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1、光纤光学,光纤无源及有源器件技术及应用,2,光纤器件,用途:实现光纤中的信号连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能，是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。类型：无源(passive)、有源(active),3,光纤无源器件,4,光纤无源器件,光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。,连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换、开关,复用、解复用调制、解调编码、解码色散处理缓
2、存、存储逻辑处理,光无源器件的功能：,5,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,6,器件参数概念,光纤无源器件,插入损耗:(Insertion Loss),回波损耗:（Return Loss）,隔离度(Isolation),7,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Atten
3、uator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,8,光纤连接器（Connector）,光连接器件是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤之间可拆卸（活动）连接的光无源器件，它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。影响连接损耗的因素：光纤连接时，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横向错位、角度倾斜、端面间隙、
4、端面形状、端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗。,9,10,常用光纤接头类型,“/”前面部分表示尾纤的连接器型号“/”后面部分表示截面处理工艺,11,“SC”接头，（Square Connector/Standard Connector/Subscriber Connector）是标准方型接头，采用工程塑料，具有耐高温，不容易氧化优点。传输设备侧光接口一般用SC接头“LC”（Lucent Connector）接头与SC接头形状相似，较SC接头小一些。“FC”接头，（Ferrule Connector）是金属接头，一般在ODF侧采用，金属接头的可插拔次数比塑料要多“ST”（Straight
5、Tip）卡接式圆型接头，金属接头，,连接器型号,12,截面处理工艺,PC：（Physical Contact）其接头截面是平的回损：40dBUPC:(Ultra Polished connectors)，接头是弧形的回损：50dB55dBAPC:(Angle Polished Connector)，截面8度倾斜角接触面回损：60dB,13,光纤连接器一般性能,14,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Pol
6、arizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,15,光衰减器（Attenuator）,光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为固定衰减器和可变衰减器。,16,17,固定衰减器,固定衰减器对光功率衰减量固定不变，主要用于调整光纤传输线路的光损耗。,18,可变衰减器,可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。,(a)光路和结构,(b)连续衰减片,厚,薄,19,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator
7、光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,20,光纤耦合器（Coupler）,光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端口形式上划分，它包括X型(22)耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器以及树形耦合器等。,21,1,1-,：耦合分束比，3dB coupler=0.5,熔锥形光纤耦合器示意
8、图,光纤耦合器示意图,光纤耦合器（Coupler）,22,熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，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，实现传输光功率耦合的一种方法。,熔融拉锥系统示意图,23,光纤耦合器的技术参数,（1）插入损耗（定义同前）（2）附加损耗 附加损耗(Excess Loss，EL)定义为所有输出端口的光功率总 和相对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝(dB)表示的数学 表达式为：式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输入光功率。,24,（3）分光比（Coupling Ratio）分光比(Coupling R
9、atio，CR)是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为：,例如对于标准X形耦合器，11或5050代表了同样的分光比，即输出为均分的器件，通常称为3dB耦合器。,光纤耦合器的技术参数,25,（4）方向性（串扰）方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光功率的比值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：,式中：Pin1代表总注入光功率；Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率。,光纤耦合器的技术参数
10、,26,(5)偏振相关损耗 偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量。它是指当传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量：,在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件的偏振相关损耗足够小。,光纤耦合器的技术参数,(6)工作波长范围 工作波长范围是指无源器件能够按照规定的性能要求下工作的波长范围(min到max)。,27,22光纤耦合器内的光功率分布,k 是耦合系数,50:50,28,耦合器的性能参数,29,例 22双锥形光纤耦合器
