第5讲+光纤无源器件

0.5
0
-0.5
当耦合器的参数相同时
R2 (z)=sin (K2(z))
-0.5
2
2
(1)相同波长间的耦合总是会引入3dB(50%)损耗 (2)不可能利用光纤耦合器将两个光纤的相同波长光信号功率耦合到同
一根光纤之中！ 22
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两个波长从P1, P4端口输入,在同一个输出端口P2输出
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P
i
Pouti
outi
100%
λ1 λ2 λ
N
λ1 + λ2 +…λN
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SG 13 /GII presentation
4
光纤耦合器的特性参数
6.偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)
R(0)=1,S(0)=0 R(0) 1,S(0) 0 ， R2(z)=cos2(Cz) S2(z)=sin2(Cz)
R1(z)=cos (K1(z))
P1
1
P2
0.5


P4
0
P3
S (z)=sin (Kz)
2 2
C：耦合系数； 耦合长度：Lc=2C时 功率100%耦合
P4
[1] 固定连接器
1、光纤连接器
光纤连接器的结构与种类
分类：固定连接器、活动连接器、多模光纤连接器、单模光纤连接器等。
是使一对或几对光纤之间形成永久性的连接， 不要求重复使用，但要求损耗低，回向反射光小， 操作简便，性能稳定。制作固定接头的方法有熔接法、V形 槽法、毛细管法、套管法等，我国光纤干线中，熔接法用得 最多。
(5)透镜耦合结构 (4)球面定心结构
光纤连接器
两根插针插入基座，球面与锥面接合将纤芯对准，并保证纤芯之间的间 距控制在要求的范围内，设计巧妙，但零件形状复杂，实现难度大。
又称远场耦合，结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，降低 了加工的精度要求，容易实现。但结构复杂、体积大、元件多、损耗大
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窄带滤波器
I 10 lg
Pt 是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值； 式中： Pin 是被检测光 信号的输入功率值。
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Pt (dB ) Pin
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玻璃衬底
密集波分复用DWDM:利用单模光纤的带宽及低损耗特性，采用多波长 作为载波，允许多信道在光纤内同时传输，提高通信容量，充分利用 光纤的带宽，具有扩容简单和性能可靠的优点。 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院 19
研究生课程
光纤无源器件 无源器件的主要功能是对信号或能量进行连接、合
光纤传感器
第5讲:光纤无源器件
董国艳
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成、分路、转换以及有目的衰减等。 光无源器件按照器件在光路上所发挥的功能可分为 光隔离器、光纤连接器、光合/分路器、光耦合器、光 开关、光衰减器、光滤波器和波分复用/解复用器等。
多模光纤功率合束计
光纤分路器
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全光纤偏振控制器
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概 述
光纤传感技术中所用的光器件可分成光有源 器件和光无源器件两大类。二者的区别在于器件 在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电 能量转换。若出现光电能量转换，则称其为有源 光器件；若未出现光电能量转换，均称为光无源 器件。
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磨抛法制备单模光纤定向耦合器
石英基座上开槽，光纤以确定曲率半径放入槽内，连同光纤和 基座一起打磨，磨去部分包层，使两光纤的磨抛面重合，这时两纤 芯附近倏逝场重叠而在两光纤之间产生耦合。

