光波导理论与技术_第六章
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第六章 无源光器件
• 光纤连接器 • 光耦合器 • 光波复用、解复用器 • 光调制器 • 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗；
• 由于锥形区包层相同，因而高阶模功率均匀分配到 两根光纤的输出。
• 低阶模在纤芯中传输。 • 总分光比取决于锥形耦合区长度和包层厚度。
• 作用：将N个输入功率复合后再平均分配到M个输 出端口。用熔锥法形成，适合于多模光纤；
• 耦合特性对模式敏感，输出端口功率变化大；
• 用单模光纤难于精确调整多根光纤间的消逝场。
基于22耦合器级联的N N星型耦合器
2. 微型元件型：
3. 集成光波导型：
光源与光纤的耦合
6.3 光滤波器
用于波分复用技术 1. 基于干涉原理的滤波器：
▪ Fabry-Perot滤波器、 ▪ 马赫—曾德尔滤波器、 ▪ 多层介质膜滤波器； 2. 基于光栅原理的滤波器： ▪ 体光栅滤波器、 ▪ 阵列波导光栅滤波器（AWG）、 ▪ 光纤光栅滤波器、 ▪ 声光可调谐滤波器。
2 0
2neff L
neff
n1
0
n
dn
d 0
• 峰值波长或频率在谐振腔中
1. Fabry-Perot滤波器
• 结构：两平行介质板，内 表面为镀高反射膜的镜面，
反射系数各为 r1, r2，透射
系数各为 t1, t2。
• 透射波由幅振幅为At1， At2 At3 --- 光束组成。
每束透射波比前束相位延迟 φk02l4πn0 l，/λ振幅
减小，须乘因子 r1r2 。 令： h r 1 r2ex jp
p1(z )p1(0)co 2ksz
p2(z)p1(0)si2n kz
不同长度可改变耦合波导 输出功率比
耦合比与拉伸长度有关，到第九个周期附加损耗达到0.5dB
耦合器分类
1. 全光纤型： • 在锥形区变细处，高阶模入射角超出临界角，经纤
芯—包层边界进入包层，成为包层模在包层中传输， 锥形区又变粗后高阶模又重新耦合进纤芯成为导模。
6.2 光耦合器
1. 全光纤耦合器原理 拼接法（磨抛法）：关键是控制光纤包层磨抛量
优点：通过改变光纤拚合角度和磨抛量调整耦合强弱。 缺点：热和机械稳定性差 熔锥法：严格控制拉锥长度、熔区形状、锥体光滑
度。对输出光功率在线控制，性能好，成本低。
设：两耦合波导相同 k12k21k β1 β2
第二波导输入端振幅为零，两波导z 处的光功率为：
多模光纤 2a=50m，=1%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 3 m。 单模光纤 2a=10m，=0.3%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 0.8 m。
b) 角度偏移
c) 阶跃多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg1k2
d) 梯度多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg13k82
• 设多模光纤发射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a 2， 则有：
Ln
10
lg
a2 a1 a1a2
2 2
0
a1 a2 a1a2
连接器端面接触形式
a) 平面接触形：简单、低成本，反射波明显，影 响性能
b) 物理接触型：球面接触，减少反射
c) 有倾角物理接触型：端面法线与轴线有倾角， 进一步减少反射
射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
La
2
10
lg
a2 a1
Leabharlann Baidu
0
a1 a2 a1a2
2) 两单模光纤：
La
10lg14aa12
a2 a1
2
2) 两光纤数值孔径不同引起的连接损耗：
LNA
10lg
N NAA12
10lg12
0
N1A N2A N1A N2A
3) 两光纤折射率分布不同引起的连接损耗
L d 1l0 g 2 arc 2 d a c o 2 d a s4 d a 2 6 5 d a 2
• 多模梯度光纤可简化成：
Ld 10lg12.35da2
• 单模光纤的传输模场近似为高斯分布时，可简化成：
例：
Ld
10lgexpd2 w
w是模场半径
At 1A iTReexxp p jj
输出光强：
It
KtA At
AiT2
1R2 4Rs
i2 nφ
定义F-P腔功率传输系数为：
2
τ It Ii
则： τ
1
1 4R/1-R2 sin2 φ
2
• 存在透射率为最大的峰值波 长0或峰值频率0；
0
2nL N
0
Nc 2nL
N为整数
• 峰值波长或频率等间隔排列， 谐振峰间的波长或频率间隔：
kn1/n0
e) 单模光纤倾斜损耗：
L d 1 le g 0 x n 2 w p / 2
f) 当要求 L < 0.1dB 时， 多模光纤 < 0.7，
g)
单模光纤 < 0.3。
c) 纵向偏移，两连接光纤端面间有间隙，只有部分能 量进入接受光纤
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
S
LS 10 lg14Sak
2
单模光纤端面间隙损耗：
2
LS 10 lg1S21/2n2w2
2. 光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
x1 x2 x
L1l0g 1k k-2 112
Lx 10 lg 121 2x1 ax2
3. 光纤结构参数失配引起的损耗
1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发
2. 光纤端面形状畸变引起的损耗 3. 光纤结构参数失配引起的损耗
光纤连接器的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗） 1) 两光纤相对位置偏离引起的损耗 a) 横向偏移:
2a
d
连接损耗取决于偏移量和纤芯直径之比。
阶跃光纤： 梯度光纤：
L d 1l0g 2 arc c 2 d ao s2 d a 1 2 d a 2 1/2
则： At1 Aih
At2htA 1Aih2
At3h2At1Aih3
透射光幅振幅：
A t A t 1 A t2 A t3 A t 1 1 h h 2 1 A t 1 h
Ait1t2 expj
1h
设： r1 r2 r
