物理光纤光学课件

1、光纤光学第三章光纤无源及有源器件W-C ChenFoshan Univ.以光纤为基质，做成能实现对信号进行连接、合成、分叉、转换及放大衰减的器件。1Chapter 3光纤光学第三章光纤无源及有源器件W-C Chen以光纤为光无源器件定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅2Chapter 3光无源器件定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件2C

2、hap光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器（EA）光开关/路由器3Chapter 3光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件3Chapt光器件与电器件的类比4Chapter 3光器件与电器件的类比4Chapter 3光器件的应用多波长光源DWDM光调制器光隔离器光耦合器光波长转换光放大DWDM光色散补偿光隔离器光环行器光波长转换OADMDWDM光隔离器光环行器光开关可调

3、谐滤波DWDMOXC光耦合器光调制解调5Chapter 3光器件的应用多波长光源光放大光波长转换可调谐滤波5Chapt1-2. 熔锥型、磨抛型器件器件分/合束器和耦合器（Splitters and Couplers）power will oscillate from one fibre core to the other.制作工艺：熔锥型、磨抛型熔锥型器件（强耦合模激励理论），使两光纤芯靠近，使传播场向外扩展，以便在相当短的锥体颈部区域出现有效的功率耦合。在耦合器中功率耦合最有效区域（颈部区域）内的模式基本上是包层模，传播场脱离纤芯，这时场是在包层和外部媒体（空气或其他适合的填料）所形成的新波

4、导中传播。磨抛型器件（弱耦合理论），利用光学冷加工（机械抛磨）除去光纤的部分包层，使光纤波导能相互靠近，以形成瞬逝场相互渗透。利用微调装置改变两光纤的相对位置可以改变耦合器的耦合率。6Chapter 31-2. 熔锥型、磨抛型器件器件分/合束器和耦合器（Sp7Chapter 37Chapter 3基本思想：相耦合的两波导中的场, 各自保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数, 耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化。设两波导中的复数振幅为A1和A2。由于耦合作用, 它们沿长度方向变化。 理论耦合模理论实验采用两根相同的光纤，所以其解： 是互耦合系数。实际上，自耦合系数相对于相互耦合系数可以忽略

5、。 8Chapter 3基本思想：相耦合的两波导中的场, 各自保持了该波导独立存在时9Chapter 39Chapter 3X & Y- coupler10Chapter 3X & Y- coupler10Chapter 3Practical Couplers11Chapter 3Practical Couplers11Chapter 3使用微结构光纤制造耦合器微结构光纤（光子晶体光纤）微结构光纤耦合器模场演化图12Chapter 3使用微结构光纤制造耦合器微结构光纤（光子晶体光纤）微结构光纤Wavelength Selective Couplers and Splitters棱镜型光合波和光

6、分波的原理图 衍射光栅型光合波和光分波的原理图 13Chapter 3Wavelength Selective Couplers 波导型分波器的原理图 14Chapter 3波导型分波器的原理图 14Chapter 3Star Couplers15Chapter 3Star Couplers15Chapter 33. 偏振器 The rotation of the birefringent axes has the effect of phase retardation of one component of the signal light in relation to the other.

7、 Thus it changes the polarization of the signal. By rotating the fiber loops you can adjust the device to produce light at any desired polarization.1. 偏振控制器（Polarization Controller）16Chapter 33. 偏振器 The rotation of thA typical loop diameter: about 750 mm.17Chapter 3A typical loop diameter: aboutFibe

8、r Squeezer Polarization Controller18Chapter 3Fiber Squeezer Polarization Co2. 偏振分束器（Polarization Beam Splitter）原理：入射电磁波波束含有两个偏振态，从晶体界面入射后，其中一个偏振态的电磁波束在界面上经历负折射，入射电磁波波束和折射电磁波波束在晶体与环境界面的法线的同一侧；另一个偏振态的电磁波波束在光子晶体与环境界面上经历正折射，入射电磁波波束和折射电磁波波束分别位于法线的两侧，从而把两个偏振态的电磁波波束分开，实现偏振分束。 19Chapter 32. 偏振分束器（Polarizati

9、on Beam Spl4 、隔离器（Isolator）An isolator is a device that allows light to pass along a fibre in one direction but not in the opposite direction.coupling a laser to a fibre. Reflected light can cause instability in the laser and cause many undesirable effects.high speed communication systemoptical ampl

10、ifiersfibre ring cavityApplication20Chapter 34 、隔离器（Isolator）An isolator i 1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转。The Faraday Effect21Chapter 3 1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋Principal of Isolator1. The Faraday EffectLight traveling within the material has its plane of polarization (electric and magnetic field vectors)

