第五章无源光器件

1、Optical fiber Principle and Application 5-1,第一节 光无源元件的结构形式 第二节 光纤的连接损耗与光纤连接器 第三节 光波导的横向耦合与耦合器 第四节 波分复用元件 第五节 光学谐振腔 第六节 光调制器 第七节 偏振控制器 第八节 GRIN透镜连接器与光隔离器,第五章光无源器件（参见P.57）,Optical fiber Principle and Application 5-2,第一节 光无源元件的结构形式,用途：连接器、耦合器、波分复器、波复用器、光调制器、光偏振控制器、光隔离器 结构：体块型、全光纤型和波导型,Optical fiber Pri

2、nciple and Application 5-3,第二节 光纤的连接损耗和光纤的连接器,一、光纤的连接损耗 A、参数,耦合的有效性用传输 系数T或耦合损耗L表示。 若输入光纤发出的光功率为 ，输出光纤接收的光功率为 则：,Optical fiber Principle and Application 5-4,B、引起光纤损耗的原因,间隙 Axial offset,横向偏移 Later offset,倾斜角 Tilt,端面不齐 Scattering/reflections,棋式失配 Mode mismatch,Optical fiber Principle and Application 5

3、-5,二、单模光纤的耦合 （Coupling to single Mode Fibers）,Optical fiber Principle and Application 5-6,1、LP01模均匀的横向电场分布用Gaussian Fuction 来近似 2、该近似对大多数的光纤模式计算是正确的 3、例外是微扰法计算（cross-talk calculation）, 4、采用Gaussian approximation,横向电场,三、 LP01模的高斯近似（Gaussian Approximation to the HE11 mode）,P：峰值功率； S：横场模斑半径 采用Gaussian

4、approximation的主要问题在于找出合适的S,Optical fiber Principle and Application 5-7,四、存在纵向光纤间隙D时（including Mode matching）,A、归一化光纤间隙（Axial offset of Mode Matching） n3：两光纤方向面间的介质折射率指数 S1、S2：两单模光纤的模场半径 B、传输系数,T0=|L0|2 L0 ：输入光纤在输出光纤中激发出的单模光场的幅度,Optical fiber Principle and Application 5-8,当D0 传输损耗L（dB）-10lg T C、当S1/S

5、2偏离越远损耗越大 TS1/S2 D、TD/a 传输系数对光纤截面间隙的变化不太大时不太敏感；同样间隙D光纤芯径大时连接损耗小。,Optical fiber Principle and Application 5-9,五、Tilt（轴向倾斜角 时的输出系数）,A、 B、T随 的增加按Gaussian Fuction 的规 律减小。设：T=T0/e 即：,Optical fiber Principle and Application 5-10,A、 B、s1=s2=s T=1/e de=s,3、横向位移d（lateral offset）,Optical fiber Principle and A

6、pplication 5-11,(1)可通过观测同单模光纤耦合功率随横向位移的变化来确定光纤的模场半径，它是用径向失调法来测单模场半径的基础。 (2)如果tilt offset and separation 用时存在，T有其交叉项，但是如果每个失配都很好，其交叉项可以忽略。,Optical fiber Principle and Application 5-12,七、阶跃多模光纤的链接损耗,多模光纤的耦合情况比较复杂，例如多模光纤中存在模式耦合和模式转换，使各模式所携带的能量比例随光纤长度而变，连接到达平衡长度时可考虑成均匀光强分布。 所谓平衡长度是指个模式的功率比例达稳定值时的长度。只有达到

7、平衡长度后光纤端面才有稳定的功率分布，从而有稳定的耦合损耗。,Optical fiber Principle and Application 5-13,设：输入、输出光纤芯子上的光强都是均匀分布的 1、理论上可以计算所有的源模式和接收光纤模式的耦合系数 2、总的耦合系数是所有耦合系数的就和。 3、假定原有m个模式，光纤有n个模式 总的耦合系数： 4、这一计算非常复杂，因而没有用处 5、一个简单而又有效的模型是假定源和接收光纤上的功率是均匀分布的。 6、耦合可从几何角度进行考虑 7、考虑源的一个积分作元面积上有多少入射到光纤的数值几径之内.总的耦合系数是对源面积积分。 8、GRIN的耦合更复杂。

