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1、2023/8/31,第六章光纤无源及有源器件,2023/8/31,二、光纤定向耦合器,2023/8/31,2023/8/31,2023/8/31,三、光纤定向耦合器,1、简介,光耦合器：传送和分配光信号的无源器件，光从一个端口输入，从另一个或多 个端口输出。对光信号进行合波或以不同的方式（波长、光功率）进行分波。,分类：,2023/8/31,2023/8/31,2、耦合器的工作原理,单模光纤：模式耦合理论来分析；多模光纤：弯曲理论来分析。,（1）两平行光纤之间的耦合,机理：当两光纤的纤芯平行靠近时，一个光纤中的导波场将引起另一个光纤介质极化，导致在光纤激励起传导模，场将相互渗透，相互交叠。,光
2、功率的分配将在两光纤的纤芯间谐振,2023/8/31,令,2023/8/31,基模场间的耦合方程：,失谐参量：,耦合系数：,R(0)=1;S(0)=0,2023/8/31,经“L”长度后，从“1”号光纤耦合到“2”号光纤的光功率为：,仍留在“1”号光纤中的光功率为：,两参数相同光纤间的耦合：,弱导阶跃光纤，K可以表示如下：,d：为两光纤之间的距离。,2023/8/31,Y型光纤耦合器,耦合长度：,2023/8/31,Y型光纤耦合器,对相同波长、相同光功率的耦合会产生3dB损耗。,2023/8/31,X型光纤耦合器,1端口输出,2端口输出,2023/8/31,光纤耦合器特性：,耦合长度：针对具体
3、的波长，光能量从一个光纤完全进入另一个光纤的长度。,耦合的强弱：取决于两光纤纤芯的分离程度。,耦合长度与传输的波长紧密相关！不同的传输波长将产生不同的耦合长度。,X&Y-光纤耦合器,互易原理：用Y-耦合器对相同波长的光进行合波，信号输出时，将引入3dB 的 功率损耗！(输入功率相同的情况下),2023/8/31,耦合器仅分出小部分的光从一端输出，而在另一端仍保留大部分的光，称此耦合器为Tap型耦合器。典型分光比:99:1 或 1%tap耦合器。从主干线传输光信号功率中分出一小部分光功率供监控等应用。,2023/8/31,3、波分复用光纤耦合器,主要应用于：,波分复用光纤通信系统；,光纤放大器中
4、。,属于非对称形式耦合器，选择光纤参数不同，耦合分光比不仅与耦合长度有关，而且与信号波长有关。,2023/8/31,传播常数差为：,将其在,处展开，,耦合分光比：,不同波长、相同光纤间的耦合：,2023/8/31,2023/8/31,光纤复用耦合器,2023/8/31,光纤解复用耦合器,2023/8/31,波长可选择的耦合器和分波器：,对EDFA注入光功率（泵浦光信号光）对简单的 WDM系统作波长分离对DWDM系统增加管理信道,2023/8/31,4、耦合器的性能参数及制备工艺,1.性能参数,耦合比,：输入信道 i 耦合到输出信道 j 的功率之比。,附加损耗,：输出信道功率之和与输入信号功率之
5、比。,2023/8/31,信道插入损耗,：输入信道i到指定输出信道j的损耗。,隔离度：透射式同侧端口之间，非指定信道输出功率Pk与输入功率Pi之比。,2023/8/31,除此之外：对等比耦合器、应考察耦合器的均匀性、反向散射（回波损耗）、工作波长（波长）、偏振敏感度。,耦合器制备方法：,浸蚀法：腐蚀液、匹配液、胶合；,磨削法：磨、匹配液、对拼、精确对位、胶合；,熔锥法：按所要求的端数、一定的耦合矩阵将光纤胶合在一起，加热拉伸成 双锥形，控制过程中监控光功率。,2023/8/31,内容小节,光纤耦合器及特点：定向、全光纤、模式耦合,相同波长的光信号功率分配不同波长的光信号波长路由,相同波长、相同
