光纖光學(xué)無源器件課件

1、光纖光學(xué)無源器件,光纖光學(xué),光纖無源及有源器件技術(shù)及應(yīng)用,光纖光學(xué)無源器件,2,光纖器件,用途: 實(shí)現(xiàn)光纖中的信號(hào)連接、能量分路/合路、波長復(fù)用/解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能量衰減、方向阻隔、光-電-光轉(zhuǎn)換、光信號(hào)放大、光信號(hào)調(diào)制等功能，是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的必備元件。 光器件是具有上述一種功能的元器件的總稱。 類型：無源 (passive)、有源 (active),光纖光學(xué)無源器件,3,光纖無源器件,光纖光學(xué)無源器件,4,光纖無源器件,光無源器件是一種能量消耗型器件，主要功能是對信號(hào)或能量進(jìn)行連接、合成、分叉、轉(zhuǎn)換以及有目的的衰減等，在光纖通信系統(tǒng)以及各類光纖傳感系統(tǒng)中是必不可少的重要器件。,連接 功

2、率耦合 功率調(diào)節(jié) 單向傳輸 波長選擇 交換、開關(guān),復(fù)用、解復(fù)用 調(diào)制、解調(diào) 編碼、解碼 色散處理 緩存、存儲(chǔ) 邏輯處理,光無源器件的功能：,光纖光學(xué)無源器件,5,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,6,器件參數(shù)概念,光纖無源器件,插入損耗: (In

3、sertion Loss),回波損耗:（Return Loss）,隔離度 (Isolation),光纖光學(xué)無源器件,7,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,8,光纖連接器 （Connector）,光連接器件是把兩個(gè)光纖端面結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖之間

4、可拆卸（活動(dòng)）連接的光無源器件，它還具有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。 影響連接損耗的因素： 光纖連接時(shí)，由于光纖纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差異以及橫向錯(cuò)位、角度傾斜、端面間隙、端面形狀、端面光潔度等因素的影響，都會(huì)產(chǎn)生連接損耗。,光纖光學(xué)無源器件,9,光纖光學(xué)無源器件,10,常用光纖接頭類型,“/”前面部分表示尾纖的連接器型號(hào) “/”后面部分表示截面處理工藝,光纖光學(xué)無源器件,11,“SC” 接頭， （Square Connector/ Standard Connector / Subscriber Connector ）是標(biāo)準(zhǔn)方型接頭，采用

5、工程塑料，具有耐高溫，不容易氧化優(yōu)點(diǎn)。傳輸設(shè)備側(cè)光接口一般用SC接頭 “LC”（Lucent Connector）接頭與SC接頭形狀相似，較SC接頭小一些。 “FC”接頭，（ Ferrule Connector ）是金屬接頭，一般在ODF側(cè)采用，金屬接頭的可插拔次數(shù)比塑料要多 “ST”（Straight Tip）卡接式圓型接頭，金屬接頭，,連接器型號(hào),光纖光學(xué)無源器件,12,截面處理工藝,PC： （Physical Contact）其接頭截面是平的 回?fù)p：40dB UPC: (Ultra Polished connectors) ，接頭是弧形的 回?fù)p：50dB55dB APC: (Angle

6、Polished Connector) ，截面8度傾斜角接觸面 回?fù)p：60dB,光纖光學(xué)無源器件,13,光纖連接器一般性能,光纖光學(xué)無源器件,14,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,15,光衰減器（Attenuator）,光衰減器主要用于光纖通信

7、系統(tǒng)的特性測試和其他測試中，是對光功率有一定衰減量的器件。根據(jù)衰減量是否變化，可以分為固定衰減器和可變衰減器。,光纖光學(xué)無源器件,16,光纖光學(xué)無源器件,17,固定衰減器,固定衰減器對光功率衰減量固定不變，主要用于調(diào)整光纖傳輸線路的光損耗。,光纖光學(xué)無源器件,18,可變衰減器,可變衰減器的衰減量可在一定范圍內(nèi)變化，用于測量光接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。,(a)光路和結(jié)構(gòu),(b) 連續(xù)衰減片,厚,薄,光纖光學(xué)無源器件,19,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光

