微光学元器件课件

FocusProfileofConventionalLens(Homogeneousindex)ProfileofGRINLensFocusFocusProfileofConventionalLLightpropagationthroughaGRINrodPointSource1.0pitchPointSource0.5pitchCollimatedBeamLightpropagationthroughaGR0.25Plens:onaxis0.25Plens:onaxis0.25Plens：offaxis0.25Plens：offaxis0.23Plens：anglecompress0.23Plens：anglecompress0.29Plens：faculacompress0.29Plens：faculacompressTypeDiameterPitchlARSLW1.0 0.11630A2SLH1.8 0.18830C1SLS2.0 0.231060NC 3.0 0.251300 4.0 0.291560 NSGSelfocMicroLensModel:TypeDiameterPitc自聚焦透镜的基本特征平方率折射率分布光线轨迹为cos或sin曲线从一点发出的不同角度的光线将会聚于另一点，形成“自聚焦”具有独到特点：体积小、平端面超短焦距组合透镜成像特性可以弯曲成像自聚焦透镜的基本特征平方率折射率分布GRIN透镜的应用：光源耦合GRIN透镜的应用：光源耦合GRIN透镜的成像（I）A=2D/a2GRIN透镜的成像（I）A=2D/a2GRIN透镜的成像（II）GRIN透镜的成像（II）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（IV）GRIN透镜的成像（IV）GRIN透镜的成像（V）GRIN透镜的成像（V）GRIN透镜的应用：准直-聚焦GRIN透镜的应用：准直-聚焦近轴光线传输矩阵近轴光线：光线与光学系统轴线夹角小于5度，可以近似近轴光线参数：为了方便的描述光学元件对近轴光线的变换作用，采用光线高度r和光线角度θ两个参数描述光线经过光学元件前后的状态。参数符号规定：光线位置－轴线以上为正，以下为负；光线角度－从轴线沿锐角绕至光线，逆时针为正，顺时针为负。传输矩阵：采用一个2×2矩阵描述光学元件对近轴光线的变换作用。近轴光线参数定义光学元件近轴光线传输矩阵近轴光线：光线与光学系统轴线夹角小于5度，可近轴光线传输矩阵平板玻璃传输矩阵Ln近轴光线传输矩阵平板玻璃传输矩阵Ln近轴光线传输矩阵n1R球面传输矩阵近轴光线传输矩阵n1R球面传输矩阵近轴光线传输矩阵GRIN－LENSC－LENS准直透镜传输矩阵近轴光线传输矩阵GRIN－LENSC－LENS准直透镜传输矩高斯光束的传输高斯光束的波函数对确定波长，高斯光束的特性由其束腰半径ω0决定。高斯光束的传输高斯光束的波函数对确定波长，高斯光束的特性由其高斯光束的传输2θ光束发散角：普通准直器：高斯光束的发散角高斯光束的传输2θ光束发散角：普通准直器：高斯光束的发散角高斯光束的传输q参数－为了描述高斯光束的传播特性，引入q参数如下：ABCD法则：其中ABCD为光学元件的近轴光线传输矩阵。高斯光束传播的ABCD法则高斯光束的传输q参数－为了描述高斯光束的传播特性，引入q参数高斯光束的能量耦合高斯光束的耦合失配情况尾纤为单模光纤的光无源器件，可用高斯光束近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可如下计算：两高斯光束之间的耦合，存在：径向失配，轴向失配和角向失配。高斯光束的能量耦合高斯光束的耦合失配情况尾纤为单模光纤的光无高斯光束的能量耦合两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系束腰半径分别为200um和5um，对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为200um的光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配有较大容差；束腰半径为5um的光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配有较大容差。高斯光束的能量耦合两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系束光纤头的8度减反射角光纤头回波损耗与端面角度的关系以SMF-28型光纤为例，1310nm和1550nm的模场直径分别为9.2um和10.4um，计算得到两波长的回波损耗与端面角度关系如上图。当端面角度为8度时，1310nm和1550nm光的回损分别为40dB和36dB，前者约比后者大4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约4%的光反射回去，增加回损14dB，总回损分别为54dB和50dB；镀增透膜之后，剩余反射率<0.25%，增加回损26dB，总回损分别为66dB和62dB。选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB光纤头的8度减反射角光纤头回波损耗与端面角度的关系以SMF-

PigtailAssembly1.PigtailAssembly1.CutoffpointAnglepolishingARCoating2.3.4.

