光纤光学1 (2).ppt

Chapter3 1 光纤光学 第三章光纤无源及有源器件 W CChenFoshanUniv 以光纤为基质 做成能实现对信号进行连接 合成 分叉 转换及放大衰减的器件 Chapter3 2 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 Chapter3 3 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 Chapter3 4 光器件与电器件的类比 Chapter3 5 光器件的应用 Chapter3 6 Chapter3 7 基本思想 相耦合的两波导中的场 各自保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数 耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化 设两波导中的复数振幅为和 由于耦合作用 它们沿长度方向变化 理论 耦合模理论 实验采用两根相同的光纤 所以其解 是互耦合系数 实际上 自耦合系数相对于相互耦合系数可以忽略 Chapter3 8 Chapter3 9 X Y coupler Chapter3 10 PracticalCouplers Chapter3 11 使用微结构光纤制造耦合器 微结构光纤 光子晶体光纤 微结构光纤耦合器 模场演化图 Chapter3 12 WavelengthSelectiveCouplersandSplitters 棱镜型光合波和光分波的原理图 衍射光栅型光合波和光分波的原理图 Chapter3 13 波导型分波器的原理图 Chapter3 14 StarCouplers Chapter3 15 3 偏振器 Therotationofthebirefringentaxeshastheeffectofphaseretardationofonecomponentofthesignallightinrelationtotheother Thusitchangesthepolarizationofthesignal Byrotatingthefiberloopsyoucanadjustthedevicetoproducelightatanydesiredpolarization 1 偏振控制器 PolarizationController Chapter3 16 Atypicalloopdiameter about750mm Chapter3 17 FiberSqueezerPolarizationController Chapter3 18 2 偏振分束器 PolarizationBeamSplitter 原理 入射电磁波波束含有两个偏振态 从晶体界面入射后 其中一个偏振态的电磁波束在界面上经历负折射 入射电磁波波束和折射电磁波波束在晶体与环境界面的法线的同一侧 另一个偏振态的电磁波波束在光子晶体与环境界面上经历正折射 入射电磁波波束和折射电磁波波束分别位于法线的两侧 从而把两个偏振态的电磁波波束分开 实现偏振分束 Chapter3 19 4 隔离器 Isolator Anisolatorisadevicethatallowslighttopassalongafibreinonedirectionbutnotintheoppositedirection couplingalasertoafibre Reflectedlightcancauseinstabilityinthelaserandcausemanyundesirableeffects highspeedcommunicationsystemopticalamplifiersfibreringcavity Application Chapter3 20 PrincipalofIsolator 1 TheFaradayEffect Lighttravelingwithinthematerialhasitsplaneofpolarization electricandmagneticfieldvectors rotatedbyanamountdependingonthelengthandthestrengthofthemagneticfield themostimportantaspectisthattheeffectisasymmetric materials YIG Yttrium Iron Garnet Chapter3 21 2 PolarisationIndependentIsolator separatingtheincomingrayintoitstwoorthogonalpolarizationsprocessingthemseparatelyandthenre combiningthemattheoutput Chapter3 22 5 光纤光栅 FiberGrating Anin fibreBragggratingisconstructedbyvaryingtherefractiveindexofthecorelengthwisealongthefiber Lightofthespecifiedwavelengthtravelingalongthefiberisreflectedfromthegratingbackinthedirectionfromwhichitcame Wavelengthswhicharenotselectedarepassedthroughwithlittleornoattenuation WhatisFiberGrating Chapter3 23 PrincipleofOperation Thegratingformsanelectromagneticresonantcircuit Powerfromtheforwarddirectioniscoupledintotheresonantcircuitandthenreflectedback Non resonantwavelengthsarenotaffectedverymuch Chapter3 24 ExperimentalspectraofFiberGratingat1550nm Thecenterwavelengthisgivenby Chapter3 25 ChirpedFBGs A chirp iswhereyougetavariationintheperiodofthegrating andhenceavariationinitsresponsetodifferentwavelengths alongthelengthofthegrating varytheperiodofthegratingvarytheaverageRIofthegrating agood100 reflectionoverthewholereflectedband Chapter3 26 WritingtheGrating ThegratingiswrittenbyexposingthefibertoUVlight UVlight 244nm isabletomakepermanentmodificationsintherefractiveindexofthecore Thechangeintherefractiveindexisverysmallindeed