8、隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,20,光纖耦合器（Coupler）,光耦合器（Coupler）是一類能使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行再分配的器件。從端口形式上劃分，它包括X型(22)耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器以及樹形耦合器等。,光纖光學(xué)無源器件,21,1,1-,：耦合分束比，3dB coupler = 0.5,熔錐形光纖耦合器示意圖,光纖耦合器示意圖,光纖耦合器（Coupl

9、er）,光纖光學(xué)無源器件,22,熔融拉錐法是將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定方式靠攏，在高溫下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。,熔融拉錐系統(tǒng)示意圖,光纖光學(xué)無源器件,23,光纖耦合器的技術(shù)參數(shù),（1）插入損耗 （定義同前） （2）附加損耗 附加損耗(Excess Loss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總 和相對于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué) 表達(dá)式為： 式中：Pouti為第i個(gè)輸出口的輸出功率；Pin為輸入光功率。,光纖光學(xué)無源器件,24,（3）分光比（Coupling Ratio） 分光比(C

10、oupling Ratio，CR)是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比，在具體應(yīng)用中常用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：,例如對于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，11或5050代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件，通常稱為3dB耦合器。,光纖耦合器的技術(shù)參數(shù),光纖光學(xué)無源器件,25,（4）方向性（串?dāng)_） 方向性也是光耦合器所特有的一個(gè)技術(shù)術(shù)語，它是衡量器件定向傳輸性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時(shí)，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光功率的比值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,式中：Pin1代表總注入光功率；Pin2代表輸入端非注入光端

11、口的輸出光功率。,光纖耦合器的技術(shù)參數(shù),光纖光學(xué)無源器件,26,(5) 偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)是衡量器件性能對于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量：,在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果往往要求器件的偏振相關(guān)損耗足夠小。,光纖耦合器的技術(shù)參數(shù),(6) 工作波長范圍 工作波長范圍是指無源器件能夠按照規(guī)定的性能要求下工作的波長范圍(min到max)。,光纖光學(xué)無源器件,27,22光纖耦合器內(nèi)的光功率分布,k

12、是耦合系數(shù),50 : 50,光纖光學(xué)無源器件,28,耦合器的性能參數(shù),光纖光學(xué)無源器件,29,例 22雙錐形光纖耦合器的輸入光功率為P0 = 200 mW，另外三個(gè)端口的輸出功率分別為P1 = 90 mW，P2 = 85 mW，P3= 6.3 nW，求耦合比，附加損耗，插入損耗（0口到1口），插入損耗（0口到2口），以及串?dāng)_。,P0,P1,P2,P3,光纖光學(xué)無源器件,30,例 22雙錐形光纖耦合器的輸入光功率為P0 = 200 mW，另 外三個(gè)端口的輸出功率分別為P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，P3 = 6.3 nW，可以求得為：,光纖光學(xué)無源器件,31,光纖無源器件,光連接器

13、 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,32,波分復(fù)用器/解復(fù)用器 （ Multiplexer / Demultiplexer ）,將不同波長的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)，反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號(hào)分解為各個(gè)波長分別輸出的器件稱為解

14、復(fù)用器(也叫分波器)。 從原理上講， 這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來使用， 就是復(fù)用器。 光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。,光纖光學(xué)無源器件,33,熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性,光纖光學(xué)無源器件,34,衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖,光 纖,透 鏡,光 柵,光纖光學(xué)無源器件,35,采用棒透鏡的光柵型WDM,光 纖,棒 透 鏡,光 柵,光纖光學(xué)無源器件,36,光纖光學(xué)無源器件,37,光波分復(fù)用解復(fù)用器,光波復(fù)用器解復(fù)用器應(yīng)用示意圖,光纖光學(xué)無源器件,38,常見器件,1310/1550 波分復(fù)用器,980/1550 波分復(fù)用器,摻鉺光

