光無源器件課件

光無源器件

無源光器件的要求：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、體積小、價格便宜、便于集成等。

3.3.1連接器和接頭

連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。

表3.5光纖連接器一般性能40~50PC型陶瓷-40~+80陶瓷-20~+70不銹鋼工作溫度/oC不銹鋼壽命（插拔次數(shù)）35~40FC型反射損耗/dB互換性/dB重復性/dB0.2~0.3插入損耗/dB性能型號或材料項目圖3.27精密套管結構連接器簡圖

連接器的分類：

單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器。

3.3.2光耦合器

耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。

1.耦合器類型

T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分復用器/解復用器圖3.28常用耦合器的類型

T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分2.基本結構的分類

光纖型微器件型波導型

光纖型

把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術制作各種器件。圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。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)(3.28b)

式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù)。

設特定波長為λ1和λ2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長度，使得當光纖a的輸出Pa(λ1)最大時，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；

當Pa(λ2)=0時，Pb(λ2)最大。對于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長隔離度大于20dB。

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2×2耦合器組成的8×8星形耦合器1，221直通臂耦合臂12P0

P1P2熔錐光纖型波分復用器結構和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復用器；(d)光柵式解復用器微器件型

用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學器件構成，如圖3.31所示。

衍射光柵型波分復用器結構示意圖光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透鏡的光柵型WDM光纖棒透鏡光柵1+2+31231+2+3123

圖3.32波導型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解復用器；波導型

在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。3.主要特性說明耦合器參數(shù)的模型如圖3.33所示，主要參數(shù)定義如下。耦合比CR

是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用%表示(3.29)由此可定義功率分路損耗Ls：

Ls=10lg

(3.30)

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

插入損耗Lt

是一個指定輸入端的光功率Pit和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示(3.31)(3.32)

方向性DIR(隔離度)

是一個輸入端的光功率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。(3.33)-40~+70-40~+70工作溫度/oC1~1.250.8~2.0穩(wěn)定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入損耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波長/n×n星型2×2型耦合器表3.6耦合器的一般特性2555（濾波）隔離度/dB2~30.5~1附加損耗/dB20~30200波長間隔/nm1.31和1.551.31和1.55工作波長/6端2端波分復用器表3.7波分復用器的一般性能

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方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。

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。隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個偏振器。緊接第一個偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，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關。光偏振(極化)

單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP：Stateof

Polarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。

偏振器圖3.34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SOP

法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個偏振器，這個偏振器的透振方向在45°方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能夠順利地通過第二個偏振器，也就是說光信號從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(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，當反射光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，此時就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個偏振器)，于是就達到隔離效果。然而在實際應用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無關，于是隔離器的結構就變復雜了。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無關的隔離器結構如圖3.35所示。圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關的隔離器光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b)

具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個空間分離偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。

這個SWP的作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。

這個半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時針旋轉(zhuǎn)45°。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。最后兩個分量的光在輸出端由另一個SWP合在一起輸出，如圖3.35(a)所示。

兩個分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器，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half

waveplate)。

另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當兩個分量的光通過這兩個器件時，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。如圖3.36所示，典型的環(huán)行器一般有三個或四個端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。

光環(huán)行器主要用于光分插復用器中。

圖3.36光環(huán)行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)1324

3.3.4光調(diào)制器

調(diào)制器可以用電光效應、磁光效應或聲光效應來實現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利用具有強電光效應的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。這種晶體的折射率n和外加電場E的關系為

n=n0+αE+βE2(3.34)

式中，n0為E=0時晶體的折射率。α和β是張量，稱為電光系數(shù)。根據(jù)不同取向，當β=0時，n隨E按比例變化，稱為線性電光效應或普克爾(Pockel)效應。

當α=0時，n隨E2按比例變化，稱為二次電光效應或克爾(Kerr)效應。調(diào)制器是利用線性電光效應實現(xiàn)的，因為折射率n隨外加電場E(電壓U)而變化，改變了入射光的相位和輸出光功率。

圖3.37是馬赫-曾