第二章光无源器件

1、典型光纤激光器的结构图典型光纤激光器的结构图横向横向 (轴向轴向) 误差误差角度误差角度误差纵向误差纵向误差多模光纤中各种误差带来的损耗多模光纤中各种误差带来的损耗2;explog10WdLlatSM22;explog10WnLangSM对于高斯分布的光束，相同光纤间的横向连接损耗为：对于高斯分布的光束，相同光纤间的横向连接损耗为：对于角度对准误差引起的损耗与波长有关：对于角度对准误差引起的损耗与波长有关：单模光纤的连接单模光纤的连接其中其中W为模场半径，为模场半径，G = s/kW2。对于纵向偏差为对于纵向偏差为s，间隙折射率为，间隙折射率为n3的连接损耗为：的连接损耗为： )4(64log

2、1024312321; GnnnnLgapSM;0.18SM latLdB;0.41SM angLdB一根单模光纤的归一化频率一根单模光纤的归一化频率V2.40，纤芯折射率，纤芯折射率n11.47，n21.465，纤芯尺寸，纤芯尺寸2a9 m，当横向偏移，当横向偏移d1 m时时相同光相同光纤间的横向连接损耗为：纤间的横向连接损耗为：当波长为当波长为1300nm时，角度对准误差为时，角度对准误差为1时时引起的损耗为：引起的损耗为：单模光纤的连接单模光纤的连接当纵向偏差当纵向偏差s1 m 时的连接损耗为：时的连接损耗为：;0.329SM gapLdB藤仓藤仓50S单芯光纤熔接机单芯光纤熔接机 藤仓

3、藤仓40S单芯光纤熔接机单芯光纤熔接机 住友住友TYPE-37光纤熔接机光纤熔接机 光纤切割刀光纤切割刀光纤熔接机光纤熔接机套管结构套管结构多用于光纤终端盒或光纤多用于光纤终端盒或光纤配线架上，在实际工程中配线架上，在实际工程中用在光纤终端盒最常见。用在光纤终端盒最常见。优点：牢靠、防灰尘，便于后期维护优点：牢靠、防灰尘，便于后期维护缺点：初期安装比其他类型麻烦缺点：初期安装比其他类型麻烦多应用在光纤收发器、千兆多应用在光纤收发器、千兆位接口转换器光纤模块中。位接口转换器光纤模块中。优点：便于安装优点：便于安装缺点：易脱落缺点：易脱落多应用在光纤终端盒或多应用在光纤终端盒或光纤配线架上。光纤配

4、线架上。优点：便于安装。优点：便于安装。缺点：易于折断。缺点：易于折断。多应用在多应用在mini千兆位接千兆位接口转换器光纤模块中。口转换器光纤模块中。优点：便于安装，体积小，尺寸精度高，插入损耗小，优点：便于安装，体积小，尺寸精度高，插入损耗小，回波损耗高。回波损耗高。缺点：易于脱落。缺点：易于脱落。开口型套筒截面图开口型套筒截面图FC/PCFC/PC光纤连接器光纤连接器SC/PCSC/PC光纤适配器光纤适配器 ST/PCST/PC光纤适配器光纤适配器 SC-FSC-F转接适配器转接适配器 SCSC水平双联适配器水平双联适配器 耦合器应用举例耦合器应用举例本地分配器发射端波长选择耦合器128

5、128,. 输入2 耦合器耦合器耦合器的端口形式耦合器的端口形式2 耦合器耦合器熔锥型光纤耦合器的结构熔锥型光纤耦合器的结构2 耦合器耦合器 11111122dA ziCAiC Adz 22222211dAziCAiC AdzA1、A2两根光纤的模场振幅；两根光纤的模场振幅； 1、 2两根光纤孤立状态的传播常数；两根光纤孤立状态的传播常数；Cij耦合系数耦合系数耦合器输出端功率与耦合区长度的关系曲线耦合器输出端功率与耦合区长度的关系曲线2 耦合器耦合器耦合器作波分复用器耦合器作波分复用器2 耦合器耦合器耦合器的制作过程耦合器的制作过程2 耦合器耦合器熔融拉锥系统熔融拉锥系统2 耦合器耦合器2

