1、第五章 光无源器件,2,光纤系统(传感和通信系统)中如何连接、分路、分光强、滤波、分波长、开关断等功能介绍实现以上功能的无源器件,本章内容,无源器件：不需电支持有源器件：需要电支持，如光源、光电探测器等,3,主要的光纤无源器件,光纤连接器 光纤耦合器 光隔离器 光环行器 光纤光栅 光学滤波器 光开关 光波分复用器件 本章小结,4,1、光纤连接器,作用：光纤连接，光纤器件之间的互联 光纤连接器的基本构成,5,连接器插头,插头组成与插针材料 插头按其端面的形状可分为PC型、SPC型、APC型3类 光纤跳线,6,转换器,转换器俗称法兰盘，有FC型、SC型、ST型等多种类型。 不同类型之间的转换。,7
2、,光纤连接器的性能,插入损耗反射损耗重复性：对某一特定的连接器多次插拔，插入损耗的统计平均值互换性：换插头或转换器后插入损耗的波动范围,8,光纤耦合器,9,分类： 功能上划分： 功率分配 / 波长分配 端口上划分：X型（22）/ Y型（12）/ 星型（NN） / 树型（1N） 工作带宽划分：单工作窗口窄带 / 单工作窗口宽带 / 双工作窗口宽带 传导模式划分：单模 / 多模,一.现状与应用领域,光纤耦合器是一种使光纤中传输的光信号在特定的耦合区发生耦合，在两根或多根光纤之间进行功率或波长分配的无源器件。,应用领域： 光纤通信系统、光纤激光器、光纤传感器、光纤测量技术与系统等,10,二、熔融拉锥
3、型光纤耦合器工作原理,原理（X型光纤耦合器结构示意图）,半径,n1 纤芯,包层,2a,Evanescent,n2,弱导、无吸收条件下的耦合方程：,In1,In2,Out1,Out2,单模光纤耦合器的倏逝场示意图：,折射率,11,12,三、融锥型光纤耦合器的制造,13,四、光纤耦合器的主要技术参数,插入损耗(Insertion Loss)附加损耗(Excess Loss)分光比(Coupling Ratio),0.05dB,14,方向性(Directivity)均匀性(Uniformity)(均分耦合器)偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)(旋转360度)隔离度
4、(Isolation)(波长分配型),60dB,15,思考：,影响X型光纤耦合器分光比的主要因素是什么？光纤耦合器是如何实现波长分配的？,16,补充：偏振和偏振片,偏振具有方向性，按偏振方向平行或垂直于入射面分成p光和s光。偏振片：特定振动方向的光可透过,17,补充：双折射和双折射晶体,双折射：一束入射到介质中的光经折射后变为两束光 ，两束光均为线偏振光。如果采用自然光入射，两者光强相等。 光轴：沿此方向没有双折射 双折射晶体：光沿非光轴方向入射时，o光和e光分离,18,3、光隔离器,光隔离器又称光单向器，是一种光非互易传输的光无源器件，其基本功能是实现光信号的正向传输，同时抑制反向光，即具有
5、不可逆性。 光隔离器的重要性: 通信系统中的SLD 光盘系统中的LD 分类：块状/光纤/波导原理：偏振效应、法拉第效应（不可逆性）,19,两种偏振相关光隔离器,偏振片/4波片(自由空间)法拉第效应,Incident beam,偏振分光棱镜(薄膜) 波片(双折射),偏振分光棱镜/偏振片 法拉第旋光器,20,偏振无关光隔离器,Wedge型光隔离器,聚焦纤维透镜(GRIN),正向光路,反向光路,e,o,o,e,P1,P2,FR,e,o,o,e,P1,P2,FR,21,级联Wedge型光隔离器,单级结构的缺点：平行位移、偏振模色散、隔离度低. 级联光隔离器能克服以上缺点,22,光隔离器的性能指标,插入
6、损耗反向隔离度回波损耗,23,光纤隔离器（偏振相关、偏振无关）,24,光隔离器的应用,激光器、半导体激光器、激光二极管(光盘读写系统),光纤激光器、光纤放大器,25,4、光环行器,光学环行器是一种多端口输入输出的非互易性器件。三端口/四端口结构 原理：单向传输，与光隔离器工作原理基本相同 作用：按规定的端口顺序传输,光学环行器原理图,入射光,26,光环行器参数,波长相关损耗,偏振相关损耗,偏振模色散,插入损耗,隔离度,方向性1-3,回波损耗,27,环行器应用1,功能：上/下路复用 结构：光环行器与布拉格光栅组合使用,A,R2,R1,B,C,F,E,D,28,环行器应用2,功能：解调、提取信号
7、结构：光环行器与光纤传感器组合使用，与22耦合器用途类似,29 October 2007 / Vol. 15, No. 22 / OPTICS EXPRESS 14936,29,功能：增益加倍(本质上是增加吸收/增益程,如激光器/气体传感) 结构：光环行器与光纤放大器组合使用,环行器应用3,反射镜,30,环行器应用4,功能：双向同步传输 结构：两个光环行器与光源、探测器组成两套传输系统，同时工作,31,5、光纤光栅,光栅：折射率周期性变化的光学介质结构 当光波通过光栅时，光波的相位会产生周期性的变化 光纤光栅：光纤纤芯中形成的光栅 优点：带宽范围大、插入损耗小、器件微型化、易集成,32,33,
