第六章光纖無源及有源器件國家工程N(yùn)ational

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System上節(jié)課內(nèi)容回顧：自聚焦透鏡——從原理上講就是一段自聚焦光纖。輸出準(zhǔn)直光輸出會(huì)聚光?

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20132013年2-4月2/42國家工程N(yùn)ational

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System自聚焦透鏡優(yōu)點(diǎn)——微型化、易光學(xué)加工、好的成像特性射線方程

自聚焦透鏡的傳輸矩陣自聚焦透鏡的成像理論：0.25P0.23P0.29P準(zhǔn)平行光束角向壓縮

橫向壓縮自聚焦透鏡的成像特性的：m

1自聚焦透鏡的長度是以節(jié)距來表征的！?

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20132013年2-4月3/42國家工程N(yùn)ational

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System0.23P0.25P0.29P？?

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20132013年2-4月4/42國家工程N(yùn)ational

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System0.25P

自聚焦透鏡入射光線出射光線?

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20132013年2-4月5/42國家工程N(yùn)ational

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System三、光纖定向耦合器?

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20132013年2-4月6/42國家工程N(yùn)ational

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System相同的傳輸波長Pin1Pin2outPPin1

Pin2

?inPPout1Pou

t2Pout1

:

Pout2

?Pin1in2PPout1Pout2??

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20132013年2-4月7/42國家工程N(yùn)ational

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System不同的傳輸波長1

21221?12211

2??

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20132013年2-4月8/42國家工程N(yùn)ational

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System三、光纖定向耦合器1、簡(jiǎn)介光耦合器：傳送和分配光信號(hào)的無源器件，光從一個(gè)端口輸入，從另一個(gè)或多個(gè)端口輸出。對(duì)光信號(hào)進(jìn)行合波或以不同的方式（波長、光功率）進(jìn)行分波。主要特點(diǎn)：①器件的主體是光纖；②光纖中模式的耦合作用來實(shí)現(xiàn)光的功率及方向的分配。③光信號(hào)的傳送方向是固定的。分類：M

N透射型反射型透反型?

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20132013年2-4月9/42月?

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System國家工程N(yùn)ational

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System2、 耦合器的工作原理單模光纖：模式耦合理論來分析；多模光纖：彎曲理論來分析。（1）兩平行光纖之間的耦合機(jī)理：當(dāng)兩光纖的纖芯平行靠近時(shí)，一個(gè)光纖中的導(dǎo)波場(chǎng)將引起另一個(gè)光纖介質(zhì)極化，導(dǎo)致在光纖激勵(lì)起傳導(dǎo)模，場(chǎng)將相互滲透，相互交疊。光功率的分配將在兩光纖的纖芯間諧振?

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20132013年2-4月11/42國家工程N(yùn)ational

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System

1212r

er

eititi

zi

zE1

r,t

A1

z

e

eE2

r,t

A2

z

e

e

12121

21dAzdz2dAzdz

A

Az

k

exp

i2zz

k

exp

i2zA1

z

Rzexpiz

A2

z

Szexp

iz

2

1

2令?

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20132013年2-4月12/42國家工程N(yùn)ational

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System基模場(chǎng)間的耦合方程：dR

dz

iRz

iKSzdS

dziSz

iKRzA

z

R

z

eiz1z S

z

eA

iz2失諧參量：

2

1

2耦合系數(shù)：

K

2

1k2

0

22

*ne

edxdysin(K2

2

z)iKK2

2S

sin(

K2

2

z)iK2

2Rcos(K2

2

z)R(0)=1;

S(0)=0?

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20132013年2-4月13/42國家工程N(yùn)ational

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System經(jīng)“L”長度后，從“1”號(hào)光纖耦合到“2”號(hào)光纖的光功率為：22P

SS

KL*

2

KL2

L2sin

KL2

L2

仍留在“1”號(hào)光纖中的光功率為：22222*P1

RR

cosL2KL

L

KL2

L2

sinKL

L兩參數(shù)相同光纖間的耦合：

0R2

z

cos

2

KzS2

z

sin

2

Kz耦合長度：L0

2K弱導(dǎo)階躍光纖，K可以表示如下：21U2

K

Wd/a

0

K

02n

a2V2K

W

d：為兩光纖之間的距離。?

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20132013年2-4月14/42國家工程N(yùn)ational

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SystemR11'2'Y型光纖耦合器11'12'021Kz0.5

:

0.51.0

:

0.00.0

:1.0

0cos2

(Kz)sin2

(Kz)?

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20132013年2-4月15/42國家工程N(yùn)ational

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SystemY型光纖耦合器R1'1S

211'2

1'021Kz

0cos2

(Kz)sin2

(Kz)R

S

1R

S

1R

S

1R

S

2(R

S)max

1對(duì)相同波長、相同光功率的耦合會(huì)產(chǎn)生3dB損耗。?

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20132013年2-4月16/42國家工程N(yùn)ational

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System22'12'021Kzcos

2

(Kz)

0sin

2

(Kz)X型光纖耦合器R1'1S

22'11'2

1'021Kz

0cos2

(Kz)sin

2

(Kz)1‘端口輸出2‘端口輸出?

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20132013年2-4月17/42國家工程N(yùn)ational

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System光纖耦合器特性：X

&

Y-光纖耦合器耦合長度：針對(duì)具體的波長，光能量從一個(gè)光纖完全進(jìn)入另一個(gè)光纖的長度。耦合的強(qiáng)弱：取決于兩光纖纖芯的分離程度。耦合長度與傳輸?shù)牟ㄩL緊密相關(guān)！不同的傳輸波長將產(chǎn)生不同的耦合長度?；ヒ自恚河肶-耦合器對(duì)相同波長的光進(jìn)行合波，信號(hào)輸出時(shí)，各自將引入3dB

的功率損耗！?