8、,Optical fiber Principle and Application 5-14,八、 MMF连接的损耗,A、横向偏移情况下的耦合损耗 光纤耦合损耗将由输入光纤面积 和输出光纤的有效接收面积AR重合面积所决定。 当：d/2a0.2时,Optical fiber Principle and Application 5-15,B.光纤端面间隙D引入的耦合损耗 1、损耗的途径 （1）光束发散引起的耦合损失 （2）光纤芯子界面上的Fresnel反射损耗,2、光束发射： NA：光纤的数值孔径,Optical fiber Principle and Application 5-16,3、Fres

9、rel损耗,Fresrel反射系数：,Optical fiber Principle and Application 5-17,C、Tile,一般,D、参数的失配mismatching,1、,Optical fiber Principle and Application 5-18,Optical fiber Principle and Application 5-19,第三节 光波导的横向耦合和耦合器,2,3,4,1,22定向耦合器 Directional Couplers,Y型分支 YCoupler,1：输入端； 3、4：输出； 2：理想情况下2端无输出,A作用：将光信号进行分路与和路，定向

10、耦合可以 监测光纤中的光功率 B原理：横向耦合（通过渐消场相互作用）,Optical fiber Principle and Application 5-20,二、22定向耦合器 （Directional couplersDefinitions ） 分束比（Splitting Ratio）： 通过损耗（Through put loss）： 插入损耗（excess loss）： 搭线损耗（Torp loss ）：,Optical fiber Principle and Application 5-21,方向性（Directionality） 隔离度 （Isolation）,Optical fib

11、er Principle and Application 5-22,二、耦合方程,（平行）,A:思路：分折两波导中波的耦合作用，应把两平行波导看作另一统一的体系。来求解这一整体机构中的场，而后分折其耦合物性，由于边界条件复杂，这样做是很困难的。 弱耦合理论：在弱耦合情况下，可采用微扰法来使分折简化，相应的理论称为耦合模理论，是传输理论的重要组成部分。思想是：相耦合的两波导中的场，各保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数，偶合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化。,Optical fiber Principle and Application 5-23,B、设两波导中的复数振幅a1(z),a2(

12、z).由于偶合作用，他们沿途变化。其变化规律可用两独立的一阶微分方程组表示：,失配位相常数，,k12,k21两波导的偶合系数，决定于耦合波导的系数也与波长有关。,Optical fiber Principle and Application 5-24,对间距为d的两相同光纤： u,w归一化径向相位常数和复位常数 K0,k1:0阶和阶修正的Bessel Furetion,当两波导完全相同时， 为实数,Optical fiber Principle and Application 5-25,C、有效耦合条件,相位匹配条件 D、方程的解： 方程：,解：,初始条件：z=0, a1(0), a2(0),

13、Optical fiber Principle and Application 5-26,耦合波的传输矩阵,Optical fiber Principle and Application 5-27,若：,A、两波导中传输功率的变化规律是能量在两波导中周期性的转换。 B、在波导中，光功率从P2(0)=0到z=L0处最大。 此时，P1(L0)=0,即光功率全部耦合进第二波导， ，转换长度，取不同的长度，即可改变两耦合波导的输出功率比，这就是定向耦合器的基本原理。,Optical fiber Principle and Application 5-28,例题：参考一对定向耦合器，当工作波长为1.55

