第五章光無源器件

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光耦合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：是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。表3.5給出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

接頭：是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實施。

表3.5光纖連接器一般性能圖3.27套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖光纖連接損耗及影響因素纖芯直徑不同數(shù)值孔徑不同橫向錯位端面傾斜端面縱向間隙軸線沒對準(zhǔn)端面彎曲光纖連接器的分類

平面對接（FC）型光纖活動連接器矩形（SC）型光纖活動連接器多芯光纖活動連接器5.2光耦合器

耦合器：耦合器是對光信號實現(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)以及某些測量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。這種器件對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,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/解復(fù)用器。

1.耦合器類型

T形耦合器：這是一種2×2的3端耦合器，其功能是把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。圖3.28常用耦合器的類型

星形耦合器：是一種n×m耦合器，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。定向耦合器：是一種2×2的3端或4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?。光信號從?傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。耦合器波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)：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不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號，分配給不同的接收機(jī)。2.基本結(jié)構(gòu)（1）光纖型：用熔拉雙錐技術(shù)制作（2）微器件：用自聚焦透鏡、分光片（部分反射，部分透射）、濾光片（一個波長的光透射，另一個波長的光反射）或光柵構(gòu)成。（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SiO2，橫截面為矩形或半圓形。

圖3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器

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)圖3.32波導(dǎo)型藕合器3.主要特性（1）耦合比分路損耗：Ls=10lg

附加損耗:Le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Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示Le=10lg插入損耗:Lt是一個指定輸入端的光功率Pic和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示Lt=10lg方向性DIR(隔離度)：是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示DIR=10lg

一致性U：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。

1×2耦合器實物照片

衰減器的功能是對光功率進(jìn)行預(yù)定量的衰減。 衰減器的工作機(jī)理有以下幾種：

1.耦合型

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.

2.反射型

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)可變式三種類型。

3.吸收型

通過金屬膜材料對光進(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)(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往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數(shù)，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對反向反射光的隔離度其值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1dB，隔離度的典型值的大致范圍為40~50dB。圖3.34隔離器的工作原理法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個偏振器，這個偏振器的透振方向在45°方向上，因此經(jīng)過法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能夠順利地通過第二個偏振器，也就是說光信號從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(插入損耗除外)。另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)，反射光的偏振態(tài)也在45°方向上，當(dāng)反射光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，此時就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個偏振器)，于是就達(dá)到隔離效果。然而在實際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時間變化，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3.35所示。圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個空間分離偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。這個SWP的作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。兩個分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45°。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片plate或halfwaveplate。這個半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時針旋轉(zhuǎn)45°。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窆猓粗嗳?。最后兩個分量的光在輸出端由另一個SWP合在一起輸出，如圖3.35(a)所示。另一方面，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，當(dāng)兩個分量的光通過這兩個器件時，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SWP再組合在一起，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。環(huán)行器：除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。典型的環(huán)行器一般有三個或四個端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。

圖3.36光環(huán)行器(a)三端口；(b)四端口光調(diào)制器調(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(LiNbO3)晶體制成的。這種晶體的折射率n和外加電場E的關(guān)系為n=n0+αE+βE2

式中，n0為E=0時晶體的折射率。α和β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)。5.5光調(diào)制器和光開關(guān)根據(jù)不同取向，當(dāng)β=0時，n隨E按比例變化，稱為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockel)效應(yīng)。當(dāng)α=0時，n隨E2按比例變化，稱為二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。設(shè)輸入調(diào)制信號按余弦變化，則輸出信號的光功率P=1+cos

馬赫-曾德爾干涉儀型調(diào)制器

式中Us和Ub分別為信號電壓和偏置電壓，Uπ為光功率變化半個周期(相位為0~π)所需的外加電壓，并稱為半波電壓。當(dāng)Us+Ub=0時，P=2為最大；當(dāng)Us+Ub=Uπ時，P=0。光開關(guān)

光開關(guān)：其功能是轉(zhuǎn)換光路，實現(xiàn)光交換，它是光網(wǎng)絡(luò)