《光纤无源及有源器》PPT课件.ppt

第六章光纤无源及有源器件 2 光器件 光通信网络的基础 3 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 4 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 5 光器件与电器件的类比 6 光器件的应用 6 1自聚焦透镜 8 球透镜与自聚焦透镜 1 均匀折射率分布材料2 依靠弯曲的光学界面实现光学成像3 通过非球面来克服像差 提高成像质量 1 渐变折射率分布材料2 依靠光线轨迹的弯曲实现光学成像3 通过优化折射率分布 提高成像质量 9 自聚焦透镜 应用 无源器件的耦合系统 复印机 传真机 计算机光盘系统 摄影物镜 显微物镜 医用内窥镜等方面 10 自聚焦透镜的基本特征 平方率折射率分布光线轨迹为cos或sin曲线从一点发出的不同角度的光线将会聚于另一点 形成 自聚焦 具有独到特点 体积小 平端面超短焦距组合透镜成像特性可以弯曲成像 11 直角坐标系中的射线方程 12 13 14 光线的传播轨迹 15 透镜传输矩阵 q ds dx dy dz 16 近轴子午光线近似 17 透镜传输矩阵 18 矩阵光学符号公约 1 原点 顶点 主点或焦点 2 线段 以原点为基点 顺光线传播方向为正 反之为负 3 角度 以光轴或端面法线为基轴 从基轴向光线转动 顺时针为负 逆时针为正 4 标记 在成象图中出现的几何量 长度和角度 均取绝对值 正量直接标注 负量冠以 号之后标注 19 透镜成像矩阵 20 总成像矩阵 利用透镜传输矩阵S进行简化 21 GRIN透镜的成像 I 22 GRIN透镜的成像 II 23 GRIN透镜的成像 III 24 GRIN透镜的成像 III 25 GRIN透镜的成像 IV 26 GRIN透镜的成像 V 27 透镜成像性质 28 GRIN透镜的应用 准直 聚焦 29 0 25Plens onaxis 30 0 25Plens offaxis 双光纤准直器 波分复用器件 31 GRIN透镜的应用 光源耦合 32 0 23Plens anglecompress 33 0 29Plens faculacompress 34 自聚焦透镜的重要特性 重要性能参数 焦距 f 1 n0A1 2sin A1 2L 聚焦参数 A 2D a2数值孔径 NA n0 2D 1 2节距 P 2p A1 2成像特性 与透镜长度有关 1 4节距透镜1 2节距透镜0 23节距透镜0 29节距透镜 35 GRIN透镜的应用 准直 聚焦 36 0 25Plens onaxis 单光纤准直器 光无源器件 37 0 25Plens offaxis 双光纤准直器 波分复用器件 38 GRIN透镜的应用 光源耦合 39 0 23Plens anglecompress 40 0 29Plens faculacompress 41 自聚焦透镜的重要特性 重要性能参数 焦距 f 1 n0A1 2sin A1 2L 聚焦参数 A 2D a2数值孔径 NA n0 2D 1 2节距 P 2p A1 2成像特性 与透镜长度有关 1 4节距透镜1 2节距透镜0 23节距透镜0 29节距透镜 6 2光纤定向耦合器 43 6 2 1耦合器的基本知识 44 耦合器的分类 45 6 2 2耦合器的工作原理 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 46 平行光纤之间的耦合 耦合波方程组 dR dz jdR jKS dS dz jdS jKRAm Rexp jdz An Sexp jdz 失谐系数 d bn bm 2耦合系数 K 47 耦合波方程组的解 边界条件 R 0 1 S 0 0 48 两参数相同光纤的耦合 d 0 R2 z cos2 Kz S2 z sin2 Kz 耦合长度 Lc p 2K耦合系数 可以通过控制平行光纤的长度以及两光纤间距来控制耦合比 49 耦合长度 耦合长度定义为对于确定波长的光信号功率从一根光纤100 耦合进入另一根光纤的最小长度 光信号功率耦合的强弱以及耦合长度取决于两光纤纤芯的间距 间距越大耦合耦合长度就越长 耦合长度与传输的波长也紧密相关 不同波长的光具有不同的耦合长度 耦合长度的波长相关性 50 相同波长光信号耦合 R 0 1 S 0 0 d 0 R2 z cos2 Kz S2 z sin2 Kz 耦合长度 Lc p 2K功率100 耦合 P1 P2 P3 P4 51 光互易定理 当耦合器的参数相同时 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 52 不同波长光信号的耦合 分波 两个波长从输入端口P1输入 分别在输出端口P2 P3输出 P1 P2 P3 53 不同波长光信号的耦合 合波 两个波长从P1 P4端口输入 在同一个输出端口P2输出 P1 P2 P4 54 光纤耦合器WDM 1 对EDFA注入光功率 泵浦光 信号光 2 对简单的WDM系统作波长分离 3 对DWDM系统增加管理信道 55 1XN耦合器 56 Tap耦合器 从主干线传输光信号功率中分出一小部分光功率供监控等应用 典型分光比 99 1或1 tap耦合器 57 星型耦合器 58 性能参数 5 回波损耗 沿输入光路返回的光功率与输入光功率之比 59 制备工艺 6 3光隔离器与环行器 61 1 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 62 法拉第效应 把磁光介质放到磁场中 使光线平行于磁场方向通过介质时 入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转 转移角度的大小与磁光介质的性质 光程和磁场强度等因素有关 磁光效应的非互易性 光波的偏振方向总是沿与磁场 H 方向构成右手螺旋方向旋转 而与光波的传播方向无关 当光正 反方向两次通过法拉第旋光片时 偏振方向旋转角度将迭加而不抵消 磁光效应的基本材料 钇铁石榴石 YIG Yttrium Iron Garnet 康宁 Corning 8363号玻璃等 63 偏振相关光隔离器 自然偏振光入射功率损耗50 与起偏方向垂直的偏振光入射损耗100 随机偏振光入射带来严重的偏振噪声 64 偏振无关光隔离器 将入射的任意偏振光分解为两束相互正交的线偏振光 分别处理这两束线偏光 再将经过处理的两束线偏振光合束输出 65 同轴结构光隔离器 1 3 偏振分束镜 YVO4双折射晶体 Walk off 2 非互易的法拉第旋光片与光互易的玻片 123 66 