PigtailAssemblyCutoffpointAnglepolishingAR1.800+0/-.02Z+0/-.048°+/-0.5°mm1.800+0/-.02Z+0/-.048°+/-0.1.80+0/-.02mm1.800+/-0.005mm1.800+/-0.005mm1.80+0/-.02mm1.800+/-0.0051.UVAdhesiveEpoxyCollimatorAssembly1.UVAdhesiveEpoxyCollimatorAssAlignfacesMarkCollimatorAssembly2.AlignfacesMarkCollimatorAsse微光学元器件课件0-10-20-30-40-50-60CouplingLoss(dB)00.10.20.30.40.50.60.70.8TiltingAngleofIncidentLighttoGRINLensAxis(Degree)0CouplingLoss(dB)00.1CollimatorAssemblyP/MUVAdhesivePositioner#2(Reference)Positioner#1(tobeassembled)3.CollimatorAssemblyP/MUVAdhesCollimatorCollimatedbeamFiberendRealimageofthefiberendGrinLenses(1/4pitch)CollimatorCollimatedbeamFiberCollimatorAssemblySSTube(lensholder)4.CollimatorAssemblySSTube(le9um8°10°350umGrinLenses(1/4pitch)FiberPigtail9um8°10°350umGrinLensesFibe单光纤准直器光束发散角大，随两光纤端面间距增加，耦合损耗迅速增大光纤准直器的结构和参数光纤头准直透镜两准直器的理想耦合情况，束腰重合光束发散角小，损耗对间距不敏感，允许插入光学元件θ－点精度，因光纤头8度斜面引起；

Zw－工作距离，对应最小耦合损耗的间距；

2ωt－光斑束腰直径。单光纤准直器光束发散角大，随两光纤端面间距增加，耦合损耗迅速单光纤准直器单光纤准直器设计I确定工作距离Zw列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵光纤头与透镜间隙：Grin-Lens：透镜端面至光束束腰：总传输矩阵：单光纤准直器单光纤准直器设计I确定工作距离Zw单光纤准直器单光纤准直器设计II3.列出输出光束束腰位置的q参数光纤端面高斯光束的模场半径为ω0且波面曲率半径为R0=∞，因此光纤端面的q参数为：输出光束束腰位置的q参数为：确定光纤头与透镜间距L：※计算光斑尺寸和点精度根据确定的间距L0，可由q3计算光斑尺寸：点精度可根据各元件的传输矩阵，由光线追迹方法得到，此不赘述。单光纤准直器单光纤准直器设计II3.列出输出光束束腰位单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比I工作距离限制稍作变换，等到一个关于L的一元二次方程，该方程有解（两个解中接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件。一元二次方程：系数条件：由此得到工作距离限制Grin-Lens：C-Lens：C-Lens在长工作距离应用中具有优势，而Grin-Lens是TFF型DWDM中不可缺少的。单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比I工作距离限单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比II光斑尺寸取间距L等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下：Grin-Lens：C-Lens：点精度取间距L等于透镜焦距，得到点精度如下：Grin-Lens：C-Lens：单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比II光斑尺寸CollimatedbeamFiberendRealimageofThefiberendGrinLenses(1/4pitch)Advantages:1.Fiber-to-fibercouplingefficiency2.InsertopticalcomponentsbetweenfiberCollimatedbeamFiberendRealiqdqdPolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForwardtransmissionBackwardtransmission隔离器（非互易）PolarizerAnalyzerFaradayPolariCylindricalMagnetFaradayRotatorPolarizerAnalyzerIncidentBeamTransmittedBeamCylindricalMagnetFaradayPolarAnalyzerFaradayRotator(Garnet)PolarizerCylindricalMagnetMOFIHousing(Au-plated)MOFICapAnalyzerFaradayPolarizerCylindPolarizer1FaradayRotator1ForwardtransmissionBackwardtransmissionPolarizer1Polarizer2Polarizer3FaradayRotator1FaradayRotator2Polarizer345°90°90°135°45°90°Polarizer2FaradayRotator2Polarizer1FaradayForwardtranCollimatorCollimatorCoreCollimatorCollimatorCoreCoreCore1mm1mm3.2mm0.4mmFaradayRotator(Garnet)1mm1mm3.2mm0.4mmFaradayRo法拉第旋转器（FaradyRotator,garnet）法拉第磁致旋光效应：在外加磁场B作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。(1)对于给定的磁光材料，光振动面旋转的角度与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度成正比，＝VLBV是材料的特性常数，称韦尔代常数，单位是：分/特斯拉·米。(2)磁致旋光不可逆性。当光传播方向平行于磁场时，若法拉第效应表现为左旋，则当光线逆反时，法拉第效应表现为右旋。法拉第旋转器（FaradyRotator,garnet）1.crystalgrowingtechnique2.Largerotationangle(45°@1550nm)3.Lowinsertionloss(0.1dB@1550nm)4.Highextinctionratio:40~45dB)5.Thickness(0.4mm,lowPDL)6.Smallersaturationmagnetization(200~1100Gauss)1.crystalgrowingtechniqueBi-refringentMaterial1.IsotropicMaterialonerefractiveindexforallpolarizationstate2.Bi-refringentMaterialDifferentrefractiveindexfordifferentpolarizationstateBi-refringentMaterial1.IsotE-beamO-beamE-beamO-beamDdE-beamO-beamE-beamO-beamDd生长方法简介1多晶原料合成

