光纤通信-光器件
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Reflective Coupler: input can be on any fiber and output is split equally among all fibers
If two mixed signals (of different wavelengths) are injected into a coupler the power transfer between the waveguides has a different period for each wavelength. The coupling lengths are strongly wavelength dependent!
signal will lose half of its power!
光波导
开角
1.3 m
1.3 m 1.5 5m
(a)
(b) 多 模 波导
多 层 膜滤 光 片 单 模 波导
图3.32 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；
1.5 5m
(c)
3.3 光无源器件
光器件概述
•作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解 复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、 光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的 必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型：无源、有源 包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光
隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光 开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等
3.3.1
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 路与其他光无源器件之间的连接。
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
表 3.5 光纤连接器一般性能
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
P
P1
P2
0
1 2
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
2、基本结构－微器件型
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。 折 射 率 分 布
自聚焦透镜（Selfoc Lens）
1个周期（Pitch ）
Y型、X型22耦合器、1N型、MN型 结构：全光纤型、微光元件型、集成光波导型 功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。
2
1
2
1
3
4
3
1、工作原理
消逝场耦合。
Put the cores close enough together to get a coupling effect All now depends on the length of the coupling section
性能 0.2~0.3
0.1
0.1
35~40 40~50
103 104
-20~+70 -40~+80
3.3.1 光连接器—Connector
技术指标：
插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光 功率相对输入光功率的比率的分贝数。
L 10 lg Pout (dB) Pin
回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射
输入功率的一半发送到同一输出端。然而，如果两个输入端的
波长不同，就可以把大部分功率耦合进同一根光纤中。
•3dB耦合器， ＝0.5，输出场强：
Eout,1
Eout
,
2
1 1
2
j
j Ein,1
1
Ein ,
2
令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和
Eout,2=(j/2)Ein,1 ，输出功率为：
3.3.3 光隔离器和环行器
3.3.3 光隔离器与环行器
•Isolators & Circulators 非互易器件 •用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统 中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允 许光单向传输。 •主要指标：
•低的插入损耗(对正向入射光，~1dB) •高的隔离度(对反向反射光，40~50dB) •原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。
光纤通信原理与技术第三章
3.3 光无源器件
Components and Modules in DWDM Networks
Over 9000 Products
Transmission
• Source lasers • Modulators • Wavelockers • Receivers • Detectors • Tx/Rx modules
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0
Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0
3dB coupler
LAN and MAN networks
P1
1
Pi
i
PN
N
(P1+P2+…+PN)/N
Star Coupler: N input are mixed and made available on 8 outputs
图 3.31
(b)
1
1
23
光纤
自聚焦透镜 硅光栅
1＋2＋3 (d)
(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
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
光纤
1 2 3
1+ 2+ 3
棒透镜
采用棒透镜的光栅型WDM
光栅
2、基本结构－波导型
DWDM
• Thin film filters • Fiber gratings • Waveguides • Circulators • Interleavers • Mux/Demux
modules
Amplifiers
Switching
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated
a2
散射矩阵表示法
a1 a2
b1 b2
假如从端口a1输入的光功率中有比例为(1－)的部
分出现在输出端口b1，剩余的部分出现在端口b2。
散射矩阵：SEEoouutt,,12 j1
1j j Ein,1
j
1
1
E2大波2两耦部长波个合分光长器端功功中相率率口，出耦同输使现合的用入在进相两输入，同b出束能1的端的光波否口光长，b将功1将率，分两两数别个个就值输必从输变入须小a入端小了1和端所。，有这结的表果功示是 率同时所耦合有进的同功一输率出同端时口是耦不合可进能的同。一最输好的出方端法口是将？每路
被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。
P0
P1
•技术指标：
P3
P2
1、插入损耗：特定的端口到另一端 口路径的损耗。如从输入端口i到输 出端口j的路径中的插入损耗为：
Li j
10lg
Pi Pj
[dB]
2、附加损耗：输入功率对总的
输出功率的比值。
Le 10 lg
Pin dB
Pi
3、串扰：一个端口的输入信号与散 射或反射回另一个输入端口的光功率 间的隔离度。以22光纤耦合器为例：
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
3.3.2 光耦合器—Coupler
定义：对同一波长的光功率进行分路或合路 性能指标：附加插入损耗、反射损耗和串扰 类型：
Wavelength Selective Coupling/Splitting
The period of the shift is different for the two different wavelengths. Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used.
