光电子材料3光纤材料及光纤器件ppt课件.ppt

《光电子材料3光纤材料及光纤器件ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电子材料3光纤材料及光纤器件ppt课件.ppt（171页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第3章 光纤材料及光纤器件,光纤通信的发展历程,从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨/公里，有色金属的消耗实在是太大。1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；,此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。,2,世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波导”，明确提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于

2、20dB/km的光纤。,3,1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破。,在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。,4,20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。1993年后，全球范围信息高速公路的建设。到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经

3、铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。光纤的出现带动了集成光学的发展。,光纤的优点,与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： 传输频带极宽，通信容量很大； 由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； 串扰小，信号传输质量高； 光纤抗电磁干扰，保密性好； 光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； 耐化学腐蚀； 光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。,光纤技术的发展前景,对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。所以我们应该努力向以下几个方面去发展： 向超高速系统的发展。 向超大容

4、量WDM系统的演进。 开发新代的光纤 全光网络。未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。,光纤定义：,利用的光学现象：全反射结构上的特点：圆柱形，由纤芯和包层组成，外加涂覆层和套塑改善机械特性；折射率变化，纤芯折射率略高于包层。,引导光沿特定方向传播的圆柱状导波组织。能约束光能量，以尽量小的

5、损失将光能量传导到接收端。,3.1 光纤导光原理,3.1.1光纤结构与分类,光纤的结构,光纤的分类,纤芯折射率分布阶跃折射率光纤、梯度折射率光纤。,传输模式多模光纤、单模光纤。,子午光线：传播路径为光纤纵剖面内的平面折线，与光纤轴相交，在横截面投影为一条直径。,由于光纤的结构为圆柱体，可将光线分成两类：子午光线和斜光线。,n1,n2,(a)子午光线,3.1.2、约束与导光原理,纤芯,斯涅尔定律,发生全反射，,一般情况下，n0=1，允许的最大入射角为,结论：光纤传光的原理是光的全反射；只有当光线的入射角 时，光线才能被耦合进入光纤传播；无论光源发射功率有多大，只有 张角之内的光功率能被光纤接受传

6、播。,14,n2,n1,偏射光线：传播路径为空间折线，不与光纤轴相交，在横截面内的投影为非封闭多边形。,1、数值孔径,定义光纤端面上入射光线形成导波光线的最大入射角的正弦与入射区折射率的乘积，记作NA。,3.1.3、 光纤的特性参数,NA的物理意义,光纤捕捉光线能力的大小，光纤的NA越大，越能将更多的光线保持在其中传播。决定了光纤与光源的耦合效率（(NA)2），NA越大，就可能有更多来自通信光源的光进入光纤。,光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差；NA与光纤的直径无关。,相对折射率差：,18,NA的影响因素,例 题：,设有一均匀多模光纤n1=1.5， 0.01，光

7、纤芯径 2a100 m，光线由空气入射 n0=1， 求光纤的数值孔径 NA 是多少？,NAn1(2 )1/2=0.212,从与光源的耦合效率考虑，希望NA（）越大越好！,2、相对折射率,单模光纤=0.3%，多模光纤=1%。,3、归一化频率,表示在光纤中传播模式多少的参数,V2.405时多模传输,4、折射率分布,纤芯折射率分布通式为：,=时，折射率为阶跃型分布；=2时，折射率为平方律分布（渐变型分布的一种）；=1时，折射率为三角形分布。,5、截止波长,由于0V2.405时，光纤中只能传输一种模式的光波，单模光纤的截止波长：,3.2、光纤材料,高纯度熔石英光纤,传输损耗低,多组分玻璃纤维,纤芯包层

8、折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径 的光纤。,(2)塑料光纤,成本低、材料损耗大、温度性能差。,(3)晶体光纤,可用于制作有源和无源光纤器件。,(1)石英光纤,22,一、石英玻璃光纤1.基本结构组成: 纤芯：SiO2+Ge(提高折射率) 包层：SiO2+B(降低折射率)(+CF2CCl2F2有同效) 涂覆层：碳涂覆层(高分子涂覆层) ，增强光纤 的柔韧性和机械强度 应用:主要用于通讯，也用于传感器 工作温度：-40oC50oC 使用寿命：预期10年以上,3.2.1玻璃光纤,光在光纤中传播时光功率的衰减，也称为光纤损耗。光功率P在光纤中随传播的深度变化。,常用衰减常数 来表示，其定义为

