光纤无源及有源器件综述

1、第五章 光纤无源及有源器件5.1 光纤无源器件5.2 光纤有源器件5.3 习题5.1 光纤无源器件光无源器件：能量消耗型器件，对信号或能量进行连接、合成、转换及有目的衰减。要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、 体积小、价格便宜、便于集成等。 光连接器光耦合器光开关光衰减器光隔离器光滤波器（波分复用/解复用器）自聚焦光纤5.1.1 各种无源器件在光纤通信系统链路上的位置和作用5.1.2 连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件， 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他之间的连接。连接损耗光纤类型不匹配光纤几何特性与波导

2、特性差异两光纤连接相对错位从芯径为62.5um耦合到50um，损耗2dB多模光纤到单模光纤，损耗17dB横向偏移轴向分离轴向倾斜错位端面不平整结构类型ST型BC型PC型FC型SC型对接耦合式透镜耦合式准直聚焦透镜自聚焦棒透镜直插型双锥型物理接触型面接触型直联型5.1.2 连接器和接头 表5.1 光纤连接器一般性能 1 . 04050PC型陶瓷-40+80陶瓷-20+70不锈钢工作温度/C不锈钢寿命（插拔次数）3540FC型反射损耗/dB互换性/dB重复性/dB0.20.3插入损耗/dB性能型号或材料项目3101 . 04105.1.2 连接器和接头图 5.1 精密套管结构连接器简图 光纤套管插

3、针粘结剂 连接器的分类： 单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。5.1.2 连接器和接头5.1.2 连接器和接头5.1.2 连接器和接头固定接头用的光纤熔接机固定接头用的光纤熔接机5.1.2 连接器和接头耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。光耦合器按用途分定向耦合器（分路器和合路器）非定向耦合器波长选择耦合器（波分复用/解复用器）按器件、材料、制造、结构分分立元件型（体光学器件型）微光学器件型平面波导型全光纤型多模光纤耦合器单模光纤耦合器保偏光纤耦合器5.1.3 光耦合器（分类）图 5.2 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定向(c)231

4、4l1l2lNl1l2lN(d)波分5.1.3 光耦合器（按用途分） 图 5.3 光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12个22耦合器组成的88星形耦合器 输 入 光光 强 度光 纤 a光 纤 b 输 出 光2341(a)(b)123456789101112(c)5.1.3 光耦合器（按用途分）直通臂耦合臂l1 l2P 0 P1 P2图5.4 熔锥光纤型波分复用器结构和特性 公共臂5.1.3 光耦合器（按用途分） 光纤型 把两根或多根光纤排列，用制作各种器件。 图5.3(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。 如图5.4，光纤a(直通臂)传输的输出光功

5、率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，根据得到 Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL) 式中，L为，C为取决于光纤参数和光波长的。 设特定波长为1和2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得 当光纤a的输出Pa(1)最大时，光纤b的输出Pb(1)=0； 当Pa(2)=0时，Pb(2)最大。 对于1和2分别为1.3m和1.55m的，可以做到为0.5 dB，大于20 dB。5.1.3 光耦合器（按结构分） 图5.5 微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复用器光 纤自 聚 焦 透 镜自 聚 焦 透 镜光 纤滤 光 片l1、

6、l2l1l2l1l2l3l1l2l3光 纤自 聚 焦 透 镜硅 光 栅光 纤自 聚 焦 透 镜分 光 片1342(b)(a)(c)(d)微器件型 用自聚焦透镜和分光片(光部分透射， 部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图5.5所示。 5.1.3 光耦合器（按结构分）衍射光栅型波分复用器结构示意图光 纤透 镜光 栅l1l2l3l1l2l3l1+ l2+ l3l1+ l2+ l35.1.3 光耦合器（按结构分）采用棒透镜的光栅型WDM光 纤棒 透 镜光 栅 l1 l2 l3 l3 l1 l2 l35.1.3 光耦合器（按

7、结构分） 图5.6 波导型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解复用器；光 波 导开 角(a)(b )(c)多 模 波 导多 层 膜 滤 光 片单 模 波 导1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m波导型 在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。5.1.3 光耦合器（按结构分）说明耦合器参数的模型如图5.7所示， 主要参数定义如下。 耦合比CR 是一个指定和的比值，用%表示NnonocOtOCPPPPCR15.1.3 光耦合器（主要特性） 附加损耗Le 由散射、吸收和器

8、件缺陷产生的损耗，是全部输入端的和的比值，用分贝表示NnonNninotitePPpPL11lg10lg10图5.7 光耦合器主要特性的说明5.1.3 光耦合器（主要特性） 方向性DIR(隔离度) 是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示 一致性U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。 ricppDIRlg10 插入损耗Lt 是一个指定和一个指定的比值，用分贝表示ocictppLlg10m-40+70-40+70工作温度/C11.250.82.0稳定性/dB4055方向性/dB044 78 88 111232 32 17193.