串扰＝10
lg
P3 P0
[dB]
4、分光比或耦合比：输出
端口间光功率分配的百分比
SR
Pi
100%
Pi
散射矩阵表示法
以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析:
输入场强
a1
S11 S21
S12
输出场强
b1
a2
S22
b2
b＝Sa
b1 b2
S11 S21
S12 a1
S
22
• Faraday效应：不具有旋光性的材料，在 外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振 面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光 材料。
光相对输入光的比率的分贝数。
LR
10 lg
PR Pin
(dB)
重复性和互换性
损耗 来源
•活动连接器
方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯
光纤
套管
插针 粘结剂
插入损耗目前水平0.2dB 减低反射技术：APC 类型：FC、 SC、 ST
其它：多芯光缆连接器、保偏光纤 连接器、密封型光纤连接器
ST型：采用带键的 卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
amplifiers • SOAs
• Optical Switches
• Circulators • Couplers • Add/drop
modules
3.3 光无源器件
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
2、基本结构－光纤型
•Common commercial devices
22光纤耦合器
输入功率 P0 P4
P3
串扰
L
锥形区域
直通功率 P1
Z 耦合区域
L 锥形区域
P2 耦合功率
P1 P0 cos2 Cz P2 P0 sin 2 Cz C--耦合系数
耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度 的耦合交换规律。可根据耦合比要求， 决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤 芯变得过细后，将引起能量辐射，功 率降低，插入损耗明显增加。
But light entering on port2 will exit on port1 attenuated by 50%(3dB)! Thus if we try to combine two input signals
by using a Y-junction, the signals are combined but each
•发展趋势：集成化、全光纤化
3.3 光无源器件
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
•光学不变原理：光束的宽度和发 散角的乘积为常数。 •Selfoc Lens 通过对光束进行扩束， 达到准直目的。
P/4 自聚焦透镜 光纤
P/4 自聚焦透镜
光纤
单模光纤准直器结构
80
光纤
自 聚 焦透 镜
光纤 1
自 聚 焦透 镜分 光 片 4
3
2
光纤 1、2
2
(a) 自 聚 焦透 镜
滤光片 (c)
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。
•Planar Waveguide Coupler
Y-Coupler (Splitter) 光纤技术难实现，一般利用平面波导技术。
port1port2(50%)＋port3(50%)
SC型：外壳采用工程 塑料，矩形结构，便于 密集安装，不用螺纹连
接，可以直接插拔。
FC型：螺纹连接。外 部材料为金属
•固定连接器—接头
包括：熔接法、V形槽法和套管法
3.3 光无源器件
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器
If two mixed signals (of different wavelengths) are injected into a coupler the power transfer between the waveguides has a different period for each wavelength. The coupling lengths are strongly wavelength dependent!
signal will lose half of its power!
光波导
开角
1.3 m
1.3 m 1.5 5m
(a)
(b) 多 模 波导
多 层 膜滤 光 片 单 模 波导
图3.32 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；
1.5 5m
(c)
3.3 光无源器件
光器件概述
•作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解 复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、 光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的 必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型：无源、有源 包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光
隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光 开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等
3.3.1
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 路与其他光无源器件之间的连接。
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
表 3.5 光纤连接器一般性能
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
P
P1
P2
0
1 2
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
2、基本结构－微器件型
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。 折 射 率 分 布
自聚焦透镜（Selfoc Lens）
1个周期（Pitch ）
Y型、X型22耦合器、1N型、MN型 结构：全光纤型、微光元件型、集成光波导型 功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。
2
1
2
1
3
4
3
1、工作原理
消逝场耦合。
Put the cores close enough together to get a coupling effect All now depends on the length of the coupling section
性能 0.2~0.3
0.1
0.1
35~40 40~50
103 104
-20~+70 -40~+80
3.3.1 光连接器—Connector
技术指标：
插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光 功率相对输入光功率的比率的分贝数。
L 10 lg Pout (dB) Pin
回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射
输入功率的一半发送到同一输出端。然而，如果两个输入端的
波长不同，就可以把大部分功率耦合进同一根光纤中。
•3dB耦合器， ＝0.5，输出场强：
Eout,1
Eout
,
2
1 1
2
j
j Ein,1
1
Ein ,
2
令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和
Eout,2=(j/2)Ein,1 ，输出功率为：
3.3.3 光隔离器和环行器
3.3.3 光隔离器与环行器
