第五章 光无源器件与光放大器

光纤通信
3dB coupler
26
光纤通信
27
5.1.2 光纤耦合器
3．介质膜型滤波器WDM(微器件型)
光纤通信
原理:基于多层介质薄膜的反射/透射原理，由光学厚度λ1/4的两组 高反膜系H（LH）P-1和（HL）P-1中间夹着一层间隔层LL构成，类
似F-P标准具。
输入 12 3
反射 2 3
Input signals
Output signals
Reflected signals
Component
系统中器件的插入损耗包括两个方面：
一个是器件本身存在的固有损耗，另一个是由于器件的接入在
光纤线路连接点上产生的连接损耗
插入损耗的波长响应(谱响应)：波长变化时插入损耗的变化： L = f （λ ）
17
5.1.1 光纤连接器
光纤通信
② 回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连 接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值， 该值越大越好。其典型值应不小于40dB。
RL(dB) = －10lg(Pref/Pin) ③互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好。 ④重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。 ⑤插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般 由元件的机械磨损情况决定。一般大于10万次。
功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光 开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。
光有源器件通常涉及光电之间的能量转换，它包括光源、光检 测器、光放大器等器件，是构成光纤通信系统的关键器件。
6
光纤通信
7
5.1.1 光纤连接器
光纤通信
光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为“用以稳定 地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。
30
5.1.2 光纤耦合器
（2）耦合比CR（用百分数表示）
光纤通信
耦合比是指一个输出端口（3口）的光功率P03与全部输出端口输
出光功率之比，如图端3耦合比：
CR P03 X100 P03 P04
一般情况下，定向耦合器的分光比为1︰1～1︰10。
（3）串音LC 由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功 率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表 示了1、4两个端口的串音程度，用Lc表示为
纵向位移型-----增加间隙
直接镀膜型 蒸镀金属膜 A l+SiO2
衰减片型
有色玻璃或滤光片
32
光纤通信
33
光隔离器与环行器
光纤通信
•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：
18
5.1.2 光纤耦合器
光纤通信
光纤耦合器是分路和耦合光信号的器件。 功能是把一个输入 的光信号分配给多个输出（分路），或把多个输入的光信号组合成 一个输出（耦合）。
1．耦合器类型
（1）T形耦合器 （2）星形耦合器 （3）定向耦合器 （4）波分复用器/解复用器（也称合波器/分波器）
19
5.1.2 光纤耦合器
H
L
H
L
H
H
L
H
透射1
L H
1/2 1
1/4 1 /4
z yx 0 3 2 1
带宽和腔体数的关系
带宽
28
5.1.2 光纤耦合器
8波长DWDM器件的结构
输入1 ~8
2 4 6 8
光纤通信
1 3 5 7
自聚焦棒
< 0.004 nm/o C
29
5.1.2 光纤耦合器
光纤通信
光纤通信
第5章 光无源器件与光放大器
1
第3章 通信用光器件
光纤通信
本章内容、重点和难点
本章内容
无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器/WDM、光隔离 器等。
光放大器 本章重点
无源光器件的功能及主要性能。 EDFA的原理及应用 本章难点
光放大机理
2
第3章 通信用光器件
学习本章目的和要求
光纤通信
常用耦合器的类型
20
5.1.2 光纤耦合器
光纤通信
2．熔锥型光纤耦合器的工作原理
把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术使熔融区光纤的包层合
并成同一包层，纤芯变细、靠近，制作各种器件（例分波器）
光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光 功率为Pb
Pa=cos2(CλL) Pb=sin2(CλL) L为有效作用长度，Cλ为取决于光纤参数和波长的耦合系数。
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5.1.2 光纤耦合器
光纤通信
设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使 *当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0； *当Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大。 对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55 μm的光纤型解复用器，可以做到 附加损耗为0.5 dB，波长隔离度大于20 dB。
掌握无源光器件的功能及主要性能。 掌握EDFA的原理及应用。
光纤通信
3
光器件概述
光纤通信
•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。
1
(z)2 2n22
]2
}
光纤通信
上述因素中哪些可 作为设计可调光衰减 器的理论基础？
16
5.1.1 光纤连接器
光纤通信
（5）光纤连接器的关键参数 ① 插入损耗，该值越小越好。光纤连接器的典型值0.2dB。
输出光功率相对于输入光功率的减小 IL (dB) = －10lg(Pout/Pin)
光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设 备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。
（1）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。
光纤活动连接器基本结构
8
光纤通信
目前主要采用的光纤连接器多采用插针－套筒结构，如图。连 接器主要由带有微孔（Φ125μm）的插针体a、插针体b与用于套筒 等几部分构成。需要连接的光纤去除涂覆层后插入插针中心微孔， 并用环氧树脂类粘结剂固定。将插针体a、b同时插入套筒中，利 用插针和套筒之间通过精密公差配合保证两根光纤的轴对准，再采 用弹簧等机械装置紧固，实现光纤的活动连接。
•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
•发展趋势：集成化、全光纤化
4
Components and Modules in DWDM光纤通信 Networks
Over 9000 Products
4．主要特性
表示光纤耦合器性能指标的参数有：插入损耗、附加损耗、耦合 比、串音等。下面以2×2定向耦合器为例来说明。
（1）插入损耗Li 插入损耗Li它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输 出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用Li表示为
Li 10log P2 P3 (dB) P1
一般情况下，要求小于0.5dB 。
Transmission
• Source lasers • Modulators • Wavelockers • Receivers • Detectors • Tx/Rx modules
DWDM
• Thin film filters • Fiber gratings • Waveguides • Circulators • Interleavers • Mux/Demux
Eout,1

