2019-无源器件1

aa12((ll))1jC C j1CCaa12((00))
3.光方向耦合器的主要特性参数
分光比 插入损耗 隔离度
1 P1 2 P2
光方向 耦合器
P3 3 P4 4
分光比： P3 : P4, 1-99之间。
光方向耦合器端口示意
插入损耗 ： 10lgP3 一P4般(d要B)求≤0.5dB。
P1
隔离度： A 1 2 1 0 lgP P 1 2(d B )，A 1 2 1 0 lgP 3P 2P 4
耦合部分的直径拉细成20—40μm左右。
拉力
拉力
氢氧焰
熔融拉锥光方向耦合器的原理－波导间的横向耦合
x
渐逝场的能量交换，
百度文库
1
耦合影响表现在复振幅
0 平行耦合波导系
z
2
y
设a1(z),a2(z)为光波在
两波导中的复振幅,由 于耦合作用,随z变化, 规律
da d 1z(z)j12exp(jz)a2(z) da d 2z(z)j21exp(j z)a1(z)
(dB)
Pin PR 连接器
20dB 40dB ? 优
越大说明反射光对前级系 统的影响越小。
改进方案：
端面 端面
端面 端面
端面 端面
平面接触 球面接触 斜面接触
3.重复性－同一器件每次使用的插入损耗的变化。 dB表示。
4.互换性－同型号的连接器中，各个连接器插入损耗 的差异，也用dB表示。
5.1.1 光纤的永久性连接 光纤的永久性连接
y型耦合器 最基本的有 x型耦合器
星型耦合器
微元件型 从原理而言
光纤型
分路器和合路器没有实质上的区别，但输入、输出端不 是完全可逆的。
1. 微小光元件型方向耦合器
微光元件型方向耦合器结构示意图
L1
M
L3
1
3
2
分束器：1为输入端，2、3为输出端。
根据光路可逆可否作合束器用？
2.光纤型方向耦合器 利用渐逝场耦合的原理。在渐逝场耦合时，光的能 量通过两纤芯之间电磁场重叠从一根光纤传输到另 一根光纤。由于光纤渐逝场是一个按指数规律衰减 的场，所以两光纤的纤芯必须紧紧地靠在一起。
归一化频率不同 纤芯相等 NA相等
(V)2 ( n1a 2 )2
V n1a 2
( NA)2
NA
( a )2 a
对于单模光纤,在传导模场为高斯分布的近似下，连 接损耗主要是横向偏离，损耗与偏离量的关系为：
横向偏离距离
10lgexp(W d)光大2纤于的纤芯模半场径半径
估算模场半径4.9μm,横向偏离距离1μm的连接损耗。
电弧熔接后 ，在光纤接 续处用玻璃 毛细管或不 锈钢管增强 ；也可用热 缩塑料管增 强.
之后，清洁，检查。
2. 固定连接器技术 采用机械的连接具来支撑被连接的光纤，使其保持 在固定的位置上。 关键技术是光纤的对准和对准的保持。 固定连接器
毛细管定位固定连接器 V型槽定位固定连接器
依靠毛细管本身定位并支撑。 利用V型槽保持两待接光纤相互对 准定位.铅板作主要材料,用冲模冲 出V型槽,也可以用单晶硅材料以 化学腐蚀的方法刻蚀出V型槽.角 度值一般选在60°左右。
无论那种型号的光隔离器，其隔离度应在30dB以上，越
高越好。
回波损耗－定义为光隔离器的正向输入光功率和反回到
输入端的光功率之比。
RL
lg( Pi'n Pin
)
回波直接影响系统的性能，所以回波损耗是一个相当重
要的指标。优良的光隔离器的回波损耗都在55dB以上。
谢谢聆听
共同学习相互提高
波导型 由平面或带状介质光波导构成。沉积工艺之前先用光刻的方
法将波导形状做在衬底上。
a
b
c
d
其主要作用：连接光波导或光路；控制光的传播方向； 控制光功率的分配；控制光波导之间的光耦合；控制器 件之间的光耦合；控制光波导与器件间光耦合……。
5.1 光纤连接器
光纤间的连接 光纤与光源的连接 光纤与光检测器间连接 光器件之间的连接 光器件与设备的连接……
P2
450
旋光器
偏振无关光隔离器结构示意图
2）偏振无关光隔离器－与输入光波的偏振状态无关
P1
P2
450
旋光器
偏振相关结构
P1
P2
450旋光器
偏振无关结构
由同学画出具体光路,说明P2取向
