光纖無(wú)源及有源器件綜述

1、第五章 光纖無(wú)源及有源器件5.1 光纖無(wú)源器件5.2 光纖有源器件5.3 習(xí)題5.1 光纖無(wú)源器件光無(wú)源器件：能量消耗型器件，對(duì)信號(hào)或能量進(jìn)行連接、合成、轉(zhuǎn)換及有目的衰減。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。 光連接器光耦合器光開(kāi)關(guān)光衰減器光隔離器光濾波器（波分復(fù)用/解復(fù)用器）自聚焦光纖5.1.1 各種無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)鏈路上的位置和作用5.1.2 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，或光纖線路與其他之間的連接。連接損耗光纖類型不匹配光纖幾何特性與波導(dǎo)

2、特性差異兩光纖連接相對(duì)錯(cuò)位從芯徑為62.5um耦合到50um，損耗2dB多模光纖到單模光纖，損耗17dB橫向偏移軸向分離軸向傾斜錯(cuò)位端面不平整結(jié)構(gòu)類型ST型BC型PC型FC型SC型對(duì)接耦合式透鏡耦合式準(zhǔn)直聚焦透鏡自聚焦棒透鏡直插型雙錐型物理接觸型面接觸型直聯(lián)型5.1.2 連接器和接頭 表5.1 光纖連接器一般性能 1 . 04050PC型陶瓷-40+80陶瓷-20+70不銹鋼工作溫度/C不銹鋼壽命（插拔次數(shù)）3540FC型反射損耗/dB互換性/dB重復(fù)性/dB0.20.3插入損耗/dB性能型號(hào)或材料項(xiàng)目3101 . 04105.1.2 連接器和接頭圖 5.1 精密套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖 光纖套管插

3、針粘結(jié)劑 連接器的分類： 單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器。5.1.2 連接器和接頭5.1.2 連接器和接頭5.1.2 連接器和接頭固定接頭用的光纖熔接機(jī)固定接頭用的光纖熔接機(jī)5.1.2 連接器和接頭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。光耦合器按用途分定向耦合器（分路器和合路器）非定向耦合器波長(zhǎng)選擇耦合器（波分復(fù)用/解復(fù)用器）按器件、材料、制造、結(jié)構(gòu)分分立元件型（體光學(xué)器件型）微光學(xué)器件型平面波導(dǎo)型全光纖型多模光纖耦合器單模光纖耦合器保偏光纖耦合器5.1.3 光耦合器（分類）圖 5.2 常用耦合器的類型 T形(a)星 形(b)定向(c)231

4、4l1l2lNl1l2lN(d)波分5.1.3 光耦合器（按用途分） 圖 5.3 光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器 輸 入 光光 強(qiáng) 度光 纖 a光 纖 b 輸 出 光2341(a)(b)123456789101112(c)5.1.3 光耦合器（按用途分）直通臂耦合臂l1 l2P 0 P1 P2圖5.4 熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性 公共臂5.1.3 光耦合器（按用途分） 光纖型 把兩根或多根光纖排列，用制作各種器件。 圖5.3(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。 如圖5.4，光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤?/p>

5、率為Pa，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)得到 Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL) 式中，L為，C為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的。 設(shè)特定波長(zhǎng)為1和2，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(1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(1)=0； 當(dāng)Pa(2)=0時(shí)，Pb(2)最大。 對(duì)于1和2分別為1.3m和1.55m的，可以做到為0.5 dB，大于20 dB。5.1.3 光耦合器（按結(jié)構(gòu)分） 圖5.5 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)用器光 纖自 聚 焦 透 鏡自 聚 焦 透 鏡光 纖濾 光 片l1、

6、l2l1l2l1l2l3l1l2l3光 纖自 聚 焦 透 鏡硅 光 柵光 纖自 聚 焦 透 鏡分 光 片1342(b)(a)(c)(d)微器件型 用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)或光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件構(gòu)成，如圖5.5所示。 5.1.3 光耦合器（按結(jié)構(gòu)分）衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光 纖透 鏡光 柵l1l2l3l1l2l3l1+ l2+ l3l1+ l2+ l35.1.3 光耦合器（按結(jié)構(gòu)分）采用棒透鏡的光柵型WDM光 纖棒 透 鏡光 柵 l1 l2 l3 l3 l1 l2 l35.1.3 光耦合器（按

