光无源器件

2
1
1 n 2 r1 n1 R
1 0 A B C D (1 n) / R n
球面传输矩阵
近轴光线传输矩阵
GRIN－LENS
cos AZ n0 A sin AZ
C－LENS




AZ n0 A cos AZ 1 sin
1 Re 0 q3 ( L)
4. 确定光纤头与透镜间距L：
※
5. 计算光斑尺寸和点精度 t 根据确定的间距L0，可由q3计算光斑尺寸：
0
1 I m q3 ( L)
点精度可根据各元件的传输矩阵，由光线追迹方法得到，此不赘述。
单光纤准直器
光斑尺寸
取间距L等于透镜焦距，得到光斑尺寸如下：
Grin-Lens：
t
t
0 0 n0 A
0 R n 10
C-Lens：
点精度
取间距L等于透镜焦距，得到点精度如下： Grin-Lens：
n0 1cos AZ
(n 1) Lc n 11 nR
arcsinno ne tan

o e e o
2
渥拉斯顿棱镜
Wedge对角度2φ必须与双光纤准直器交叉角2θcross匹配。




1 Lc / n (1 n) / R 1 (1 n) L / nR c
准直透镜传输矩阵
高斯光束的传输
0 r2 r2 (r ) A0 exp 2 exp jk0 n j ( z ) ( z) 2 R( z ) ( z)
光纤头的8度减反射角
光纤头回波损耗与 端面角度的关系
以SMF-28型光纤为例，1310nm和1550nm的模场直径分别为9.2um和10.4um，计算 得到两波长的回波损耗与端面角度关系如上图。 当端面角度为8度时，1310nm和1550nm光的回损分别为40dB和36dB，前者约比后 者大4dB； 在端面未镀增透膜情况下，只有约4%的光反射回去，增加回损14dB，总回损分别 为54dB和50dB； 镀增透膜之后，剩余反射率<0.25%，增加回损26dB，总回损分别为66dB和62dB。
z 2 ( z ) 0 1 z 0
1/ 2
z0 2 R( z ) z 1 z
z ( z ) tan1 z 0
n 02 z0 0
B2 A1 D2 C1
B1 D1
单光纤准直器设计I
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单光纤准直器
3. 列出输出光束束腰位置的q参数 光纤端面高斯光束的模场半径为ω0且波面曲率半径为R0=∞，因此光纤 端面的q参数为：
输出光束束腰位置的q参数为：
1 j 02 q0 0 Aq0 B q3 Cq0 D
光无源器件的种类繁多，而且同一种器件往往有许多实现途径，很难用 一个统一的标准进行分类。
目录
光纤通信网中的无源器件 基础知识和单元技术 晶体光学器件 密集波分复用器 光纤熔融拉锥器件 光纤光栅 平面光路器件
基础知识和单元技术

