第五章光无源器件

1、第五章第五章 光路无源器件 王 立湖南文理学院电气工程系本章重点v光耦合器的工作原理及作用光耦合器的工作原理及作用v光隔离器的工作原理及作用光隔离器的工作原理及作用 5.1 光纤连接器 连接器：连接器：是实现光纤与光纤之间可拆卸是实现光纤与光纤之间可拆卸( (活动活动) )连接的器连接的器件，件， 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。表间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。表3.53.5给出给出光纤连接器的一般性能。光纤连接器的一般性能。 要求：插入损耗小，反射损耗高，重复插拔性好，互换性要求

2、：插入损耗小，反射损耗高，重复插拔性好，互换性 接头：接头：是实现光纤与光纤之间的永久性是实现光纤与光纤之间的永久性( (固定固定) )连接，主连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。 表表 3.5 光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能 图 3.27 套管结构连接器简图 光纤套管插针粘结剂光纤连接损耗及影响因素v纤芯直径不同纤芯直径不同v数值孔径不同数值孔径不同v横向错位横向错位v端面倾斜端面倾斜v端面纵向间隙端面纵向间隙v轴线没对准轴线没对准v端面弯曲端面弯曲光纤连接器的分类p 平面对接（平面对接（FCFC）型光纤活动连接器）型光纤活动连接

3、器p 矩形（矩形（SCSC）型光纤活动连接器）型光纤活动连接器p 多芯光纤活动连接器多芯光纤活动连接器5.2 光耦合器 耦合器耦合器：耦合器是对光信号实现分路、合路和分配的无源耦合器是对光信号实现分路、合路和分配的无源器件，是波分复用、光纤局域网、光纤有线电视网以及某些器件，是波分复用、光纤局域网、光纤有线电视网以及某些测量仪表中不可缺少的光学器件。这种器件对光纤线路的影测量仪表中不可缺少的光学器件。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声, ,耦合耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器器大多与波长无关

4、，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/ /解复用器。解复用器。 1. 1. 耦合器类型耦合器类型 T T形耦合器：这是一种形耦合器：这是一种2 22 2的的3 3端耦合器，端耦合器， 其功能是把一根其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤， 或把两根或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。图 3.28 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分星形耦合器：是一种星形耦合器：是一种n nm m耦合器，其功能是把耦合器，其功能是把n n根光纤输入根光

5、纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给的光功率组合在一起，均匀地分配给m m根光纤，根光纤， m m和和n n不一定相不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分配器。等。这种耦合器通常用作多端功率分配器。 定向耦合器：是一种定向耦合器：是一种2 22 2的的3 3端或端或4 4端耦合器，其功能是分别取端耦合器，其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。光信号从端出光纤中向不同方向传输的光信号。光信号从端1 1传输到端传输到端2 2， 一部分由端一部分由端3 3输出，端输出，端4 4无输出；光信号从端无输出；光信号从端2 2传输到端传输到端1 1，一部，一部分由端分由端4 4输出，端输出，端3

6、 3无输出。定向耦合器可用作分路器，不能用无输出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。作合路器。 耦合器 波分复用器波分复用器/ /解复用器解复用器( (也称合波器也称合波器/ /分波器分波器) )：是一种与波：是一种与波长有关的耦合器，波分复用器的功能是把多个不同波长的发长有关的耦合器，波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号， 分配给不同分配给不同的接收机。的接收机。 2. 2. 基本结构基本结构（1 1）光纤

7、型：用熔拉双锥技术制作）光纤型：用熔拉双锥技术制作（2 2）微器件：用自聚焦透镜、分光片（部分反射，部分透射）、滤光）微器件：用自聚焦透镜、分光片（部分反射，部分透射）、滤光片（一个波长的光透射，另一个波长的光反射）或光栅构成。片（一个波长的光透射，另一个波长的光反射）或光栅构成。（3 3）波导型：在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑）波导型：在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiOSiO2 2，横截面为矩形或半圆形。横截面为矩形或半圆形。 图 3.29光纤

8、型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12个22耦合器组成的88星形耦合器 输 入 光光 强 度光 纤 a光 纤 b 输 出 光2341(a)(b)123456789101112(c) 图 3.31微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复光纤自聚焦透镜自聚焦透镜光纤滤光片1、 2121231 2 3光纤自聚焦透镜硅光栅光纤自聚焦透镜分光片1342(b)(a)(c)(d)图3.32 波导型藕合器光波导开角(a)(b)(c)多模波导多层膜滤光片单模波导1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m3. 主要特性

9、主要特性（1）耦合比 NnonocOtOCppPPCR1分路损耗分路损耗： Ls=10lgLs=10lg )1(CR 附加损耗附加损耗: :LeLe由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和输入端的光功率总和PitPit和全部输出端的光功率总和和全部输出端的光功率总和PotPot的的比值，用分贝表示比值，用分贝表示 L Le e=10 lg =10 lg NnNnotitPoutPinpP11lg10插入损耗插入损耗: :LtLt是一个指定输入端的光功率是一个指定输入端的光功率P Picic和一个指定输出和一个指定输出端的光功率端的光功率