11、的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW，P3=6.3 nW，求耦合比，附加损耗，插入损耗（0口到1口），插入损耗（0口到2口），以及串扰。,P0,P1,P2,P3,30,例 22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200 mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90 mW，P2=85 mW，P3=6.3 nW，可以求得为：,31,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circul
12、ator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,32,波分复用器/解复用器（Multiplexer/Demultiplexer）,将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)，反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中的关键部件。,33,熔锥光纤型波分复用器结构和特性,34,衍射光栅型波分复
13、用器结构示意图,光 纤,透 镜,光 栅,35,采用棒透镜的光栅型WDM,光 纤,棒 透 镜,光 栅,36,37,光波分复用解复用器,光波复用器解复用器应用示意图,38,常见器件,1310/1550 波分复用器,980/1550 波分复用器,掺铒光纤放大器（EDFA），C波段激光器/宽带光源,980/1060 波分复用器,高功率光纤激光器,光纤光栅阵列传感系统,39,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Pol
14、arizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,40,光隔离器（Isolator）,大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。隔离器就是一种非互易器件，光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。,光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应实现其功能。光隔离器的特性是：插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器分偏振相关与偏振无关隔离器。,光纤隔离器示意图,41,偏振无关型隔离器,42,光纤无源器件,光连接器
15、Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,43,环形器（Circulator）,我们都在不断赶路忘记了出路在失望中追求偶尔的满足我们都在梦中解脱清醒的苦流浪在灯火阑珊处既然没终点 回到原点我想 我们都不 不在乎,44,三端口光环形器 四端口光环形器 箭头方向代表了允许光传输的方向。,光纤环形器示意图,光环形器是由多个
16、光隔离器单元组合而成的、控制光束传播方向的无源器件。,45,46,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,47,光起偏器/检偏器（Polarizer）,光的偏振：振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这
17、种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。,48,自然光,线偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光,部分偏振光,49,用于从自然光中获得偏振光的无源器件称为起偏器。自然光通过偏振片后成为线偏振光,线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向一致.在这里偏振片起着起偏器的作用.将偏振片用于输出端，可以实现检偏功能。,50,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振
18、控制器 Polarization Controller滤波器 Filter光开关 Switches,51,偏振控制器（Polarizer Controller）,光偏振控制器主要用于对入射光的偏振态改变及控制。理论上，偏振控制器能将输入的任何一种偏振态的光（椭圆偏振，圆偏振，线偏振）转变成任意指定偏振态的输出。,52,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization
19、 Controller光开关 Switches滤波器 Filter,53,光开关（Switches）,是一种用于改变传输通路的器件,机械式微机电式 MEMS波导型光开关滤波器式,54,光纤无源器件,光连接器 Connector光衰减器 Attenuator光耦合器 Coupler复用器、解复用器 Multiplexer/Demultiplexer光隔离器 Isolator环行器 Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器 Polarization Controller光开关 Switches滤波器 Filter,55,可以进行波长选择的无源光器件，即光滤波器。,梳状滤波器,带通滤
20、波器,光滤波器示意图,光滤波器（Filter）,带阻滤波器,56,滤波器的两个相邻的通带之间的频谱范围称作自由光谱范围(FSR：Free Spectral Range)；用FWHM（Full width at half maximum）表示传递函数的半高宽；比值FSR/FWHM称作FP滤波器的精细度(F:Finesse),滤波器的几个重要参数,57,光滤波器的带宽,光滤波器的带宽,58,马赫-曾德尔干涉滤波器(MZI:Mach-Zehnder Interferometer)法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器光纤光栅（Fiber Grating）,常见的光纤滤波器,59,马赫-曾
21、德尔滤波器:(Mach-Zehnder Interferometer),L,60,法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器,法布里-珀罗(FP:Fabry-Perot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的。这种滤波器也叫F-P干涉仪，传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。,61,A=0及R=0.75、0.9和0.99时FP滤波器的功率传递函数,反射率R越大，相邻信道的隔离度就越好。,62,光纤光栅滤波器（Fiber Grating）,光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成永久性的衍射光栅,长周期光纤光栅（LPG）光纤布拉格光栅（FBG）,63,长周期光纤光栅（LPG）,透射型带阻滤波器,64,光纤布拉格光栅（FBG）,透射型带阻滤波器反射型带通滤波器,