配料：按分子式NdxY1-xVO4由Nd2O3、Y2O3、V2O5配料合成

x为Nd3+掺杂的浓度，一般0≤x≤0.06

原料提纯与合成工艺过程（固相合成）500℃下氧气氛中或大气中彻底分解成V2O5Y2O3提纯后1200℃灼烧一天，除去草酸根杂质生长方法简介500℃下氧气氛中或大气中彻底分解成V2O5Y2设备：中频感应加热异型大口径(φ80mm级)铱坩埚（如图）方法：丘克拉斯基法生长晶体生长气氛：为含有适量氧的高纯氮气拉速：0-2mm/h，晶转在30～10r/min变速时间：生长周期2～3天。晶体尺寸：φ30～35×50mm，c轴YVO4单晶，晶体质量～200g左右晶体生长方法：丘克拉斯基法设备：中频感应加热异型大口径(φ80mm级)铱坩埚（如图）晶籽晶夹持器生长晶体熔体加热器N2（O2）籽晶夹持器生长晶体熔体加热器N2（O2）晶体对称性：锆石四角形空间群D4h晶胞：

a=b=7.12c=6.29结晶学性质晶体对称性：结晶学性质物理学性质：颜色：黄色，浅棕色，浅黄棕密度：4.21莫氏硬度：5，接近玻璃易吸湿性：不吸湿热彭胀系数：aa=4.43x10-6/K;ac=11.37x10-6/K热传导系数：||C:5.23W/m/K;⊥C:5.10W/m/K物理学性质：光学性质：晶体类别：正的单轴晶体折射率：波长（um） no ne △n 分离角（度） 0．63 1．9929 2．2154 0．2225 6．04 1．30 1．9500 2．1554 0．2054 5．72 1．55 1．9447 2．1486 0．2039 5．69 透光性：从0.4um到5um有良好的透光性（TransparencyCurveofYVO4thickness=1mm)光学性质：（TransparencyCurveofY与其它的双折射晶体比较1与方解石相比，YVO4有较好的温度稳定性、物理特性、机械特性。方解石由于它的易吸潮及低硬度，很难获得高的光学质量。2与金红石相比，金红石太硬，YVO4较易加工，降低成本，特别是对于批量生产。3与铌酸锂晶体相比，它们有相似的物理性质和机械性质，但YVO4的双折射值是铌酸锂的三倍多，这使得使用YVO4时，设计的器件更加紧凑。与其它的双折射晶体比较性质YVO4TiO2LiNbO3Calcite透明度范围(um)0.4-5.00.4-0.50.4-0.50.4-2.3易吸湿性不吸湿不吸湿不吸湿易吸湿硬度（莫氏）56.553热光系数(10-6/k)dno/dt-8.5-0.720．53

