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光无源器件讲义武汉大学电子信息学院何对燕光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院2前言光电子技术的迅速发展，已渗入到信息技术领域的各个方面，如超大容量信息流传输；多媒体宽带综合服务的信息交换互连网络；高密度信息量存储；信息的超快实时处理；信息的获取读出和显示等。通信主要解决传输和交换技术问题。以电磁波(或电子)作为信息载体的技术已走到极限，价格昂贵的同轴电缆的传输容量为500MHz，容量有限，难以达到Tb/s级超大容量传输的需要。光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院3前言（续）光波的本征带宽高达200THz，低损耗石英光纤在1.55um波长处的窗口带宽也可达到25THz。要达到Tb/s级超大容量传输的需要，必须应用光电子技术。列如：高速率响应(100GHz)、窄线宽(100KHz)集成化半导体激光器,全光中继的半导体激光泵浦的掺铒光纤放大器(EDFA)，波导光栅阵列波分复用与解复用器等。光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院4§1.光无源器件的结构形式基本可分为三种类型：体块型、全光纤型和导波型。体块型：是用分立元件组成的，也称为分立元件型。如：在玻璃片上镀吸收材料制成光衰减器；在玻璃片两面镀高反射膜制成光滤波器；用闪耀光栅制成光波分复用/解复用器；等等。特点：不能直接与光纤线路连接，要用耦合元件，因而损耗较大。光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院5§1.光无源器件的结构形式（续）全光纤型：由光纤做成，如直接耦合式光纤连接器、光纤方向耦合器、星型耦合器、光纤滤波器等。制作中用到光纤的切割、熔融、拉伸，光纤端面的研磨、抛光、镀膜等工艺。在这类元件中需要用一些金属或介质材料，但那仅是作为结构或封装零件而不介入光路。特点：体积小、重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰，可直接接入光路，因而附加损耗低。光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院6§1.光无源器件的结构形式（续）光波导型：用平面或带状介质光波导构成，多用钛（Ti）扩散的铌酸锂（LiNbO3）波导。光波导的不同形式：(a)直波导；(b)S型弯曲；©Y型分支；(d)M-Z干涉型；(e)定向耦合型；(f)X型分支。(a)(b)(c)(d)(e)(f)光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院7§2.光纤的接续损耗光纤的连接损耗：光纤输入光功率PT，输出光功率PR，传输系数T=PR/PT，偶合损耗为：L(dB)=-10lgT=10lg(PR/PT)引起连接损耗的原因有两类：一、相互连接的两光纤参数如芯径、折射率的失配；二、光纤偶合不完善、有缺陷；如间隙、位移、轴倾斜和端面不平整等。D2adθ光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院8§3.光纤连接器（Connector）基本要求：1)插入损耗小；2)插拔方便；3)重复性好；4)互换性好；5)价格低廉。形式繁多，可分为两类：对接耦合式（近场型）和透镜耦合式（远场型）。从使用对象来分，有多模光纤连接器和单模光纤连接器，单模连接器的要求更为严格。缺点是对端面间隙、横向位移的变化敏感；而且容易造成端面污染。光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院9§3.1对接耦合式光纤连接器将两根光纤直接连接，由光纤插针和套筒两部分组成。光纤插针的结构形式：四针型同心度好。套筒插针光纤套筒插针光纤滚珠(a)精密小孔型(b)定中车削型(c)四针型光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院10§3.1对接耦合式光纤连接器（续）光纤连接器的插孔结构：C型插孔和爪型插孔都有一定的弹性，便于两连接光纤间准确准直，可用于单模光纤连接器。(a)C型插孔(b)爪型插孔(c)O型插孔光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院11§3.1对接耦合式光纤连接器（续）光纤连接器的端面接触形式：端面接触不好时，存在菲涅尔反射，除增加损耗外，还会使反射波返回光源，使光脉冲变形，误码率增加。反射损耗系数R(dB)=-10lg(PR/PO)(a)平面接触型(b)PC型(c)APC型光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院12§3.1对接耦合式光纤连接器（续）平面型接触的反射损耗系数一般在40dB左右。优点是加工简单；工艺成熟；成本低廉，因此广泛使用。PC(Physicalconnect)型接触的反射损耗系数一般可达48dB。这是由于接触紧密。亦称物理接触型。APC(AnglePhysicalconnect)型接触的反射损耗系数一般可达55dB。接触更为紧密，但工艺较为复杂。Φ0.125nmΦ2.499nm物理接触研磨连接器的端面形状不锈钢陶瓷光纤光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院13§3.1对接耦合式光纤活动连接器光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院14§3.1对接耦合式SC型光纤连接器光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院15§3.2透镜耦合式光纤连接器透镜可分两大类：厚度分布和折射率指数分布。厚度分布是透镜的厚度随离开光轴的距离而变化的透镜；如球或柱透镜。折射率指数分布是透镜的折射率指数随离开光轴的距离而变化的透镜；如自聚焦棒透镜。(a)原理图(b)球或柱透镜©自聚焦棒透镜光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院16§4.光耦合器（Coupler）光耦合器作用之一是将光信号进行分路和合路。原理：利用瞬逝场来进行光能量交换，以达到光分支的目的。开角过大会导致过剩损耗，一般在1°到2°之间。上图是一个波导型1×4分支器。光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院17§4.光耦合器（Fused）光耦合器多采用星型耦合形式，有M个输入端N个输出端，表示成M×N。大多数采用熔融（Fused）渐变双锥制造方法。多根裸纤绞合在一起，火焰加热到软化温度后适当拉伸，在熔融区形成渐变双锥结构。拉力拉力氢氧焰光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院18§4.光耦合器（Fused）2×2定向耦合器：是两波导四端口元件。1-3和2-4是直通臂，1-4和2-3是耦合臂（交叉臂）。由1输向3传输的光信号，按一定的比例耦合一部分由4输出，2无输出；这是定向耦合器。由1和2同时输入，在3和4同时都有输出；起到合路和分路的作用。1234光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院19§4.光耦合器（Fused）光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院20§4.光耦合器（Fused）光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院21§4.光耦合器（Fused）光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院22§4.光耦合器（Fused）光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院23§4.光耦合器（续）光纤耦合器的技术指标：插入损耗、分光比与隔离度。插入损耗：P12为输入光功率；P3、P4为输出光功率，插入损耗L12=10lg[P12/(P3+P4)](dB)分光比：既为光功率分配比ξ=P3/P4隔离度：既反射信号的大小I=10lg[(P3+P4)/P12](dB)光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院24§5.光隔离器(Isolator)半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器的反射光非常敏感。光隔离器用来阻止反射光。光隔离器只允许单向光通过，工作原理是基于法拉第旋转的互易性。GRINGRIN起偏器检偏器磁场法拉第旋转器光纤光纤光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院25§5.光隔离器(续)入射信号光经过起偏器后成为线偏振光；法拉第旋磁介质和外磁场使它的偏振方向右旋45度，并通过与起偏器成45度的检偏器。反射光的线偏振光经过介质后，其振动方向与起偏器成正交，被完全阻断。法拉第瓷介质采用光损耗低的钇铁石榴石(YIG)单晶。插入损耗在0.4dB左右；隔离度在35-60dB。光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院26§5.光隔离器(续)光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院27§5.光隔离器(续)光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院28§5.光隔离器(续)光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院29§5.光隔离器(续)光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院30§5.光隔离器(续)光纤通信基础00-10-10武汉大学电子信息学院31§5.光隔离器(续)