应用 高速光通信系统中的DFB激光器的光隔离光放大器中的光隔离光纤环行腔中的单向器 67 2 光环形器 光环形器总是使得光沿着规定的路径进行传输 即从器件的1端口输入 2端口输出 由2端口输入 就由3端口输出 由3端口输入 就由4端口输出 由4端口输入 就由1端口输出 68 顺序传输 对于从1端口向2端口传输的光 由端口1输入的光 被第一双折射镜 blockA 分成偏振方向互相正交的两束光 这两束光经45 法拉第旋光片与互易旋光片后 偏振方向均发生90 的旋转 在第二双折射镜 blockB 处 两光束再次折射并合成 由2端口输出 69 逆序传输 由2端口向1端口传输的光 首先由blockB进行分光 两束互相正交的偏振光经45 法拉第旋光片与互易旋光片后 两束光的偏振态维持不变 由blockB输出后 两光束通过反射棱镜和偏振分光镜作合并 最终由3端口输出 70 应用 应用光环形器组成光反射镜 应用光环形器构成单纤双向传输 71 课堂习题 8 自聚焦透镜与球透镜成象的异同点 常用的自聚焦透镜有哪几种 如图1所示的光纤耦合器 L为1 2耦合长度 计算 input1 100mw input2 0mw求output1 output2各为多少 input1 50mw input2 50mw 且波长相同 求output1为多少 图1 6 4光纤光栅 73 衍射光栅 74 光纤光栅 掺锗光纤 紫外吸收 折射率周期变化 光纤光栅 75 分类 布拉格光栅 FiberBraggGrating 前向传输的模式和后向传输模式的耦合 反射带通滤波光栅 对特定的波长反射并后向传输 长周期光栅 LongPeriodGrating 导模和包层模耦合 带阻透射滤波 从透射光中滤除某些特定波长光 闪耀光栅 BlazeFBG 对特定的波长反射并滤除掉 相移光栅 Phase ShiftFBG FP型透射滤波光纤光栅 76 Anin fibreBragggratingisconstructedbyvaryingtherefractiveindexofthecorelengthwisealongthefibre Lightofthespecifiedwavelengthtravelingalongthefibreisreflectedfromthegratingbackinthedirectionfromwhichitcame Wavelengthswhicharenotselectedarepassedthroughwithlittleornoattenuation 光纤布拉格光栅 77 工作原理 resonantwavelengthsarereflectedbacktowardthesourcenon resonantwavelengthsaretransmittedthroughthedevicewithoutloss Thecentrewavelengthisgivenby 78 PrincipleofOperation Thegratingformsanelectromagneticresonantcircuit Powerfromtheforwarddirectioniscoupledintotheresonantcircuitandthenreflectedback Non resonantwavelengthsarenotaffectedverymuch 79 结构参数 Thegratingperiodisthedistancebetweenmodulationsoftherefractiveindexinthegrating Thegratinglength The modulationdepth determinedbytheRIcontrastwithinthegrating TheRIcontrastprofile 80 性能参数 CentreWavelengthThisisthewavelengthatthecentreofthegrating sreflectionband BandwidthThisisthewidthofthereflectionbandandspecifiestherangeofwavelengthsreflected ReflectancePeakThisisameasureoftheproportionofincidentlightreflectedatthecentrewavelength 81 分析理论 模式耦合理论前向模式与后向模式之间的耦合薄膜光学理论高低折射率相间的1 4光学厚度膜层结构滤光片 82 DielectricFabry PerotFilters flatpassband polarizationindependent lowinsertionloss goodtemperatutreperformance 0 001nm oC 0 2 0 2 0 0 1 2 3 n 0 1 3 n 0 4 0 MirrorCavityMirrorStackStack 83 反射谱 a typicalreflectionspectrumofa1cmlongFBGwithrelativelylowRIcontrast Theheightofthepeakis100 reflectionandthewidthofthereflectionbandis 2nm b samegratingwithastrongercontrast Thereflectionbandhasbeenbroadened c samegratingaspart a butafterapodisation Notethereflectionpeakisnownotquite100 84 切趾光栅 变迹光栅 ApodisationisaprocessoftaperingthestrengthofthegratingateitherendsothattheapparentRIchangeisgradualratherthanabrupt Thereflectionbandofanapodisedgratingisshowninpart c ofthefigure 85 多波长光纤光栅 youcanwritemanydifferentFBGsintothesamesectionoffibre oneontopoftheother Eachgratingwillthenrespondquiteseparatelyandindependentlytolightofitsownresonantwavelength 86 啁啾光栅 A chirp