14、m时，耦合系数为k=10cm-1,耦合区域的有效折射率为 neff=1.5,选择合适的耦合波长，使得该耦合器的搭线功率为10%，（如果在Input1有非0功率输入那么Ouput2有10%的功率输出，Output1有90%的输出）（工作波长为1.55 m ）请问使得搭线功率为10%的最短耦合长度L是多少？ 假定Input1的输入功率为P0,对称定向耦合器 输出1的功率: P0cos2kL=0.9P0 输出2的功率: P0sin2kL=0.1P0 cos2kL=0.9 kL=0.3218 所以： L=0.03218cm=321.8 m,Optical fiber Principle and App

15、lication 5-29,第四节 波分复用元件,一、光纤带宽的利用（Utilizing the Fiber Bandwidth）,TDM:在时域对信息进行快速转换。信道：channels。,WDM:在频域将不同波长的信道结合起来信道间间隔越大越容易设计建设。,WDM可以比TDM更充分地利用光纤带宽。,Optical fiber Principle and Application 5-30,二、光纤带宽应用的限制 在实际光纤通信中色散和非线性效应限制了带宽的利用。 a)SMF有材料色散和波导色散 b)MMF有模式色散 c)非线性传播效应色散 为此WDM在技术上要求在不同的信道间要加保护带（gu

16、ard lands）,Optical fiber Principle and Application 5-31,SDL-固态半导体激光器，Isolator-隔离器，Modulator-调制器，EDFA- 掺铒光纤放大器，作为增益均衡器； Add/drop multiplexer Dispersion compensator- 色散补偿与偏振补偿器,三、WDM的构成,Optical fiber Principle and Application 5-32,a)低插入损耗（Low insertion loss） b)低的偏振趋向（Low polarization dependence， waveg

17、uide devices have high PDL ） c)稳定的温度特性（Low temperature dependence of center frequency and filter shape） d)平顶的通带特性（Flat pass band） e)好的串话隔离度（Good cross talk） f)低的价格（Low cost）,四、复用器/解复用器特性要求,Optical fiber Principle and Application 5-33,五、F-P(Fabry-Pery)腔型光滤波器：解复用 A:工作原理多光束干涉有频率选择特性,当r1 r2反射率较高时必须考虑每一光

18、束的干涉,Optical fiber Principle and Application 5-34,每一束透射波比前一束在相径上延迟k2l=4nl/0=4nlf/c 而振幅减小须乘以因子r1r2 。令,则：,Optical fiber Principle and Application 5-35,透射光的复振幅为所有透射光的叠加,若：r1=r2=r t1=t2=t (振幅) 功率：R=r2, T=t2 无损耗情况下 RT1,Optical fiber Principle and Application 5-36,输出光强：,K为常数： 为入射光波的光强 B ：FP腔的功率传输系数(Fabry

19、Perot Transfer Fuction),Optical fiber Principle and Application 5-37,Where,谐振频率： q=1,2,3, 谐振波长：,传输系数的最大值：,传输系数的最小值：,Optical fiber Principle and Application 5-38,F-P 腔光滤波器很适应做FDMWDM系数的解复用器。将F-P腔谐振调到和所选择的信道频率重合即可从组合的众多信道中选出该信道。 IT（透射）和IR（反射）虽然都与R有关,但极大值和极小值的位置仅由L决定 ，,IT的极大值在2kx的地方，极小值在（2k1）的地方，IR的极大值和

20、极小值位置刚好对调。 R对强度分布的影响 随着R的增大，IT的极大的鋭度越来越大，R的增大意味着无穷系列中后面光束的作用越来越不可忽略，从而参加到干涉效应里来的光束数目越来越多，其后果时使干涉条纹的鋭度越来越大，这一特征是多光束干涉的普遍规律。在光栅衍射中可以看到。,Optical fiber Principle and Application 5-39,2. 3db带宽f：表征FP腔谐振曲线的鋭度。 传输系数降为最大值一半时所对应的频带宽度,C: FP腔光滤波器的特性参数 1.自由谱线（Free-Spectral-Range) 相邻两谐振频率间的间距 由于FP的多谐性。使用时输入光波的谱宽不