9、,(dB/km),2.石英光纤的损耗特性, 的物理意义： 表示光纤单位长度上光功率的变化，它影响光纤传光距离的远近。,ITU-T规定： 取值范围为多模光纤：(2.04)dB/km(0.85m) , (0.52)dB/km(1.31m) 单模光纤：(0.31.0)dB/km(1.31m) , (0.250.5)dB/km(1.55m),(dB/km),光纤损耗的来源：,（1）光纤材料的吸收与散射损耗；（2）光纤的弯曲辐射损耗；（3）光纤的连接；（4）耦合损耗。,26,（1）光纤材料的吸收与散射损耗,本征吸收：光纤材料对光信号的吸收。杂质吸收：杂质不是指光纤中的掺杂物，而是由于材料不纯净及工艺不完

10、善而引入的杂质，如过渡金属离子和OH-离子。原子缺陷吸收：由于材料受到热辐射或光辐射引起的。散射损耗：在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。,散射损耗: 瑞利散射:密度不均匀和折射率不均匀引起的对光散射造成的光功率的损失,与光波波长的四次方成反比(目前光通讯向长波长发展的原因)。 波导散射:波导结构不规则导致模式间耦合,或耦合成高阶模进入包层,或耦合成辐射模辐射出光纤,从而造成损耗。 非线性损耗:功率较大时,因诱发喇曼散射和受激布里渊散射所致。,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗 (dB/km),波 长 (nm)

11、,OH离子吸收峰,损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗,（2）光纤的弯曲辐射损耗,光纤实际应用中不可避免的要产生弯曲，全反射条件破坏，这就伴随着产生光的弯曲辐射损耗。,5,30,横向偏移,纵向偏移,角向偏移,（3）光纤的连接损耗,31,（4）耦合损耗,光源与光纤的耦合损耗光纤与光器件的耦合损耗,32,色散：由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散.色散对光信号包络传播的影响:包络（光脉冲）展宽.,3.色散特性,相速度是波的相位传播速度；群速度是表征光信号包络传播速度量的。,群速度：,

12、相速度：,相速度和群速度,（1）模间色散：多模光纤中各个模式的光传播的路径和速度不同，使得在光纤出射端各模式的到达时间不一致，产生时延差，引起光脉冲展宽。,（2）材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引起色散。,（3）波导色散：是模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。,c,i,n1,n2,n0,t,二、卤化物玻璃光纤,制作超低损耗光纤,三、硫系玻璃光纤,拓宽CO（5.3m）和CO2（10.6m）大功率激光应用领域有重要意义。,氟化铍：剧毒，玻璃的化学稳定性差,氟锆酸盐：最有希望获得超低损耗的光纤

13、材料（2.59m，0.65kB/km），化学稳定性差。,3.2.2 塑料光纤,塑料光纤(Plastic Optical Fiber, POF)是以聚合物或有机物等光学塑料为材料的一类重要光学纤维，具有广泛用途。1. 塑料光纤的材料 主要考虑透过性能和折射率，因而其芯料应选取光学均匀性好、折射率较高、透过性能较好的光学塑料。 光学塑料的折射率与塑料的化学组成成分有关。一般，塑料组成基质成分中具有的极性大的官能团越多，折射率就越大。对大多数塑料纤芯其折射率均在1.41. 6。,其他一些重要性能与因素包括：热性能、机械性能以及成本等。 适用作塑料光纤的光学塑料主要有：（1）甲基丙烯酸甲酯（PMMA，

14、俗称有机玻璃）（2）聚苯乙烯(PS)（3）氘化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-ds） PMMA是一种特殊的合成树脂，其性能稳定，具有很强的透明性（透过率高达90%以上），适用于可见、红外和紫外波段；其软化点较高，抗张强度好，比重小，对日光性能十分稳定，热性能也很稳定，易机械加工。,标准阶跃折射率塑料光纤主要选取的纤芯材料聚甲基丙烯酸甲酯，其折射率为1.492；包层材料一般选取折射率更低的含氟聚合物，其折射率为1.402。由上述纤芯与包层材料折射率差值（比玻璃光纤或石英光纤要大）所决定的数值孔径NA=0.47，损耗较低。,2. 塑料光纤的主要特性与优缺点 塑料光纤在性能等方面主要具有如下突出的优点。