10、P Pococ的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示 Lt=10lg ocicpp方向性方向性DIR(DIR(隔离度隔离度) )：是一个输入端的光功率：是一个输入端的光功率P Picic和由耦合器反和由耦合器反射到其它端的光功率射到其它端的光功率PrPr的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示 DIR=10lg 一致性一致性U U：是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同：是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。输出端耦合比的等同性。 icrpp 衰减器的功能是对光功率进行预定量的衰减。衰减器的功能是对光功率进行预定量的衰减。衰减器的工作机理有以下几种：衰减器的工作机理有以

11、下几种：1. 1. 耦合型耦合型它是通过输入、输出两根光纤纤芯的偏移来改变光它是通过输入、输出两根光纤纤芯的偏移来改变光耦合的大小，从而达到改变衰减量的目的耦合的大小，从而达到改变衰减量的目的. .2. 2. 反射型反射型通过改变反射镜的角度，控制透射光的大小。通过改变反射镜的角度，控制透射光的大小。衰减器可分成固定式、步进可变式和连续可变式三衰减器可分成固定式、步进可变式和连续可变式三种类型。种类型。3.3.吸收型吸收型通过金属膜材料对光进行吸收来控制光的大小。通过金属膜材料对光进行吸收来控制光的大小。5.3 衰减器(a)PinPout反射镜PoutPin透射光光吸收材料PoutPin(b)

12、(c)衰减器的工作原理5.4 光隔离器与光环行器 隔离器：是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后主要用在激光器或光放大器的后面，以避面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越损耗其值越小越好，对反向反射光

13、的隔离度其值越大越好，好， 目前插入损耗的典型值约为目前插入损耗的典型值约为1 dB1 dB，隔离度的典型值，隔离度的典型值的大致范围为的大致范围为4050 dB4050 dB。图 3.34 隔离器的工作原理 法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP 法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器， 这个这个偏振器的透振方向在偏振器的透振方向在4545方向上，因此经过法拉弟旋转器旋方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转转4545后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件号从左到右通过这些器件(

14、(即正方向传输即正方向传输) )是没有损耗的是没有损耗的( (插插入损耗除外入损耗除外) )。另一方面，假定在右边存在某种反射。另一方面，假定在右边存在某种反射( (比如接比如接头的反射头的反射) )， 反射光的偏振态也在反射光的偏振态也在4545方向上，当反射光通方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转过法拉弟旋转器时再继续旋转4545，此时就变成了水平偏振，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器光。水平偏振光不能通过左面偏振器( (第一个偏振器第一个偏振器) )， 于于是就达到隔离效果。是就达到隔离效果。 然而在实际应用中，入射光的偏振态然而在实际应用中，入射光的偏振态(

15、 (偏振方向偏振方向) )是是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图3.353.35所示。所示。图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b) 具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器振

16、器(SWP: Spatial Walk(SWP: Spatial Walkoff Polarizer)off Polarizer)。这个。这个SWPSWP的作的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，过， 水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器，水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器， 其偏振态都要旋转其偏振态都要旋转4545。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片波片 plateplate或或halfhalfwave platewave plate。这个半波片的作用是将从左向右。

17、这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转传播的光的偏振态顺时针旋转4545，将从右向左传播的光的，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转偏振态逆时针旋转4545。因而法拉弟旋转器与半波片的组合。因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个量的光在输出端由另一个SWPSWP合在一起输出，合在一起输出， 如图如图3.35(a)3.35(a)所所示。示。 另一方面，另一方面， 如果存在反射光在反方向上传输，半波如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反

18、，当两个分量的光通过片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，这两个器件时， 其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被输入端不能被SWPSWP再组合在一起，如图再组合在一起，如图3.35(b)3.35(b)所示，于是就起所示，于是就起到隔离作用。到隔离作用。 环行器：环行器：除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。 典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口口1 1输入的光信号在端口输入的光信号在端口2 2输出

19、，端口输出，端口2 2输入的光信号在端口输入的光信号在端口3 3输输出，端口出，端口3 3输入的光信号由端口输入的光信号由端口1 1输出。光环行器主要用于光分输出。光环行器主要用于光分插复用器中。插复用器中。 图 3.36光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324光调制器光调制器调制器可以用电光效应、调制器可以用电光效应、 磁光效应或声光效应来实现。最有磁光效应或声光效应来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO(LiNbO3 3) )晶体制晶体制成的。成的。 这种晶体的折射率这种晶体的折射率n n和外加电场

20、和外加电场E E的关系为的关系为 n=nn=n0 0+E+E+E+E2 2 式中，式中，n n0 0为为E=0E=0时晶体的折射率。时晶体的折射率。和和是张量，称是张量，称为电光系数，其值和偏振面与晶体轴线的取向有关。为电光系数，其值和偏振面与晶体轴线的取向有关。 5.5 光调制器和光开关 根据不同取向，当根据不同取向，当=0=0时，时，n n随随E E按比例变按比例变化，称为线性电光效应或普克尔化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)(Pockel)效应。当效应。当=0=0时，时，n n随随E E2 2按比例变化，按比例变化， 称为二次电光效应或称为二次电光效应或克尔克尔(Kerr)(Kerr)效应。设输入调制信号按余弦