21、能大于这一频率范围， 以免造成混淆。,Optical fiber Principle and Application 5-40,无损耗情况下F R越大精细度越高 FP腔可支持的反用信道数NF/6.4 4 .峰值传输功率(peaked pass band) 在无损耗的情况下。不管R为何值max1。即谐振频率上的光完全透过。 有损耗 LRT1 精细度 F（L+T）,R越大 F越小，干涉条纹变鋭（参于干涉的光束越多） 3 .精细度越大：自由谱线FSR于3db带宽F之比,Optical fiber Principle and Application 5-41,峰值传输系数,5.作为FDMWDM光纤通信

22、系统的解复用器。对F-P腔的要求： a) 自由谱域必须大于多信道复用信号的频道宽度 （以免使信号重叠。造成混乱） 信道越多信道间隔越宽，要求FP腔的FSR也越宽。,Optical fiber Principle and Application 5-42,b) 为了在一个自由谱内容纳更多的信道，要求信道间距小，特别是在FDM光纤通信系统中，信道间距小与1Nm。甚至为几个GHZ这就要求F-P腔有较窄的带宽F。 d)级联F-P腔滤波器 将多个F-P腔串联使用。,Optical fiber Principle and Application 5-43,D:光纤 F-P型光滤波器,1. 光纤波导腔两端面

23、直接镀高反膜，腔体即光纤，自由谱区小。 2. 空气腔体缺点是光纤与空气腔模场分布不匹配，并且插入损耗大。 3. 改进型能克服上述缺点。,Optical fiber Principle and Application 5-44,F: F-P腔的选频 位相差 以准单色平行光入射时 i=0 由于多光束干涉，使得在很宽的光谱范围内只有某些特定的波长附近出现极大 T=0时 相邻极强的频率是等间隔的，间隔为 每条谱线k 或k称为一个纵模 F-P腔对输入的非单色光起挑选波长，压缩线宽，从而提高单色性的作用。,Optical fiber Principle and Application 5-45,光滤波器

24、分振幅法产生双光束干涉 Two Directional Couplers: DC1 DC2 分光比1：1 耦合距离L远小于二耦和器之间的距离，（L1,L2) L=L1-L2 Input (1) (2) Output (3) (4) 若有(1)端or （2)输入频率为f1,f2 的混合信号，当 L取得合适时可将这两个频率的光信号分开，使各从（3）（4）端输出。,六 .Mach Zehnder Interferometers,Optical fiber Principle and Application 5-46,A.原理： 双光束干涉 (1)-(3)(L1) (1)-(4)(L1) (1)-(3

25、)(L2) (1)-(4)(L2) f1加强f2相消 f1相消f2加强 B.(1)-(3),(1)-(4) 的功率传输系数13和14 定向耦合器的传输矩阵 设(1)端输入信号的电场强度为E1 (3)(4)端输出信号的电场强度为E3,E4,Optical fiber Principle and Application 5-47,Optical fiber Principle and Application 5-48,设(1)端输入功率为P1,(3)(4)端输出功率为P2,P3,Optical fiber Principle and Application 5-49,C.M-Z干涉仪的频率响应,O

26、ptical fiber Principle and Application 5-50,M-Z光滤波器只能分开两个不同频率的光信号，对多信道的FDM/WDM光纤通信系统须增加M-Z光滤波器的组数M-Z元件是可逆的，如反转使用也是复用器，可用于不同频率的光信号合成。,Optical fiber Principle and Application 5-51,A、原理：多光束干涉单缝衍射 狭缝衍射光栅有N个宽为a，间隔为d的狭缝构成，d：光栅常数,七. 衍射光栅（Diffraction Gratings）,Optical fiber Principle and Application 5-52,主极

27、强：主极强的位置于缝数N无关，但他们的宽度随N减小。 相邻主极强有N-1条暗纹。 相邻主极强有N-2条次极强。,P点光强,Optical fiber Principle and Application 5-53,Optical fiber Principle and Application 5-54,角色散本领只说明不同波长出射角分离的程度，还未能说明能否被分辨。,B .分辨本领 1. 角色散本领：单位波长间隔的散开角度,Optical fiber Principle and Application 5-55,光栅的刻槽数N越多，光谱级次K越高，光栅的分辨本领越强，为了减少波分复用系统的邻道干

