九光纤无源及有源器件

1、九、光纤无源及有源器件1. 自聚焦透镜2. 光纤定向耦合器3. 光纤偏振控制器4. 光纤隔离器5. 光纤激光器与放大器随着信息需求量的日益增加，光纤通信系统飞速发展。有两类光纤通信系统备受青睐，一类是长途光纤通信系统；另一类是局域网和用户回路光纤通信系统。光纤干线通信系统中，人们致力于追求扩大通信容量，增大中继距离，导致了两种有源光纤器件光纤激光器和光纤放大器的热度研究。在光纤局域网和用户回路通信系统中，需要用到大量的光无源及部分有源器件，如：光耦合器、偏振控制器、波分复用器等。无源器件可分为光纤式和光纤耦合分立元件两种。光纤式是利用光纤自身的特性直接实现器件的各种功能；光纤耦合式是利用各种光

2、学元件对光的特性变换，并利用透镜将器件与光纤耦合。光有源与无源器件的区别是元件在实现其本身功能时是否发生光电能量的转换。1. 自聚焦透镜自聚焦光纤：折射率按平方分布的光纤光纤的传播轨迹为正弦曲线经一周期后又会聚到另一点。自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤。不同点：芯径大(2mm或更大)，长度短(仅12个周期)，数值孔径大(可达2mm或更大)；制作工艺也不同，采用离子交换工艺。优点：1、直径小，体积微型化；2、端面平面，便于光学加工、系统调节；3、长度和折射率改变可引起透镜焦距和成像特 性的变化，可以起几个普通透镜的作用； 4、像差可通过改变透镜材料组分和离子交换工 艺来控制； 5、还可用于弯曲

3、传像。主要应用：光纤通信中的光无源器件、复印传真机、摄影物镜、显微物镜和医用内窥镜等。准直透镜：许多应用中需要将光纤发出的发散光束变换为平行光束，可通过在光纤输出端加一准直透镜来实现。准直透镜是将光纤置于自聚焦透镜的焦点上。经自聚焦透镜后，输出端光束的半径和发散角为00cossin9 1arcsinsinfbfbfNAALnAALAL nA其中为光纤纤芯半径，为数值孔径；L为自聚焦透镜的长度，称为透镜的聚焦常数。ffNAA上式中，若透镜长度L取为节距的1/4时， ，上式成为2AL00092arcsinfbbffNAnAnAnA 这表明，光束的束宽(半径)正比于光纤的数值孔径，而发散角正比于光纤

4、纤芯半径。单模光纤(芯径10m,数值孔径0.1)：光束直径为0.67mm，光束发散角为1.5mrad,是很好的平行光束。多模光纤(芯径50m,数值孔径0.2)：光束直径为1.33mm，光束发散角为7.5mrad,光束平行度稍差些。耦合透镜：将光源(LD或另一光纤输出光)的功率有效地耦合进入光纤时，可利用自聚焦透镜作为耦合透镜，将光纤置于自聚焦透镜端面上，也可将多个自聚焦透镜级联。这时有000coscossin93arcsinsincossinoutssoutssALALNAlALnANAlnAALALnAAL式中，l是光源到透镜前端面的距离；是经透镜输出光光斑最大半径；是经透镜输出光束的张角；

5、是光源半径；是光源输出光张角对应的数值孔径。可以看到，选择合适的物距l值与透镜长度L，与接收光纤参数匹配，可以使与尽可能地小，可取得最良好的耦合效果。outoutssNAoutout等高成像透镜：在复印机、传真机、印刷机等成像光学系统中需要采用1：1成像系统。这时采用自聚焦透镜最为简便，因为一根自聚焦透镜可满足正立、等倍、实像的条件。而普通透镜至少需要三块透镜组合成复合透镜。实际使用时，将物置于自聚焦透镜物方主平面上，在像方主平面上就会成一个物等高的实像。透镜长度应在半倍节距和一倍节距之间。采用自聚焦透镜可使物象变换系统大大缩短物像共轭长度。同时，它在整条直线上成像分辩率相同，可使整个视场的传

