2光纤光学-无源器件

光纤光学 光纤无源及有源器件技术及应用 2 光纤器件 用途 实现光纤中的信号连接 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 类型 无源 passive 有源 active 3 光纤无源器件 4 光纤无源器件 光无源器件是一种能量消耗型器件 主要功能是对信号或能量进行连接 合成 分叉 转换以及有目的的衰减等 在光纤通信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件 连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换 开关 复用 解复用调制 解调编码 解码色散处理缓存 存储逻辑处理 光无源器件的功能 5 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 6 器件参数概念 光纤无源器件 插入损耗 InsertionLoss 回波损耗 ReturnLoss 隔离度 Isolation 7 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 8 光纤连接器 Connector 光连接器件是把两个光纤端面结合在一起 以实现光纤之间可拆卸 活动 连接的光无源器件 它还具有将光纤与有源器件 光纤与其它无源器件 光纤与系统和仪表进行活动连接的功能 影响连接损耗的因素 光纤连接时 由于光纤纤芯直径 数值孔径 折射率分布的差异以及横向错位 角度倾斜 端面间隙 端面形状 端面光洁度等因素的影响 都会产生连接损耗 9 10 常用光纤接头类型 前面部分表示尾纤的连接器型号 后面部分表示截面处理工艺 11 SC 接头 SquareConnector StandardConnector SubscriberConnector 是标准方型接头 采用工程塑料 具有耐高温 不容易氧化优点 传输设备侧光接口一般用SC接头 LC LucentConnector 接头与SC接头形状相似 较SC接头小一些 FC 接头 FerruleConnector 是金属接头 一般在ODF侧采用 金属接头的可插拔次数比塑料要多 ST StraightTip 卡接式圆型接头 金属接头 连接器型号 12 截面处理工艺 PC PhysicalContact 其接头截面是平的回损 40dBUPC UltraPolishedconnectors 接头是弧形的回损 50dB 55dBAPC AnglePolishedConnector 截面8度倾斜角接触面回损 60dB 13 光纤连接器一般性能 14 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 15 光衰减器 Attenuator 光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中 是对光功率有一定衰减量的器件 根据衰减量是否变化 可以分为固定衰减器和可变衰减器 16 17 固定衰减器 固定衰减器对光功率衰减量固定不变 主要用于调整光纤传输线路的光损耗 18 可变衰减器 可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化 用于测量光接收机灵敏度和动态范围 a 光路和结构 b 连续衰减片 厚 薄 19 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 20 光纤耦合器 Coupler 光耦合器 Coupler 是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合 并进行再分配的器件 从端口形式上划分 它包括X型 2 2 耦合器 Y形 1 2 耦合器 星形 N N N 2 耦合器以及树形耦合器等 21 1 1 耦合分束比 3dBcoupler 0 5 熔锥形光纤耦合器示意图 光纤耦合器示意图 光纤耦合器 Coupler 22 熔融拉锥法是将两根 或两根以上 除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢 在高温下熔融 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 实现传输光功率耦合的一种方法 熔融拉锥系统示意图 23 光纤耦合器的技术参数 1 插入损耗 定义同前 2 附加损耗附加损耗 ExcessLoss EL 定义为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 该值以分贝 dB 表示的数学表达式为 式中 Pouti为第i个输出口的输出功率 Pin为输入光功率 24 3 分光比 CouplingRatio 分光比 CouplingRatio CR 是光耦合器所特有的技术术语 它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比 在具体应用中常用数学表达式表示为 例如对于标准X形耦合器 1 1或50 50代表了同样的分光比 即输出为均分的器件 通常称为3dB耦合器 光纤耦合器的技术参数 25 4 方向性 串扰 方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语 它是衡量器件定向传输性的参数 以标准X形耦合器为例 方向性定义为在耦合器正常工作时 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 以分贝 dB 为单位的数学表达式为 式中 Pin1代表总注入光功率 Pin2代表输入端非注入光端口的输出光功率 光纤耦合器的技术参数 26 5 偏振相关损耗偏振相关损耗 PolarizationDependentLoss PDL 是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量 它是指当传输光信号的偏振态发生360 