6、耦合器耦合器2 耦合器耦合器2 耦合器耦合器耦合器性能衡量指标耦合器性能衡量指标插入损耗插入损耗指定输出端口的光功率相对指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值全部输入光功率的减小值附加损耗附加损耗所有输出端口的光功率总和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相对于全部输入光功率的减小值回波损耗回波损耗信道返回功率与输入功率之比信道返回功率与输入功率之比隔离度隔离度耦合器的某一光路对其它光路耦合器的某一光路对其它光路中的光信号的隔离能力中的光信号的隔离能力2 耦合器耦合器非线性光纤环形镜（非线性光纤环形镜（NOLMNOLM）2 耦合器耦合器第二章第二章 光无源器件光无源器件

7、2- 耦合器耦合器XPM2LnL222NLn A L nn22n ASPMSPMNOLM用于光开关用于光开关第二章第二章 光无源器件光无源器件2- 耦合器耦合器XPM1211cosT NOLM的透射率曲线的透射率曲线第二章第二章 光无源器件光无源器件2- 耦合器耦合器NOLM的透射率曲线的透射率曲线第二章第二章 光无源器件光无源器件2- 耦合器耦合器用于脉冲压缩用于脉冲压缩第二章第二章 光无源器件光无源器件2- 耦合器耦合器色散非平衡色散非平衡光纤干涉仪光纤干涉仪第二章第二章 光无源器件光无源器件2- 耦合器耦合器Sagnac 光纤干涉仪原理图光纤干涉仪原理图2 耦合器耦合器全光纤陀螺仪示意图

8、全光纤陀螺仪示意图2 耦合器耦合器2- 耦合器耦合器第二章第二章 光无源器件光无源器件0.000015/h3 偏振控制器偏振控制器基于固定延迟波片的偏振控制器基于固定延迟波片的偏振控制器准直、镀膜、插损、机械调谐准直、镀膜、插损、机械调谐引发局限引发局限3 偏振控制器偏振控制器基于铌酸锂的偏振控制器基于铌酸锂的偏振控制器高插损、偏振相关损耗、启动损耗、价格高插损、偏振相关损耗、启动损耗、价格限制应用限制应用3 偏振控制器偏振控制器全光纤结构的偏振控制器全光纤结构的偏振控制器低成本、低插损低成本、低插损3 偏振控制器偏振控制器全光纤结构偏振控制器全光纤结构偏振控制器3 偏振控制器偏振控制器挤压旋

9、转式全光纤偏振控制器挤压旋转式全光纤偏振控制器3 偏振控制器偏振控制器Agilent 8169A 光波偏振控制仪光波偏振控制仪IsolatorLD5 光隔离器光隔离器5 光隔离器光隔离器光隔离器的组成光隔离器的组成起起偏偏器器法法拉拉第第旋旋转转器器检检偏偏器器准准直直器器准准直直器器光隔离器光隔离器5 光隔离器光隔离器法拉第旋转器的原理法拉第旋转器的原理B磁环磁环磁光材料磁光材料光传输方向光传输方向5 光隔离器光隔离器法拉第旋转器的原理法拉第旋转器的原理B磁环磁环磁光材料磁光材料光传输方向光传输方向5 光隔离器光隔离器法拉第旋转器的原理法拉第旋转器的原理线栅起偏器的典型结构线栅起偏器的典型结

10、构5 光隔离器光隔离器楔形双折射晶体偏振分束器楔形双折射晶体偏振分束器空间分离偏振器（空间分离偏振器（SWP）的典型结构）的典型结构5 光隔离器光隔离器PolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForward transmissionBackward transmission偏振相关隔离器原理偏振相关隔离器原理5 光隔离器光隔离器5 光隔离器光隔离器偏振无关隔离器偏振无关隔离器双级光隔离器双级光隔离器偏振无关隔离器偏振无关隔离器CollimatorCollimatorCore5 光隔离器光隔离器带尾纤的偏振无关隔