11、 rotated by an amount depending on the length and the strength of the magnetic field.the most important aspect is that the effect is asymmetric.materials : YIG (Yttrium-Iron-Garnet)22Chapter 3Principal of Isolator1. The Fa2. Polarisation Independent Isolatorseparating the incoming ray into its two o

12、rthogonal polarizationsprocessing them separately and then re-combining them at the output23Chapter 32. Polarisation Independent Is5. 光纤光栅（Fiber Grating）An in-fibre Bragg grating is constructed by varying the refractive index of the core lengthwise along the fiber. Light of the specified wavelength

13、traveling along the fiber is reflected from the grating back in the direction from which it came.Wavelengths which are not selected are passed through with little or no attenuation. 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with high

14、er refractive index than that of coresWhat is Fiber Grating?24Chapter 35. 光纤光栅（Fiber Grating）An in-fPrinciple of OperationThe grating forms an electromagnetic resonant circuit. Power from the forward direction is coupled into the resonant circuit and then reflected back. Non-resonant wavelengths are

15、 not affected very much.25Chapter 3Principle of OperationThe gratExperimental spectra of Fiber Grating at 1550nmThe center wavelength is given by26Chapter 3Experimental spectra of Fiber Chirped FBGsA “chirp” is where you get a variation in the period of the grating (and hence a variation in its resp

16、onse to different wavelengths) along the length of the grating:vary the period of the grating vary the average RI of the grating.a good 100% reflection over the whole reflected band.27Chapter 3Chirped FBGsA “chirp” is whereWriting the GratingThe grating is written by exposing the fiber to UV light.

17、UV light (244 nm) is able to make permanent modifications in the refractive index of the core.The change in the refractive index is very small indeed. An index change of 0.0001 is sufficient to make an effective grating.Interference Pattern TechniquePhase Mask Technique28Chapter 3Writing the Grating

18、The gratingApplicationsWavelength Stable Lasers Dispersion Compensation Wavelength Selection in WDM SystemsChirped Bragg grating llonglshortUsing in Dispersion Compensation29Chapter 3ApplicationsWavelength Stable Wavelength Selection in WDM Systems30Chapter 3Wavelength Selection in WDM Sy6. 环形器（Circ

19、ulator） Light entering at any particular port (say port 1) travels around the circulator and exits at the next port (say port 2). Light entering at port 2 leaves at port 3 and so on.31Chapter 36. 环形器（Circulator） Light 1 22 332Chapter 31 22 332Chapter 3 多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近2或者4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜

20、交替重叠形成薄膜， 于是对于特定波长表现出较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等。滤波器（Filter）33Chapter 3 多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近7. 掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier) 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。EDFA给光纤通信领域带来的革命! EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)大

21、大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM 频带宽，可以对多路信号同时放大波分复用推动了全光网络的研究开发热潮 全光纤结构，与光纤系统兼容; 对数据率/格式透明，系统升级成本低；34Chapter 37. 掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium Dope35Chapter 335Chapter 3EDFA的工作原理EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间

22、的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。Input signal1530nm-1570nmAmplified output signalPower laser (Pump)980nm or 1480nmFiber containing erbium dopant36Chapter 3EDFA的工作原理EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射

23、产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm亚稳态能带1550nm37Chapter 3EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、8实验测试的EDF光谱38Chapter 3实验测试的EDF光谱38Chapter 3掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发

24、射光影响，保证稳定工作。39Chapter 3掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。输出信号光功率输入信号光功率40Chapter 3光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义EDFA的增益光谱优化问题Optisystem软件器件模拟设计图不同纤长时的增益谱41Chapter 3EDFA的增益光谱优化问题Optisystem软件器件模拟设优化参数选择优化设计的增益曲线 42Chapter 3优化参数选择优化设计的增益曲线 42

25、Chapter 3光放大器的应用线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数43Chapter 3光放大器的应用线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤多信道放大中存在的其它问题：增益平坦增益钳制高的输出功率EDFA的级联特性信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”44Chapter 3多信道放大中存在的其它问题：EDFA的级联特性信道间增益竞争BER接收光功率光功率波长光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机N 123光接收机

26、光接收机光接收机光接收机EDFA1N 3245Chapter 3BER接收光功率光功率波长光功率波长光发射机光发射机光发射机8.光纤激光器激光器的基本原理激光器的基本原理是光受激辐射的放大激光器的三个组成部分：泵浦源，工作物质，谐振腔短脉冲激光器的产生：锁模技术光纤激光器把光纤材料与激光技术结合在一起，并解决了光束质量与输出功率的矛盾堪称当代光电技术最伟大的发明之一。非轴向模轴向模光谐振腔的选模作用46Chapter 38.光纤激光器激光器的基本原理激光器的基本原理是光受激辐射光电探测器和激光器是光纤通信中两个关键的部分，产品技术含量高且投资回收快。光纤激光器是未来新一代激光器技术的发展方向。