dne/dt-3.0-0.425．60

热彭胀系数(10-6/k)Aa4.47.116．726.3Ac11.49.275.4折射率(1550)no1.94472.4542.21511.6346ne2.14862.7102.14131.4797Δn0.20390.256-0.0738-0.1595性质YVO4TiO2LiNbO3Calcite透明度范围(u<+Z><-Z><-Y><+Y><+X><-X>20mm76mm0.76mm<+Z><-Z><-Y><+Y><+X><-X>22.5°76mm0.761.22mm0.76mm1.22mm0.76mm12°{0.24mm-Z22.5°1.22mm22.5°76mm0.761.22mm0.76mZ22.5°EOIncidentplaneOpticalaxisZ22.5°EOIncidentplaneOptical微光学元器件课件E-beamO-beamE-beamO-beamDdE-beamO-beamE-beamO-beamE-beamO-beamDdE-b//0.011.430.020.600.021.150.021.780.01Au-plating(Au:30~50u”)(Ni:100~150u”)//0.011.430.020.600.0IsolatorCoreAssemblySolderringGarnetS.Sring(au-plated)1.FaradayRotatorAssemblyIsolatorCoreAssemblySolderrEpoxyUVEpoxyIsolatorCoreAssembly2.BirefringentMaterialAssemblyEpoxyUVEpoxyIsolatorCoreAssePositioner#2Positioner#13.IsolatorCoreAssemblyPre-evaluationofCorePositioner#2Positioner#13.4.IsolatorCoreAssemblyEpoxyMagnetringCoreFinalAssembly4.IsolatorCoreAssemblyEpoxyMPositioner#2Positioner#15.FinalEvaluationPMDfreewedgeUVEpoxyIsolatorCoreAssemblyPositioner#2Positioner#15.Positioner#2Positioner#16.InnerbodyassemblyIsolatorFinalAssemblySiliconeRubberPositioner#2Positioner#16.CorporationS/N:00000001CorporationS/N:00000001203-001-404203-001-211203-001-209203-003-503203-001-108203-001-404203-001-211203-001-偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器Displacer晶体功能示意图光轴dθαO光e光LDisplacer晶体光轴oeoe单轴晶体对正入射光的双折射情况Displacer角度：当：时，对YVO4晶体，有no＝1.9447，ne＝2.1486，当θ＝47.85°时，αmax＝5.7°，晶体长度与e光偏移量的比值为L:d=1:tan(5.7°)＝10:1，这是钒酸钇晶体能够达到的最大偏移比率，此光轴方向是Displacer晶体中最常用的。Displacer晶体功能示意图光轴dθαO光e光LDispDisplacer型光隔离器Displacer型光隔离器结构与原理正向光路反向光路oeoe45°45°oeoe45°45°Displacer1半波片旋光片Displacer2准直器1准直器2半波片与旋光片配对，对正向光偏转90°，在两个Displacer晶体中未发生o光与e光的转换，顺利耦合到准直器2中；对反向光未发生偏转，在两个Displacer晶体中发生o光与e光的偏转，不能耦合到准直器1中，实现反向隔离。半波片功能光轴Displacer型光隔离器Displacer型光隔离器结构偏振无关型光隔离器结构二偏振无关型光隔离器结构二solderRingAssembly(12pcs/uph)85℃,110℃Baking(Oven)3hrsRotator&CoreAssembly(15pcs/uph)85℃Baking(HotPlate)1hrsRotator&CoreTest(40pcs/uph)Displacers&CoreAssembly(15pcs/uph)DisplacersPairMeasurement(30pcs/uph)Waiting1hrsWaiting16hrs85℃Baking(HotPlate)0.33hrsDisplacer&WPLAssembly(5pcs/uph)85℃,110℃Baking(Oven)3hrsWaiting3hrs24hrsMadeby：Checkby：PS：uph：unitperson*onehoursolderRingAssembly(12pcs/up24hrsTestingⅠ(7pcs/uph)Displacer&HolderAssembly(17pcs/uph)85℃Baking(HotPlate)0.33hrsWedge&HolderAssembly(14pcs/uph)85℃Baking(HotPlate)0.33hrsTestingⅡ(9pcs/uph)Waiting1hrsWaiting1hrsHolder&InnerhousingAssembly(10pcs/uph)85℃Baking(HotPlate)0.33hrs85℃Baking(oven)1.5hrsWaiting3hrsACollimatorsImmersionTesting(50pcs/uph)Circulator&OuterhousingAssembly(15pcs/uph)Assemblyendcaps(5pcs/uph)T/Ccycling24hrsFinaltesting1hr(1pcs/uph)OQAASoldering0.67pcs/uphWaiting1hrsWaiting1hrs85℃Baking(oven)0.5hrs24hrs36hrs36hrs85℃烤箱0.33hrs焊锡处涂胶20pcs/uph85℃烤箱1h24hrsTestingⅠ(7pcs/uph)Di微光学元器件课件微光学元器件课件微光学元器件课件微光学元器件课件微光学元器件课件旋转器半波片Port1Port3Port2分束器分束器分束器旋转器半波片Port1Port3Port2分束器分束器分束器123GRIN透镜双折射晶体反射棱镜偏振分束器FR旋转器互易旋转器123GRIN透镜双折射晶体反射棱镜偏振分束器FR旋转器互易测试参数：插入损耗(IL)、附加损耗（EL）均匀性（uniformity）隔离度（Isolation）方向性（Directivity）回损（reflectance）偏振相关损耗（PDL，polarization-dependentloss）温度相关损耗（TDL）、工作带宽（OpticalBandpass）、偏振模色散（PMD，polarizationmodedispersion）测试参数：插入损耗(dB)插入损耗常常简称为插损，指一个输出端口的输出功率和一个输入端口输入功率的比值，插入损耗常常包括两部分，一部分是器件非理想造成的附件损耗（通常是不期望存在的），另外一部分是器件本身特性造成的（例如分路器【splitter，也叫耦合器coupler】的分光比，例如某个端口本身应该输出20％的输入光，对这个端口来说，本来就应该有80％的“损耗”）。插入损耗常常简称为插损，指一个输出端口的输出功率和一个输入端附加损耗（EL）附加损耗也常常称之为额外损耗。一般一个N×M，对于某一个输入功率P0，我们期望其中的某一个或者某几个端口输出（Pi…Pj），附加损耗的定义是：