28、涉光栅的min必须远大于相邻信道的波长间隔。 C.闪耀光栅（Blazed Gratings）,2.角分辨本领: 在波长附近，光栅可辨别的最小波长间隔。,Optical fiber Principle and Application 5-56,1.采用第一种照明方式:沿槽面法线n方向入射 1级闪耀波长2dsin=1b 2级闪耀波长2dsin=2b 通过闪耀角 的设计,使光栅适用于某一特定波段的等级光谱上 2.第二种照明方式:沿光栅平面法线n 入射,Optical fiber Principle and Application 5-57,第五节 光学谐振腔,光学谐振腔对光波进行选频，反馈，放大，例

29、如在激光器中。光学谐振腔有各种形式。F-P腔是最简单的一种。实际Laser 所用的光学谐振腔要比F-P腔复杂，对实际的谐振腔进行严格的分析是十分困难的，下面采取两种近似方法，均匀平面波近似和金属闭合腔近似。 一.均匀平面波近似 由于光波波长极短，故光学谐振腔的尺寸一般远大于波长，这是光学谐振腔与微波谐振腔的基本区别之一，在这种情况下可假定腔内电磁波是均匀平面波，并认为平行腔的轴线传播，即认为垂直端面反射镜入射的，这种分析方法实际上是把上述光学腔看作一个简单的F-P腔，实际情况当然不是这样简单，但这样的假设可为我们提供一个关于腔中模式的粗糙的，然而很有用的图像。,Optical fiber Pr

30、inciple and Application 5-58,A. 谐振频率与谐振波长,B .纵模 L=qoq/2n 介质中波长在谐振情况下，腔长是介质中波长的整数倍，（q个半驻波，对应与不同的q值，得到不同的纵向分布，形成不同的腔的模式。由于这种场分布发生在场的纵向，所以称为纵模。 纵模频率间隔 fq=c/(2nl)等间隔的。,Optical fiber Principle and Application 5-59,二 .金属闭腔近似（理想导体近似）,介质光学谐振腔与具有理想导电壁的金属谐振腔有类似之处。金属腔各壁的反射系数都为1，电磁波在理想导体界面处发生全发射，介质腔两端的全反膜有接近1的反

31、射系数，光在这里产生全发射，另外由于光学腔的折射指数较高，因此在侧面上很容易发生全反射。如果只注意那些与腔的轴线夹角不大，以致在侧面上的入射角大于临界角的光束，则腔的侧面也可以当作闭合的金属腔来近似处理。 矩形谐振腔的尺寸a,b,L, 在矩形腔中有一序列互相兼并的TE及TM振荡模式，各模式有自己的场分布，谐振频率及传播方向。,Optical fiber Principle and Application 5-60,Optical fiber Principle and Application 5-61,1 .传播方向,Optical fiber Principle and Applicatio

32、n 5-62,m, n, q =0, 1, 2 ,. 叫做振荡模的波指数,它表明腔中的对应方向上出现完整驻波的个数.相应的振荡模式TEmnq, TMmnq 由于边界条件的要求,各模式的传输方向是不连续的,只有在方向余弦满足下式的那些波才能在腔中存在。,在谐振的情况下，沿腔的x,y,z三个方向都应出现完整的驻波,即沿腔各边的相位变化都应是 的整数倍。,Optical fiber Principle and Application 5-63,Optical fiber Principle and Application 5-64,对于r很小的旁轴光,当m , n 一定时改变q , r基本不变(q