27、 光纤激光器供应商将争夺固体激光器及其他激光器在若干关键应用领域的市场份额，而这些市场份额在未来几年将稳步看涨。到2010年，光纤激光器将至少占领工业激光器28亿美元市场份额的四分之一。光纤激光器的销售量将以年增幅愈35的速度攀升，从2005年的1.4亿美元增至2010年的6.8亿美元。（而同期，工业激光器市场每年增幅仅9，2010年预计达到28亿美元。） 47Chapter 3光电探测器和激光器是光纤通信中两个关键的部分，产品技术含量高市场预测世界上各大激光器的公司生产激光器的产值:IPG在光纤激光器的市场份额中占据统治地位，它自行制造许多核心部件。 SPI激光器公司是另一个光纤激光器专业供

28、应商。 JDSU虽然生产光纤激光器，但市场占有份额不大。 而激光器市场的主导者，如Coherent(5亿美元的销售额)，Trumpf(4.5亿美元)，Rofin-Sinar(3.8亿美元)和Newport(1.75亿美元)，目前并不提供光纤激光器产品。48Chapter 3市场预测48Chapter 3腔体线性腔环形腔“8”字形腔谐振腔结构：49Chapter 3腔体线性腔环形腔“8”字形腔49Chapter 3谐振腔结构F-P腔：增益介质位于两片高反射率的腔镜之间。 介质镜：腔损耗大。光纤端面或腔镜稍微倾斜就会使损耗急剧增加。 光纤光栅：系统全光纤化。 光纤环路反射器：定向耦合器L D掺稀土

29、离子光纤光栅 1光栅 2输出激光它与我们传统加工用的工业激光的显著区别有：用掺杂离子的光纤作为工作物质用光纤光栅代替光学镜片构成光学谐振腔LD泵浦源可以通过尾纤与掺杂光纤无缝耦合导光部分也直接采用光纤输出 50Chapter 3谐振腔结构F-P腔：增益介质位于两片高反射率的腔镜之间。L 光纤环行镜环型腔中不需使用反射镜，因而可做成全光纤谐振腔。最简单的设计是把WDM耦合器的两端连在一起形成包括掺杂光纤在内的环型腔，输出连续激光脉冲（图1a）。图1b为锁模光纤激光器常用的特殊设计8字型光纤激光器。激光器由两个环型腔通过耦合器连接组成。右边的环型腔为带增益的非线性环路镜腔，具有放大作用和快的开关特

30、性。在脉冲低功率部分，环内透射率小。当脉冲的峰值功率达到一临界值时，环对脉冲的透射达100%，和锁模操作一样。左腔为含有单向光隔离器的光纤环。 采用不同的器件构成谐振腔反射镜时，激光器便有不同的输出特性。例如利用波长选择器或滤波器可获得单一所需的激光波长；利用阵列波导光栅（AWG）可获得多信道的激光输出，这是DWDM技术所希望的光源具有的能力。51Chapter 3光纤环行镜环型腔中不需使用反射镜，因而可做成全光纤谐振腔。最1. 大功率光纤激光器实现大功率输出的主要技术采用包层泵浦技术，采用特种光纤作为增益介质，同时采用特种材料制造光纤大功率光纤激光器的应用激光加工，激光医疗和军事52Chap

31、ter 31. 大功率光纤激光器实现大功率输出的主要技术52Chapt2. 窄线宽光纤激光器实现窄线宽的相关技术 主要采用光纤光栅或者光纤F-P干涉仪等滤波器进行线宽压缩窄线宽光纤激光器的应用 窄线宽光纤激光器的相关长度长，在相关光通信系统，光纤传感系统，光学测量系统有很好的应用前景。53Chapter 32. 窄线宽光纤激光器实现窄线宽的相关技术53Chapter3. 短脉冲光纤激光器主动锁模技术 主动锁模主要采用电光调制器等主动锁模器件进行模式之间的位相锁定，实现短脉冲被动锁模技术 被动锁模是使用被动饱和吸收体进行脉冲窄化，实现短脉冲和超短脉冲短脉冲光纤激光器的应用 短脉冲光纤激光器在光通