变化时 器件各输出端口输出光功率的最大变化量 在实际应用中 光信号偏振态的变化是经常发生的 因此 为了不影响器件的使用效果往往要求器件的偏振相关损耗足够小 光纤耦合器的技术参数 6 工作波长范围工作波长范围是指无源器件能够按照规定的性能要求下工作的波长范围 min到 max 27 2 2光纤耦合器内的光功率分布 k是耦合系数 50 50 28 耦合器的性能参数 29 例2 2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 200mW 另外三个端口的输出功率分别为P1 90mW P2 85mW P3 6 3nW 求耦合比 附加损耗 插入损耗 0口到1口 插入损耗 0口到2口 以及串扰 P0 P1 P2 P3 30 例2 2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 200mW 另外三个端口的输出功率分别为P1 90mW P2 85mW P3 6 3nW 可以求得为 31 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 32 波分复用器 解复用器 Multiplexer Demultiplexer 将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器 也叫合波器 反之 经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器 也叫分波器 从原理上讲 这种器件是互易的 双向可逆 即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用 就是复用器 光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中的关键部件 33 熔锥光纤型波分复用器结构和特性 34 衍射光栅型波分复用器结构示意图 光纤 透镜 光栅 35 采用棒透镜的光栅型WDM 光纤 棒透镜 光栅 36 37 光波分复用解复用器 光波复用器解复用器应用示意图 38 常见器件 1310 1550波分复用器 980 1550波分复用器 掺铒光纤放大器 EDFA C波段激光器 宽带光源 980 1060波分复用器 高功率光纤激光器 光纤光栅阵列传感系统 39 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 40 光隔离器 Isolator 大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的 称之为互易器件 隔离器就是一种非互易器件 光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件 它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应实现其功能 光隔离器的特性是 插入损耗低 反向隔离度高 回波损耗高 光隔离器分偏振相关与偏振无关隔离器 光纤隔离器示意图 41 偏振无关型隔离器 42 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 43 环形器 Circulator 我们都在不断赶路忘记了出路在失望中追求偶尔的满足我们都在梦中解脱清醒的苦流浪在灯火阑珊处既然没终点回到原点我想我们都不不在乎 44 三端口光环形器四端口光环形器箭头方向代表了允许光传输的方向 光纤环形器示意图 光环形器是由多个光隔离器单元组合而成的 控制光束传播方向的无源器件 45 46 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 47 光起偏器 检偏器 Polarizer 光的偏振 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振 在垂直于传播方向的平面内 包含一切可能方向的横振动 且平均说来任一方向上具有相同的振幅 这种横振动对称于传播方向的光称为自然光 非偏振光 凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光 48 自然光 线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 部分偏振光 49 用于从自然光中获得偏振光的无源器件称为起偏器 自然光通过偏振片后成为线偏振光 线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向一致 在这里偏振片起着起偏器的作用 将偏振片用于输出端 可以实现检偏功能 50 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController滤波器Filter光开关Switches 51 偏振控制器 PolarizerController 光偏振控制器主要用于对入射光的偏振态改变及控制 理论上 偏振控制器能将输入的任何一种偏振态的光 椭圆偏振 圆偏振 线偏振 转变成任意指定偏振态的输出 52 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController光开关Switches滤波器Filter 53 光开关 Switches 是一种用于改变传输通路的器件 机械式微机电式MEMS波导型光开关滤波器式 54 光纤无源器件 光连接器Connector光衰减器Attenuator光耦合器Coupler复用器 解复用器Multiplexer Demultiplexer光隔离器Isolator环行器Circulator光起偏器Polarizer偏振控制器PolarizationController光开关Switches滤波器Filter 55 可以进行波长选择的无源光器件 即光滤波器 梳状滤波器 带通滤波器 光滤波器示意图 光滤波器 Filter 带阻滤波器 5