15、 重量轻。光学塑料的比重在1g/cm3左右（比重范围一般在0.831.50 g/cm3 )，为玻璃比重的1/21/3。 柔软、韧性好，具有优良的机械性能。直径为1mm的塑料光纤，按曲率半径为6mm做180反复弯曲数百次，对光纤毫无损害；即使直径达到2mm，仍可自由弯曲而不断裂；且抗冲击强度好。,不可见光波段的透过性能好。塑料光纤在可见光和近红外波段的透过性能接近光学玻璃。但在紫外和远红外波段其透过率大于50%，优于玻璃光纤。 成本低，经济性好，工艺操作简便。塑料光纤的原材料比玻璃光纤的原材料便宜得多，因而经济性好；另外，塑料光纤的工艺操作温度通常在300以下，而玻璃和石英光纤的制作温度需要10

16、00以上的高温，因而塑料光纤的工艺操作简单。,但塑料光纤在性能方面也存在如下显著的缺点和问题，影响其应用的领域与范围。 光学特性传输损耗大。塑料光纤是一种纤维状的长链分子，随着拉丝过程，长链分子的宏观取向将和光纤的轴向一致。由于塑料光纤是由单体聚合而成，很难得到密度均匀的材料，因而光学均匀性不能得到很好的保证；深人的研究表明，塑料光纤存在高损耗的重要原因在于，塑料光纤材料原子间存在的碳-氢键和碳-氧键对可见光和近红外波长具有吸收作用。,耐热及高低温性能差。由于塑料本身熔点低，因而其耐热性能差，一般只能在-40 80的温度范围内使用，只有少数塑料光纤可以在200的温度下工作。另外，当温度低于-4

17、0时，塑料光纤将变硬、变脆。总之，耐高低温等恶劣环境的性能比玻璃光纤差。 抗化学腐蚀和表面磨损的性能比玻璃光纤差，在丙酮、醋酸乙酯或者苯的作用下，其光学性能会受到很大影响，硬度差，易老化。,塑料光学纤维与玻璃光学纤维的性能比较,3. 塑料光纤的应用与发展 塑料光纤由于它所具有的轻便、柔软、价廉及便于处理等一些独特优点，因而在短距离的光纤照明（工程照明、室外装饰照明、室内照明）、光纤工艺制品、低分辨的传像束与图像传输、数据信号传输控制与光纤传感以及短距离通信链接系统（如办公楼或汽车内部）等多方面都有广泛的应用，而且在很多方面正在形成对玻璃光纤的竞争与挑战。,为降低损耗设法改变塑料光纤原料的化学成

18、分，例如：使用氟化的塑料代替常规的碳氢化合物塑料，因碳-氟键的衰减要更小一些。,3.2.3 晶体光纤,可用于制作有源和无源光纤器件。,1.YAG系列晶体光纤：晶体激光器、晶体光纤光放大器,2.YAP系列晶体光纤：激光晶体、快速闪烁晶体,3.Al2O3系列晶体光纤：传光光纤和光纤高温传感器,4.LiNbO3系列晶体光纤：激光倍频器,5.卤化物晶体光纤：传光光纤,材料的提纯,预制棒的制作,拉丝,成缆,9个9(ppb),用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒,使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热,光纤光缆制造,51,典型预制棒长1m,直径2cm,52,光纤拉丝装置示意图,光纤拉丝塔,

19、3.3.1光纤无源器件,光无源器件在光纤通信系统中发挥着重要作用完成光波的接续、耦合、复用与解复用、衰减、隔离等信号与信息处理已成为光纤通信系统与光网络不可或缺的重要组成部分光无源器件种类繁多、功能各异，从功能上讲，主要有光纤连接器、光纤耦合器、光波分复用解复用器、光衰减器、光隔离器、光环行器等,3.3 光纤器件,一 、光纤连接器,光纤连接器（Optical Linker），又称光纤活动连接器，俗称活接头常用于光纤与光端机的连接，光纤线路与光测试仪器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接是一种可拆卸重复使用的光无源器件在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中，广泛大量使用,针对不同的用途，现