•Isolators & Circulators 非互易器件 •用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统 中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允 许光单向传输。 •主要指标：
•低的插入损耗(对正向入射光，~1dB) •高的隔离度(对反向反射光，40~50dB) •原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。
光纤通信原理与技术第三章
3.3 光无源器件
Components and Modules in DWDM Networks
Over 9000 Products
Transmission
• Source lasers • Modulators • Wavelockers • Receivers • Detectors • Tx/Rx modules
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0
Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0
3dB coupler
LAN and MAN networks
P1
1
Pi
i
PN
N
(P1+P2+…+PN)/N
Star Coupler: N input are mixed and made available on 8 outputs
图 3.31
(b)
1
1
23
光纤
自聚焦透镜 硅光栅
1＋2＋3 (d)
(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
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
光纤
1 2 3
1+ 2+ 3
棒透镜
采用棒透镜的光栅型WDM
光栅
2、基本结构－波导型
DWDM
• Thin film filters • Fiber gratings • Waveguides • Circulators • Interleavers • Mux/Demux
modules
Amplifiers
Switching
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated
a2
散射矩阵表示法
a1 a2
b1 b2
假如从端口a1输入的光功率中有比例为(1－)的部
分出现在输出端口b1，剩余的部分出现在端口b2。
散射矩阵：SEEoouutt,,12 j1
1j j Ein,1
j
1
1
E2大波2两耦部长波个合分光长器端功功中相率率口，出耦同输使现合的用入在进相两输入，同b出束能1的端的光波否口光长，b将功1将率，分两两数别个个就值输必从输变入须小a入端小了1和端所。，有这结的表果功示是 率同时所耦合有进的同功一输率出同端时口是耦不合可进能的同。一最输好的出方端法口是将？每路
被驱动光纤的相位总比驱动光纤的相位滞后/2。
P0
P1
•技术指标：
P3
P2
1、插入损耗：特定的端口到另一端 口路径的损耗。如从输入端口i到输 出端口j的路径中的插入损耗为：
Li j
10lg
Pi Pj
[dB]
2、附加损耗：输入功率对总的
输出功率的比值。
Le 10 lg
Pin dB
Pi
3、串扰：一个端口的输入信号与散 射或反射回另一个输入端口的光功率 间的隔离度。以22光纤耦合器为例：
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
3.3.2 光耦合器—Coupler
定义：对同一波长的光功率进行分路或合路 性能指标：附加插入损耗、反射损耗和串扰 类型：
Wavelength Selective Coupling/Splitting
The period of the shift is different for the two different wavelengths. Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used.
串扰＝10
lg
P3 P0
[dB]
4、分光比或耦合比：输出
端口间光功率分配的百分比
SR
Pi
100%
Pi
散射矩阵表示法
以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析:
输入场强
a1
S11 S21
S12
输出场强
b1
a2
S22
b2
b＝Sa
b1 b2
S11 S21
S12 a1
S
22
• Faraday效应：不具有旋光性的材料，在 外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振 面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光 材料。
光相对输入光的比率的分贝数。
LR
10 lg
PR Pin
(dB)
重复性和互换性
损耗 来源
•活动连接器
方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯
光纤
套管
插针 粘结剂
插入损耗目前水平0.2dB 减低反射技术：APC 类型：FC、 SC、 ST
其它：多芯光缆连接器、保偏光纤 连接器、密封型光纤连接器
ST型：采用带键的 卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
amplifiers • SOAs
• Optical Switches
• Circulators • Couplers • Add/drop
modules
3.3 光无源器件
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
2、基本结构－光纤型
•Common commercial devices
22光纤耦合器
输入功率 P0 P4
P3
串扰
L
锥形区域
直通功率 P1
Z 耦合区域
L 锥形区域
P2 耦合功率
P1 P0 cos2 Cz P2 P0 sin 2 Cz C--耦合系数
耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度 的耦合交换规律。可根据耦合比要求， 决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤 芯变得过细后，将引起能量辐射，功 率降低，插入损耗明显增加。
But light entering on port2 will exit on port1 attenuated by 50%(3dB)! Thus if we try to combine two input signals
by using a Y-junction, the signals are combined but each
•发展趋势：集成化、全光纤化
3.3 光无源器件
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器
（Isolators & Circulators） 3.3.4 光调制器Modulators 3.3.5 光开光Switches 3.3.6 光衰减器Attenuator
•光学不变原理：光束的宽度和发 散角的乘积为常数。 •Selfoc Lens 通过对光束进行扩束， 达到准直目的。
P/4 自聚焦透镜 光纤
P/4 自聚焦透镜
光纤
单模光纤准直器结构
80
光纤
自 聚 焦透 镜
光纤 1
自 聚 焦透 镜分 光 片 4
3
2
光纤 1、2
2
(a) 自 聚 焦透 镜
滤光片 (c)
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。
•Planar Waveguide Coupler
Y-Coupler (Splitter) 光纤技术难实现，一般利用平面波导技术。
port1port2(50%)＋port3(50%)
SC型：外壳采用工程 塑料，矩形结构，便于 密集安装，不用螺纹连
接，可以直接插拔。
FC型：螺纹连接。外 部材料为金属
•固定连接器—接头
包括：熔接法、V形槽法和套管法
3.3 光无源器件
光器件概述 3.3.1 光连接器Connector 3.3.2 光耦合器Coupler 3.3.3 光隔离器与环行器