P1将入射 光波分为o 光和e光， 传播方向有 一夹角
P1
法拉第旋光器 将两出射光的 偏振面各自向 同一个方向旋 转450
≥35
≥38
寿命(插拔次数)
≥1000
≥1000
≥10000
使用温度范围 ( 0C）
-20—+70
-20—+70
-40— +80
5.2 光方向耦合器-光定向耦合器
是对光实现分路、合路、插入和分配的无源器件。
在光纤通信系统中，用于数据母线和数据线路的光信号 的分路和接入以及从光路上取出监测光，以了解发光元件 和传输线路的特性和状态；在相干光通信接收端机中, 光 方向耦合器用于光混频器; 在光纤应用领域光方向耦合器 的应用将越来越广泛。
熔接法和粘接法 固定连接器
1.光纤熔接技术
70年代初 镍铬丝通电作为热源
对熔点低于1000℃的多组分多模玻璃光纤进行熔接， 连接的损耗约0.5dB。
70年代中期 采用电弧放电加热法(也有其他加热方式）
利用电弧使两根待接光纤熔化而连接在一起。光纤位置 控制借助于微动机构和显微镜来实现。 多模光纤的平均损耗达到0.26dB。
p1(z) p1(0)cos2z p2(z) p1(0)sin2z
0 U2 K0(Wd/ a) 2n1a2V2 K1(W)
d光纤轴线间距,U,V,W光纤归一化参 数，K0 ,K1修正的二类贝塞尔函数。
只要控制耦合长度，就可以获得不同功率比的定向耦合器。在
在具体分析、计算中，用传输矩阵表示方向耦合器的传输特性， 它表明输出端与输入端光场之间的关系。
永久性连接：熔接 粘接 固定连接器
活动性连接：活动连接器
无论是固定连接还是活动连接，都是一种特定的不连续点，自然 要产生损耗。？以低损耗的方法把光纤相互连接起来，而且希望尽量减
少连接的地方出现光的反射。
连接损耗决定因素： 光纤的特性参数 光纤端面质量 相对几何位置对准 — 横向对准、轴向对准、角度对准
光无源器件按结构形式可分为块状、光纤和波导型三种。
块状型由分立元件组成，因而也称分立元件型。 例如，玻璃片上镀
吸收介质-衰减器，玻璃片两边镀高反膜-滤波器，闪耀光栅构成波分
复用/解复用器等。这种元件的缺点是不能直接与光纤耦合，需要通
过耦合元件，所以损耗较大。
2cm
光纤型 损耗小，能做成在线式。具有光纤的一切优点。
)2
al NA/ n
(1 an )2 。n周围介质的折射率
lNA
3.倾斜角度对耦合效率η的影响
θ
2[arccons n 1( n )2]
2NA 2NA 2NA
1 n n周围介质折射率 NA
4.间隙与光纤的界面存在的菲涅尔反射损耗：
反射率 R=(n1+n/n1-n)2
5.光纤参数不匹配对耦合效率η的影响
插入损耗（dB）
多模 光纤
≤ 0.2
单模 光纤
≤0.3
多模 光纤
≤0.2
单模 光纤
≤0.3
陶瓷PC 型
单模 光纤
≤0.3
重复性（dB）
≤ 0.1
≤0.1
≤0.1
≤0.1
≤0.1
互换性（dB）
≤ 0.1
≤0.1
≤0.1
≤0.1
≤0.1
最大插入损耗 （dB）
≤0.4
≤0.5
≤0.4
≤0.5
≤0.5
反射损耗（dB）
第五章 光无源器件
光无源器件(光通路元器件-光能量消耗型器件)是光 纤通信技术中的重要组成部分。随着光纤通信的发展,从 用于点-点系统的光纤连接器， 光网络需要的定向耦合 器和星型耦合器， WDM和DWDM系统的光波分复用/ 解波分复用器， 光纤与集成光路的耦合和相干光通信系 统需要的偏振态控制器， 铒光纤放大器后滤除自发辐射 噪声必须有滤波器， 各种通信系统和测量系统离不开光 隔离器……，光无源器件的内容日益丰富，已广泛应用 于光纤通信系统,计算机光纤网,微波光纤网,光纤传感网 等等光纤应用的各个领域。
两个光的振动方向平行于 第二个晶体中的e光和o光 的振动方向，因此被P2折 射成两束间距很小的平行 光并被耦合到光纤纤芯中
P2
450旋光器
原理结构图
