2011无源器件

5.4光波复用器--波长选择性器件光纤波分复用（WDM）传输系统的关键器件。包括光波分复用器(合波器)和光波分去复用器(分波器)。波分复用是光纤通信特有的技术。细分WavelengthDivisionMultiplex和DenseWavelengthDivisionMultiplex。WDM可跨越光纤通信的三个窗口，DWDM在各窗口的间隔小于100GHz。WDM与FDM相比，FDM的信道间隔更窄，可到几个GHz。棱镜型衍射光栅型干涉型一般类型干涉膜滤光片型F-P型M-Z型5.4.1棱镜型波分复用器利用分光棱镜对不同波长的光有不同的折射率，因而各波长从棱镜输出有不同的折射角（或从不同输入角输入有同一输出方向）这一原理进行复用与去复用。t棱镜型光波复用器示意图dntdddnt）对色散率较大的火石玻璃,色散率在10-4-(-5)/nm量级,若分辨WDM系统载波间隔为0.4nm的载波,棱镜有效底宽？8cm5.4.2衍射光栅型波分复用器光栅比棱镜分光有很大优势，是制作波分复用器的主要分光元件。输出光纤输入光纤λ1…λn自聚焦透镜光栅光栅型波分复用器结构示意图mN光栅周期数光谱衍射级次1/4LP同一例子，取1级衍射，需要4000个周期数（栅条），对于1200条/mm的光栅只要4mm.5.4.3干涉型波复用器1.干涉滤光片(膜)型—干涉原理制成的滤光片由厚度为四分之一波长的、高低折射率材料交替的两组膜系相对组合在一起组成-G(HL)N(LH)NA。谱范围任选，可达几十nm，最小埃量级。峰值透过率光学性能参数通带半宽度中心波长透明基片GHLHLHLHLLHLHLHLHTλλ0TmaxΔλ透－通，不透（反）－阻第一个滤光片对波长λ1是阻带，使λ1的光几乎全反射而被分离出来；同理第二个滤光片是λ2的阻带，将波长λ2的光分离而出；如此等等。干涉滤光片光波复用器λ1λ2λ3λ4……λmλ1λ2λ3λ4……λm2.F-P型光波复用器(Fabry-Peyrot腔型滤波器)F-P腔用途非常广泛。块状型和光纤型的F-P腔工作原理一样。（一般滤波器以外的特性参量：自由光谱区，精细度）LM1M2t1r1r2t221rrcnlfnllk/4/420等效结构内表面镀高反膜形成腔体Ai…A4A3A2A1相邻光束的幅度相差系数A1/A2=相位差功率传输系数T＝Tout/Tin谐振波长－频率A2=r1·r1·Ai·t1·t2A1=Ai·t1·t2fcmmnl2nlcmfmnlmm2//2)/2sin()/2(112sin])1/4[(112sin4)1(222222cnlfFRRRRtT设t1=t2，r1=r2，T=t2,R=r2；由T＝Tout/Tin2minmax)/2(11;1FTTTfRRF1精细度（F∝R）FSR3dB带宽自由光谱区（谐振间隔）/2(1)(1)2FSRnlRFFRRnlRｃｃF1(R)F2(R)nlcf2F-P滤波器特性参数(精细度,自由光谱区,3dB带宽，峰值透过率)峰值透过率F谐振曲线的锐度F-P复用器的选频作用到底有多少载波数能滤出来？显然其自由光谱区必须大于信道复用信号的载波频谱总宽度。入射光波光谱宽度小于谐振频率间隔（自由谱域）。fmfm+1fF-P支持的载波数目N：N=F/6.4精细常数F由反射率决定，光纤类的F-P腔虽可以做到数百，但单级F-P腔的精细度还是受到限制。为了提高F值，采用串联方式。RRF1a)串接F-P腔光滤波器－两腔长度整数m倍的关系短腔谐振谱长腔谐振谱串接腔谐振谱fffnlcf2c(1)2RFnlRFFSRF结论短腔的自由谱域,长腔的3dB带宽,精细度提高m倍.b)游标式级联F-P腔光滤波器－腔长接近腔1腔2级联腔fff2)1(1FSRmmFSR16.1164.02)1(1mFFFFFSRmFSRmFSR有效提高精细度，作为解复用器，可增加支持的载波数。