11、离器结构带尾纤的偏振无关隔离器结构5 光隔离器光隔离器带尾纤的偏振无关隔离器结构带尾纤的偏振无关隔离器结构Solder ring磁光材料磁光材料镀金环镀金环法拉第旋转器的封装法拉第旋转器的封装5 光隔离器光隔离器隔离器核心部分的封装隔离器核心部分的封装环氧胶环氧胶紫外紫外起偏器和检偏器的封装起偏器和检偏器的封装5 光隔离器光隔离器环氧胶环氧胶隔离器核心部分的封装隔离器核心部分的封装EpoxyMagnet ring核心部分的最后封装核心部分的最后封装5 光隔离器光隔离器隔离器核心部分的封装隔离器核心部分的封装4 自聚焦透镜自聚焦透镜0.29周期透镜：光斑尺寸压缩周期透镜：光斑尺寸压缩4 自聚焦透

12、镜自聚焦透镜4 自聚焦透镜自聚焦透镜1/4周期透镜：光线准直周期透镜：光线准直 在准直器中一般采用在准直器中一般采用1/4个周期长的自聚焦透镜，个周期长的自聚焦透镜，实现光束放大和准直。实现光束放大和准直。 自聚焦透镜中的光束周期性地聚焦自聚焦透镜中的光束周期性地聚焦4 自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜作准直器自聚焦透镜作准直器准直器准直器Collimated beamFiber endReal image of the fiber endGrin Lenses(1/4 pitch)4 自聚焦透镜自聚焦透镜准直器尾纤的组装准直器尾纤的组装4 自聚焦透镜自聚焦透镜Cut off pointAngl

13、e polishingAR Coating4 自聚焦透镜自聚焦透镜准直器尾纤的组装准直器尾纤的组装UV AdhesiveEpoxy4 自聚焦透镜自聚焦透镜准直器的组装准直器的组装Align facesMark4 自聚焦透镜自聚焦透镜准直器的组装准直器的组装P/MUV AdhesivePositioner #2 (Reference)Positioner #1 (to be assembled)准直器的组装准直器的组装4 自聚焦透镜自聚焦透镜 Tube (lens holder)准直器的组装准直器的组装4 自聚焦透镜自聚焦透镜FibX CorporationS/N: 0000 00015 光隔离

14、器光隔离器带尾纤的偏振无关隔离器结构带尾纤的偏振无关隔离器结构5 光隔离器光隔离器偏振无关隔离器的实物图偏振无关隔离器的实物图 Only allows transmission in one direction through it. Main application: To protect lasers and optical amplifiers from returning reflected light, which can cause instabilities. Insertion loss: Low loss (0.2 to 2 dB) in forward direction

15、High loss in reverse direction:20 to 40 dB single stage, 40 to 80 dB dual stage) Return loss: More than 60 dB without connectors5 光隔离器光隔离器光隔离器的应用领域光隔离器的应用领域用在激光器与光纤之间用在激光器与光纤之间 当光纤与激光器耦合时当光纤与激光器耦合时,其端面或接头处的反射将影响激光其端面或接头处的反射将影响激光器的稳定性。器的稳定性。为了消除反射波对激光器的影响为了消除反射波对激光器的影响,需要在激光器需要在激光器与光纤之间加光隔离器。与光纤之间加光隔

16、离器。作为光纤放大器的组成部件作为光纤放大器的组成部件 光隔离器是光纤放大器的重要组成部件光隔离器是光纤放大器的重要组成部件,光隔离器光隔离器可以防止可以防止输出光返回到光纤放大器中产生不良的干扰。输出光返回到光纤放大器中产生不良的干扰。用在精密光学测量系统中用在精密光学测量系统中 在光谱分析实验中在光谱分析实验中,如果如果材料的发光能力不仅很弱材料的发光能力不仅很弱,而且它们而且它们的发光状况容易受外来光的影响的发光状况容易受外来光的影响,这就要求我们在研究它们的这就要求我们在研究它们的发光机制时更要发光机制时更要排除外界物质的反射光对它们的影响排除外界物质的反射光对它们的影响,为了消为了消

