《光纤通信》 第3讲_无源光器件

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接续点上的不连续现象
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由于折射率不同引起的反射可用菲涅耳公式计算。 设玻璃的折射率为n1时，光功率的反射系数可用下式求 出：
r =[(n1 - n2 )/(n1 + n2)]2
例如:当 n1 ＝ 1.45， n2 ＝ 1，r＝ 3.4%时，即有14.7dB 的反射损耗。
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光纤耦合器 fiber optic coupler
将不同方向的光信号耦合送入一根光纤中传输，或 者相反。结构：
Port 4
Port 3
棱镜耦合式
Port 1
光纤耦合式
Port 2
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2x2定向耦合器及lxN、NxN星形 耦合器大多数采用熔融 渐变双锥的制造方法，即将多根裸光纤绞合在一 起，火焰 加热到软化温度后适当拉 伸，在熔融区形成渐变双锥结构 。 图b是 X型2×2定向耦合器。
§= P 3/P 4
隔离度反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从 1端注入光功率，3、4端输出功率时，2端对1端的隔离 度定义为：
I=10lg((P 3+P 4) / P2 )) (dB)
光纤定向耦合器的插入损耗为0.2～1dB,分光比1％ ～99％（根据需要)，隔离度可大于65dB。
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这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量， 让垂直分量直线通过， 水平分量偏折通过。
两个分量都要通过法拉弟旋转器， 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 (λ/2 plate或 halfwave plate)。
这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针 旋转45°，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。
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使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信 号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射 角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏 出去。为此把连接器的管芯端面按8°进行倾斜研磨，就可以 实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端 面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC (Physical Contact) 型连接器。 实际使用的PC型连接器如图所 示，把套管端面研磨成球面。 PC接续的反射很小，它的反射 损耗可达25dB以上。如果经 过精密加工研磨，就可将反射 损耗指标提高到40dB以上。
被该滤光器反射，沿另一斜置的多模波导被分离出来。这
种结构可用来作为分波器，但若反向使用时却不能做合波
器用，这是因为多模一侧损耗大的缘故。
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多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近λ /2或者λ /4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电 介质膜交替重塑形成薄膜，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。
如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质 干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等 几种类型。
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光合波器和光分波器的类型
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P
P1
P2
0
1 2
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
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1 2 3
1+ 2+ 3
光纤
透镜
光栅
衍射光栅型波分复用器结构示意图
于设备与光纤之间的连接。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单
根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多 次使用。
光纤连接器在工艺上应满足的条件： 1）连接损耗要小于 0.5dB； 2）装、拆方便，重复性好； 3）体积小，成本低等。 光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。
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光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性 连接，另一种是活动连接。
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采用电子射束蒸镀方法，可将SiO2（低折射率材料， n=1.46）和 TiO2（高折射率材料，n＝ 2.3）积层 20～40层， 实现带通滤波器（BPF）、长波长带通滤波器（LWPF）、短 波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。
这种带通滤波器的实际结构如图所示。
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光纤连接器又分为多模连接器和单模连接器。
多模连接器用于多模光纤系统，它有U型 环路连接器、插座式连接器、现场装配连接器 （FA）以及C型连接器等，它们的损耗在0.40.5dB以下。
单模光纤连接器有PC型（直接接触型）、 FC型（平面对接型）、SC型（矩形）、ST型 等几种。
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SWP SOP 光纤输入
法拉弟旋转器
SWP
光纤输入
(a)
法拉弟旋转器
半波片 SWP
光纤输出
半波片
SWP
(b)
一种与输入光的偏振态无关的隔离器
光纤输出
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具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器 (SWP: Spatial Walk off Polarizer)。
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，当反射光通过法拉弟旋转器时再 继续旋转45°，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过 左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。
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，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态 无关，于是隔离器的结构就变复杂了。 一种小型的与入射光的 偏振态无关的隔离器结构如下图所示。
下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态，有 轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及பைடு நூலகம்折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会 造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形 式返回发送端。有空隙时，因玻璃纤维和空气折射 率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（ Fresnel）反射。
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图c为8路传输型星型耦合器 图d为8路反射型星型耦合器
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光纤耦合器的指标有插入损耗、分光比与隔离度
（或方向性）等。例如2x2定向耦合器插入损耗为：
L1,2 =10lg(P1,2 /(P 3+P 4)) (dB)
式中， P1,2 为从输入端1或2输入的光功率， P 3,P 4 为输出端3、4的输出功率。定向耦合器的分光比为输 出端的功率分配比，即