附加损耗（EL）均匀性（uniformity）均匀性也常常称之为分光比容差，一般是针对光纤耦合器而言的。对于均匀分光的多端口耦合器，各输出端口的光功率的最大相对变化量。均匀性（uniformity）方向性（Directivity）方向性是衡量器件定向传输特性的参数，也常常称之为近端串扰（near-endcrosstalk）或者近端隔离度，对于一个有多个输入端的器件，其中某个端口I输入功率Pi，在其他输入端口中反射回来的光功率Pj，那么方向性的定义是：方向性（Directivity）回损（reflectance）回损是衡量器件定向传输特性的参数，但其定义是回到入射端口的光功率的大小的相对值。其中Pi是入射光功率，Pr是反射回入射端口的光功率。回损（reflectance）其中Pi是入射光功率，Pr是反偏振相关损耗（PDL，polarization-dependentloss）也常常称之为偏振相关灵敏度，表征输入信号在所有偏振状态下，某输出端口的插入损耗的最大相对变化量，用dB表示。温度相关损耗（TDL）也常常称之为温度相关灵敏度，表征输入信号在使用温度范围内（例如：-25℃～75℃），某输出端口的插入损耗的最大变化量。偏振相关损耗（PDL，polarization-depend隔离度（Isolation）对于波分复用器来说，又叫远端串扰。表征某一个光信号通过分波器后在不期望的波长端口输出的光功率量，用dB表示。对隔离器来说，隔离度定义是隔离器反向输入光信号，输出光功率与输入光功率的比值就是隔离度。也有的资料上把隔离器的隔离度定义微正向和反向输入同样的光功率情况下，输出功率的比值，两种定义上，相差一个插入损耗，通常使用前面的定义隔离度（Isolation）工作带宽（OpticalBandpass）表征器件工作时的波长范围，通常是某端口的插入损耗随波长的变化范围，常常用nm@0.1dB、nm@3dB、nm@20dB等表示，表示工作波长的峰值功率的0.1dB、3dB、20dB处的带宽。有时也用满足器件工作要求条件的波长带宽；例如隔离器默认为30dB隔离度，13/15WDM的隔离度为18dB等。（ASE+OSA；TL+PM）偏振模色散（PMD，polarizationmodedispersion）表征当两个相互垂直的偏振态入射光信号通过器件后的最大延迟量，常用ps表示。工作带宽（OpticalBandpass）分光比（CR）分光比是耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口输出功率占总输出功率的分额，一般用百分比来表示。分光比（CR）ASE+OSA与TL+PM耦合器：插损、额外损耗、分光比、均匀性、方向性、回损、PDL、TDL、隔离器：插损、隔离度、回损、PDL、WDL（或工作带宽）ASE+OSA与TL+PM产品关注的特点：适合生产（简单、重复性好）质量稳定（生产过程中的工艺，例如胶、封装材料）接口统一（标准，例如所有厂家的尺寸、规格统一）文档（作业指导书、生产规范等）检测严格（例如1209，1221，双85，盐雾、温度循环）定型（不轻易改动）产品关注的特点：FocusProfileofConventionalLens(Homogeneousindex)ProfileofGRINLensFocusFocusProfileofConventionalLLightpropagationthroughaGRINrodPointSource1.0pitchPointSource0.5pitchCollimatedBeamLightpropagationthroughaGR0.25Plens:onaxis0.25Plens:onaxis0.25Plens：offaxis0.25Plens：offaxis0.23Plens：anglecompress0.23Plens：anglecompress0.29Plens：faculacompress0.29Plens：faculacompressTypeDiameterPitchlARSLW1.0 0.11630A2SLH1.8 0.18830C1SLS2.0 0.231060NC 3.0 0.251300 4.0 0.291560 NSGSelfocMicroLensModel:TypeDiameterPitc自聚焦透镜的基本特征平方率折射率分布光线轨迹为cos或sin曲线从一点发出的不同角度的光线将会聚于另一点，形成“自聚焦”具有独到特点：体积小、平端面超短焦距组合透镜成像特性可以弯曲成像自聚焦透镜的基本特征平方率折射率分布GRIN透镜的应用：光源耦合GRIN透镜的应用：光源耦合GRIN透镜的成像（I）A=2D/a2GRIN透镜的成像（I）A=2D/a2GRIN透镜的成像（II）GRIN透镜的成像（II）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（III）GRIN透镜的成像（IV）GRIN透镜的成像（IV）GRIN透镜的成像（V）GRIN透镜的成像（V）GRIN透镜的应用：准直-聚焦GRIN透镜的应用：准直-聚焦近轴光线传输矩阵近轴光线：光线与光学系统轴线夹角小于5度，可以近似近轴光线参数：为了方便的描述光学元件对近轴光线的变换作用，采用光线高度r和光线角度θ两个参数描述光线经过光学元件前后的状态。参数符号规定：光线位置－轴线以上为正，以下为负；光线角度－从轴线沿锐角绕至光线，逆时针为正，顺时针为负。传输矩阵：采用一个2×2矩阵描述光学元件对近轴光线的变换作用。近轴光线参数定义光学元件近轴光线传输矩阵近轴光线：光线与光学系统轴线夹角小于5度，可近轴光线传输矩阵平板玻璃传输矩阵Ln近轴光线传输矩阵平板玻璃传输矩阵Ln近轴光线传输矩阵n1R球面传输矩阵近轴光线传输矩阵n1R球面传输矩阵近轴光线传输矩阵GRIN－LENSC－LENS准直透镜传输矩阵近轴光线传输矩阵GRIN－LENSC－LENS准直透镜传输矩高斯光束的传输高斯光束的波函数对确定波长，高斯光束的特性由其束腰半径ω0决定。高斯光束的传输高斯光束的波函数对确定波长，高斯光束的特性由其高斯光束的传输2θ光束发散角：普通准直器：高斯光束的发散角高斯光束的传输2θ光束发散角：普通准直器：高斯光束的发散角高斯光束的传输q参数－为了描述高斯光束的传播特性，引入q参数如下：ABCD法则：其中ABCD为光学元件的近轴光线传输矩阵。高斯光束传播的ABCD法则高斯光束的传输q参数－为了描述高斯光束的传播特性，引入q参数高斯光束的能量耦合高斯光束的耦合失配情况尾纤为单模光纤的光无源器件，可用高斯光束近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可如下计算：两高斯光束之间的耦合，存在：径向失配，轴向失配和角向失配。高斯光束的能量耦合高斯光束的耦合失配情况尾纤为单模光纤的光无高斯光束的能量耦合两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系束腰半径分别为200um和5um，对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为200um的光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配有较大容差；束腰半径为5um的光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配有较大容差。高斯光束的能量耦合两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系束光纤头的8度减反射角光纤头回波损耗与端面角度的关系以SMF-28型光纤为例，1310nm和1550nm的模场直径分别为9.2um和10.4um，计算得到两波长的回波损耗与端面角度关系如上图。当端面角度为8度时，1310nm和1550nm光的回损分别为40dB和36dB，前者约比后者大4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约4%的光反射回去，增加回损14dB，总回损分别为54dB和50dB；镀增透膜之后，剩余反射率<0.25%，增加回损26dB，总回损分别为66dB和62dB。选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB光纤头的8度减反射角光纤头回波损耗与端面角度的关系以SMF-