17、除这些外界的干扰除这些外界的干扰,我们常在发光材料和测量仪器之间加一光我们常在发光材料和测量仪器之间加一光隔离器。隔离器。5 光隔离器光隔离器隔离器用于半导体激光器中隔离器用于半导体激光器中6 光滤波器光滤波器/复用器复用器Wavelengthfilter4321,1432,滤波器的典型应用滤波器的典型应用选择波长选择波长激光波长的调谐激光波长的调谐复用和解复用复用和解复用增益谱平坦增益谱平坦Filter TypesDiffraction gratingsFiber gratingsFabry-Perot interferometerThin-Film filterMach-Zehnder t

18、ypeArrayed waveguide gratingAcousto-optic tunable filteri1d2d2112GratingplaneImagingplaneTransmissiongrating6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅i1d2d2112GratingplaneImagingplaneReflectiongrating6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅 resonant wavelengths are reflected back toward the source non-resonant wavelengths are

19、transmitted through the device without loss. The centre wavelength is given by:effn2 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with higher refractive index than that of cores6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅光栅周期光栅周期光栅长度光栅长度折射率调制深度折射率调制深度折射率分布曲线折射率分

20、布曲线中心波长中心波长带宽带宽反射峰值反射峰值 1 cm FBG ，折射率变化量相对较低，反射峰值高，折射率变化量相对较低，反射峰值高 其它条件相同，折射率变化量增加，反射带宽增加其它条件相同，折射率变化量增加，反射带宽增加(c) 切趾后的结果，旁瓣减少，反射峰值降低。切趾后的结果，旁瓣减少，反射峰值降低。6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅Fiber DFB Bragg GratingFP based on FBGFBG用于波长选择用于波长选择Add - Drop Multiplexers Circulator with FBGAdd iDrop i 1, 2, 3, . i 1, 2, 3

21、, . iFBGC1C2 Dielectric thin-film filter designFilter reflects iAdd / DropCommonPassbandwavelengthFor a given grating period a particular wavelength (frequency) of light is reflected. In this case yellow light will be reflectedIf the grating spacing is changed (e.g. reduced due to compression of the

22、 fibre or a drop in temperature the wavelength of the reflected light changes. In this case it becomes higher and reflects blue lightIn practice the colour shifts will be much finer than those illustatedOptical fibreGrating pattern etched into body of fibreDetectorFiber Bragg Gratings (FBG)6 光滤波器光滤波

23、器光纤光栅光纤光栅Fiber Brag Gratings (FBG) Increasing intervals: “chirped” FBG compensation for chromatic dispersion Regular interval pattern: reflective at one wavelength Notch filter, add / drop multiplexerOptical FibreBragg Gratings z z 1 2 3 NDispersion Compensation using Chirped FBG FBG is linearly chi

24、rped, I.e. the period of the grating varies linearly with position. This makes the grating to reflect different wavelengths at different points along its length. Therefore, introducing different delay. In a standard fibre. Chromatic dispersion introduces larger delay for lower frequency (high wavele

25、ngth) components of a pulse.Fast Slow InputOutput132FBG Chirped FBG introduces larger delay for the higher frequency components, thus compensating for the dispersion effect (I.e. compressing the pulse)光纤光栅写入光纤光栅写入全息相干法全息相干法6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅光纤光栅写入光纤光栅写入相位掩模版相位掩模版6 光滤波器光滤波器光纤光栅光纤光栅光

26、纤光栅写入光纤光栅写入逐点写入逐点写入FBG商品商品F FP P腔结构、原理腔结构、原理6 光滤波器光滤波器F-P6 光滤波器光滤波器F-P6 光滤波器光滤波器F-P手动可调谐手动可调谐FP滤波器实物图滤波器实物图FP干涉仪内部结构图干涉仪内部结构图6 光滤波器光滤波器F-PFilters - Thin-film CavitiesAlternating dielectric thin-film layers with different refractive indexMultiple reflections cause constructive & destructive interferenceVariety of filter shapes and bandwidths (0.1 to 10 nm) Insertion loss 0.2 - 2 dB, stopband rejection 30 - 50 dB1535 nm1555 nm0 dB30 dBLayer