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回忆一下：光偏振(极化) 单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：State of Polarization)
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。
隔离器工作原理如下图所示。
这里假设入射光只是垂直偏振光，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。
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四、光隔离器

半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、
滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要
用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光通
过的无源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易
性。
偏振器:一种光学器件，偏振器中有一透光轴，其 输出光为某一种形式的偏振光。当光的偏振方向 与透光轴水平时，则光全部通过；垂直时，则光 全部隔离。
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FC型(平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成，其 结构如图所示。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接 ，可以方便地进行光路的调整或线路的测试。连接器具有很 高的精度。
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SF型连接器是室外用连接器，具有防水功能和 良好的温度特性。由于使用了塑料套管，其价格便 宜，可以和FC型连接器进行互换。
第三讲
无源光器件
主要内容
一、光纤的连接与光纤连接器 ☆
二、光纤分路器及耦合器 三、光合波器、光分波器
四、光隔离器 ☆
五、光开关 六、光可变衰减器 七、光纤光栅 八、光锁相环与非线性光环镜NLOM
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概述
构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、 光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件， 如连接器、衰减器、隔离器、滤波器、分路器、 复用器、光开关和调制器等。
永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前 多采用熔接法。
光纤连接器的基本构成
由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合 管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套 管的作用。如图所示。
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光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下， 因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在接 续点上没有光传输的不连续现象。
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星形耦合器的插入损耗为从输入端口把光功率 耦合到所有输出口的光功率损耗，即
Lin=10lg[∑Pj/Pi] j=1….N 式中Pj为从各端口输出的功率，Pi为从某个输 入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端 数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数 之和。
进入星形耦合器的光功率分配是等分到N个输 出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出 端口输出的功率和的1／N，它称为功率分配系数。
另外，可用多个2×2定向耦合器来构成N×N的 星形耦合器。
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三、光合波器、光分波器
光合波器和光分波器是用于波分复用等传 输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个 光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输，或 者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长 的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为 合波器，后者称为光分波器。
它们在系统中各起着光学连接、光功率分 配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、 隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通 信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用 的无源光器件的原理及性能。
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一、光纤的连接与光纤连接器
光纤连接器 fiber optic connector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用
在单模光纤连时接，除要求纤径一致之外，更重要 的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径（MFD： Mode Field Diameter）一致。
目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切 割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤 都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头 附加损耗可控制在0.1dB以下。
紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，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。
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SOP
入射光
偏振器
阻塞
法拉弟 旋转器
偏振器
反射光
隔离器工作原理
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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)。
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光纤
1 2 3
1+ 2+ 3
棒透镜
采用棒透镜的光栅型WDM
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光栅
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图中给出了一种利用多层膜制成的滤光器，这是一种
波导型分波滤光器。其结构是一直线形单模波导的中间开
一斜槽，且在其中插入一多层膜滤光器。当1.55um的光进
入时可通过该滤光器继续前进，而当1.3um的光进入时则
环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。 如图所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。
因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为 水平偏振光，反之亦然。
最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出。
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另一方面， 如果存在反射光在反方向上传输，半波片 和法拉弟旋转器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，偏振态维持不变， 在输入端不能被SWP再组合在一起，如图所示，于是就起 到隔离作用。
MF型连接器用于隧 （通）道里敷设光缆 的缆间接续中，可以 对带状5芯光纤进行一 次性连接，由于体积 小，可以装在标准接 头盒内，实现光纤的 高密度接续，其结构 如图所示。
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二、光纤分路器及耦合器
图表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型 分支，一根芯线一端输入的光可用它加以等分。 当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光 将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在1°～ 2°左右，因此分支器的长度不可能太短。