第五章光無源器件

1、第五章第五章 光路無源器件 王 立湖南文理學(xué)院電氣工程系本章重點(diǎn)v光耦合器的工作原理及作用光耦合器的工作原理及作用v光隔離器的工作原理及作用光隔離器的工作原理及作用 5.1 光纖連接器 連接器：連接器：是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸( (活動(dòng)活動(dòng)) )連接的器連接的器件，件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。表間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。表3.53.5給出給出光纖連接器的一般性能。光纖連接器的一般性能。 要求：插入損耗小，反射損耗高，重復(fù)插拔性好，互換性要求

2、：插入損耗小，反射損耗高，重復(fù)插拔性好，互換性 接頭：接頭：是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性( (固定固定) )連接，主連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實(shí)施。要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實(shí)施。 表表 3.5 光纖連接器一般性能光纖連接器一般性能 圖 3.27 套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 光纖套管插針粘結(jié)劑光纖連接損耗及影響因素v纖芯直徑不同纖芯直徑不同v數(shù)值孔徑不同數(shù)值孔徑不同v橫向錯(cuò)位橫向錯(cuò)位v端面傾斜端面傾斜v端面縱向間隙端面縱向間隙v軸線沒對(duì)準(zhǔn)軸線沒對(duì)準(zhǔn)v端面彎曲端面彎曲光纖連接器的分類p 平面對(duì)接（平面對(duì)接（FCFC）型光纖活動(dòng)連接器）型光纖活動(dòng)連接

3、器p 矩形（矩形（SCSC）型光纖活動(dòng)連接器）型光纖活動(dòng)連接器p 多芯光纖活動(dòng)連接器多芯光纖活動(dòng)連接器5.2 光耦合器 耦合器耦合器：耦合器是對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)分路、合路和分配的無源耦合器是對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)分路、合路和分配的無源器件，是波分復(fù)用、光纖局域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)以及某些器件，是波分復(fù)用、光纖局域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)以及某些測量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。這種器件對(duì)光纖線路的影測量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。這種器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲, ,耦合耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器器大多與波長無關(guān)

4、，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/ /解復(fù)用器。解復(fù)用器。 1. 1. 耦合器類型耦合器類型 T T形耦合器：這是一種形耦合器：這是一種2 22 2的的3 3端耦合器，端耦合器， 其功能是把一根其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖， 或把兩根或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。圖 3.28 常用耦合器的類型 T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分星形耦合器：是一種星形耦合器：是一種n nm m耦合器，其功能是把耦合器，其功能是把n n根光纖輸入根光

5、纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給的光功率組合在一起，均勻地分配給m m根光纖，根光纖， m m和和n n不一定相不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。 定向耦合器：是一種定向耦合器：是一種2 22 2的的3 3端或端或4 4端耦合器，其功能是分別取端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。光信號(hào)從端出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。光信號(hào)從端1 1傳輸?shù)蕉藗鬏數(shù)蕉? 2， 一部分由端一部分由端3 3輸出，端輸出，端4 4無輸出；光信號(hào)從端無輸出；光信號(hào)從端2 2傳輸?shù)蕉藗鬏數(shù)蕉? 1，一部，一部分由端分由端4 4輸出，端輸出，端3

6、 3無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。作合路器。 耦合器 波分復(fù)用器波分復(fù)用器/ /解復(fù)用器解復(fù)用器( (也稱合波器也稱合波器/ /分波器分波器) )：是一種與波：是一種與波長有關(guān)的耦合器，波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長的發(fā)長有關(guān)的耦合器，波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長的光信號(hào)，是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長的光信號(hào)， 分配給不同分配給不同的接收機(jī)。的接收機(jī)。 2. 2. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)（1 1）光纖

7、型：用熔拉雙錐技術(shù)制作）光纖型：用熔拉雙錐技術(shù)制作（2 2）微器件：用自聚焦透鏡、分光片（部分反射，部分透射）、濾光）微器件：用自聚焦透鏡、分光片（部分反射，部分透射）、濾光片（一個(gè)波長的光透射，另一個(gè)波長的光反射）或光柵構(gòu)成。片（一個(gè)波長的光透射，另一個(gè)波長的光反射）或光柵構(gòu)成。（3 3）波導(dǎo)型：在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐）波導(dǎo)型：在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiOSiO2 2，橫截面為矩形或半圓形。橫截面為矩形或半圓形。 圖 3.29光纖

