第3讲_无源光器件.ppt

1、第三，无源光设备，2020/7/17，2，主要内容，1，光纤连接和光纤连接器2，光纤拆分器和耦合器3，光合成波，光分波4，光隔离器5，光开关6，光可变衰减器7光源，光探测器和光纤以外的连接器它们分别在系统中进行光学连接、光功率分配、光波长分割多路复用、光通道切换和光信息的衰减、隔离和调制。由此可见，无源光体在光纤通信系统中起着重要的作用。本课程仅介绍几种常用手动光学装置的原理和性能。2020/7/17，4，1，光纤连接和光纤连接器，光纤连接器光纤光学连接器(也称为光纤活动连接器)，通常称为活动连接器，用于设备和光纤之间的连接。光纤连接器的作用是对齐、粘贴和多次使用需要连接的单个或多个光纤核心的

2、横截面。光纤连接器在工艺中必须满足的条件：1)连接损失为0.5dB必须小于。2)包装、拆除、重复性好。3)体积小，成本低。光纤连接器枢轴偏差，夹角会造成巨大损失。2020/7/17，5，光纤和光纤的连接有两种形式。一个是持续连接，另一个是活动连接。永久连接有粘结法和焊接法的区别，目前采用了很多焊接法。光纤连接器的基本配置包括两个耦合插头和一个耦合管道这三个部分。两个插头安装在两个光纤端。联接器起到瞄准套筒的作用。如图所示。2020/7/17，6，光纤非常细，单模光纤的芯径小于10um，因此焊接必须使用机器。好的连接是指连接点没有光传输的不连续现象。下图显示了一些典型状态，例如轴向误差、型芯倾斜

3、、间隙、末端倾斜、型芯直径和折射率。这种不连续性可能导致部分光力散失或以反射波形式返回到发射侧。有缝隙时，玻璃纤维与空气折射率的差异也会导致反射，这也称为菲涅尔反射。2020/7/17，7，连续点的不连续现象，2020/7/17，8，由于折射率不同，反射可以用fresnel公式计算。如果玻璃的折射率为n1，则光力的反射系数计算如下：r=(n1-N2 )/(n1 n2)2例如，3360 n1 1.45，N2 1，r 3.4%存在14.7dB的反射损失。对于单模光纤连接，除了要求光纤路径的一致性外，表示分布宽度的模具现场直径(MFD)必须匹配。目前工程中使用了很多高精度自动焊机，光纤端面切割后，光

4、纤之间的对准、曹征、焊接和损耗测量阶段在微处理器控制下自动完成，焊接质量好，接头额外损失可以控制在0.1dB以下。2020/7/17，9，使用光纤连接的连接器，fresnel反射等对信号产生不利影响。为了防止菲涅尔反射，将反射光的入射角余角调整为大于临界角余角，使反射光进入保护层，最终泄漏。为此，将连接器的核心端面倾斜8进行抛光即可。另一种方法是删除连接之间的间隙。为此，在管芯端面之间紧贴，不留空隙。此接头通常称为物理连接(PC)型接头。实际使用的PC型连接器将套管端面打磨成球体，如图所示。PC的持续反射非常小，反射损失高达25dB以上。经过精密加工抛光，可以将反射损失指标提高到40dB以上。

5、2020/7/17，10，光纤连接器分为多模式连接器和单模连接器。多模式连接器包括u型环路连接器、插座连接器、现场组件连接器(FA)和c型连接器，损耗小于0.4-0.5dB。单模光纤连接器包括PC型(直接接触式)、FC型(平面对接)、SC型(矩形)和ST型。2020/7/17，11，FC型(平面对接)连接器由连接插头和插座组成，如图所示。主要使用光缆和传输设备之间的连接，因此可以方便地进行光路曹征或电路测试。连接器准确度很高。2020/7/17，12，SF型连接器是户外连接器，具有防水功能和良好的温度特性。使用了塑料套筒，所以价格便宜，可以与FC型连接器交换。MF型连接器可以从将光缆布线到隧道

6、(通过)道路的电缆间接连接带状五核光纤。体积小，可以安装在标准连接器盒内，实现光纤的高密度连接。其结构如图所示。2020/7/17，13，2，是表示光纤分离器和耦合器、波分支结构的图。Y型分支，可以将输入到一个核心一端的光等分。分支支路的开口增大会增加泄漏到封装层的光，从而增加额外损失。开角通常是12左右，所以分支的长度不能太短。2020/7/17，14，光纤耦合器光纤光学耦合器，徐璐向一个光纤传输不同方向的光信号耦合，反之亦然。结构：，棱镜耦合，光纤耦合，端口1，端口4，端口3，端口2，2020/7图b是x英寸，2020/7/17，16，图C为8传输型星形耦合器图D为8反射型星形耦合器，20

7、20/7/17，17，光纤耦合器的指标为插入损耗、分光比和隔离(或方向)等。例如，2x2定向耦合器插入损耗为L1，2=10lg(P1，2 /(P 3 P 4) (dB)格式，P1，2是输入部1或2输入的光功率，P 3，P 4是输出部3，4的输出。定向耦合器的分光比是输出端的功率分配比。也就是说，=P 3/P 4隔离反映了定向耦合器反向散射信号的大小。从一端注入光功率，在3，4段输出功率中，2段1隔离定义为I=10lg(P 3 P 4)/P2)(dB)光纤定向耦合器的插入损耗为0.21dB，分光比为199(如果需要)，2020/7也就是说，Lin=10lgPj/Pi j=1。n格式的Pj是每个端