20、在已经开发出种类繁多的光纤连接器，一个好的光纤连接器设计的主要要求是： 插入损耗低 互换性好 易于装配 环境敏感性好 成本低和可靠的结构 易于连接,1、光纤连接器的种类,光纤连接器基本上采用某种机械和光学结构，将光纤的两个端面精密对接起来最重要的就是要使两根光纤的轴心对准，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤并使其介入光路后对系统造成的影响降至最小,常见的结构有螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结构对准设计常采用有直套筒和锥形套筒结构,光纤连接器的结构种类很多FC型连接器是在我国使用最多的光纤连接器，它是干线系统中采用的常见型号SC型连接器是光纤局域网、CATV和光纤接入网的主要型号此外

21、，ST型连接器和LC型连接器也有一定量的应用,（1）FC型光纤连接器,FC连接器最早由日本NTT公司研制，是一种螺纹连接式光纤连接器 外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣插针体采用外径2.5 mm的精密陶瓷插针,根据其插针端面形状的不同，它可分为球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC两种结构FC连接器的制作材料陶瓷具有极大的耐磨性和一定的韧性及稳定的尺寸，可保证FC连接器的使用寿命在1000次以上,（2）SC型光纤连接器,SC型连接器是日本NTT公司开发的光纤连接器是一种矩型插拔式光纤连接器，其外壳呈矩形所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其插针的端面多采用球面接触

22、的PC或斜球面接触的APC型研磨方式紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转,此类连接器价格低廉，插拔操作方便，插入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高SC型连接器广泛用于光纤用户网中,（3）ST型光纤连接器,ST型连接器是由AT&T公司设计开发的圆形卡口式连接器采用带键的卡口式锁紧结构插针体为外径2.5 mm的精密陶瓷插针，插针的端面形状通常为PC面,（4）LC型光纤连接器,LC型光纤连接器由Bell lab开发，采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制LC型连接器所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25 mm，提高了光配线架中连接器的密度目前，在单模光纤方面，LC类型的连接

23、器实际已经占据了主导地位,2、光纤连接器的性能指标,不同结构的光纤连接器的性能有很大差异不同应用场合下，应选用适当的光纤连接器衡量光纤连接器的主要性能指标有插入损耗回波损耗互换性和重复性等,（1）插入损耗（Insertion Loss）,所谓插入损耗，是指光信号通过光纤连接器时，光纤连接器的输出光功率Po与输入光功率Pi之比的分贝数的负数插入损耗是光纤连接器的主要性能指标，其值越小性能越好目前，单模光纤连接器的插入损耗一般低于1 dB,（2）回波损耗（Reflection Loss）,回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，输入光功率Pi与后向发射光功率Pr之比的分贝数的负数是度量光纤连接

24、器对链路光功率反射的抑制能力回波损耗越大，对光源和光放大器等设备的影响越小，系统性能越好,不同端面的光纤连接器的回波损耗存在很大差异面对面连接FC型连接器的回波损耗较小，为25 dB左右 物理接触连接PC型连接器的回波损耗较大，一般为35 dB左右 改进的物理接触连接APC连接器，两光纤端面的倾斜角设计在8左右，其回波损耗可达到50 dB左右,（3）重复性和互换性,重复性是指光纤连接器多次插拔后插入损耗的变化量，一般为0.1 dB互换性是指光纤连接器部件更换时，插入损耗的变化量，一般也为0.1 dB这两项指标用来考核光纤连接器结构设计和加工工艺的合理性，是表征其实用化的重要指标,二、 光纤耦合

25、器,与同轴电缆传输系统一样，光纤通信系统或光纤测试系统也需将光信号进行分路（分配）与合路，这需要光耦合器来实现 光纤耦合器（Optical Coupler）的功能是将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出（光分路）或把多个输入的光信号组合成一个输出（光合路）是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件,是光纤链路中最重要的无源器件之一,光纤耦合器在电信网、有线电视网、用户接入网、区域网络中大量应用对光纤链路的影响主要是附加损耗，还有一定的反射和串扰噪声光耦合器大多与波长无关，与波长有关的耦合器，专称为波分复用解复用器,1、光纤耦合器的主要性能指标,衡量光纤耦合器的性能指标很多，包括插入损耗、附加