8、型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器 輸 入 光光 強(qiáng) 度光 纖 a光 纖 b 輸 出 光2341(a)(b)123456789101112(c) 圖 3.31微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復(fù)用器； (d) 光柵式解復(fù)光纖自聚焦透鏡自聚焦透鏡光纖濾光片1、 2121231 2 3光纖自聚焦透鏡硅光柵光纖自聚焦透鏡分光片1342(b)(a)(c)(d)圖3.32 波導(dǎo)型藕合器光波導(dǎo)開角(a)(b)(c)多模波導(dǎo)多層膜濾光片單模波導(dǎo)1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m3. 主要特性

9、主要特性（1）耦合比 NnonocOtOCppPPCR1分路損耗分路損耗： Ls=10lgLs=10lg )1(CR 附加損耗附加損耗: :LeLe由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和輸入端的光功率總和PitPit和全部輸出端的光功率總和和全部輸出端的光功率總和PotPot的的比值，用分貝表示比值，用分貝表示 L Le e=10 lg =10 lg NnNnotitPoutPinpP11lg10插入損耗插入損耗: :LtLt是一個(gè)指定輸入端的光功率是一個(gè)指定輸入端的光功率P Picic和一個(gè)指定輸出和一個(gè)指定輸出端的光功率端的光功率

10、P Pococ的比值，用分貝表示的比值，用分貝表示 Lt=10lg ocicpp方向性方向性DIR(DIR(隔離度隔離度) )：是一個(gè)輸入端的光功率：是一個(gè)輸入端的光功率P Picic和由耦合器反和由耦合器反射到其它端的光功率射到其它端的光功率PrPr的比值，用分貝表示的比值，用分貝表示 DIR=10lg 一致性一致性U U：是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同：是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。輸出端耦合比的等同性。 icrpp 衰減器的功能是對(duì)光功率進(jìn)行預(yù)定量的衰減。衰減器的功能是對(duì)光功率進(jìn)行預(yù)定量的衰減。衰減器的工作機(jī)理有以下幾種：衰減器的工作機(jī)理有以

11、下幾種：1. 1. 耦合型耦合型它是通過輸入、輸出兩根光纖纖芯的偏移來改變光它是通過輸入、輸出兩根光纖纖芯的偏移來改變光耦合的大小，從而達(dá)到改變衰減量的目的耦合的大小，從而達(dá)到改變衰減量的目的. .2. 2. 反射型反射型通過改變反射鏡的角度，控制透射光的大小。通過改變反射鏡的角度，控制透射光的大小。衰減器可分成固定式、步進(jìn)可變式和連續(xù)可變式三衰減器可分成固定式、步進(jìn)可變式和連續(xù)可變式三種類型。種類型。3.3.吸收型吸收型通過金屬膜材料對(duì)光進(jìn)行吸收來控制光的大小。通過金屬膜材料對(duì)光進(jìn)行吸收來控制光的大小。5.3 衰減器(a)PinPout反射鏡PoutPin透射光光吸收材料PoutPin(b)

12、(c)衰減器的工作原理5.4 光隔離器與光環(huán)行器 隔離器：是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后主要用在激光器或光放大器的后面，以避面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光

13、的隔離度其值越大越好，好， 目前插入損耗的典型值約為目前插入損耗的典型值約為1 dB1 dB，隔離度的典型值，隔離度的典型值的大致范圍為的大致范圍為4050 dB4050 dB。圖 3.34 隔離器的工作原理 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP 法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器， 這個(gè)這個(gè)偏振器的透振方向在偏振器的透振方向在4545方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)4545后的光能夠順利地通過第二個(gè)偏振器，也就是說光信后的光能夠順利地通過第二個(gè)偏振器，也就是說光信號(hào)從左到右通過這些器件號(hào)從左到右通過這些器件(