8、光纤光栅的分类,按周期分：布拉格光栅(周期小于1um)长周期光栅(周期几十到几百um) 按折射率变化的分辨率：弱调制光栅(常见、常用)强调制光栅 按折射率分布：均匀光栅、啁啾光栅、变迹光栅、倾斜光栅,34,折射率分布,布拉格条件： 布拉格光栅：反射式光纤光栅均匀光栅啁啾光栅,35,光敏性：掩模曝光氢载掺锗光纤、横向干涉曝光弹光效应：CO2激光加热使光纤释放残余应力、氢氟酸腐蚀改变光纤物理结构、电弧放电使光纤微弯等,光纤光栅的制作,36,准分子激光器,37,光纤光栅的应用1,光纤激光器,激光器原理简介,38,光纤光栅的应用2,光纤传感：应力、温度、扭转、外界折射率变化等因素会引起光纤光栅谐振波长
9、变化,MST_8(1997)355_In-fibre Bragg grating sensors，引用300多次,39,光纤光栅的应用3,光学滤波器（第6节）波分复用（第8节）例如，与环行器结合用作上/下路波分复用器,40,6、光学滤波器,滤波器：使某一波长或某一波段的光选择性透射或反射。,41,几种重要的光学滤波器：F-P腔型光滤波器 马赫-曾德干涉型光滤波器 光栅滤波器 声光、电光可调滤波器(属于光栅型) 介质膜滤波器,42,F-P腔型光滤波器,法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)腔由两面彼此平行的镜面构成, 光线进入腔内并在两镜面间多次反射。 原理：多光束干涉 驻波，共振,梳状
10、谱 2nd=m*或kd=m*频率间隔：=c/2nd,FP腔透射率T随kd变化的曲线,T,43,F-P腔滤波器种类,应用F-P腔滤波原理的滤波器种类很多：光纤型、铁电液晶光滤波器、MEMS滤波器等。,通过调腔长来调节相位，从而改变共振条件使不同波长的光透射调折射率：液晶的折射率随外加电压变化,44,马赫-曾德干涉型光滤波器,原理：双光束干涉 一路为参考臂、另一路中插入一可调相位延迟器件，两者的光程差等于半波长的整数倍时，相干增强，该波长的光可以透过。,45,光栅滤波器,布拉格光栅 损耗低、易耦合和连接,46,声光可调谐滤波器,超声信号加在声光晶体上使晶体的折射率呈周期分布，形成光栅。通过改变超声
11、信号的频率、强度等参数改变光栅周期、调制深度等，从而实现可调谐滤波,光波入射方向,电光可调谐滤波器：利用外加电压改变晶体的折射率,47,介质膜滤波器,介质膜滤波器是一种干涉滤波器, 它利用光的薄膜干涉现象进行滤波。 膜堆，高低折射率材料交替沉积,48,7、光开关,光开关是光纤通信系统重要的光器件之一，具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作。有以下分类方式： 1、工作媒质（损耗）：空间/波导 2、工作方式（速度）：机械式/非机械式 3、输入输出端口数（应用）： 1X1，1X2 ，1XN，2X2,49,机械光开关：利用电机来旋转或移动光纤，开关速度
12、慢10-15ms电光光开关：通过电压调节波导折射率工作，结构一般为定向耦合、M-Z干涉等。响应时间达到ns量级。常用材料有铌酸锂，InP、GaAs等半导体材料,50,MEMS开关：基于微镜面，安装在机械底座上受静电控制的二维或三维器件。,MEMS,51,52,基于MEMS的光学集成器件,53,其它光开关,SOA光开关 声光开关 磁光开关 液晶光开关 热光开关 ,54,光开关的特性参数,光开关的特性参数主要有： 插入损耗 回波损耗 开关时间,55,8 光波分复用器件,波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 密集波分复用DWDM 解复用的核心思想
13、：采用色散或滤波元件将多波长光源分离为单个波长的光。,多波长光源,信号加载，调制,传输,56,棱镜解复用器,波分复用光12+N经透镜准直后，射入折射率为n2的三角棱镜的输入表面，光线进入棱镜后发生折射，棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些分开的光从楞镜进入空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分开，完成解复用，然后再用一个棱镜把各波长的光聚焦到各自的输出光纤中。,57,衍射光栅解复用器,输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上，光栅对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号分解为不同波长的光。,58,干涉膜滤光型WDM器件,该器件由8个单窗口2波的DWDM器件串联而成, 信道间隔为200
14、GHz。,利用多层介质膜窄带滤光器制成的8波DWDM器件,8信道DWDM器件的响应曲线,59,光纤光栅型WDM 器件,a种结构FBG少, 但采用耦合器, 插入损耗大；b、c种结构要利用较多的FBG, 成本较高, 但其插入损耗小, 比a种结构低6dB。光纤光栅具有中心反射波长可以精密控制、反射带宽可以任意选择、反射带宽可以做得很小、反射率可以达到几乎100%、容易进行温度补偿、与普通光纤连接简便等优点。,60,波导阵列光栅型WDM器件,61,本章小结,光无源器件是光纤通信系统和光纤传感系统的不可或缺的重要组成部分。随着光通信系统的发展和相关需求的日益增长，光无源器件的性能不断地提高，光无源器件在系统中的应用也越来越广泛。,光纤耦合器 光纤光栅,重点器件,
