光纤光学教学课件-第十四讲-

第六章光纤无源及有源器件6/30/2023二、光纤定向耦合器6/30/20236/30/20236/30/2023三、光纤定向耦合器1、简介光耦合器：传送和分配光信号的无源器件，光从一个端口输入，从另一个或多个端口输出。对光信号进行合波或以不同的方式（波长、光功率）进行分波。主要特点：①器件的主体是光纤；②光纤中模式的耦合作用来实现光的功率及方向的分配。③光信号的传送方向是固定的。分类：透射型反射型透反型6/30/20236/30/20232、耦合器的工作原理单模光纤：模式耦合理论来分析；多模光纤：弯曲理论来分析。（1）两平行光纤之间的耦合机理：当两光纤的纤芯平行靠近时，一个光纤中的导波场将引起另一个光纤介质极化，导致在光纤激励起传导模，场将相互渗透，相互交叠。光功率的分配将在两光纤的纤芯间谐振6/30/2023令6/30/2023基模场间的耦合方程：失谐参量：耦合系数：R(0)=1;S(0)=06/30/2023经“L”长度后，从“1”号光纤耦合到“2”号光纤的光功率为：仍留在“1”号光纤中的光功率为：两参数相同光纤间的耦合：弱导阶跃光纤，K可以表示如下：d：为两光纤之间的距离。6/30/2023Y型光纤耦合器耦合长度：6/30/2023Y型光纤耦合器对相同波长、相同光功率的耦合会产生3dB损耗。6/30/2023X型光纤耦合器1‘端口输出2‘端口输出6/30/2023光纤耦合器特性：耦合长度：针对具体的波长，光能量从一个光纤完全进入另一个光纤的长度。耦合的强弱：取决于两光纤纤芯的分离程度。耦合长度与传输的波长紧密相关！不同的传输波长将产生不同的耦合长度。X&Y-光纤耦合器互易原理：用Y-耦合器对相同波长的光进行合波，信号输出时，将引入3dB的功率损耗！(输入功率相同的情况下)6/30/2023耦合器仅分出小部分的光从一端输出，而在另一端仍保留大部分的光，称此耦合器为Tap型耦合器。典型分光比:99:1或1%tap耦合器。从主干线传输光信号功率中分出一小部分光功率供监控等应用。6/30/20233、波分复用光纤耦合器主要应用于：①波分复用光纤通信系统；②光纤放大器中。属于非对称形式耦合器，选择光纤参数不同，耦合分光比不仅与耦合长度有关，而且与信号波长有关。6/30/2023传播常数差为：将其在处展开，耦合分光比：不同波长、相同光纤间的耦合：6/30/20236/30/2023光纤复用耦合器6/30/2023光纤解复用耦合器6/30/2023波长可选择的耦合器和分波器：对EDFA注入光功率（泵浦光＋信号光）对简单的WDM系统作波长分离对DWDM系统增加管理信道6/30/20234、耦合器的性能参数及制备工艺1.性能参数①耦合比：输入信道i耦合到输出信道j的功率之比。②附加损耗：输出信道功率之和与输入信号功率之比。6/30/2023③信道插入损耗：输入信道i到指定输出信道j的损耗。④隔离度：透射式同侧端口之间，非指定信道输出功率Pk与输入功率Pi之比。6/30/2023除此之外：对等比耦合器、应考察耦合器的均匀性、反向散射（回波损耗）、工作波长（波长）、偏振敏感度。耦合器制备方法：①浸蚀法：腐蚀液、匹配液、胶合；②磨削法：磨、匹配液、对拼、精确对位、胶合；③熔锥法：按所要求的端数、一定的耦合矩阵将光纤胶合在一起，加热拉伸成双锥形，控制过程中监控光功率。6/30/2023内容小节光纤耦合器及特点：定向、全光纤、模式耦合相同波长的光信号——功率分配不同波长的光信号——波长路由相同波长、相同光纤、相同光功率耦合——3dB损耗不同波长的光信号——完全耦合波长间隔越大，完全耦合的作用长度越小；波长间隔越小，完全耦合的作用长度越大；6/30/20236/30/2023三、光隔离器1、简介定义：光隔离器只允许光波沿着一个方向传输，而光的另一个方向的传输是禁止的。一种光非互易传输耦合器。光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通；光信号沿着反方向传输时损耗大，光路被阻断。2、应用①半导体激光器防止反馈，降低误码率；②半导体光放大器，防止回波，提高稳定性；③掺杂光纤放大器（如：EDFA）；④光纤激光器中，确保环形激光器的单向激射。6/30/20233、原理：法拉第磁光效应光波通过置于磁场中的法拉第旋光片时，光波的偏振方向总是沿与磁场（H）方向构成右手螺旋方向旋转，而与光波的传播方向无关。正、反方向两次通过法拉第旋光片时，偏振方向旋转角度将迭加而不抵消。基本材料（磁光介质）:钇铁石榴石(YIG:Yttrium-Iron-Garnet)康宁（Corning）8363号玻璃等6/30/20234、结构（1）偏振有关的光隔离器：由一对偏振方向成的偏振片和偏振旋光片构成。正向：偏振方向旋转，与检偏器相平行——光路通；反向：偏振方向也旋，但与检偏器垂直——光路断；6/30/2023缺点：光隔离器是偏振相关的对任意偏振态注入的光，将损失50％的光功率如果光信号是特定的偏振态，有可能损失全部的光功率若光的偏振态是随着时间变化的，这种变化将体现在对光的衰减上，因而将产生很大的噪声H6/30/2023(2)偏振无关的光隔离器：由一对偏振分光镜、法拉第旋光片，互易旋光片组成：YIG与波片的前后位置有关，正向：法拉第旋光片与互易旋光片对两偏振方向的角度互相抵消，输入光的偏振方向一致。反向：法拉第旋光片与互易旋光片对两偏振方向的角度相迭加，输入光与输出光的偏振方向相垂直。6/30/2023关键：YIG总是向右旋转，而与光的行进方向无关，而互易波片是与传播方向有关的。光隔离器性能参数：插入损耗： a=-10lg(Pout/Pin),(正向输入)隔离比： I=-10lg(P’out/P’in),(反向输入）回波损耗： Ib=-10lg(Pback/Pin)通带带宽： Dl偏振灵敏度：S=-10lg[1-|(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin)|]6/30/2023四、光环形器

1、定义：光由环行器的一个端口（如端口1）输入，沿着环形器传输，将从端口2输出；由端口2输入，则由端口3输出。光总是按规定的路径传输。2、应用6/30/20233、基本结构：PolarisingBeamSplitterCube，Birefringent“Walk-off”Block(YVO4)，FaradayRotatorandPhasePlate由端口1输入的光，被第一双折射镜(blockA)分成偏振方向互相正交的两束光。这两束光的偏振方向均发生90°的旋转。在第二双折射镜(blockA)处，两光束再次折射并合成。••••••••••6/30/2023由2端口向1端口传输的光，首先由blockB进行分光，两束互相正交的偏振光经45°法拉第旋光片与互易旋光片后，两束光的偏振态维持不变，由blockB输出后，两光束通过反射棱镜和偏振分光镜作合并，最终由3端口输出。••••6/30/20234、光环行器性能参数：插入损耗： a=-10lg(P2,3/P1,2),(顺序输入)