7、結(jié)構(gòu)分） 圖5.6 波導(dǎo)型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解復(fù)用器；光 波 導(dǎo)開(kāi) 角(a)(b )(c)多 模 波 導(dǎo)多 層 膜 濾 光 片單 模 波 導(dǎo)1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m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。5.1.3 光耦合器（按結(jié)構(gòu)分）說(shuō)明耦合器參數(shù)的模型如圖5.7所示， 主要參數(shù)定義如下。 耦合比CR 是一個(gè)指定和的比值，用%表示NnonocOtOCPPPPCR15.1.3 光耦合器（主要特性） 附加損耗Le 由散射、吸收和器

8、件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的和的比值，用分貝表示NnonNninotitePPpPL11lg10lg10圖5.7 光耦合器主要特性的說(shuō)明5.1.3 光耦合器（主要特性） 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 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。 ricppDIRlg10 插入損耗Lt 是一個(gè)指定和一個(gè)指定的比值，用分貝表示ocictppLlg10m-40+70-40+70工作溫度/C11.250.82.0穩(wěn)定性/dB4055方向性/dB044 78 88 111232 32 17193.

9、45.6/1.810.8/0.7插入損耗/dB分路比 0.5/0.5 0.3/0.7 0.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波長(zhǎng)/nn星型22型耦合器表5.2 耦合器的一般特性5.1.3 光耦合器（主要特性）2555（濾波）隔離度/dB230.51附加損耗/dB2030200波長(zhǎng)間隔/nm1.31和1.551.31和1.55工作波長(zhǎng)/6端2端波分復(fù)用器m表5.3 波分復(fù)用器的一般性能5.1.3 光耦合器（主要特性） 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。 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

10、是反方向傳輸。 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。5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器偏振器圖 5.8 隔離器的工作原理 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光SOP5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器隔離器工作原理如圖5.8所示。 這里假設(shè)入射光只是，第一個(gè)偏振器的透振方向也在垂直方向， 因此輸入光能夠通過(guò)第一個(gè)偏振器。 緊接第一個(gè)偏振器的是，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無(wú)關(guān)。 光偏振(極化) 單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP： State of Polarizatio

11、n) 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。 5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器對(duì)圖5.8的說(shuō)明： 法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器， 這個(gè)偏振器的透振方向在45方向上，因此經(jīng)過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45后的光能夠順利地通過(guò)第二個(gè)偏振器，也就是說(shuō)光信號(hào)從左到右通過(guò)這些器件(即正方向傳輸)是沒(méi)有損耗的(插入損耗除外)。 另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)， 反射光的偏振態(tài)也在45方向上，當(dāng)反射光通過(guò)時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45，此時(shí)就變成了。不能通過(guò)左面偏振器(第一個(gè)偏振器)，于是就達(dá)到隔離效果。 5.

12、1.4 光隔離器與光環(huán)行器對(duì)圖5.8的說(shuō)明：磁光效應(yīng)有些物質(zhì)本身不具有旋光效應(yīng)，但在磁場(chǎng)作用下卻可具有旋光性，這是人為的旋光現(xiàn)象是一種磁光效應(yīng)。法拉第磁光效應(yīng)：光沿平行于外加磁場(chǎng)方向傳播磁致雙折射效應(yīng)：光沿垂直于外加磁場(chǎng)方向傳播5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器法拉第磁光效應(yīng)：順磁鐵磁亞鐵磁性物質(zhì)VHLVerdet常數(shù)（費(fèi)爾德常數(shù)）旋轉(zhuǎn)方向只與磁場(chǎng)方向有關(guān)，與光的行進(jìn)方向無(wú)關(guān)，即為不可逆的光學(xué)過(guò)程加入磁場(chǎng)后，由于磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用，改變了物質(zhì)的光特性5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器然而在實(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，因此必須要求的工作與入射光的無(wú)關(guān)，于是的結(jié)構(gòu)就變

