第6章 光纤无源及有源器件剖析

1、均匀折射率分布材料 2、依靠弯曲的光学界面
实现光学成像 3、通过非球面来克服像差，
提高成像质量
1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲
实现光学成像 3、通过优化折射率分布，
提高成像质量
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第6章 6.1自聚焦透镜
自聚焦透镜
应用：无源器件的耦合系统、复印机、传真机、计算机光盘系统、摄影物镜、 显微物镜、医用内窥镜等方面。
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第6章 6.1自聚焦透镜
自聚焦透镜的基本特征
❖平方率折射率分布 ❖光线轨迹为cos或sin曲线 ❖从一点发出的不同角度的光线将会聚于另一点， 形成“自聚焦” ❖具有独到特点：
体积小、平端面 超短焦距 组合透镜成像特性 可以弯曲成像
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第6章 6.1自聚焦透镜直角坐标系中的射线方程
•Tx/Rx modules
•Thin film filters •Fiber gratings •Waveguides
•Circulators •Interleavers •Mux/Demux
modules
Amplifiers
•Isolators •Tap couplers •Pump lasers •Gain equalizers •Attenuators
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光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
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6.1 自聚焦透镜
球透镜与自聚焦透镜
Com第p6o章nen光tsN纤aent无dwoM源rok及dsu有les源in器D件WDM
光纤通Ov信er中9的00关0 键Pr光od电u子cts器件
Transmission
DWDM
•Source lasers •Modulators •Wavelockers •Receivers •Detectors
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第6章 6.1自聚焦透镜
dr dxi dyj dzk dz
1
ds2 dx2 dy2 dz2
ds
1
dx dz
2
dy dz
2
d
n
dxi dyj dzk
dz dx2 dy2 dz2
dz dx2 dy2 dz2
n x
i
n y
j
0
k
d
n
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第6章 6.1自聚焦透镜
GRIN透镜的成像（II）
20 江汉大学
第6章 6.1自聚焦透镜GRIN透镜的成像（III）
21 江汉大学
第6章 6.1自聚焦透镜GRIN透镜的成像（III）
22 江汉大学
第6章 6.1自聚焦透镜
GRIN透镜的成像（IV）
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d2x dz 2
n n
n x
n
d2y dz 2
n n
n y
n n
d2x dz 2 d2y dz 2
1 2n 1 2n
n2 x n2 y
ห้องสมุดไป่ตู้
n2 x
2n02 Ax,
n2 y
2n02 Ay
d
2
x
dz
2
n0 n
A
2
2
x
0
d2y
dz
2
n0 n
A
y0
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第6章 6.1自聚焦透镜
光线的传播轨迹
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第6章 6.1自聚焦透镜
透镜传输矩阵
q ds dz
dx dy
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第6章 6.1自聚焦透镜
近轴子午光线近似
t n(r)sinq n tanq n0 tanq
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第6章 6.1自聚焦透镜
透镜传输矩阵
r
t
S
r0 t0
；S
Cl Al
Dl
Bl
Al n0 A sin( AL)
❖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
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光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件
光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
Bl Cl cos( AL)
Dl sin( AL) / n0 A BlCl Al Dl 1
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第6章 6.1自聚焦透镜 矩阵光学符号公约
(1)原点:顶点、主点或焦点 (2)线段:以原点为基点,顺光线传播方向为正,反之为负; (3)角度:以光轴或端面法线为基轴,从基轴向光线转动,
•Integrated amplifiers
•SOAs
Switching
•Optical Switches •Circulators •Couplers •Add/drop modules
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❖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。
x
1 x2 y2
1 n
2
dz
1 x2 y2
x
d dz
n
y 1 x2 y2
1 x2 y2
1 n
2
y
d dz
n
0
1 x2 y2
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第6章 6.1自聚焦透镜
n2 r n02 1 A x2 y2
n
n
n 1 x2 y2
1 x2 y2
n
n
顺时针为负,逆时针为正; (4)标记:在成象图中出现的几何量(长度和角度)均取绝
对值,正量直接标注,负量冠以“-"号之后标注 。
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第6章 6.1自聚焦透镜
透镜成像矩阵
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第6章 6.1自聚焦透镜
总成像矩阵
利用透镜传输矩阵S进行简化:
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第6章 6.1自聚焦透镜 GRIN透镜的成像（I）
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光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件
半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM) 光调制器（EA） 光开关/路由器