iswhereyougetavariationintheperiodofthegrating andhenceavariationinitsresponsetodifferentwavelengths alongthelengthofthegrating varytheperiodofthegratingorvarytheaverageRIofthegrating 87 啁啾切趾光栅 agood100 reflectionoverthewholereflectedband 88 CausedbyexpansionandcontractionofthefibrewithtemperatureandconsequentchangeinthespacingoftheRIvariationsinthecore oravariationintheRIofthefibreitselfwithtemperature Theunpackagedgrating atotalvariationofabout1nmoveratemperaturerangeof80 C TemperatureStabilityofIn FibreBraggGratings 89 FBGPackagingforPassiveThermalCompensation 90 闪耀光栅 Ablazedgratingisconstructedwhenthegratingiswrittenatanobliqueangletothecentreaxisofthecore Theselectedwavelengthisreflectedoutofthefibre Anotherusageistoequalisepoweracrossarangeofwavelengthsforexampleto flatten theresponseofanEDFA 91 长周期光栅 MostFBGsareconstructedasfirstordergratings Thatisthegratingperiodisthesameasthecentrewavelengthofthereflectionband Along periodgratingisonewherethegratingperiodismanyhundredsorthousandsoftimestheresonantwavelength 92 Principle InLPGitcouplesforwardguideingmodeintoacladdingmode Thusafterawhilethecoupledlightleavesthesystemandislost Along periodgratingthengivesmuchthesameeffectasablazedgrating resonantwavelengthsareremovedfromthesystem 93 Phase ShiftedFBGs A transmissionfringe iscreatedinthecentreofthereflectionbandwherelightistransmittedthroughthefilterratherthanbeingreflected 94 WritingtheGrating光纤光栅的制作 1 增敏掺锗 Ge 氢载 2 写光栅 准分子激光器244nm 干涉法 衍射法 95 1 Makethefibrecoremoresensitive toincreasethelevelofgermaniumdopant thistoofarbeforemechanicaleffectsinthefibrestopyou Co dopingwithboronand oraluminiumhelpsmakethecoremorephotosensitive Loading thefibrewithhydrogen 96 2 WritingtheGrating ThegratingiswrittenbyexposingthefibretoUVlight UVlight 244nm isabletomakepermanentmodificationsintherefractiveindexofthecore Thechangeintherefractiveindexisverysmallindeed Anindexchangeof 0001issufficienttomakeaneffectivegrating 97 InterferencePatternTechnique 98 PhaseMaskTechnique 99 SummaryforFBGs Consistsofaperiodicstackofregionsofhighandlowrefractiveindexalonganopticalfiber Madebyexposingthefibertoaninterferencepatternofultraviolet UV light Narrowband almostsquarewavelengthresponse Lowtemperaturesensitivitywithathermalpackaging aslowas0 4pm oc Forunpackagedgratingitisabout0 01nm oc NeedtousefiberMach Zehnderconfigurationorcirculatortoconstructademultiplexer 100 ApplicationsofFBGs WavelengthStableLasersDispersionCompensationWavelengthSelectioninWDMSystems 101 UsinginDispersionCompensation 102 UsinginOADM 103 In FibreBraggGratingFilters 104 UsinginOADM 105 Fibergratingsensors 是应变 是温度变化量 6 5光纤放大器与光纤激光器 107 6 5 1掺铒光纤放大器 108 光 电 光中继放大 109 全光放大 光放大器是一种勿需光电转换即可对光信号进行直接放大的器件 110 HowtomakeanOA Amplifierscanbebuiltinsemiconductor SemiconductorOpticalAmplifiers SOAs Almostanysemiconductorlasercanbemadeintoanamplifierwithafewmodifications