Anindexchangeof0 0001issufficienttomakeaneffectivegrating InterferencePatternTechnique PhaseMaskTechnique Chapter3 27 Applications WavelengthStableLasersDispersionCompensationWavelengthSelectioninWDMSystems UsinginDispersionCompensation Chapter3 28 WavelengthSelectioninWDMSystems Chapter3 29 6 环形器 Circulator Lightenteringatanyparticularport sayport1 travelsaroundthecirculatorandexitsatthenextport sayport2 Lightenteringatport2leavesatport3andsoon Chapter3 30 1 2 2 3 Chapter3 31 多层电介质干涉膜型合波分波器 是把具有接近 2或者 4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重叠形成薄膜 于是对于特定波长表现出较强的选择性 这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数 膜的厚度 膜的材料等 滤波器 Filter Chapter3 32 7 掺铒光纤放大器 EDFA ErbiumDopedFiberAmplifier 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质 在泵浦光的激发下实现光信号的放大 放大器的特性主要由掺杂元素决定 EDFA给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制 光损耗补偿了光纤本身的损耗 使长距离传输成为可能工作频带正处于光纤损耗最低处 1525 1565nm 大大增加了功率预算的冗余 系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式 WDM频带宽 可以对多路信号同时放大 波分复用推动了全光网络的研究开发热潮全光纤结构 与光纤系统兼容 对数据率 格式透明 系统升级成本低 Chapter3 33 Chapter3 34 EDFA的工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质 在泵浦光作用下产生粒子数反转 在信号光诱导下实现受激辐射放大 信号光与波长较其为短的光波 泵浦光 同沿光纤传输 泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级 并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量 信号光沿光纤长度得到放大 泵浦光沿光纤长度不断衰减 Chapter3 35 EDFA中的Er3 能级结构 泵浦波长可以是520 650 800 980 1480nm波长短于980nm的泵浦效率低 因而通常采用980和1480nm泵浦 铒离子简化能级示意图 Chapter3 36 实验测试的EDF光谱 Chapter3 37 掺铒光纤放大器的基本结构 掺铒光纤 当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时 Er3 从低能级被激发到高能级上 由于在高能级上的寿命很短 很快以非辐射跃迁形式到较低能级上 并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布 半导体泵浦二极管 为信号放大提供足够的能量 使物质达到粒子数反转 波分复用耦合器 将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中 光隔离器 使光传输具有单向性 放大器不受发射光影响 保证稳定工作 Chapter3 38 光放大器的增益 增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数 定义为 G与光放大器的泵浦功率 掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系 输出信号光功率 输入信号光功率 Chapter3 39 EDFA的增益光谱优化问题 Optisystem软件器件模拟设计图 不同纤长时的增益谱 Chapter3 40 优化参数选择 优化设计的增益曲线 Chapter3 41 光放大器的应用 线路放大 In line 周期性补偿各段光纤损耗 功率放大 Boost 增加入纤功率 延长传输距离 前置预放大 Pre Amplify 提高接收灵敏度 局域网的功率放大器 补偿分配损耗 增大网络节点数 Chapter3 42 多信道放大中存在的其它问题 增益平坦增益钳制高的输出功率 EDFA的级联特性 信道间增益竞争 多级级连使用导致 尖峰效应 Chapter3 43 Chapter3 44 8 光纤激光器 激光器的基本原理 激光器的基本原理是光受激辐射的放大激光器的三个组成部分 泵浦源 工作物资 谐振腔短脉冲激光器的产生 锁模技术 光纤激光器把光纤材料与激光技术结合在一起 并解决了光束质量与输出功率的矛盾堪称当代光电技术最伟大的发明之一 Chapter3 45 光纤激光器的基本原理 光纤激光器的基本结构光纤激光器中的工作物资是掺杂光纤 光纤环是谐振腔 一般采用半导体激光器泵浦光纤激光器的优点短脉冲光纤激光器 高速短脉冲光纤激光器 超短脉冲光纤激光器 Chapter3 46 谐振腔结构 Chapter3 47 1 大功率光纤激光器 实现大功率输出的主要技术采用包层泵浦技术 采用特种光纤作为增益介质 同时采用特种材料制造光纤大功率光纤激光器的应用激光加工 激光医疗和军事 Chapter3 48 2 窄线宽光纤激光器 实现窄线宽的相关技术主要采用光纤光栅或者光纤F P干涉仪等滤波器进行线宽压缩窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的相关长度长 在相关光通信系统 光纤传感系统 光学测量系统有很好的应用前景 Chapter3 49 3 短脉冲光纤激光器 主动锁模技术主动锁模主要采用电光调制器等主动锁模器件进行模式之间的位相锁定 实现短脉冲被动锁模技术被动锁模是使用被动饱和吸收体进行脉冲窄化 实现短脉冲和超短脉冲短脉冲光纤激光器的应用短脉冲光纤激光器在光通信 光学测量 激光加工等多个领域有很好的应用前景 Chapter3 50 9 光纤传感器 工作原理所谓光纤传感器 就是光纤自身直接接收外界的被测量 外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度 折射率 直径的变化 从而使得光纤内传输的光在振幅 相位 频率 偏振等方面发生变化 测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉 比较 使输出的光的相位 或振幅 发生变化 根据这个变化就可检测出被测量的变化 Cha