6、递函数值比较均匀，从而提高成像质量。2. 光纤定向耦合器 光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器件。通常，光信号由耦合器一个端口输入，而从另一个端口或几个端口输出。 耦合器的基本功能是要把一个信号通道(信道)的光信号传送到另一个信道。根据传送信号方式可分为 波分复用耦合器3. 光纤偏振控制器4. 光纤隔离器 根据几何光学，光路可逆。但在光纤通信中，光路可逆特性将对信息的传输、系统性能的稳定性带来很大的影响。 在半导体激光器中，反射光将破坏半导体激光器的稳定性，使光通信系统产生误码。 在光放大器中，由于放大器中的高增益，来自连接点、熔接点、光器件端面等的反射极易产生激光振荡，降低放大器的工

7、作性能。5. 光纤激光器与放大器 为克服通信容量的限制，以及对损耗进行补偿，光纤激光器的研究受到极大关注。 早期主要采用光电光中继的方法，在光纤传输中衰减的光信号，经光电探测器转换为电信号，再经电放大器进行功率放大，然后驱动激光器发射光信号再注入光纤中，进行光信号的传输。 该方法的缺点主要在于电的参与使信号处理的速度难于提高，另外该方法不适用于波分复用系统。 实现光的直接宽带放大，直接促进了掺铒光纤放大器的产生。早在1964年激光器发明的时候，就有学者围绕掺杂光纤放大器进行研究，直到1989年英国南安普大学研制成功掺铒光纤放大器(EDFA)，给光纤通信带来了一场新革命，具有里程碑的意义。掺铒光

8、纤中掺铒光纤中的铒离子能的铒离子能级示意图级示意图 铒离子中的电子在980nm的光泵浦下，使基态的电子跃迁到激发态，因为寿命短(1s)，很快弛豫到亚稳态。这是处于党的激发态的电子受到外界信号光的作用，进受激辐射，释放出与入射信号光子特性相同的光子，最终使信号放大。 当外界无信号光注入时，在泵浦光作用下形成反转粒子将会产生由亚稳态到基态的自发辐射跃迁，产生与信号光处于同波段的自发辐射的噪声。 当无泵浦作用，仅有信号光注入时，处于基态的铒离子将吸收信号光而吸收跃迁至亚稳态，从而造成对信号光的吸收损耗。因此，像掺铒光纤这种有源光纤，在无泵浦光注入时表现出高的吸收损耗特性。 根据上述分析，掺铒光纤放大

9、器最基本部分包括掺铒光纤、泵浦激光器、波分复用耦合器、光隔离器。泵浦方式包括前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦方式。2 光放大器光放大器EDFAEDFA实物图实物图EDFA特性总结特性总结优点优点结构远比电中继器简单且寿命更长、成本更低结构远比电中继器简单且寿命更长、成本更低不受信号调制形式、速率的限制不受信号调制形式、速率的限制体积小，可放置到印刷电路板上制成小型设备体积小，可放置到印刷电路板上制成小型设备可以为光信号提供可以为光信号提供25dB以上的增益，一些放大以上的增益，一些放大器增益甚至超过器增益甚至超过50dB。可以同时放大多路波长可以同时放大多路波长放大器本身对信号引入了噪声放大器本身

10、对信号引入了噪声有工作波长范围的限制有工作波长范围的限制放大器增益谱不平坦放大器增益谱不平坦放大器功率会出现饱和放大器功率会出现饱和EDFA特性总结特性总结缺点缺点 至于光纤激光器的研究，可以追溯到第一台红宝石激光器的同一时期。 光纤激光器和普通激光器一样具有相同的工作原理，即泵浦光将掺入光纤中的稀土杂质离子的电子由基态激发到高能态，这种高能态电子的寿命很短，通过非辐射形式(放出声子)弛豫到寿命较长的亚稳态，然后以辐射光子的形式放出能量回到基态。这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回光纤中诱发出新的辐射跃迁，而产生光子性质完全相同的光子，这是一个增益过程，当增益大于其在腔内的损耗时，就出在腔的输出端得到激光输出。 可以看到，要得到激光输出，必须满足两个条件：粒子数反转和阈值条件。 所以掺铒光纤激光器必须外界泵浦光的作用，形成粒子数反转；另外还需要激光谐振腔提供正反馈，依靠自发辐射的光子导致受激辐射。 而掺铒光纤放大器无需谐振腔，由外界信号光导致的受激辐射而实现光放大。器件结构上，掺铒光纤激光器与放大器的最大差别在于有无谐振腔。 本课程主要讲授内容：一、学科概况(学科发展历史、国内外概况、主要研究对象及特点和方法等)；二、光纤传输基本理论(几何光学理论与波动光学理论，单模光纤和多模光纤，阶跃光纤和渐变