PigtailAssembly1.PigtailAssembly1.CutoffpointAnglepolishingARCoating2.3.4.

PigtailAssemblyCutoffpointAnglepolishingAR1.800+0/-.02Z+0/-.048°+/-0.5°mm1.800+0/-.02Z+0/-.048°+/-0.1.80+0/-.02mm1.800+/-0.005mm1.800+/-0.005mm1.80+0/-.02mm1.800+/-0.0051.UVAdhesiveEpoxyCollimatorAssembly1.UVAdhesiveEpoxyCollimatorAssAlignfacesMarkCollimatorAssembly2.AlignfacesMarkCollimatorAsse微光学元器件课件0-10-20-30-40-50-60CouplingLoss(dB)00.10.20.30.40.50.60.70.8TiltingAngleofIncidentLighttoGRINLensAxis(Degree)0CouplingLoss(dB)00.1CollimatorAssemblyP/MUVAdhesivePositioner#2(Reference)Positioner#1(tobeassembled)3.CollimatorAssemblyP/MUVAdhesCollimatorCollimatedbeamFiberendRealimageofthefiberendGrinLenses(1/4pitch)CollimatorCollimatedbeamFiberCollimatorAssemblySSTube(lensholder)4.CollimatorAssemblySSTube(le9um8°10°350umGrinLenses(1/4pitch)FiberPigtail9um8°10°350umGrinLensesFibe单光纤准直器光束发散角大，随两光纤端面间距增加，耦合损耗迅速增大光纤准直器的结构和参数光纤头准直透镜两准直器的理想耦合情况，束腰重合光束发散角小，损耗对间距不敏感，允许插入光学元件θ－点精度，因光纤头8度斜面引起；