6、光纤、相同光功率耦合3dB损耗不同波长的光信号完全耦合波长间隔越大，完全耦合的作用长度越小；波长间隔越小，完全耦合的作用长度越大；,2023/8/31,2023/8/31,三、光隔离器,1、简介,定义：光隔离器只允许光波沿着一个方向传输，而光的另一个方向的传输是禁止的。,一种光非互易传输耦合器。,光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通；,光信号沿着反方向传输时损耗大，光路被阻断。,2、应用,半导体激光器防止反馈，降低误码率；,半导体光放大器，防止回波，提高稳定性；,掺杂光纤放大器（如：EDFA）；,光纤激光器中，确保环形激光器的单向激射。,2023/8/31,3、原理：法拉第磁光效应,光
7、波通过置于磁场中的法拉第旋光片时，光波的偏振方向总是沿与磁场（H）方向构成右手螺旋方向旋转，而与光波的传播方向无关。,正、反方向两次通过法拉第旋光片时，偏振方向旋转角度将迭加而不抵消。,基本材料（磁光介质）:,钇铁石榴石(YIG:Yttrium-Iron-Garnet)康宁（Corning）8363号玻璃等,2023/8/31,4、结构,（1）偏振有关的光隔离器：由一对偏振方向成 的偏振片和 偏振旋光片构成。,正向：偏振方向旋转，与检偏器相平行光路通；,反向：偏振方向也旋,，但与检偏器垂直光路断；,2023/8/31,缺点：,光隔离器是偏振相关的对任意偏振态注入的光，将损失50的光功率如果光信
8、号是特定的偏振态，有可能损失全部的光功率若光的偏振态是随着时间变化的，这种变化将体现在对光的衰减上，因而将产生很大的噪声,H,2023/8/31,(2)偏振无关的光隔离器：由一对偏振分光镜、法拉第旋光片，互易旋光片组成：,YIG与波片的前后位置有关，,正向：法拉第旋光片与互易 旋光片对两偏振方向的角度互相抵消，输入光的偏振方向一致。,反向：法拉第旋光片与互易旋光片对两偏振方向的角度相迭加，输入光与输出光的偏振方向相垂直。,2023/8/31,关键：YIG总是向右旋转，而与光的行进方向无关，而互易波片是与传播方向有关的。,光 隔 离 器性能参数：,插入损耗：a=-10lg(Pout/Pin),(
9、正向输入)隔离比：I=-10lg(Pout/Pin),(反向输入）回波损耗：Ib=-10lg(Pback/Pin)通带带宽：Dl偏振灵敏度：S=-10lg1-|(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin)|,2023/8/31,四、光环形器,1、定义：光由环行器的一个端口（如端口 1）输入，沿着环形器传输，将从端口2输出；由端口2输入，则由端口3输出。光总是按规定的路径传输。,2、应用,2023/8/31,3、基本结构：,Polarising Beam Splitter Cube，Birefringent“Walk-off”Block(YVO4)，Faraday Rotator and Ph
10、ase Plate,由端口1输入的光，被第一双折射镜(block A)分成偏振方向互相正交的两束光。这两束光的偏振方向均发生90的旋转。在第二双折射镜(block A)处，两光束再次折射并合成。,2023/8/31,由2端口向1端口传输的光，首先由block B进行分光，两束互相正交的偏振光经45法拉第旋光片与互易旋光片后，两束光的偏振态维持不变，由block B输出后，两光束通过反射棱镜和偏振分光镜作合并，最终由3端口输出。,2023/8/31,4、光环行器性能参数：,插入损耗：a=-10lg(P2,3/P1,2),(顺序输入)隔离比：I=-10lg(P1,2/P2,3),(逆序输入）回波损耗：Ib=-10lg(Pback/Pin)通带带宽：Dl偏振灵敏度：S=-10lg1-|(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin)|,2023/8/31,光环行器用作反射镜,