（3）熔融拉锥型
• 主要应用于双波长的复用: • 1）1310nm/1550nm； • 2）掺铒光纤放大器(EDFA):980nm/1550nm 1480nm/1550nm • 3）光学监控系统应用：1551nm/1550nm 监控波长 21
1
1 2
0.5
0
P3
2
-0.5
光功率的比例分配与锥形的长度 和包层的厚度有关
3、波分复用(WDM)/解复用器
光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光无源器件。 波分复用器与波分解复用器的不同点在于： 波分复用器(多对 )是将 系列载有信息、但波长不同的光信号合成 束， 波分复用器(多对一)是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束 其插入损耗一般比较大。 解复用器(一对多)要求如下： 给定工作波长应具有最低的插入损耗； 其他端口对该光信号应具有理想隔离度；
密集型波分复用器ITU-T规定在1550nm区域，1552.52nm为标准波 长，标准间隔为0.8nm的整数倍作复用波长。 (2)中心波长工作范围 对于每一工作通道，器件必须给出一个适应于光源谱宽的范围。该参数 限定了我们所选用的光源(LED或LD)的谱宽宽度及中心波长位置。 (3)中心波长对应的最小插入损耗
EL 10 lg
P
i
outi
Pin
(dB)
Pouti 为第i个输出口的输出功率；Pin 为输入光功率。 式中：
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光纤耦合器类型
T型耦合器：可以将光信号按比例分发到两个光纤中, 或把两根光纤中的信号结合在一起,由一个光纤输出。 星形耦合器：是一种n×m耦合器，可以把n束 光纤的输入光功率,在m束光纤的均匀输出. 定向耦合器：用于驱动的光信 号按不同的方向传输。
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1.解复用器
(1)中心波长(或通带)
光学特性
4、光隔离器
光隔离器是一种光的非互易传输器件，只允许光波沿着一个方向传输， 而光的另一个方向的传输是禁止的。也就是说，光信号沿着指定正方向传 输时损耗低，光路被接通；光信号沿着反方向传输时损耗大，光路被阻断。 光隔离器的原理 法拉第旋转器：用旋光材料制成法拉第旋转器，使通过它的光的偏振态 旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关。 光隔离器的工作原理是基于法拉第旋转的非互异性。 与偏振有关光隔离器的组成：起偏器、检偏器、法拉第旋转器三部分。
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光纤连接器
[2]活动连接器
定义：光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接的光无源器 件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、光纤(缆)与系统和仪表进 行活动连接的功能, 是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广光无源 器件之一。 (1)套管结构 这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，因而得到广泛 应用。FC、SC、D4等型号的连接器均采用这种结构。
是指当传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出端口输出光功率 的最大变化量：
原理与分类
（1）基于多层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器
1,2,… 8
光纤
PDLj 10lg 10l
MIN ( P outy ) MAX ( P outj )
透镜
透镜 透镜
(dB)
光纤
1 3 5 7
光纤耦合器
功能——光信号再分配， 有3个或3个以上光路端口的无源器件。 与波 无关时称为光分路器； 与波长无关时称为光分路器； 与波长有关时称为波分复用器WDM 两光纤的纤芯很接近时，光场导致介质极化，模场互相渗透，发生耦合
熔融拉锥法的工作原理：入射光功率 在双锥体结构的耦合区发生功率再分 配,一部分光功率从“直通臂”继续传 输，另一部分则由“耦合臂”传到另 输，另 部分则 耦合臂 到另 一光路。单模耦合器和多模耦合器具 有完全不同的耦合机理。 (1)熔融拉锥型单模光纤耦合器 光纤归一化频率先减小，然后增加,包 层为芯，空气为包层构成新波导,光功 率以特定比例 捕获 率以特定比例“捕获”。 (2)熔融拉锥型多模光纤耦合器 较高阶模式被捕获，获得耦合光功率； 低阶模不参与耦合，只能从直通臂输 出。
λ1输入端 λ1+ λ2 transport λ2接收端
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滤光膜型DWDM的一种工艺方案
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1—15 15
λ1接收端 λ1+ λ2
1—14
λ2输入端
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光纤耦合器的特性参数
3.耦合率(Coupling Ratio，CR) 耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，
CR
1 4
2 3 WDM /解复用器——与波长有关, 用来 将发射机的多路输出光信号输入一束 光纤中;解复用器用于将一根光纤中的 不同光信号分拣到不同的光接收机。
4.方向性 以标准X形耦合器为例，定义为输入端非注入光端口的输出光功率与总注入 光功率的比值， P 1 2 DL 10 lg in 4 ( dB ) Pin1 4 3 Pin1 代表总注入光功率； Pin 2 代表输入端非注入光端口的输出光功率。 式中： 5.均匀性:在器件的工作带宽范围内各输出端口输出功率的最大变化量。 MIN( Pout ) ( dB ) FL 10 lg MAX( Pout ) 式中：MIN(Pout)为最小输出光功率；MAX(Pout)为最大输出光功率。 16
5
（2）光纤光栅
利用用紫外光照射，使得光纤 纤芯折射率分布呈周期性变化，在 满足布拉格光栅条件的波长上全反 射，而其余波长通过的是一种全光 纤陷波滤波器。 P11
1.5
不同波长光信号的耦合(分波)
R1(z) (z)=cos cos (K1z)
2
2
R2(z) (z)=cos cos (K2z)
2
2
P2
(3)V形槽结构 将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使 纤芯对准，精度较高，但结构复杂，零件数量多。
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全光纤定向耦合器
磨削法 缺点：热稳定性 和机械稳定性差 用途：波分复用 器和光滤波器 浸蚀法 缺点 缺点：工艺的 艺的 一致性差、热 稳定性差和损 耗大 用途：耦合 熔锥法 用途：光纤滤 波器、波分复 用器、光线偏 振器和偏振耦 合器等
两个波长从输入端口P1输入,分别在输出端口P2,P3输出
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信号光波长
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相同波长光信号耦合
1.5
不同波长光信号的耦合(合波)
1.5
2 2
标准熔融拉锥型单模光纤耦合器
R (z)=cos (Kz)
2 2
P1 1
光注入初始条件:
P2
7.隔离度
某一光路对其他光路中信号的隔离能力。隔离度高,意味着线路之间的 “串话”小。实际工程中，可直接用于反映WDM器件对不同波长 光信号的分离能力，对于分波耦合器往往需要隔离度达到40dB以上的器 件；而合波耦合器的隔离度要求并不苛刻，20dB左右即可。
透镜
透镜 透镜
2 4 6 8
光纤
透镜 透镜 透镜
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光纤连接器
(2) 双锥结构 利用锥面定位，此结构由AT&T创立和采用。
2、光纤耦合器
定义：简称耦合器，是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种
器件。简单地讲，光耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结 构耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。
制作工艺
熔融拉锥法：将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式 靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双 锥体形式的特殊波导结构 是实现传输光功率耦合的 种方法 锥体形式的特殊波导结构，是实现传输光功率耦合的一种方法。
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光纤耦合器的特性参数
1.插入损耗(Inserting Loss，IL) 指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值。
ILi 10 lg
Pouti ( dB ) Pin
其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗； Pouti是第i个输出端口测到的光功率 Pin 是输入端的光功率值。 值； 2.附加损耗(Excess Loss，EL) 所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。