13、復(fù)雜了。 一種小型的與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖5.9所示。5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器圖 5.9 一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器 光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸入SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b)5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器 具有任意的入射光首先通過(guò)一個(gè)空間分離偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。 這個(gè)的作用是將入射光分解為兩個(gè)，讓垂直分量直線通過(guò)， 水平分量偏折通過(guò)。 這個(gè)半波片的作用是將從左向右傳播的光的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45，將從右向左傳播的光的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45。 因而與半波片的組合可以使變?yōu)?，反之亦然?

14、最后兩個(gè)分量的光在輸出端由另一個(gè)合在一起輸出， 如圖5.9(a)所示。 兩個(gè)分量都要通過(guò)， 其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片 ( plate或halfwave plate)。 2l5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器對(duì)圖5.9的說(shuō)明： 另一方面， 如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過(guò)這兩個(gè)器件時(shí)， 其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，維持不變，在輸入端不能被再組合在一起，如圖5.9(b)所示，于是就起到隔離作用。 對(duì)圖5.9的說(shuō)明：5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器 圖 5.10 光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324 環(huán)行

15、器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。 如圖5.10所示，典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。 在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)由端口1輸出。 光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器光環(huán)形器原理結(jié)構(gòu)示意圖5.1.4 光隔離器與光環(huán)行器用于光纖通信系統(tǒng)的特性測(cè)試和其他測(cè)試中，是對(duì)光功率有一定衰減量的器件。根據(jù)衰減量是否變化，可分為固定衰減器和可變衰減器基本原理基本原理：在玻璃基片上蒸鍍透射系數(shù)（或反射系數(shù)）變化很小的金屬膜，使通過(guò)鍍膜玻璃片的光功率被膜層材料吸收一部分，光強(qiáng)度受到衰減。金屬膜可以是鎳鉻

16、等化合物材料，光的衰減量由膜的厚度進(jìn)行控制。5.1.5 光衰減器固定衰減器可變衰減器5.1.5 光衰減器的功能是轉(zhuǎn)換光路， 實(shí)現(xiàn)光交換， 它是的重要器件。 光開(kāi)關(guān)可分為兩大類： 機(jī)械光開(kāi)關(guān) 固體光開(kāi)關(guān)m304010開(kāi)光時(shí)間/20302560串?dāng)_/dB571.31.70.71.3插入損耗/dB88電光12磁光1010機(jī)械開(kāi)關(guān)類型表5.4 兩類光開(kāi)關(guān)一般性能5.1.6 光開(kāi)關(guān)5.1.6 光開(kāi)關(guān)5.1.5 光開(kāi)關(guān)5.1.6 光開(kāi)關(guān)5.1.5 光開(kāi)關(guān)5.1.7 光纖光柵光纖光柵：發(fā)展最為迅速的光無(wú)源器件之一，1978年制成世界上第一只光纖光柵。 光纖光柵的分類光纖布拉格光柵閃耀光纖光柵啁啾光纖光柵高斯

17、變跡光纖光柵相移光纖光柵超結(jié)構(gòu)光纖光柵5.1.7 光纖光柵5.2 光纖有源器件摻鉺光纖放大器摻鉺光纖激光器不適用波分復(fù)用的通信系統(tǒng)5.2.1 光放大器概述光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受限于損耗和色散。1.31um 0.35dB/km1.55um 0.25dB/km摻鉺光纖放大器EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifier：光纖通信史的一次革命EDFA最重要的應(yīng)用就是促使波分復(fù)用技術(shù)（wavelength Division Multiplexing, WDM）走向?qū)嵱没?。光波分?fù)用技術(shù)：光波分復(fù)用技術(shù)（WDM：Wavelength Division Multiplexing）是指