15、纖放大器（EDFA），C波段激光器/寬帶光源,980/1060 波分復(fù)用器,高功率光纖激光器,光纖光柵陣列傳感系統(tǒng),光纖光學(xué)無源器件,39,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,40,光隔離器（ Isolator）,大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是

16、可以互換的，稱之為互易器件。 隔離器就是一種非互易器件，光隔離器是允許光向一個(gè)方向通過而阻止向相反方向通過的無源器件，它的作用是防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。,光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)實(shí)現(xiàn)其功能。光隔離器的特性是：插入損耗低，反向隔離度高，回波損耗高。 光隔離器分偏振相關(guān)與偏振無關(guān)隔離器。,光纖隔離器示意圖,光纖光學(xué)無源器件,41,偏振無關(guān)型隔離器,光纖光學(xué)無源器件,42,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplex

17、er 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,43,環(huán)形器（ Circulator）,我們都在不斷趕路忘記了出路 在失望中追求偶爾的滿足 我們都在夢中解脫清醒的苦 流浪在燈火闌珊處 既然沒終點(diǎn) 回到原點(diǎn) 我想 我們都不 不在乎,光纖光學(xué)無源器件,44,三端口光環(huán)形器 四端口光環(huán)形器 箭頭方向代表了允許光傳輸?shù)姆较颉?光纖環(huán)形器示意圖,光環(huán)形器是由多個(gè)光隔離器單元組合而成的、控制光束傳播方向的無源器件。,光纖光學(xué)無源器件,45

18、,光纖光學(xué)無源器件,46,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,47,光起偏器/檢偏器 （Polarizer）,光的偏振：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振，在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，包含一切可能方向的橫振動(dòng)，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，

19、這種橫振動(dòng)對稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動(dòng)失去這種對稱性的光統(tǒng)稱偏振光。,光纖光學(xué)無源器件,48,自然光,線偏振光,圓偏振光,橢圓偏振光,部分偏振光,光纖光學(xué)無源器件,49,用于從自然光中獲得偏振光的無源器件稱為起偏器。自然光通過偏振片后成為線偏振光,線偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向一致.在這里偏振片起著起偏器的作用. 將偏振片用于輸出端，可以實(shí)現(xiàn)檢偏功能。,光纖光學(xué)無源器件,50,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Is

20、olator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 濾波器 Filter 光開關(guān) Switches,光纖光學(xué)無源器件,51,偏振控制器 （Polarizer Controller）,光偏振控制器主要用于對入射光的偏振態(tài)改變及控制。理論上，偏振控制器能將輸入的任何一種偏振態(tài)的光（橢圓偏振，圓偏振，線偏振）轉(zhuǎn)變成任意指定偏振態(tài)的輸出 。,光纖光學(xué)無源器件,52,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demult

21、iplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 光開關(guān) Switches 濾波器 Filter,光纖光學(xué)無源器件,53,光開關(guān)（Switches）,是一種用于改變傳輸通路的器件,機(jī)械式 微機(jī)電式 MEMS 波導(dǎo)型光開關(guān) 濾波器式,光纖光學(xué)無源器件,54,光纖無源器件,光連接器 Connector 光衰減器 Attenuator 光耦合器 Coupler 復(fù)用器、解復(fù)用器 Multiplexer / Demultiplexer 光隔離器 Isolator 環(huán)行器 Circulator 光起偏器Polarizer 偏振控制器 Polarization Controller 光開關(guān) Switches 濾波器 Filter,光纖光學(xué)無源器件,55,可以進(jìn)行波長選擇的無源光器件， 即光濾波器。,梳狀濾波器,帶通濾波器,光濾波器示意圖,光濾波器（Filter）,帶阻濾波器,光纖光學(xué)無源器件,56,