32、信，光学测量，激光加工等多个领域有很好的应用前景。54Chapter 33. 短脉冲光纤激光器主动锁模技术54Chapter 3 美国Calmar公司飞秒光纤激光器（型号：FPL-0X-XX） 波长范围：1535-1560 nm可调或范围内固定重复频率：20M或10-50M可调，脉宽：100fs-1000fs可调或范围内固定，平均输出功率：50-100mW超短脉冲光源可以用做大型激光系统的种子光源，同时在时间定标等领域有重要的应用飞秒激光器的样机55Chapter 3 美国Calmar公司飞秒光纤激光器（型号：FPL-0 美国Polaronyx公司飞秒光纤激光器（模块） 波长范围：1530-1

33、600 nm内固定重复频率：35-60MHz范围内固定脉宽：100fs（典型）平均功率：100mW峰值功率：0.5-20KW飞秒激光器的样机56Chapter 3 美国Polaronyx公司飞秒光纤激光器（模块） 飞 IPG 公司的飞秒光纤激光器Up to 50kW Peak Power100,000hrs Pump Diodes Life飞秒激光器的样机57Chapter 3 IPG 公司的飞秒光纤激光器飞秒激光器的样机57飞秒激光应用工业加工 德国汉诺威激光中心的B. N. Chichkov研究小组在真空靶室中放置100 mm厚的钢片，然后分别将能量为l mJ、宽度为3.3 ns和能量为1

34、20 J、宽度为200 fs的聚集激光对其表面进行加工，经过104个脉冲照射后，比较两者的处理结果具有显著的不同。下图（a）和（b）分别为各自处理结果的SEM图像。 在材料微细加工领域的应用（a）（b）飞秒激光加工研究实例58Chapter 3飞秒激光应用工业加工 德国汉诺威激光中飞秒激光应用生物医学应用 飞秒激光能量高度集中，作用期间几乎没有热量传输效应，因此也不会引起周围环境温度的上升，这在激光手术医疗应用方面非常重要。数度的温度上升一方面会在瞬间变成压力波传到神经细胞产生痛感，另一方面可能会对生物体组织造成致命伤害。因此，飞秒激光可以实现无痛和无损伤的安全治疗。在医学领域的应用例子：牙科

35、治疗 对于人体中质地坚硬的钙化组织的治疗，如牙齿等，一般采用机械钻孔或Er: YAG激光烧蚀方法。这两种方法容易造成钙化组织破损或者产生裂纹，为牙齿进一步腐烂提供了条件，而且必须避免长时间的连续接受治疗。飞秒激光不会带来任何损伤，如图所示。长脉冲激光（a）和飞秒激光（b）在牙科治疗中的比较59Chapter 3飞秒激光应用生物医学应用 飞秒激光能量高度集中，作9.光纤传感器工作原理 所谓光纤传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比

36、较），使输出的光的相位（或振幅）发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。 60Chapter 39.光纤传感器工作原理60Chapter 3工作优点 利用不导电的玻璃纤维制成，其信息传播载体是光子，不是电子，因而无射频干扰和电磁干扰。有较大的灵活性，可以制作成任何形状，可用于恶劣环境和微细变化测量。可与电子设备匹配，实现智能化，多功能化和远程监控。61Chapter 3工作优点 利用不导电的玻璃纤维制成，其信息传播载体是光子，不种类1. 传感型光纤传感器原理： 传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器,光纤既传光又传感而且还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器而言,当光在光纤中传播时,被测对象

37、或外界因素作用在光纤上,会使光纤中传输光的振幅、相位、波长和偏振态等发生改变,此过程为光波的调制,把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。 62Chapter 3种类1. 传感型光纤传感器62Chapter 32. 传光型光纤传感器 原理： 传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器,光纤主要起传输光波的作用,在光纤中间或端部加敏感元件,其主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路等组成。传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器,其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强 I 变化, 通过检测光强 I 的变化来实现对待测物理量的测量。

38、63Chapter 32. 传光型光纤传感器63Chapter 3 Michelsion 干涉式光纤传感器64Chapter 3 Michelsion 干涉式光纤传感器64Chapter Mach-Zehnder 干涉式光纤传感器 65Chapter 3Mach-Zehnder 干涉式光纤传感器 65Chapte特例介绍 Sagnac 干涉式光纤传感器66Chapter 3特例介绍 Sagnac 干涉式光纤传感器66Chapter 1. 一个耦合器在16个输出端均分一输入信号，耦合器无附加损耗，如果输入信号为 -10dBm，那么每个输出端功率为多少？2. 在纤芯折射率为1.5的玻璃光纤内写周期为0.5um的光栅，被强烈反射的光的波长是多