c)光纤F-P腔光滤波器－“在线”元件其他用途：稳频，测谱结构，高灵敏度的传感器……。光纤自聚焦棒自聚焦棒光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤小自由谱域中自由谱域大自由谱域M-Z型光波复用器(M-Z滤波器-干涉议)011)exp(00)exp(111201043ECCjCjCnljknljkCCjCjCEE)exp(00)exp(2010nljknljkCCjCjC11定向耦合器传输矩阵干涉臂传输矩阵只有端口1输入，电场强度为E1,那么输出端口3、4与其关系：耦合率C3.波分复用器-波长选择性器件-干涉型之三f1f2f3f4……34l1l21in2outf1f3……f2f4……干涉膜滤光片型F-P型M-Z型光交错复用器上下载复用器OADM3dB耦合器C=0.5,)exp()exp()exp()exp(5.020102010143nljknljkjnljknljkEEE120104120103)]exp()[exp(5.0)exp()exp(5.0EnljknljkjEEnljknljkE在相位匹配条件下,只有1端输入功率P1时，3、4端的输出功率P3、P410241023)2(cos)2(sinPlnkPPlnkP2201322014sin()sin()2cos()cos()2knlnlTknlnlT传输系数TfT1-4T1-31413(21)22mcfnlmcfnlcfnl峰值对应的频率频率差:三者皆为由臂长差决定222013222014sin()sin()sin()2cos()cos()cos()2knlnlnlfTcknlnlnlfTc=m，峰值输出0.8nm100GHZ密集M-Z滤波器－多级串接fff22f4f4f4f4f1f2f3f4f5f6f7f8……inf1f3f5f7…f2f4f6f8…f1f5…f4f8…f1f5f3f7f2f6f4f80.2nm25GHZ光路可逆，DWDM系统中前景看好f5.5偏振控制器-控制光波的偏振状态由两个相位波片构成。琼斯矩阵法分析光波的偏振状态的方法棒加球法耦合模理论法…琼斯矩阵法—用相互正交的分量表示偏振态的光矢量用矩阵表示线性偏振元件的特性通过矩阵运算确定偏振光通过偏振元件后偏振态的变化。场强的琼斯矢量：)exp()exp(00yyxxyxjEjEEEE场矢量E，由两个复振幅表示，包括幅度和位相.归一化后，提高耦合效率相干光通信系统传感器……归一化后的场强琼斯矢量11exp(()exp()yxyxEEjRjEsincoscossinj11exp()Rj010)exp(00xxxjEEx方向线偏振光：y方向线偏振光：与x轴成α角线偏振光：与x轴成（π/2）+α角线偏振光：左、右旋椭圆偏振光：10)exp(000yyyjEE左、右旋圆偏振光：xα产生延迟量和改变主轴方向1/4波片1/2波片光轴位于平面内的晶体薄片光波偏振状态的描述-椭圆状态描述(长、短轴半轴长分别为a、b)x’y’yxαab延迟器在x’o’y’坐标系中的方位角为α，在xoy坐标系的方位角为0－正椭圆，椭率角φ不变arctg(a/b)方位角α椭圆长轴与x轴的夹角椭率角φarctg(a/b）具体应用分析延迟器延迟器如何作用？任意椭圆偏振光指定方向线偏振光任意椭圆偏振光－两个相互垂直振动的合成1/4波片的作用－改变主轴的方向,将任意椭圆偏振光变成线偏振光1/2波片的作用－改变主轴的方向，将任意方向的线偏振光变到指定方向有兴趣的同学试用琼斯矩阵法分析延迟器的工作原理。