8、口输出的功率，Pi是在一个输入端输入的功率。对于传输型耦合器，n是输出端数。对于反射管接头，N是输入和输出数的总和。进入星形耦合器的光功率分配分为N个输出端口。也就是说，从其中一个输出端口获得的光等于1N，即每个输出端口输出的功率总和。这称为功率分配系数。还可以使用多个22路耦合器配置特定于NN的耦合器。2020/7/17，19，3，光合波、光分波、光合波、光分波是用于波分多路复用等传输方式的无源光设备。徐璐可以将不同波长的多个光信号合并并传输到一个光纤，反之，可以将从一个光纤传输的徐璐另一个波长的复合光信号徐璐分离到另一个光波长。前者称为联合波，后者称为光粉波。可以分为棱镜型、多层介质干涉膜

9、(干涉膜过滤器)型、衍射光栅型等几种类型，如下图所示。，2020/7/17，20，光合波和光分波类型，2020/7/17，21，熔锥光纤波分复用器的结构和特性，1 2，1 2，1 2，1 2，1 2，1 2如果有1.55um的光进入，则可以通过过滤器继续前进，如果有1.3um的光进入，则被过滤器反射，并沿其他倾斜的多模式波分离。这种结构可以用作分蘖，相反，使用时不能用作分蘖。这是因为多模式一方的损失很大。(David assell，Northern Exposure(TV)，2020/7/17，25，多层介电干涉膜型合波分波器，由于接近/2或/4光学厚度的高折射率介电膜和低折射率介电膜交替改造

10、，形成薄膜，因此形成了特定的这种波长选择性主要取决于介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等。2020/7/17，26、SiO2(低折射率材质，n=1.46)和TiO2(高折射率材质，n 2.3)叠层2040层作为带通过滤器(此带通过滤器的实际结构如图所示)。2020/7/17，27，4，光隔离器、半导体激光器和光放大器等对连接器、焊接点、滤波器等的反射光非常敏感，性能降低。因此，为了防止反射光，必须使用光隔离器。光隔离器是一种只允许单向光通过的手动光学装置，其工作原理基于法拉第旋转的非互易性。偏振器：偏振器具有以某种形式的偏振输出光的光轴。当光的偏振方向与透射率轴水平时，光全部通过。垂直时，所有灯

11、光都将分离。2020/7/17，28，隔离器的工作方式如下图所示。这里，假定入射光只是垂直偏振，并且第一偏振器的透射方向也是垂直方向，因此输入光可以通过第一偏振器。紧挨着第一台偏光镜的是法拉第旋转器。法拉第旋转器由旋转光材料制成，可以将光的偏振态旋转45度，其旋转方向与光的传播方向无关。记忆：光偏振(偏振)单模光纤中传输的光的偏振状态(SOP)是电场矢量在垂直于光传输方向的平面中的振动方向。可以随时将电场矢量分解为两个正交分量(分别为水平模式和垂直模式)。2020/7/17，29，隔离器工作原理，2020/7/17；另一方面，假设右侧有某种反射(例如连接器上的反射)，反射光的偏振度在45方向上

12、，当反射光通过法拉第旋转器时，如果继续旋转45，则产生水平偏振。水平偏振不能通过左偏振器(第一偏振器)，因此可以达到隔离效果。但是，在实际应用中，入射光的偏振状态(偏振方向)是随机的，并且随着时间的推移而变化，因此，必须要求入射光的偏振状态独立于入射光的偏振状态，因此，隔离器的结构变得复杂。与入射光的偏振状态无关的小隔离器结构如下图所示。，2020/7/17，31，与输入光的偏振状态无关的隔离器，光纤输出，该SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振组件，使垂直分量线通过，水平分量偏转通过。该半波长片的作用是将从左到右传播的光的偏振状态顺时针旋转45，将从右到左传播的光的偏振状态逆时针旋转45。

13、因此，法拉第旋转器和半波片的组合将垂直偏振作为水平偏振，反之亦然。最后两个元件的光源由输出端的另一个SWP一起输出。两种成分都要通过法拉第旋转器，其偏振状态都要旋转45。法拉第旋转器后面是半波片(/2 plate或halfwave plate)。2020/7/17，33，另一方面，在反射光向相反方向传输的情况下，半波板和法拉第旋转器的旋转方向相反。当两个元件的光通过这两个零件时，旋转效果徐璐抵消，偏振状态保持不变，并且不能在输入端被SWP重新组合。循环器的工作方式与隔离器类似，不同之处在于它有多个端口。典型的循环系统通常有三个或四个端口，如图所示。在三端口循环机中，在端口1上输入的光信号从端口

14、2输出，在端口2上输入的光信号从端口3输出，在端口3上输入的光信号从端口1输出。光环行器主要用于光插头复用器。2020/7/17，34，光周期(a) 3端口；(b) 4端口，1，3，2，(a)，一种是机械驱动光学装置，如光纤和棱镜，以转换光路。一是利用光电效果和声光效果转换电路，没有机械动作。前者是机械光开关，后者是电子光开关。目前，机械光开关的光路传输速度比两者都慢，但主要损失低，字符串光的杨怡少，这一优点在实践中得到应用。一般损失的典型值为0.5 dB，最大值为1.2 dB，隔离80 dB，响应速度约为15毫秒，结构原理图如下图所示。2020/7/17，36，微电机光开关MEMS最近出现了微电机系统MEMS，机械开关备受关注。MEMS采用毫微米技术，可以在一个基座上制造诸如电动齿轮装置、步进电机、高度抛光金盘(反射镜)、螺丝等小型机器，就像半导体工艺一样。这