26、损耗、分光比、隔离度等,（1）插入损耗,插入损耗是指光信号经过光纤耦合器后，每一路光信号输出相对于输入光信号光功率损失的分贝数的负值如从端口1输入，端口3输出，则它们之间的插入损耗为,插入损耗所表示的是各个输出端口的输出功率状况不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响因此不同的光纤耦合器，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣,（2）附加损耗,附加损耗EL是指所有输出端口的光功率总和相对于输入总光功率的比值：22型光纤耦合器光功率从端口1输入P1，端口2、3输出，则附加损耗等于：,在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别附加损耗是体现器件制造工

27、艺质量的指标，反映的是器件制作过程的固有损耗光耦合器附加损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标,（3）分光比,分光比是指光纤耦合器各输出端口的输出功率的比值在应用中，分光比是根据实际系统光节点所需的光功率的多少而确定合适的分光比（平均分配的除外）光分路器的分光比与传输光的波长有关,（4）方向性,是指光分路器的一个输入端的光功率和由分路器反射到其它端的光功率的比值的分贝数,是指光纤耦合器件的某一光路对其他光路中光信号的隔离能力，是衡量通道串扰特性的参数。通常某一端口的输出光功率本应为零时，在其端口检测到其他输出端口的光功率耦合到该输出端，从而使其输出功率不为零。,（5）隔离度,以上各个指标中，隔

28、离度对于光分路器的意义更为重大在实际应用中，往往要求光耦合器的隔离度达到40 dB以上，否则将影响整个系统的性能另外，光耦合器的稳定性也是一个重要的指标所谓稳定性是指在外界温度变化或其它器件的工作状态发生变化时，光耦合器的性能指标都应基本保持不变实际上光耦合器的稳定性完全取决于厂家的工艺水平，不同厂家的产品质量差别相当大,通常耦合方法是熔融拉锥法,2、光纤耦合器的制作方法,22光纤耦合器制作过程是将两根去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同分光比的光纤耦合器,三、 光隔离器与光环行器

29、,光隔离器（Optical Isolator）是一种只允许光信号沿光路正向传输的非互易性无源器件它对正向传输光有较低的插入损耗，而对反向传输光有很大损耗，用以抑制光传输系统中回波对光源等器件的不利影响,1.光隔离器的工作原理,光隔离器的物理基础是晶体材料的法拉第效应在外加磁场作用下，入射的线偏振光经过一定厚度的磁光材料，出射的线偏振光偏振面相对入射光偏振面转过一定角度，称为介质的磁致旋光效应介质的磁致旋光效应对光的偏振方向的改变只与磁场方向有关，与光的传播方向无关光隔离器就是利用了晶体的这种非互易旋光性使光正向传输，反向隔离,典型的偏振相关型隔离器由光纤准直器、两个偏振片和一个法拉第旋转器FR

30、组成，两偏振片的通光方向成45,2.光隔离器的性能指标,光隔离器的主要性能指标有插入损耗反向隔离度回波损耗等,（1）插入损耗,光隔离器的插入损耗L，是指在光路中插入光隔离器时，引起正向光信号功率的降低值，以分贝（dB）表示光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉第旋转器和光纤准直器，与各分立元件的透射比及装配精度有密切关系插入损耗一般为0.4dB，插入损耗最大为0.6dB,（2）隔离度,反向隔离度表征隔离器对反向传输光的衰减能力，由光信号反向通过光隔离器时引起的功率损耗值，以分贝表示,（3）回波损耗,回波损耗是指正向入射到隔离器中的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比其典型值为60 d