偏振态控制的几何示意图几何表示x’y,y,xx,yαx’y,方位角α椭率角φ=arctg(a/b）光纤型偏振控制器-应用光纤弯曲（弹光效应）产生的双折射20/16.99/RNr02232121130273.0)1()/()(25.0RrnRrppnk2220220.73NRNnrR弹光系数P11=0.12,P12=0.27泊松比0.16延迟量n=1.46r光纤半径R环圈半径给定的延迟量多值延迟延迟计算双折射公式5.6光环行器opticalcirculator用途：通信系统；局域网；光放大器；色散补偿；传感领域参数指标：端口：三端口or四端口工作波长（nm）：1310，1550插入损耗（dB）：典型值-0.6、0.8通道典型隔离度（dB）：50串扰（dB）：＞50偏振相关损耗（dB）：＜0.15偏振模色散（ps）：＜0.1回波损耗（dB）：＞50最大功率（mW）：300工作温度（℃）：0～＋70储存温度（℃）：-40～＋85光环行器原理和结构示意1322双折射晶体相位旋转器法拉第旋转器双折射晶体偏振合束器转向镜可调光衰减器固定光衰减器用于调节光线路光平；测量光接收机灵敏度校正光功率计评价光传输设备…光纤通信光学测量光计算光信息处理光衰减器的衰减机理耦合型反射型吸收型用途5.7光衰减器一种用来降低光功率的光无源器件。1.耦合型光衰耗器通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变耦合量的大小，达到改变衰减量的目的。2.反射型光衰减器在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片，由光波与衰减片的角度或膜层的厚度改变反射量的大小，达到改变衰减量的目的。θ为了避免反射光的再入射而影响衰减器性能的稳定，衰减片与光轴按一定角度倾斜放置。倾斜角一般取100或50。3.吸收型光衰耗器采用光学吸收材料制成衰减片因这种衰减片的反射光很小，光可以垂直入射到衰减片上转向棱镜衰减量随角度变θ可变衰耗器的主要技术指标衰减范围(连续可调与步进可调)衰减精度衰耗重复性插入损耗等。连续可调衰减器一般可在0—60dB连续可调。步进可调式光衰耗器一般每步为10dB,范围由步数决定，如5步进式的最大衰减量为10dB×5=50dB。串接可以扩大调节范围。衰减精度随衰减量大小有所不同，国产QSK型可调衰减器精度在0.5dB-3.0dB。插入损耗≤4dB。5.8光开关一种将光波在时间上或空间上进行切换的器件。作用—控制和转换光路。用途—光纤通信系统、光纤网络系统、交换技术、光纤测试技术光纤传感系统等性能要求—插入损耗小、开关速度快、串扰小、消光比高、重复性好、寿命长、结构紧凑等。根据工作原理，光开关有机械式和非机械式两类。插入损耗比较小,一般小于2dB；隔离度高，一般大于45dB；不受波长和偏振状态的影响;开关时间比较长，mS数量级;易磨损,重复性不大好，有时还存在回跳动问题。依靠各种光效应改变光波导的折射率，从而改变光路。开关时间短，可达到nS数量级甚至更小；体积小,便于集成.不足的地方是插入损耗大，隔离度低一般只有20dB左右串光性能不理想，从控制端口的数量划分1×NN×N1×N—一个端口控制N个端口最简单的是N=1，目前已能做到N=100；N×N—多个端口间光信号进行相互转换或逻辑操作可做到78×78以上器件。插入损耗隔离度—相隔离的输出端口的光功率的比值工作波长－消光比—两个窗口之间处于导通和非导通状态的分贝表示的插入损耗之差开关时间－施加或撤去转换能量的时刻起测量主要特性参数插入损耗10lg()PPdBinout消光比开关时间－延迟隔离度)(lg10dBPPImoutnout)(lg10dBPP