Eout
,2




1 j
j Ein,1
1




Ein,
2

23
光纤通信
•3dB耦合器， ＝0.5，输出场强：
a1 a2
b1 b2
Eout,1

Eout
,2


1 1
2

j
j Ein,1
1

modules
5
光纤通信
无源光器件是指不涉及光电能量转换的器件，它们也是构成光 纤传输系统的重要部分。对于未来先进灵活的光纤通信系统而言， 光无源器件的使用将会越来越多。光无源器件可分为连接用的部件 和功能性部件两大类：
连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（设备） 和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。
12
光纤通信
13
损耗 来源
光纤通信
14
5.1.1 光纤连接器
（3）光纤连接器的损耗及影响因素
光纤连接时引起的损耗与多种因素
有关，诸如光纤的结构参数（如纤芯直
径、数值孔径等）、光纤的相对位置
（如横向位移、纵向间隙等）以及端面
状态（如形状、平行度等），如图所示。
* 纤芯直径不同引起的连接损耗
aw

9
方法：利用精密陶瓷套Fra Baidu bibliotek准直纤芯
光纤通信
光纤连接器的核心技术体现在陶瓷插针体的毛坯上，毛坯内孔 的精度体现了精密机械加工的技术水平。2002年以前，以TOTO 为代表的日本三大公司的产量占全球产量的80%以上。
10
光纤通信
11
光纤通信 （2）光纤连接器的分类 型号:FC/SC/ST/LC系列（螺纹/方销/卡口/自锁） 多芯光纤活动连接器（光纤阵列等） 跳线:单芯/双芯/模块尾纤/束状/带状
主要特性：
• 插入损耗
• 隔离度 • 价格
三端口光环行器
四端口光环行器
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5.1.4 光隔离器
光纤通信
光隔离器开发设计：方案分析、光学指标分解、理论计算、元
件设计选型、仿真验证、样品试制、工艺设计等
*理论计算举例:
1)光路计算（射线法）
光线轨迹的射线分析，关键参数值获取：反向o、e光的张角，
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：
Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0 Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0
24
光纤通信
25
插入损耗和隔离度。
入射光 偏振器
阻塞
法拉弟 旋转器
偏振器 反射光
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5.1.4 光隔离器
正向光入射
光纤通信
自聚 焦棒
楔形双 折射晶
体
法拉第旋 转器
楔形双 折射晶
体
反向光出射
自
楔形 法拉第 楔形
聚
双折 旋转器 双折
焦
射晶
射晶
棒
体
体
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光环形器
光纤通信
基本原理：工作原理等同于隔离器，
光传送顺序：12 3 4 （三端口，四端口，多端口）
•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。
34
5.1.4 光隔离器
1．光隔离器
光纤通信
光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素
而产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。
光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。主要技术指标是
Lc1、4
10log
P1 P4
(dB)
一般情况下，串音为 Lc 20 dB
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5.1.3 光衰减器
光纤通信
光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。
光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量光系统的灵敏度及
校正光功率计等。
分固定衰减器和可变衰减器两种：
位移型
横向位移型-----偏离对中
20 lg
w12 w22 2w1w2
* 数值孔径不同引起的连接损耗
aNA

10 lg(
NA2 NA1
),
NA2

NA1
光纤通信
d θ
z
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5.1.1 光纤连接器
* 横向错位引起的连接损耗
ad 10lg exp[(d / w)2]
* 端面纵向间隙引起的连接损耗
az

10 lg{ [1
P
P1
P2
0
1 2
22
散射矩阵表示法
光纤通信
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
a2
S21
S11
S12
S22
输出场强
b1 b2
b＝Sa
b1
b2


S11 S21
S12 a1
S
22

a2

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：
modules
Amplifiers
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated
amplifiers • SOAs
Switching
• Optical Switches
• Circulators • Couplers • Add/drop