9、45.6/1.810.8/0.7插入损耗/dB分路比 0.5/0.5 0.3/0.7 0.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波长/nn星型22型耦合器表5.2 耦合器的一般特性5.1.3 光耦合器（主要特性）2555（滤波）隔离度/dB230.51附加损耗/dB2030200波长间隔/nm1.31和1.551.31和1.55工作波长/6端2端波分复用器m表5.3 波分复用器的一般性能5.1.3 光耦合器（主要特性） 耦合器和其他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，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别

10、是反方向传输。 隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。 插入损耗和隔离度是隔离器。5.1.4 光隔离器与光环行器偏振器图 5.8 隔离器的工作原理 法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP5.1.4 光隔离器与光环行器隔离器工作原理如图5.8所示。 这里假设入射光只是，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向， 因此输入光能够通过第一个偏振器。 紧接第一个偏振器的是，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且其旋转方向与光传播方向无关。 光偏振(极化) 单模光纤中传输的光的偏振态(SOP： State of Polarizatio

11、n) 是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。 在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。 5.1.4 光隔离器与光环行器对图5.8的说明： 法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器， 这个偏振器的透振方向在45方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。 另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)， 反射光的偏振态也在45方向上，当反射光通过时再继续旋转45，此时就变成了。不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。 5.

12、1.4 光隔离器与光环行器对图5.8的说明：磁光效应有些物质本身不具有旋光效应，但在磁场作用下却可具有旋光性，这是人为的旋光现象是一种磁光效应。法拉第磁光效应：光沿平行于外加磁场方向传播磁致双折射效应：光沿垂直于外加磁场方向传播5.1.4 光隔离器与光环行器法拉第磁光效应：顺磁铁磁亚铁磁性物质VHLVerdet常数（费尔德常数）旋转方向只与磁场方向有关，与光的行进方向无关，即为不可逆的光学过程加入磁场后，由于磁场与物质的相互作用，改变了物质的光特性5.1.4 光隔离器与光环行器然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求的工作与入射光的无关，于是的结构就变

13、复杂了。 一种小型的与入射光的偏振态无关的结构如图5.9所示。5.1.4 光隔离器与光环行器图 5.9 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输入SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)5.1.4 光隔离器与光环行器 具有任意的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。 这个的作用是将入射光分解为两个，让垂直分量直线通过， 水平分量偏折通过。 这个半波片的作用是将从左向右传播的光的顺时针旋转45，将从右向左传播的光的逆时针旋转45。 因而与半波片的组合可以使变为，反之亦然。

14、最后两个分量的光在输出端由另一个合在一起输出， 如图5.9(a)所示。 两个分量都要通过， 其偏振态都要旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片 ( plate或halfwave plate)。 2l5.1.4 光隔离器与光环行器对图5.9的说明： 另一方面， 如果存在反射光在反方向上传输，半波片和的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时， 其旋转效果相互抵消，维持不变，在输入端不能被再组合在一起，如图5.9(b)所示，于是就起到隔离作用。 对图5.9的说明：5.1.4 光隔离器与光环行器 图 5.10 光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324 环行

15、器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。 如图5.10所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。 在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。 光环行器主要用于光分插复用器中。5.1.4 光隔离器与光环行器光环形器原理结构示意图5.1.4 光隔离器与光环行器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，可分为固定衰减器和可变衰减器基本原理基本原理：在玻璃基片上蒸镀透射系数（或反射系数）变化很小的金属膜，使通过镀膜玻璃片的光功率被膜层材料吸收一部分，光强度受到衰减。金属膜可以是镍铬