Zw－工作距离，对应最小耦合损耗的间距；

2ωt－光斑束腰直径。单光纤准直器光束发散角大，随两光纤端面间距增加，耦合损耗迅速单光纤准直器单光纤准直器设计I确定工作距离Zw列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵光纤头与透镜间隙：Grin-Lens：透镜端面至光束束腰：总传输矩阵：单光纤准直器单光纤准直器设计I确定工作距离Zw单光纤准直器单光纤准直器设计II3.列出输出光束束腰位置的q参数光纤端面高斯光束的模场半径为ω0且波面曲率半径为R0=∞，因此光纤端面的q参数为：输出光束束腰位置的q参数为：确定光纤头与透镜间距L：※计算光斑尺寸和点精度根据确定的间距L0，可由q3计算光斑尺寸：点精度可根据各元件的传输矩阵，由光线追迹方法得到，此不赘述。单光纤准直器单光纤准直器设计II3.列出输出光束束腰位单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比I工作距离限制稍作变换，等到一个关于L的一元二次方程，该方程有解（两个解中接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件。一元二次方程：系数条件：由此得到工作距离限制Grin-Lens：C-Lens：C-Lens在长工作距离应用中具有优势，而Grin-Lens是TFF型DWDM中不可缺少的。单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比I工作距离限单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比II光斑尺寸取间距L等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下：Grin-Lens：C-Lens：点精度取间距L等于透镜焦距，得到点精度如下：Grin-Lens：C-Lens：单光纤准直器C-Lens与Grin-Lens对比II光斑尺寸CollimatedbeamFiberendRealimageofThefiberendGrinLenses(1/4pitch)Advantages:1.Fiber-to-fibercouplingefficiency2.InsertopticalcomponentsbetweenfiberCollimatedbeamFiberendRealiqdqdPolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForwardtransmissionBackwardtransmission隔离器（非互易）PolarizerAnalyzerFaradayPolariCylindricalMagnetFaradayRotatorPolarizerAnalyzerIncidentBeamTransmittedBeamCylindricalMagnetFaradayPolarAnalyzerFaradayRotator(Garnet)PolarizerCylindricalMagnetMOFIHousing(Au-plated)MOFICapAnalyzerFaradayPolarizerCylindPolarizer1FaradayRotator1ForwardtransmissionBackwardtransmissionPolarizer1Polarizer2Polarizer3FaradayRotator1FaradayRotator2Polarizer345°90°90°135°45°90°Polarizer2FaradayRotator2Polarizer1FaradayForwardtranCollimatorCollimatorCoreCollimatorCollimatorCoreCoreCore1mm1mm3.2mm0.4mmFaradayRotator(Garnet)1mm1mm3.2mm0.4mmFaradayRo法拉第旋转器（FaradyRotator,garnet）法拉第磁致旋光效应：在外加磁场B作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。(1)对于给定的磁光材料，光振动面旋转的角度与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度成正比，＝VLBV是材料的特性常数，称韦尔代常数，单位是：分/特斯拉·米。(2)磁致旋光不可逆性。当光传播方向平行于磁场时，若法拉第效应表现为左旋，则当光线逆反时，法拉第效应表现为右旋。法拉第旋转器（FaradyRotator,garnet）1.crystalgrowingtechnique2.Largerotationangle(45°@1550nm)3.Lowinsertionloss(0.1dB@1550nm)4.Highextinctionratio:40~45dB)5.Thickness(0.4mm,lowPDL)6.Smallersaturationmagnetization(200~1100Gauss)1.crystalgrowingtechniqueBi-refringentMaterial1.IsotropicMaterialonerefractiveindexforallpolarizationstate2.Bi-refringentMaterialDifferentrefractiveindexfordifferentpolarizationstateBi-refringentMaterial1.IsotE-beamO-beamE-beamO-beamDdE-beamO-beamE-beamO-beamDd生长方法简介1多晶原料合成

配料：按分子式NdxY1-xVO4由Nd2O3、Y2O3、V2O5配料合成

x为Nd3+掺杂的浓度，一般0≤x≤0.06

原料提纯与合成工艺过程（固相合成）500℃下氧气氛中或大气中彻底分解成V2O5Y2O3提纯后1200℃灼烧一天，除去草酸根杂质生长方法简介500℃下氧气氛中或大气中彻底分解成V2O5Y2设备：中频感应加热异型大口径(φ80mm级)铱坩埚（如图）方法：丘克拉斯基法生长晶体生长气氛：为含有适量氧的高纯氮气拉速：0-2mm/h，晶转在30～10r/min变速时间：生长周期2～3天。晶体尺寸：φ30～35×50mm，c轴YVO4单晶，晶体质量～200g左右晶体生长方法：丘克拉斯基法设备：中频感应加热异型大口径(φ80mm级)铱坩埚（如图）晶籽晶夹持器生长晶体熔体加热器N2（O2）籽晶夹持器生长晶体熔体加热器N2（O2）晶体对称性：锆石四角形空间群D4h晶胞：

a=b=7.12c=6.29结晶学性质晶体对称性：结晶学性质物理学性质：颜色：黄色，浅棕色，浅黄棕密度：4.21莫氏硬度：5，接近玻璃易吸湿性：不吸湿热彭胀系数：aa=4.43x10-6/K;ac=11.37x10-6/K热传导系数：||C:5.23W/m/K;⊥C:5.10W/m/K物理学性质：光学性质：晶体类别：正的单轴晶体折射率：波长（um） no ne △n 分离角（度） 0．63 1．9929 2．2154 0．2225 6．04 1．30 1．9500 2．1554 0．2054 5．72 1．55 1．9447 2．1486 0．2039 5．69 透光性：从0.4um到5um有良好的透光性（TransparencyCurveofYVO4thickness=1mm)光学性质：（TransparencyCurveofY与其它的双折射晶体比较1与方解石相比，YVO4有较好的温度稳定性、物理特性、机械特性。方解石由于它的易吸潮及低硬度，很难获得高的光学质量。2与金红石相比，金红石太硬，YVO4较易加工，降低成本，特别是对于批量生产。3与铌酸锂晶体相比，它们有相似的物理性质和机械性质，但YVO4的双折射值是铌酸锂的三倍多，这使得使用YVO4时，设计的器件更加紧凑。与其它的双折射晶体比较性质YVO4TiO2LiNbO3Calcite透明度范围(um)0.4-5.00.4-0.50.4-0.50.4-2.3易吸湿性不吸湿不吸湿不吸湿易吸湿硬度（莫氏）56.553热光系数(10-6/k)dno/dt-8.5-0.720．53