31、B由各元件和空气折射率失配并形成反射引起，其主要来源是入射光的准直光路部分采用斜面耦合工艺和端面镀制增透膜可有效提高整个器件的回波损耗,3.光环行器,光环形器（Optical Circulator）的作用是把光信号流按一个方向从一个端口送到另一个端口防止光信号沿错误的方向传播而引起不必要的串扰整个环形器的原理类似于一个公路上的环岛，光信号就像经过环岛的汽车，只能沿一个固定的方向行驶,典型的环行器一般有三个或四个端口,三端口环形器中，端口1输入的信号由端口2输出，端口2输入的信号由端口3输出,光环形器的基本原理和结构比较简单，与光隔离器的工作原理相似基本结构由偏振分束器（PBS）、法拉第旋转器、

32、半波片、棱镜和准直器组成偏振分束器把两个正交偏振态的光分开或者融合到一起法拉第旋转器和半波片是用来改变任意偏振态输入光的偏振态的,沿光束传播方向的前一个法拉第旋转器对输入光的传播方向没有要求，而后一个法拉第旋转器对光的传播方向是有要求的这样输入的光信号经过偏振分束器分成两个正交的偏振分量，又经过法拉第旋转器改变其偏振态，并在其后的端口输出反向则因为偏振态是正交的所以不能被传输，这样回波信号就被隔离,四、 波分复用器,波分复用器解复用器是一种波长选择型耦合器其功能就是把多个不同波长的光波复合后，注入到同一根光纤中传输或把输入光口的多个不同波长的光波分开，输出到不同的光端口输出,波分复用器解复用器

33、又称为合波器或分波器,1.波分复用器的性能指标,光波分复用器解复用器性能的优劣对于WDM系统的传输质量有决定性的影响WDM系统对光波分复用器解复用器的特性要求是插入损耗小，信道间的串扰小，通带损耗平坦等,（1）插入损耗,插入损耗是指对于某一特定通道，输出端标称波长信号功率与输入端该标称波长信号功率比值的对数，是对同一波长而言的,（2）信道隔离度与串扰,信道隔离度与串扰是度量WDM信道之间相互干扰程度的参数从信道i输出端口测得的该信道标称波长信号功率Pi(i) 与从信道j输出端口测得的该波长信号功率Pj(i) 之间的比值，定义为信道j对信道i的隔离度其倒数称为信道i对信道j的串扰,（3）通带特性

34、,通带特性是指波分复用器解复用器分配给某输出端口的光波波长范围从复用信道数考虑，通道带宽越窄越好从光源谱宽、传输信号速率和降低串扰等因素考虑，通道带宽越宽越好,2、波分复用器的种类及工作原理,根据制造的特点，WDM器件大致有熔融光纤型干涉滤波器型光栅型等几种类型,(1)熔融光纤耦合型波分复用器,熔融光纤型波分复用器实质为耦合功率对波长具有选择性的光纤耦合器通过改变熔融拉锥工艺，使耦合器输出端口的分光比随波长具有显著变化的特征而制作的器件结构类似于22单模光纤耦合器,(2)介质薄膜干涉滤波器型波分复用器,介质薄膜滤波器由多层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜按设计要求组合而成每层厚度为/4，

35、一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成,当光入射到高折射率介质薄膜层时，光反射不产生相移；当光入射到低折射率介质薄膜层时，反射光产生180相移由于介质薄膜层厚度为四分之一波长，因而经低折射率层反射的光当到达经高折射率层反射的光的位置经历了360相移，它们同向叠加产生强烈的反射光相反，其它波长的光波将会成为透射光,这样，通过使用多层介质薄膜可以实现对某一波长范围的光呈现带通，而对其它波长呈带阻，从而形成所要求的滤波特性,利用这种对某指定波长的选择特性的干涉滤波器就可将不同波长的光波分离或合并起来,(3)光栅型波分复用器,利用光纤Bragg光栅的波长选择性，再结合环形器，可以实现WDM合波分

36、波器多个波长信号从端口1输入，端口2输出进入光栅。假设2满足光栅的Bragg条件而被反射回来，其余波长通过光栅，2反射回来进入端口2，从端口3输出，实现分波即解复用,利用光纤Bragg光栅的波长选择性，再结合环形器，可以实现WDM合波分波器在合波（复用）端，插入波长2从端口3进入，端口1输出，进入光栅，但反射后从端口1输入，与其它波长一起从端口2输出，实现合波即复用,(4)阵列波导光栅型波分复用器,阵列波导光栅（AWG，Arrayed Waveguide Grating）型波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件它由输入波导、输出波导、波导阵列光栅及两个平面耦合波导组成典型的制造过程是在