Amplifierscanbebuiltinfibres FibreAmplifiersEDFA ErbiumDopedFibreAmplifiers 1530nm 1610nm PDFA PraseodymiumDopedFibreAmplifiers 1260 1360 TDFA ThuliumDopedFibreAmplifiers 1450 1490nm SRFA StimulatedRamanFibreAmplifiersPFA PlasticFibreAmplifier 111 112 1550 EDFA 增益窗口 30nm 60nm 光 放 大 器 增 益 光 纤 衰 减 除去 OH 峰外 300nm 低损耗窗口 波长 nm 850 1310 PDFA SOA SRA DevelopmentofOA EDFA 增益窗口 30nm 60nm PDFA SOA SRA 113 工作原理 泵浦光实现掺铒光纤的粒子数反转 外界的信号光对反转粒子数形成受激辐射 从而实现信号光的放大 114 有源光纤 由掺有稀土杂质的增益介质所制成的光纤称为有源光纤 稀土元素 也称镧系元素 包括元素周期表中倒数第二行中从镧 La 原子序数为57 到镥 Lu 原子序数为71 的15个元素 目前较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有 铒 Er 3 发射中心波长为1 53 m 钕 Nd 3 发射中心波长为0 92 m 1 06 m 1 4 m 镨 Pr 3 发射中心波长为1 3 m 115 能级图 980nm波长泵浦 铒离子相当于三能级系统 粒子数完全反转 噪声特性好 但量子效率不高 1480nm波长泵浦 铒离子相当于二能级系统粒子数反转不彻底 尽管量子效率较高 但噪声特性变差 116 EDFAs 117 典型泵浦结构 118 重要计算公式 速率方程放大器增益噪声指数 当泵浦充分 且时 噪声系数达到极限3dB 119 TechnicalCharacteristicsofEDFAs EfficientpumpingMinimalpolarisationsensitivityLowinsertionlossHighoutputpower thisisnotgainbutrawamountofpossibleoutputpower LownoiseVeryhighsensitivityLowdistortionandminimalinterchannelcrosstalk 120 Definitions Gain amplifier theratioindecibelsofinputpowertooutputpower GainCoefficient thesmallsignalgaindividedbythepumppower Bandwidth therangeofwavelengthsoverwhichtheamplifierwilloperate 121 Definitions GainSaturation thepointwhereanincreaseininputpowerceasestoresultinanincreaseinoutputpower PolarisationSensitivity thedifferenceingainofaninputsignalinonepolarisationtothegainintheorthogonalpolarisation typical 01 1dB NoiseFigure theratiooftheSNRattheinputtotheSNRattheoutput indecibels 122 GainSaturation 123 高性能 低噪声 掺铒光纤放大器 利用980nm和1480nm两不同泵浦波长的掺铒光纤放大器级联 在高增益下实现近量子噪声极限 124 GainCharacteristicsofEDFAs 125 ResponseofCascadedEDFAs 126 FlatteningtheGainCurve Operatingthedeviceat77oK Introducingotherdopantmaterials suchasaluminiumorytterbium alongwiththeerbiumintothefibrecore Amplifierlengthisanotherfactorinfluencingtheflatnessofthegaincurve Controllingthepumppower throughafeedbackloop isroutinetoreduceASE 127 FlatteningtheGainCurve AddinganextraWDMchannellocallyattheamplifier Thisiscalled gainclamping Manipulatingtheshapeofthefibrewaveguidewithintheamplifier Fibreswithdualcoreshaverecentlybeenshowntoproducemuchsuperiorgainflatnesscharacteristics 128 FlatteningtheGainCurve Using blazed fibreBragggratingsasfilterstoreducethepeaksintheresponsecurve Inotherwords reducetheresponseatallwavelengthstothatoftheworstwavelength Thisapproachhasbeenreportedtoworkwellinfieldtrials Usingchannelpreemphasisonthesignalsastheyaretransmitted Thatis transmitdifferentWDMchannelsatdifferentpowerlevelstocompensateforlateramplifiergaincharacteristics 129 LPGforFlatteningtheGain 130 增益钳制EDFA 131 增益的自动控制 132 CladdingPumps Outputpowersofupto10watts 133 MultiStageEDFAs 1 Toincreasethepoweroutputwhilstret