由于法拉第效应的非互易性,当光束反向传输时,经过晶体P2分为o 光和e光;这两束线偏振光经法拉第旋光器时,振动面的旋转方向由磁 感应强度B决定而不受光线传播方向的影响,所以振动面与正向相同 的方向又旋转450,相对于第一个晶体PI的晶轴共旋转了900. 整个后向光路相当于经过一个屋拉斯顿棱镜,出射的两束线偏振光 被P1进一步分开,构成一个较大的角度,不能被自聚焦透镜耦合进光 纤纤芯,从而达到反向隔离的目的。
0
下面给出简化后的耦合波方程的解：
耦合波方程的解－传输功率随耦合区长度的变化
耦合波方程
da1(z) dz
j12a2(z)
da2(z) dz
ja1(z)
a1(z)C 1exp(jz)C 2exp(jz) a2(z)C 1exp(jz)C 2exp(jz)
C由入口决定，设入射端两波导中振幅为a1(0)， a2(0)，再将写 成功率形式(过程略) :
5.1.2 光纤活动连接器
目前使用数量最多的光无源器件。重复插拔的寿命长 一般要求插拔次数在1000次以上。
对接耦合式
耦合方式
透镜耦合式
外套 套筒 插针体
光纤
对接耦合式光纤连接器示意图
透镜－厚度分布型
自聚焦透镜－折射率分布型
透镜耦合式光纤连接器示意图
国产活动连接器的主要技术指标
FC型
不锈钢PC型
耦合波方程
da d 1z(z) 耦j 合1系2e数xp(失j配 相位z因)a子2(z)12
da d 2z(z)j21exp(j z)a1(z)
12
* 21
,
两波导相同， 12 21 为实数。
有效耦合条件（相位匹配条件）
相位匹配，即 1 ，或2 近似相等得到极大耦合。l 耦合长度
l
a2(l)jk21 a1(z)dz
80年代开始 “预加热熔接法”
通过电弧对光纤端面进行预热整形，然后在放电的情况 下,让两根待连接光纤的其中之一沿轴线向另一根移动, 最后把它们熔合在一起。 单模光纤熔接平均损耗达到0.1dB
此后，以此技术为基础发展成为商品光纤熔接机系列。
光纤熔接机原理框图
电极
电
夹具及微调架
弧
电
源
控制中心
监测信号
光纤熔接的具体操作 端面制备 纤芯对准
二. 光纤连接器的重要技术指标
插入损耗，回波损耗，重复性，互换性等
1.插入损耗 表示光纤中的光信号通过连接器后，其 输出光功率相对输入光功率的分贝比。
L
10lgPo u t(dB) Pin
Pin 连接器 Pout
2.回波损耗 — 后向反射损耗
光纤连接处后向反射光功率与输入光功率的分贝比。
R
10lgPR Pin
一. 横向偏离对耦合效率η的影响
d
S
S a2 2arc2 d a c o d as1(2 d a)2
（d/2a）<0.2, arccdosd
2a 2 2a
d 1( d )2 d
a 2a a
1 2d a
10lg(12d（ ) dB） a
2.纵向偏离对耦合效率η的影响
x l
a2 (a x)2
(
a
5.3 光隔离器-非互易性器件 一种只允许光波沿光路单向传输的非互易性光无源器件。 它的作用－隔离反向光对前级工作单元的影响。
正向插入损耗小 主要技术指标 反向隔离度高
回波损耗大 器件体积小
环境性能好……
类型
偏振有关型
偏振无关型
基本结构
法拉第 旋光器
旋光器
偏振器
准直器
1)偏振相关光隔离器
450
P1
全光纤结构的偏振无关光隔离器
光纤 双折射光纤
磁光晶体 磁铁 双折射光纤 光纤
锥型双折射光纤隔离器的基本结构
技术指标的意义
隔离度－定义为对反向光的隔离程度。
I SO
lg( PR' PR
)
是光隔离器的重要指标之一。研究表明，起偏器与检偏
器的偏振轴的夹角有微小的变化可引起隔离度的很大变
化，所以隔离度对偏振轴的夹角的对准非常重要。
熔 接 接头增强
目前用得最 多的是超声 光纤切割刀， 它采用电子 调谐的超声 振动刀具,能 制备优质的 端面。
要求有非常高的 精度。多模光纤 可以采用外径对 准法，单模光纤 则必须采用芯轴 对准－用功率法 或折射率差透镜 效果法来确定。
先让待接光 纤的间隙维 持几十微米 ，然后进行 预热，最后 使间隙逐渐 缩小而熔合 在一起。