光纖光學(xué)-無源器件綜述

1、2光纖器件光纖器件 用途用途: 實(shí)現(xiàn)光纖中的信號(hào)連接、能量分路/合路、波長(zhǎng)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：無源類型：無源 (passive)、有源、有源 (active)34 光無源器件是一種能量消耗型器件，主要功能是對(duì)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。連接功率耦合功率調(diào)節(jié)單向傳輸波長(zhǎng)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：5光連接

2、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) Switches6器件參數(shù)概念器件參數(shù)概念光纖無源器件光纖無源器件插入損耗: (Insertion Loss)回波損耗:（Return Loss）隔離度(Isolation)7光連接器 Connector光衰減器 Attenuator光耦合器 Coupler復(fù)用器、解復(fù)用器 Multi

3、plexer / 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) Switches8 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。9光纖套管插針粘結(jié)劑10常用光纖接頭類型

4、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11“SC” 接頭， （Square Connector/ Standard Connector / Subscriber Connector ）是標(biāo)準(zhǔn)方型接頭，采用工程塑料，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)連接

5、器型號(hào)12截面處理工藝截面處理工藝PC： （Physical Contact）其接頭截面是平的回?fù)p：40dBUPC: (Ultra Polished connectors) ，接頭是弧形的回?fù)p：50dB55dBAPC: (Angle Polished Connector) ， 截面8度傾斜角接觸面回?fù)p：60dB 131 . 060APC型型陶瓷陶瓷-40+80陶瓷陶瓷-20+70不銹鋼不銹鋼工作溫度工作溫度/C不銹鋼不銹鋼壽命（插拔次數(shù)）壽命（插拔次數(shù)）40PC型型反射損耗反射損耗/dB互換性互換性/dB重復(fù)性重復(fù)性/dB0.20.3插入損耗插入損耗/dB性能性能型號(hào)或材料型號(hào)或材料項(xiàng)目項(xiàng)目3

6、101 . 0410光纖連接器一般性能光纖連接器一般性能14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) Switches15 光衰減器主要用于光纖通信系統(tǒng)的特性測(cè)試和其他測(cè)試中，是對(duì)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。 1617固定衰減器固定衰減器輸入光纖輸出光纖光纖連接器光纖連接

7、器透鏡透鏡衰減部分 固定衰減器對(duì)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。18 可變衰減器可變衰減器 可變衰減器的衰減量可在一定范圍內(nèi)變化，用于測(cè)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19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) Switches20 光耦合器（Coupler）是

8、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。2111-：耦合分束比，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示意圖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)示意圖熔融拉錐系統(tǒng)示意圖23光纖耦合器的技術(shù)參數(shù)光纖耦合器的技術(shù)參數(shù)（1）插入損耗）插入損耗 （定義同前）（定義同

9、前）（2）附加損耗）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(duì)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。)(lg10.dBPPLEiniouti24（3）分光比（）分光比（Coupling Ratio） 分光比(Coupling 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(duì)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：%100.ioutioutiPPRC 例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，1 1或50 50代表了同樣的分光比，

10、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)光纖耦合器的技術(shù)參數(shù)25（4）方向性（串?dāng)_）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：)(lg10.12dBPPLDININ式中：Pin1代表總注入光功率；Pin2代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。光纖耦合器的技術(shù)參數(shù)光纖耦合器的技術(shù)參數(shù)26(5) 偏振相關(guān)損耗偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss，PD

11、L)是衡量器件性能對(duì)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)光纖耦合器的技術(shù)參數(shù)(6) 工作波長(zhǎng)范圍工作波長(zhǎng)范圍 工作波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍(min到max)。 27 zPP202sin zpzPPPP2020201cossin1%100122PPP光功率分配的百分比120log10PPP附加耦合損耗03log10PP串?dāng)_22光纖耦合器內(nèi)的光功率分布

12、光纖耦合器內(nèi)的光功率分布 是耦合系數(shù)50 : 5028m-40+70工作溫度工作溫度/C0.82.0穩(wěn)定性穩(wěn)定性/dB4055方向性方向性/dB3.45.6/1.810.8/0.7插入損耗插入損耗/dB分光比分光比 0.5/0.5 0.3/0.7 0.1/0.91.31或或1.55工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng)/22型型耦合器耦合器耦合器的性能參數(shù)耦合器的性能參數(shù)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)_。P0P1P