18、為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來(lái)的巨大帶寬資源，在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一種技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)（復(fù)用），并耦合進(jìn)同一根光纖傳輸，在終端分開(kāi)（解復(fù)用），并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。目前322.5Gbits的WDM已應(yīng)用。1610Gbits也實(shí)驗(yàn)成功，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了13220Gbits。5.2.1 光放大器概述由于初期商用的EDFA帶寬平坦范圍在1540-1560nm，故早期使用的DWDM系統(tǒng)的復(fù)用光波長(zhǎng)多在1550nm附近。后來(lái)實(shí)際EDFA的增益譜寬為35nm，約4.2THz，其中增益起伏小于1dB的譜寬在1539-1565nm之間

19、，若以1.6nm（對(duì)應(yīng)200GHz）的波長(zhǎng)間隔，則最少可實(shí)現(xiàn)8波長(zhǎng)，乃至16波長(zhǎng)的同步放大；若以0.8nm（對(duì)應(yīng)100GHz）的波長(zhǎng)間隔，則最少可實(shí)現(xiàn)16個(gè)波長(zhǎng)，乃至32個(gè)波長(zhǎng)的DWDM系統(tǒng)，再加上EDFA約40dB的高增益，大于100mW的高輸出功率，以及4-5dB的低噪聲值等優(yōu)越性能，故極大地促進(jìn)了DWDM系統(tǒng)的快速發(fā)展。5.2.1 光放大器概述EDFA的發(fā)明者：英國(guó)南安普頓大學(xué)光電子研究中心（Optoelectronics Research Centre, the University of Southampton) 主任David N. Payne教授。該中心是世界上最大最成功的光子學(xué)

20、研究機(jī)構(gòu)之一。2014年5月在武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的講座：從激光器的發(fā)明，到光纖的提出，再到為了實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)光纖通信EDFA的發(fā)明，才完成了今天光纖可環(huán)繞2300個(gè)地球的鋪設(shè)量。但是隨著人們對(duì)視頻等信息需求急速增加，網(wǎng)絡(luò)流量在爆炸式的增加使我們用完了可用的通信容量，我們通過(guò)新的技術(shù)來(lái)擴(kuò)大互聯(lián)網(wǎng)等方法來(lái)增加通信容量。Payne教授重點(diǎn)介紹了光纖束(Fiber Bundle)和光子帶隙光纖(Photonic Band Gap Fiber)。通過(guò)分析光纖中損耗產(chǎn)生的機(jī)理，介紹了一種新的空氣芯的HC-PBGF(Hollow-core Photonic Band Gap Fiber)，并把通信波長(zhǎng)移到中

21、紅外波長(zhǎng)區(qū)，分析了這種特種光纖在傳輸鏈路中的各項(xiàng)性能指標(biāo)。隨后介紹了一種高功率的新型光纖激光器，利用激光器泵浦激光器的方法實(shí)現(xiàn)一種新穎的增大通信容量的方法。5.2.1 光放大器概述 5.2.2 光放大器分類（1）摻雜光纖放大器：稀土金屬離子作為激光放大工作物質(zhì)；（2）傳輸光纖放大器：受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS) 受激布里淵散射（Stimulated Brilliouin Scattering, SBS） 四波混頻效應(yīng)（FWM)（3）半導(dǎo)體激光放大器光放大器與激光器的唯一區(qū)別在于光放大器沒(méi)有正反饋機(jī)制5.2.3 光放大器的工作原理?yè)较⊥岭x子光纖放大器5.2.4摻鉺光纖放大器摻鉺Er3+光纖在玻璃介質(zhì)中摻雜一定量的三價(jià)鉺離子。Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)圖及躍遷情況無(wú)激發(fā)態(tài)吸收5.2.4摻鉺光纖放大器Er3+的吸收帶5.2.4摻鉺光纖放大器5.2.5 光放大器的指標(biāo)（1）增益G和增益系數(shù)ginoutPPGlg10增益系數(shù)g(z)與高能級(jí)和低能級(jí)的粒子數(shù)數(shù)目差及泵浦功率有關(guān)，對(duì)增益系數(shù)g(z)在整個(gè)摻鉺光纖長(zhǎng)度上