近轴光线传输矩阵 高斯光束的传输 高斯光束的能量耦合 光纤头的8度减反射角 单光纤准直器 双光纤准直器 Displacer晶体 Displacer型Wedge对


C-Lens：
C-Lens与Grin-Lens对比II
双光纤准直器
子午面
2cross
Lcross
垂直排列 水平排列
双光纤准直器尾纤排列方式
双光纤准直器的交叉角度和交叉长度
反射镜
双光纤准直器
双光纤准直器应用示例 －2×2光开关
双光纤准直器
双光纤准直器输出光偏角由水平偏角θ//和 竖直偏角θ⊥两个分量组成，其中θ//因光纤 位置离轴产生，θ⊥由端面斜角引起。
光纤通信网中的无源器件
在对光无源器件有了一个初步了解之后，我们来对它作一个界定，以区 别于光有源器件。 光无源器件中不存在电子－光子、光子－电子、或者光子－光子等转 换过程； 光有源器件是利用电子－光子（如LD）、光子－电子（如PD）、或者 光子－光子（如EDFA、FRA）等转换过程来工作； 在一些动态光无源器件如光开关、VOA中，也涉及电子过程，但电子 仅用于光路的控制，而没有发生以上三种转换过程。
光纤通信网中的无源器件
后向泵浦的光纤拉曼放大器（FRA）结构 涉及光无源器件： Isolator、WDM、PBC（偏振合束器）。
光纤通信网中的无源器件
回顾一下前面涉及到的各种光无源器件：
DWDM：ROADM设备中的两大核心器件之一，实现技术有TFF（介质膜滤波片）、FBG （光纤Bragg光栅）、 AWG（阵列波导光栅）、 Interleaver（梳状滤波器），等等； 光开关：ROADM设备中的另一核心器件，可利用光的各种物理效应来实现，如机械光开 关、电光开关、热光开关、磁光开关、声光开关、液晶光开关、 MEMS光开关、气泡光开 关，等等； Coupler：在光纤通信系统中的用量仅次于光纤连接器，实现技术有 FBT（熔融拉锥）和 PLC； Splitter：FTTH接入网中的核心器件，可以用PLC技术实现，也可以由许多50∶50分光比 的Coupler级联而成； Isolator：分偏振相关型和偏振无关型两种，前者用偏振片和磁光旋光片制作，后者用双 折射晶体和磁光旋光片制作； WDM：波长间隔比DWDM大的多，如EDFA中的980nm/1550nm和1480/1550nm WDM， FRA中的波长间隔约100nm的WDM等，实现技术主要有TFF和FBT两种； PBC：FRA的增益与泵浦光偏振态相关，用PBC将两路偏振正交的泵浦光合成一路以消偏， 一般用双折射晶体制作； VOA：动态光通信网中应用最广的器件之一，实现技术有机械、MEMS、热光，等等。
光纤通信网中的无源器件
双向光纤环网中的ROADM节点结构 涉及光无源器件： 光开关、DWDM、VOA（可调光衰减器）、Coupler（耦合器）。
光纤通信网中的无源器件
双向泵浦的EDFA结构 涉及光无源器件： Coupler、WDM（波分复用器）、Isolator（光隔离器）、DGE（动态 增益均衡器）。
单光纤准直器
1. 确定工作距离Zw 2. 列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵 光纤头与透镜间隙：
A1 C 1
A2 C 2
B1 1 D1 0
L 1
Grin-Lens：
B2 cos AZ D2 n A sin AZ 0
近轴光线参数定义
近轴光线传输矩阵
1'
1
r1
n L
r2
2
r2 r1 L sin 1' r1 L1 / n
2 1
A B 1 L / n C D 0 1
平板玻璃传输矩阵
近轴光线传输矩阵
1
R n
r2 r1
r1 r2
ABCD法则：
Aqi ( z ) B qi 1 ( z ) Cqi ( z ) D
其中ABCD为光学元件的近轴光线传输矩阵。
高斯光束传播的ABCD法则
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高斯光束的能量耦合
尾纤为单模光纤的光无源器件，可用高斯光束近似处理，器件的耦合损 耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。 两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可如 下计算：
近轴光线传输矩阵
r1
1
光学 元件
r2
2
近轴光线：光线与光学系统轴线夹角小于5度，可以近似 sin 近轴光线参数：为了方便的描述光学元件对近轴光线的变换作用， 采用光线高度r和光线角度θ两个参数描述光线经过光学元件前后 的状态。 参数符号规定：光线位置－轴线以上为正，以下为负；光线角度 －从轴线沿锐角绕至光线，逆时针为正，顺时针为负。 传输矩阵：采用一个2×2矩阵描述光学元件对近轴光线的变换 作用。 r2 A B r1 C D 1 2
T
E
2
1
E dxdy
* 2
2
E1 dxdy E 2 dxdy
2
高斯光束的耦合失配情况 两高斯光束之间的耦合，存在：径向失配，轴向失配和角向失配。
高斯光束的能量耦合
两高斯光束耦合损耗与各种失配量之间的关系
束腰半径分别为200um和5um，对应一般准直器和光纤的模场半径。 束腰半径为200um的光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配有较大容差； 束腰半径为5um的光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配有较大容差。
光无源器件
万助军 华中科技大学光电学院 2007年12月8日
目录
光纤通信网中的无源器件 基础知识和单元技术 晶体光学器件 密集波分复用器 光纤熔融拉锥器件 光纤光栅 平面光路器件
光纤通信网中的无源器件
全光通信网的结构
涉及子系统：OXC和ROADM 涉及光无源器件： DWDM（密集波分复用器）和Splitter（分路器）
单光纤准直器设计II
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单光纤准直器
工作距离限制
对※式稍作变换，等到一个关于L的一元二次方程，该方程有解（两个解中 接近于透镜焦距的解才是我们所需要的）的条件是满足系数条件。 一元二次方程： 系数条件： 由此得到工作距离限制 Grin-Lens：
aL2 bL c 0
b 2 4ac 0
选择8度斜角基本可以保证回波损耗大于60dB
单光纤准直器
光束发散角大，随两光纤端面 间距增加，耦合损耗迅速增大
光束发散角小，损耗对间距不 敏感，允许插入光学元件
L
Zw / 2

2t
Zw
光纤头 准直透镜 光纤准直器的结构和参数
两准直器的理想耦合情况，束腰重合
θ－点精度，因光纤头8度斜面引起； Zw－工作距离，对应最小耦合损耗的间距； 2ωt－光斑束腰直径。




AZ n0 A cos AZ 1 sin




透镜端面至光束束腰：
A3 C 3
B3 1 Z w / 2 D3 1 0
总传输矩阵：
A B A3 C D C 3
B3 A2 D3 C2
ZW
ZW
n0 0 A
2 n 12 0

0
0

2
C-Lens：
R2
0 2 R R2 2 2 n 1 n 1 0
C-Lens在长工作距离应用中具有优势， 而Grin-Lens是TFF型DWDM中不可缺少的。
C-Lens与Grin-Lens对比I
子午面 轴线
cos( ) tan( 2 arctan // ) 2//
Grin-Lens：
2 cross 2n0 A sin AZ r 1 Lcross n0 A tan AZ


//


C-Lens：
2 cross
2n 1 r R
Lcross
R n 1
透镜端面
双光纤准直器输出光束方向
双光纤准直器
在光开关和光环形器等器件中，为了减少准直器数量和缩小体积，常用到双 光纤准直器与屋脊棱镜和Wedge对的耦合：
2cross
2cross
双光纤准直器与屋脊棱镜的耦合
双光纤准直器与Wedge对的耦合
Wedge对，亦称渥拉斯顿棱镜，o光与e光夹角如下：
对确定波长，高斯光束的特性由其束腰半径ω0决定。
高斯光束的波函数
高斯光束的传输
2θ
光束发散角：
普通准直器：
0 n 0
1.55um 0.14 deg 200 um
高斯光束的发散角
高斯光束的传输
q参数－为了描述高斯光束的传播特性，引入q参数如下：
0 1 1 j qi ( z ) Ri ( z ) ni 2 ( z )