14、(即正方向傳輸即正方向傳輸) )是沒有損耗的是沒有損耗的( (插插入損耗除外入損耗除外) )。另一方面，假定在右邊存在某種反射。另一方面，假定在右邊存在某種反射( (比如接比如接頭的反射頭的反射) )， 反射光的偏振態(tài)也在反射光的偏振態(tài)也在4545方向上，當(dāng)反射光通方向上，當(dāng)反射光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)4545，此時(shí)就變成了水平偏振，此時(shí)就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器光。水平偏振光不能通過左面偏振器( (第一個(gè)偏振器第一個(gè)偏振器) )， 于于是就達(dá)到隔離效果。是就達(dá)到隔離效果。 然而在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)然而在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)(

15、 (偏振方向偏振方向) )是是任意的，并且隨時(shí)間變化，因此必須要求隔離器的工作與入任意的，并且隨時(shí)間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。一種小射光的偏振態(tài)無關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖型的與入射光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器結(jié)構(gòu)如圖3.353.35所示。所示。圖 3.35 一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器 光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b) 具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個(gè)空間分離偏具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個(gè)空間分離偏振器振

16、器(SWP: Spatial Walk(SWP: Spatial Walkoff Polarizer)off Polarizer)。這個(gè)。這個(gè)SWPSWP的作的作用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量直線通用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，過， 水平分量偏折通過。兩個(gè)分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器，水平分量偏折通過。兩個(gè)分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器， 其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)4545。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片波片 plateplate或或halfhalfwave platewave plate。這個(gè)半波片的作用是將從左向右。

17、這個(gè)半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)4545，將從右向左傳播的光的，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)4545。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。最后兩個(gè)分可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆猓粗嗳?。最后兩個(gè)分量的光在輸出端由另一個(gè)量的光在輸出端由另一個(gè)SWPSWP合在一起輸出，合在一起輸出， 如圖如圖3.35(a)3.35(a)所所示。示。 另一方面，另一方面， 如果存在反射光在反方向上傳輸，半波如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反

18、，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過這兩個(gè)器件時(shí)，這兩個(gè)器件時(shí)， 其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被輸入端不能被SWPSWP再組合在一起，如圖再組合在一起，如圖3.35(b)3.35(b)所示，于是就起所示，于是就起到隔離作用。到隔離作用。 環(huán)行器：環(huán)行器：除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。 典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口環(huán)行器中，端典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口環(huán)行器中，端口口1 1輸入的光信號(hào)在端口輸入的光信號(hào)在端口2 2輸出

19、，端口輸出，端口2 2輸入的光信號(hào)在端口輸入的光信號(hào)在端口3 3輸輸出，端口出，端口3 3輸入的光信號(hào)由端口輸入的光信號(hào)由端口1 1輸出。光環(huán)行器主要用于光分輸出。光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。插復(fù)用器中。 圖 3.36光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324光調(diào)制器光調(diào)制器調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、 磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。最有磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO(LiNbO3 3) )晶體制晶體制成的。成的。 這種晶體的折射率這種晶體的折射率n n和外加電場

20、和外加電場E E的關(guān)系為的關(guān)系為 n=nn=n0 0+E+E+E+E2 2 式中，式中，n n0 0為為E=0E=0時(shí)晶體的折射率。時(shí)晶體的折射率。和和是張量，稱是張量，稱為電光系數(shù)，其值和偏振面與晶體軸線的取向有關(guān)。為電光系數(shù)，其值和偏振面與晶體軸線的取向有關(guān)。 5.5 光調(diào)制器和光開關(guān) 根據(jù)不同取向，當(dāng)根據(jù)不同取向，當(dāng)=0=0時(shí)，時(shí)，n n隨隨E E按比例變按比例變化，稱為線性電光效應(yīng)或普克爾化，稱為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockel)(Pockel)效應(yīng)。當(dāng)效應(yīng)。當(dāng)=0=0時(shí)，時(shí)，n n隨隨E E2 2按比例變化，按比例變化， 稱為二次電光效應(yīng)或稱為二次電光效應(yīng)或克爾克爾(Kerr)(Kerr)效應(yīng)。設(shè)輸入調(diào)制信號(hào)按余弦