫入全息相干法全息相干法6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵光纖光柵寫入光纖光柵寫入相位掩模版相位掩模版6 光濾波器光濾波器光纖光柵光纖光柵光

26、纖光柵寫入光纖光柵寫入逐點(diǎn)寫入逐點(diǎn)寫入FBG商品商品F FP P腔結(jié)構(gòu)、原理腔結(jié)構(gòu)、原理6 光濾波器光濾波器F-P6 光濾波器光濾波器F-P6 光濾波器光濾波器F-P手動(dòng)可調(diào)諧手動(dòng)可調(diào)諧FP濾波器實(shí)物圖濾波器實(shí)物圖FP干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6 光濾波器光濾波器F-PFilters - Thin-film CavitiesAlternating dielectric thin-film layers with different refractive indexMultiple reflections cause constructive & destructive interferenceVariety of filter shapes and bandwidths (0.1 to 10 nm) Insertion loss 0.2 - 2 dB, stopband rejection 30 - 50 dB1535 nm1555 nm0 dB30 dBLayer