dne/dt-3.0-0.425．60

热彭胀系数(10-6/k)Aa4.47.116．726.3Ac11.49.275.4折射率(1550)no1.94472.4542.21511.6346ne2.14862.7102.14131.4797Δn0.20390.256-0.0738-0.1595性质YVO4TiO2LiNbO3Calcite透明度范围(u<+Z><-Z><-Y><+Y><+X><-X>20mm76mm0.76mm<+Z><-Z><-Y><+Y><+X><-X>22.5°76mm0.761.22mm0.76mm1.22mm0.76mm12°{0.24mm-Z22.5°1.22mm22.5°76mm0.761.22mm0.76mZ22.5°EOIncidentplaneOpticalaxisZ22.5°EOIncidentplaneOptical微光学元器件课件E-beamO-beamE-beamO-beamDdE-beamO-beamE-beamO-beamE-beamO-beamDdE-b//0.011.430.020.600.021.150.021.780.01Au-plating(Au:30~50u”)(Ni:100~150u”)//0.011.430.020.600.0IsolatorCoreAssemblySolderringGarnetS.Sring(au-plated)1.FaradayRotatorAssemblyIsolatorCoreAssemblySolderrEpoxyUVEpoxyIsolatorCoreAssembly2.BirefringentMaterialAssemblyEpoxyUVEpoxyIsolatorCoreAssePositioner#2Positioner#13.IsolatorCoreAssemblyPre-evaluationofCorePositioner#2Positioner#13.4.IsolatorCoreAssemblyEpoxyMagnetringCoreFinalAssembly4.IsolatorCoreAssemblyEpoxyMPositioner#2Positioner#15.FinalEvaluationPMDfreewedgeUVEpoxyIsolatorCoreAssemblyPositioner#2Positioner#15.Positioner#2Positioner#16.InnerbodyassemblyIsolatorFinalAssemblySiliconeRubberPositioner#2Positioner#16.CorporationS/N:00000001CorporationS/N:00000001203-001-404203-001-211203-001-209203-003-503203-001-108203-001-404203-001-211203-001-偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器Displacer晶体功能示意图光轴dθαO光e光LDisplacer晶体光轴oeoe单轴晶体对正入射光的双折射情况Displacer角度：当：时，对YVO4晶体，有no＝1.9447，ne＝2.1486，当θ＝47.85°时，αmax＝5.7°，晶体长度与e光偏移量的比值为L:d=1:tan(5.7°)＝10:1，这是钒酸钇晶体能够达到的最大偏移比率，此光轴方向是Displacer晶体中最常用的。Displacer晶体功能示意图光轴dθαO光e光LDispDisplacer型光隔离器Displacer型光隔离器结构与原理正向光路反向光路oeoe45°45°oeoe45°45°Displacer1半波片旋光片Displacer2准直器1准直器2半波片与旋光片配对，对正向光偏转90°，在两个Displacer晶体中未发生o光与e光的转换，顺利耦合到准直器2中；对反向光未发生偏转，在两个Displacer晶体中发生o光与e光的偏转，不能耦合到准直器1中，实现反向隔离。半波片功能光轴Displacer型光隔离器Displacer型光隔离器结构偏振无关型光隔离器结构二偏振无关型光隔离器结构二solderRingAssembly(12pcs/uph)85℃,110℃Baking(Oven)3hrsRotator&CoreAssembly(15pcs/uph)85℃Baking(HotPlate)1hrsRotator&CoreTest(40pcs/uph)Displacers&CoreAssembly(15pcs/uph)DisplacersPairMeasurement(30pcs/uph)Waiting1hrsWaiting16hrs85℃Baking(HotPlate)0.33hrsDisplacer&WPLAssembly(5pcs/uph)85℃,110℃Baking(Oven)3hrsWaiting3hrs24hrsMadeby：Checkby：PS：uph：unitperson*onehoursolderRingAssembly(12pcs/up24hrsTestingⅠ(7pcs/uph)Displacer&HolderAssembly(17pcs/uph)85℃Baking(HotPlate)0.33hrsWedge&HolderAssembly(14pcs/uph)85℃Baking(HotPlate)0.33hrsT