37、硅晶片上沉积一层薄薄的二氧化硅，并利用光刻技术形成所需的图案，腐蚀成型,AWG将同一输入信号分成若干路信号，分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出,通过合理设计AWG的形状、间距、输入输出平面波导的位置、间距，即可实现多波长光信号的分路同样可实现对多端口输入的多个波长信号的合路,几种常用波分复用器的特性比较,几种常用波分复用器主要特性比较如表,利用机械切换、电光/声光/磁光效应、电控光波导等实现光通断、切换的器件，可实现光交换和光的外调制有多种类型的光开关器件。,五、 光开关,机械式插入损耗低，隔离度高，不受偏振和波长影响;开关时间较长（毫秒量级），存在回跳抖动，重复性差;移动光纤、移动套管

38、、移动准直镜、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器、MEMS.非机械式插损大，隔离度低，有的具有偏振和/或波长相关;开关时间短，体积小，易于集成;电光、磁光、声光、热光等.,光开关的类型及特点,微机电开关,靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改变光纤通道的光开关。,移动反射镜式光开关,移动光纤式光开关,MEMS微机电系统开关,在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。左图采用16个可以转动的微型反射镜，实现两组光纤束间的44光互连。,光开关板,六、 光衰减器,光衰减器（Optical Attenuator）是插入光链路中控制光能衰耗的一种无源器件

39、它是光纤通信系统和光纤测试链路中不可或缺的一类光器件，常用来评价光路系统的灵敏度校正光功率计等效代替相应衰减量长度光纤等场合主要是在光链路中对光信号功率进行定量或不定量的衰减，以满足用户的各种要求,光衰减器的种类很多按工作原理，光衰减器可分为位移型衰减片型智能型等按其衰减量的变化方式不同，可分为固定式光衰减器可变式光衰减器,位移型光衰减器,当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对准精度，才能使光信号以较小的损耗传输反过来，若将光纤的对准精度做适当调整，就可控制其衰减量有意使光纤在对接时产生一定错位，使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的,衰减片型光衰减器,衰减片型光衰减器是直接将具有吸收特

40、性的衰减片固定在光路中来达到衰减光信号目的衰减片采用吸收型玻璃片或在玻璃基片上镀吸收膜的方法来制作,智能型光衰减器,通过电路控制微型电机，带动齿条，使滤光片平移，再将数据编码盘检测到的实际衰减量信号反馈到电路中进行修正，从而达到自动驱动、自动检测和显示光衰减量的目的,七、 光纤光栅,1978年，Hill等人首次发现光纤光敏性，采用驻波写入法获得自感应光栅1989年，Mehz等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化到1993年，光纤敏化技术的进步和相位掩模板的使用，使光纤光栅实现批量生产,光纤光栅（FG，Fiber Grating）是光纤纤芯折射率受到永久的周期性微

41、扰而形成的一种光纤无源器件，它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射光纤光栅按工作原理，可分为光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅（LPG）,1、光纤Bragg光栅,光纤Bragg光栅就是利用紫外光（峰值波长为240 nm的光波）通过相位掩模板（或适当光路）对光敏光纤曝光，在光纤中产生折射率的周期分布，形成光栅它的周期一般在1m以下，也称为短周期光纤光栅光纤Bragg光栅能够把某个方向传输的芯模能量耦合给反方向传输的芯模，形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射,光纤光栅的谐振波长B 与光栅周期的关系为Bragg光栅基本特性表现为一个反射式的光学滤波器，反射峰值波长即为Bragg波长B,若Bra

42、gg光栅的节距或栅距是线性改变的，称为啁啾Bragg光栅在这种光栅中，由于节距线性改变，入射光的各个波长在光栅的不同深度被反射回来，因而补偿了各个波长在传输时间上的变化，可应用于色散补偿,由啁啾光栅和环形器组成的色散补偿光路长波长信号在光栅周期大的地方先反射短波长的信号在光栅周期小的地方后反射,2、长周期光纤光栅,长周期光纤光栅（LPG）是利用紫外光通过振幅模板直接照在光敏光纤上，在光纤中产生折射率的周期性分布它的周期较长，在几十至几百微米能够实现芯模与同一方向传播的包层模的耦合，被光纤涂覆层吸收而迅速消耗掉，从而形成一定带宽的能量损耗，且不存在反射,长周期光纤光栅的透射谐振波长满足其基本特性