16、等化合物材料，光的衰减量由膜的厚度进行控制。5.1.5 光衰减器固定衰减器可变衰减器5.1.5 光衰减器的功能是转换光路， 实现光交换， 它是的重要器件。 光开关可分为两大类： 机械光开关 固体光开关m304010开光时间/20302560串扰/dB571.31.70.71.3插入损耗/dB88电光12磁光1010机械开关类型表5.4 两类光开关一般性能5.1.6 光开关5.1.6 光开关5.1.5 光开关5.1.6 光开关5.1.5 光开关5.1.7 光纤光栅光纤光栅：发展最为迅速的光无源器件之一，1978年制成世界上第一只光纤光栅。 光纤光栅的分类光纤布拉格光栅闪耀光纤光栅啁啾光纤光栅高斯

17、变迹光纤光栅相移光纤光栅超结构光纤光栅5.1.7 光纤光栅5.2 光纤有源器件掺铒光纤放大器掺铒光纤激光器不适用波分复用的通信系统5.2.1 光放大器概述光纤通信系统的中继距离受限于损耗和色散。1.31um 0.35dB/km1.55um 0.25dB/km掺铒光纤放大器EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifier：光纤通信史的一次革命EDFA最重要的应用就是促使波分复用技术（wavelength Division Multiplexing, WDM）走向实用化。光波分复用技术：光波分复用技术（WDM：Wavelength Division Multiplexing）是指

18、为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一种技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合进同一根光纤传输，在终端分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。目前322.5Gbits的WDM已应用。1610Gbits也实验成功，实验室内实现了13220Gbits。5.2.1 光放大器概述由于初期商用的EDFA带宽平坦范围在1540-1560nm，故早期使用的DWDM系统的复用光波长多在1550nm附近。后来实际EDFA的增益谱宽为35nm，约4.2THz，其中增益起伏小于1dB的谱宽在1539-1565nm之间

19、，若以1.6nm（对应200GHz）的波长间隔，则最少可实现8波长，乃至16波长的同步放大；若以0.8nm（对应100GHz）的波长间隔，则最少可实现16个波长，乃至32个波长的DWDM系统，再加上EDFA约40dB的高增益，大于100mW的高输出功率，以及4-5dB的低噪声值等优越性能，故极大地促进了DWDM系统的快速发展。5.2.1 光放大器概述EDFA的发明者：英国南安普顿大学光电子研究中心（Optoelectronics Research Centre, the University of Southampton) 主任David N. Payne教授。该中心是世界上最大最成功的光子学

20、研究机构之一。2014年5月在武汉光电国家实验室的讲座：从激光器的发明，到光纤的提出，再到为了实现全球范围内光纤通信EDFA的发明，才完成了今天光纤可环绕2300个地球的铺设量。但是随着人们对视频等信息需求急速增加，网络流量在爆炸式的增加使我们用完了可用的通信容量，我们通过新的技术来扩大互联网等方法来增加通信容量。Payne教授重点介绍了光纤束(Fiber Bundle)和光子带隙光纤(Photonic Band Gap Fiber)。通过分析光纤中损耗产生的机理，介绍了一种新的空气芯的HC-PBGF(Hollow-core Photonic Band Gap Fiber)，并把通信波长移到中

21、红外波长区，分析了这种特种光纤在传输链路中的各项性能指标。随后介绍了一种高功率的新型光纤激光器，利用激光器泵浦激光器的方法实现一种新颖的增大通信容量的方法。5.2.1 光放大器概述 5.2.2 光放大器分类（1）掺杂光纤放大器：稀土金属离子作为激光放大工作物质；（2）传输光纤放大器：受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS) 受激布里渊散射（Stimulated Brilliouin Scattering, SBS） 四波混频效应（FWM)（3）半导体激光放大器光放大器与激光器的唯一区别在于光放大器没有正反馈机制5.2.3 光放大器的工作原理掺稀土离子光纤放大器5.2.4掺铒光纤放大器掺铒Er3+光纤在玻璃介质中掺杂一定量的三价铒离子。Er3+能级结构图及跃迁情况无激发态吸收5.2.4掺铒光纤放大器Er3+的吸收带5.2.4掺铒光纤放大器5.2.5 光放大器的指标（1）增益G和增益系数ginoutPPGlg10增益系数g(z)与高能级和低能级的粒子数数目差及泵浦功率有关，对增益系数g(z)在整个掺铒光纤长度上