33、是极大的整数),当q一定时,改变m ,n, r明显改变。 对于傍轴光,m,n, 为小整数,q为大整数,波的传播方向主要由m , n 决定, m , n 越小,传播方向越靠近Z轴,发散角越小。,Optical fiber Principle and Application 5-65,2. 谐振频率,对傍轴模式,由于qm,n,所以谐振频率主要决定余q, 而m, n, 的影响极小。,Optical fiber Principle and Application 5-66,3 闭腔模 在闭腔内不存在像自由空间那样的横电磁波，而只能存在TM波或TE波.在微波波段,通常激发低阶模式,m,n,q,都是小整数

34、, kx, ky, kz有相同的数量级,因而横向场分量与纵向场分量有相同的数量级. 在光波波段,由于采用介质腔,轴向角较大的光线不满足全反射条件,他们将很快逸出腔外.只有m,n为小整数 （kx ,ky 较小）角较小的徬轴光能留在腔内。又由于波长极短，故波数k极大,kz极大所以kx, kykz, 这说明腔中的电磁波基本上是平行与腔轴的，腔中各模式的纵向场比横向场小得多。因此常把他近似的看做横电磁波，把由波指数m, n, q确定的模式记作TEMmnq模。,Optical fiber Principle and Application 5-67,光学谐振腔的这种特性称为场的准横性。 A.场的准横性:

35、 TEMmnq (见上) B.横模 纵模,每组m,n,q的组合,决定了一个谐振腔的模式,每个模式有一定的传播方向及谐振频率。 (1)横模:在腔的横截面内的场分布,m,n,横模指数； (2)纵模:沿腔的纵向的场分布, q为纵模指数,模式的谐振频率主要由q决定； (3) 当m,n一定时,q可取一系列不同的值,即有一系列的纵模与同一横模对应,这些模式的特点:有相同的横向场分布及传播方向,但有不同的谐振频率。,Optical fiber Principle and Application 5-68,(4)当q,一定时,m,n可取不同的值,有一系列的横模与同一纵模对应。 特点:具有相近的谐振频率,但横向

36、场分布及传播方向不同。 当q,m一定n变化,相邻模式的谐振频率间隔为,相邻纵模的频率间隔,Optical fiber Principle and Application 5-69,由于qm,n 故fm, fn fq,Optical fiber Principle and Application 5-70,当F10时,近似成立(金属分布腔近似) 一般光学谐振腔F都满足F10(由于很小) 5.谐振腔的损耗,光子寿命,品质因数 A.损耗 1.几何偏折损耗 2.衍射损耗 3.反射镜的透射损耗 4.其他(材料吸收,散射等） B.平均衰减系数 将腔的损耗看作沿腔均匀分布的(实际并非如此),菲涅耳数,Opt

37、ical fiber Principle and Application 5-71,则光强随传播距离的增加而指数衰减 I(z)=I0exp(-z) I0输入端的光强 C.光子寿命 I=I0exp(-z) 若光子密度为S,则I=sh即光强与光子数密度成正比。 s=s0exp(-z) s0 z=0处的光子密度 z=(ct)/n s=s0exp(-ct/n)=s0exp(-t/R) 这里R=n/(c) 光子在腔中的寿命 D.品质因数Q,Optical fiber Principle and Application 5-72,Optical fiber Principle and Applicatio

38、n 5-73,第六节 光调制器,一 .介绍 A 调制的方式:内调制.改变半导体激光器的注入电流来改变光频的参数. 外调制.用独立于电源之外的外调制器完成,他不影响光源工作的稳定性,可得到较高的传输质量。 B 电光调制器,由电光晶体构成,电光晶体的电光效应,折射率n随外加电场强度E而变化。可以近似得认为折射率的变化n与电场E之间具有以下关系：,Optical fiber Principle and Application 5-74,C.铌酸锂晶体（LiNbo3）的谱克尔效应,Optical fiber Principle and Application 5-75,二. 相位调制器,n(E)也是外加电场的线性函数,当信号电场E改变时,介质 的折射率n随之线性变化,从而实现对光的调制。,Optical fiber Principle and Application 5-76,A .一块电光晶体在