13、2P330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：48.6%100859085%100122PPP耦合比dB58. 08590200log10log10120PPP附加損耗dB3.4790200log10log10)10(10PP端口端口到插入損耗dB45200103 . 6log10log10303PP串?dāng)_dB3.7285200log10log10)20(20PP端口端口到插入損耗31光連接器 Connector光衰減器 Attenuator光耦合器 Couple

14、r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) Switches32 Multiplexer / Demultiplexer 將不同波長(zhǎng)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)用器復(fù)用器(也叫合波器也叫合波器)，反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱為解復(fù)用解復(fù)用器器(也叫分波器也叫分波器)。 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

15、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。33熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性 1 2P 0 P1 P234衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光光 纖纖透透 鏡鏡光光 柵柵 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1+ 2+ 335采用棒透鏡的光柵型采用棒透鏡的光柵型WDM光光 纖纖棒棒 透透 鏡鏡光光 柵柵 1+ 2+ 3 1 2 3+ + 3 1 2 336光 波 導(dǎo)開 角(a)(b )(c)多 模 波 導(dǎo)多 層 膜 濾 光 片單 模 波 導(dǎo)1.55 mm1.55 mm1.3 mm1.3 mm波導(dǎo)型波

16、分解復(fù)用器波導(dǎo)型波分解復(fù)用器37光波分復(fù)用解復(fù)用器光波分復(fù)用解復(fù)用器波分復(fù)用器12341 ,2,3,4波分解復(fù)用器1234光波復(fù)用器解復(fù)用器應(yīng)用示意圖光波復(fù)用器解復(fù)用器應(yīng)用示意圖38常見器件常見器件1310/1550 波分復(fù)用器980/1550 波分復(fù)用器摻鉺光纖放大器（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)39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Polar

17、izer偏振控制器 Polarization Controller濾波器 Filter光開關(guān) Switches40大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件互易器件。 隔離器隔離器就是一種非互易器件非互易器件，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(duì)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隔離器示意圖41偏振無關(guān)型隔離器偏振無關(guān)型隔離器42光連接器 Co

18、nnector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) Switches43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(mèng)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?。光纖環(huán)形器示意圖光纖環(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

19、制光束傳播方向的無源器件。45光發(fā)射機(jī)1光發(fā)射機(jī)2光接收機(jī)1光接收機(jī)2123321光環(huán)行器用于雙向傳輸系統(tǒng)光環(huán)行器用于雙向傳輸系統(tǒng)46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) Switches47光的偏振：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振，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

20、相同的振幅，這種橫振動(dòng)對(duì)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(duì)稱性的光統(tǒng)稱偏振光。48自然光線偏振光圓偏振光橢圓偏振光部分偏振光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。50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

21、Polarization Controller濾波器 Filter光開關(guān) Switches51 光偏振控制器主要用于對(duì)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 。 三環(huán)型機(jī)械式偏振控制器采用了三個(gè)固定延遲的波片，通過調(diào)節(jié)波片的角度可使輸出光偏振態(tài)完全覆蓋龐加萊球表面。52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

22、器 Polarization Controller光開關(guān) Switches濾波器 Filter53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54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 Filter55 可以進(jìn)行波長(zhǎng)選擇的無源光器件， 即光濾波器光濾波器。1 光濾波器1,2,3,4,234梳狀濾波器梳狀濾波器 光濾波器1,2,n寬帶光源帶通濾波器帶通濾波器光濾波器示意圖光濾波器示意圖帶阻濾波器帶阻濾波器56 濾波器的兩個(gè)相鄰的通帶之間的頻譜范圍稱作自由光譜范圍自由光譜范圍(FSR： Free Spectral Range)； 用FWHM（Full width at half maximum）表示傳遞函數(shù)的半高寬半高寬； 比值FSR/FWHM稱作FP濾波器的精細(xì)度精細(xì)度(F: Finess