43、表现为一个带阻滤波器，带阻宽度一般为十几到几十纳米,长周期光栅透射谱的带宽较宽，几乎没有反射光，尤其是它与光纤系统的天然兼容性，使得插入损耗很低，特别适合于用作掺铒光纤放大器的增益均衡器可以用几个不同谐振波长和带宽的长周期光栅串接，使得串接后总的透射谱与EDFA放大器的增益谱均衡，达到输出增益谱的平坦化现在已经能够仅用一根非均匀的长周期光栅，就可实现EDFA的平坦,3.3.2 光纤激光器,谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环,光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同，如下图所示：,2022/11/8,127,光纤激光器大致可分为三类: 稀土元素掺杂光纤激光器 掺杂离子可为Nd3+，Er

44、3+，Yb3+，Tm3+等，基质可以是石英玻璃，氟化锆玻璃，磷酸盐玻璃、单晶、光子晶体光纤等。 染料光纤激光器 纤芯、包层或二者加入激光染料。 非线性光纤激光器 利用光纤中的SRS，SBS非线性效应产生波长可变换的激光。,2022/11/8,128,光纤激光器的主要特点,（1）光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点； （2）由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高；,2022/11/8,129,（3）由于光纤具有很

45、高的“表面积/体积”比，散热效果非常好，所以光纤激光器可以工作在-2070的环境温度内，不需要庞大的水冷系统，只需简单的风冷即可，且可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下正常运转； （4）具有相当好的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围（380nm3900nm）和相当好的单色性和高稳定性，使用寿命长，平均无故障工作时间在10kh甚至100kh以； （5）采用特殊的器件结构可获得高功率输出或超短脉冲输出。,2022/11/8,130,1 掺杂光纤,一、掺杂元素掺稀土元素镧系Xe6S2，外层都为为5S25P66S2镧系元素电子结构的差别只在4f壳层的电子占有数。1、掺杂浓

46、度 最佳在100ppm量级。太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。,Er 3+、Nd 3+的电子能级,4I13/2,4I 15/2,Er 3+,Nd 3+,能级分裂,4F 5/2,4F 3/2,4F 5/2,2、掺杂光纤的基质（1）石英玻璃 石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响：产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。（2）重金属氟化物玻璃优点：通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。易于成纤。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。,2

47、、掺稀土光纤的光谱特性,掺钕光纤：使用800nm、900nm、 530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm 、 1350nm波长处得到激光。掺铒光纤：使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、 1536nm波长处得到激光。 掺铒光纤存在最佳光纤长度（约10m）。,Er3+,Nd3+,掺杂离子的能级结构,1. 三能级系统的能级结构,2. 四能级系统的能级结构,钕离子（Nd3+）能级结构,4G7/2,4F5/2,4F3/2,4I15/2,4I13/2,4I11/2,4I9/2,800nm泵浦,920nm,1060nm,1350n

48、m,激发态吸收 1330nm,无辐射跃迁,下能级,高能态,亚稳态,激发态吸收是指处于上能级的粒子吸收泵浦能量向更高能级跃迁的过程，是一种能量的无效损耗，降低泵浦效率。,光纤激光器的谐振腔结构,1.线形腔,A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。 B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘镀层损坏，降低激光器的性能。,M1全反M2部分反射,为了避免泵浦光对腔镜的损

49、坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。 下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光器 。,EDF,FBG,FBG1,FBG2,DBR光纤激光器,DFB光纤激光器,2. 环形腔,环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合

50、器的两个臂（1,2点）连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜”的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。,简单的光纤环形谐振腔结构,波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还需要使用偏振控制器（PC：Polarization Controller）。,波长选择器件,3.其它腔型结构,光纤圈反射器（光纤环形镜），结构如下图所示，包含一个定向耦合器和该耦合器两输出端口连接在一起形成的一个光纤圈。 工作原理：假设耦合器耦合系数为0.5，若光波从端口1进入耦合