t1 t2 t
则功率反射和透射系数各为： Rr2 T t 2 RT1
• 光纤连接器 • 光耦合器 • 光波复用、解复用器 • 光调制器 • 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗；
• 由于锥形区包层相同，因而高阶模功率均匀分配到 两根光纤的输出。
• 低阶模在纤芯中传输。 • 总分光比取决于锥形耦合区长度和包层厚度。
• 作用：将N个输入功率复合后再平均分配到M个输 出端口。用熔锥法形成，适合于多模光纤；
• 耦合特性对模式敏感，输出端口功率变化大；
• 用单模光纤难于精确调整多根光纤间的消逝场。
基于22耦合器级联的N N星型耦合器
2. 微型元件型：
3. 集成光波导型：
光源与光纤的耦合
6.3 光滤波器
用于波分复用技术 1. 基于干涉原理的滤波器：
▪ Fabry-Perot滤波器、 ▪ 马赫—曾德尔滤波器、 ▪ 多层介质膜滤波器； 2. 基于光栅原理的滤波器： ▪ 体光栅滤波器、 ▪ 阵列波导光栅滤波器（AWG）、 ▪ 光纤光栅滤波器、 ▪ 声光可调谐滤波器。
2 0
2neff L
neff
n1
0
n
dn
d 0
• 峰值波长或频率在谐振腔中
1. Fabry-Perot滤波器
• 结构：两平行介质板，内 表面为镀高反射膜的镜面，
反射系数各为 r1, r2，透射
系数各为 t1, t2。
• 透射波由幅振幅为At1， At2 At3 --- 光束组成。
每束透射波比前束相位延迟 φk02l4πn0 l，/λ振幅
减小，须乘因子 r1r2 。 令： h r 1 r2ex jp
p1(z )p1(0)co 2ksz
p2(z)p1(0)si2n kz
不同长度可改变耦合波导 输出功率比
耦合比与拉伸长度有关，到第九个周期附加损耗达到0.5dB
耦合器分类
1. 全光纤型： • 在锥形区变细处，高阶模入射角超出临界角，经纤
芯—包层边界进入包层，成为包层模在包层中传输， 锥形区又变粗后高阶模又重新耦合进纤芯成为导模。
6.2 光耦合器
1. 全光纤耦合器原理 拼接法（磨抛法）：关键是控制光纤包层磨抛量
优点：通过改变光纤拚合角度和磨抛量调整耦合强弱。 缺点：热和机械稳定性差 熔锥法：严格控制拉锥长度、熔区形状、锥体光滑
度。对输出光功率在线控制，性能好，成本低。
设：两耦合波导相同 k12k21k β1 β2
第二波导输入端振幅为零，两波导z 处的光功率为：
多模光纤 2a=50m，=1%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 3 m。 单模光纤 2a=10m，=0.3%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 0.8 m。
b) 角度偏移
c) 阶跃多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg1k2
d) 梯度多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg13k82
• 设多模光纤发射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a 2， 则有：
Ln
10
lg
a2 a1 a1a2
2 2
0
a1 a2 a1a2
连接器端面接触形式
a) 平面接触形：简单、低成本，反射波明显，影 响性能
b) 物理接触型：球面接触，减少反射
c) 有倾角物理接触型：端面法线与轴线有倾角， 进一步减少反射
射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
La
2
10
lg
a2 a1
Leabharlann Baidu
0
a1 a2 a1a2
2) 两单模光纤：
La
10lg14aa12
a2 a1
2
2) 两光纤数值孔径不同引起的连接损耗：
LNA
10lg
N NAA12
10lg12
0
N1A N2A N1A N2A
3) 两光纤折射率分布不同引起的连接损耗
L d 1l0 g 2 arc 2 d a c o 2 d a s4 d a 2 6 5 d a 2
• 多模梯度光纤可简化成：
Ld 10lg12.35da2
• 单模光纤的传输模场近似为高斯分布时，可简化成：
例：
Ld
10lgexpd2 w
w是模场半径
At 1A iTReexxp p jj
输出光强：
It
KtA At
AiT2
1R2 4Rs
i2 nφ
定义F-P腔功率传输系数为：
2
τ It Ii
则： τ
1
1 4R/1-R2 sin2 φ
2
• 存在透射率为最大的峰值波 长0或峰值频率0；
0
2nL N
0
Nc 2nL
N为整数
• 峰值波长或频率等间隔排列， 谐振峰间的波长或频率间隔：
kn1/n0
e) 单模光纤倾斜损耗：
L d 1 le g 0 x n 2 w p / 2
f) 当要求 L < 0.1dB 时， 多模光纤 < 0.7，
g)
单模光纤 < 0.3。
c) 纵向偏移，两连接光纤端面间有间隙，只有部分能 量进入接受光纤
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
S
LS 10 lg14Sak
2
单模光纤端面间隙损耗：
2
LS 10 lg1S21/2n2w2
2. 光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
x1 x2 x
L1l0g 1k k-2 112
Lx 10 lg 121 2x1 ax2
3. 光纤结构参数失配引起的损耗
1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发
2. 光纤端面形状畸变引起的损耗 3. 光纤结构参数失配引起的损耗
光纤连接器的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗） 1) 两光纤相对位置偏离引起的损耗 a) 横向偏移:
2a
d
连接损耗取决于偏移量和纤芯直径之比。
阶跃光纤： 梯度光纤：
L d 1l0g 2 arc c 2 d ao s2 d a 1 2 d a 2 1/2
则： At1 Aih
At2htA 1Aih2
At3h2At1Aih3
透射光幅振幅：
A t A t 1 A t2 A t3 A t 1 1 h h 2 1 A t 1 h
Ait1t2 expj
1h
设： r1 r2 r
t1 t2 t
则功率反射和透射系数各为： Rr2 T t 2 RT1