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20132013年2-4月18/42國家工程N(yùn)ational

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System耦合器僅分出小部分的光從一端輸出，而在另一端仍保留大部分的光，稱此耦合器為Tap型耦合器。典型分光比

: 99:1

或

1%

tap耦合器。從主干線傳輸光信號(hào)功率中分出一小部分光功率供 等應(yīng)用。?

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20132013年2-4月19/42國家工程N(yùn)ational

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System(2)兩彎曲光纖之間的耦合此時(shí)，K不再是常數(shù)，是與z有關(guān)的函數(shù)，2120

0

0

U

K

Wd

/

a2n

a2V2K

W

K0

由圖中的幾何關(guān)系：022dz

d

z

/

R

y2dz

d0，Kz

K0?

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20132013年2-4月20/42國家工程N(yùn)ational

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System3、波分復(fù)用光纖耦合器12341234復(fù)用器解復(fù)用器主要應(yīng)用于：①波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)；②光纖放大器中。屬于非對(duì)稱形式耦合器，選擇光纖參數(shù)不同，耦合分光比不僅與耦合長度有關(guān)，而且與信號(hào)波長有關(guān)。?

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20132013年2-4月21/42國家工程N(yùn)ational

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System常數(shù)差為：2

1

0

2

12

2

1

1

K

n

n

將其在0處展開，000

d

d

dn2

dn1

0

dn2

dn1

0

/0耦合分光比：2202022sin

d

d20

0

LKL2

LKL

KL

2

不同波長、相同光纖間的耦合：

0R2z

cos

2

K()zS2

z

sin

2

K()z?

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System

1

,:

1 0

11

KL22m122

2

L

40

2

0

,:

1 0

21

KL22m

122

2L

40

2m=1,2,3...,.?

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20132013年2-4月23/42國家工程N(yùn)ational

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System光纖復(fù)用耦合器R1'1S2121

2

K()z211'2 1'

1cos2

(K()z)sin2

(K()z)?

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20132013年2-4月24/42國家工程N(yùn)ational

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System光纖解復(fù)用耦合器121

2R11'2'cos2

(K()z)2K()z11

1'?

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20132013年2-4月25/42國家工程N(yùn)ational

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System波長可選擇的耦合器和分波器：對(duì)EDFA注入光功率（泵浦光＋信號(hào)光）對(duì)簡(jiǎn)單的WDM系統(tǒng)作波長分離對(duì)DWDM系統(tǒng)增加管理信道?

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20132013年2-4月26/42國家工程N(yùn)ational

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System4、耦合器的性能參數(shù)及工藝1.性能參數(shù)①

耦合比

Tij

：輸入信道

i

耦合到輸出信道

j

的功率之比。i

PjijPT(dB)②附加損耗

：輸出信道功率之和與輸入信號(hào)功率之比。ji

P

10

lg

Pj?

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20132013年2-4月27/42國家工程N(yùn)ational

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System：輸入信道i到指定輸出信道j的損耗。③信道損耗ijijiijP

10

lg

Pj

10

lgT

④度：透射式同側(cè)端口之間，非指定信道輸出功率Pk與輸入功率Pi之比。iikP

10lgPk?

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20132013年2-4月28/42國家工程N(yùn)ational

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System除此之外：對(duì)等比耦合器、應(yīng)耦合器的均勻性、反向散射（回波損耗）、工作波長（波長）、偏振敏感度。耦合器方法：①浸蝕法：腐蝕液、匹配液、膠合；②磨削法：磨、匹配液、對(duì)拼、精確對(duì)位、膠合；③熔錐法：按所要求的端數(shù)、一定的耦合矩陣將光纖膠合在一起，加熱拉伸成雙錐形，控制過程中

光功率。?

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20132013年2-4月29/42國家工程N(yùn)ational

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System內(nèi)容小節(jié)光纖耦合器及特點(diǎn)：定向、全光纖、模式耦合相同波長的光信號(hào)——功率分配不同波長的光信號(hào)——波長路由相同波長、相同光纖、相同光功率耦合——3dB損耗不同波長的光信號(hào)——完全耦合波長間隔越大，完全耦合的作用長度越?。徊ㄩL間隔越小，完全耦合的作用長度越大；?

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20132013年2-4月30/42國家工程N(yùn)ational

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System?

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20132013年2-4月31/42國家工程N(yùn)ational

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System四、光器1、簡(jiǎn)介的。定義：光 器只允許光波沿著一個(gè)方向傳輸，而光的另一個(gè)方向的傳輸是一種光非互易傳輸耦合器。光信號(hào)沿著指定正方向傳輸時(shí)損耗低，光路被接通；光信號(hào)沿著反方向傳輸時(shí)損耗大，光路被阻斷。2、應(yīng)用①半導(dǎo)體激光器防止反饋，降低誤碼率；②半導(dǎo)體光放大器，防止回波，提高穩(wěn)定性；③摻雜光纖放大器（如：EDFA）；④光纖激光器中，確保環(huán)形激光器的單向。?

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20132013年2-4月32/42國家工程N(yùn)ational

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System3、原理：法拉第磁光效應(yīng)光波通過置于磁場(chǎng)中的法拉第旋光片時(shí)，光波的偏振方向總是沿與磁場(chǎng)（H）方向構(gòu)成右手螺旋方向旋轉(zhuǎn)，而與光波的方向無關(guān)。正、反方向兩次通過法拉第旋光片時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)角度將迭加而不抵消?；静牧?釔鐵石榴石(YIG:Yttrium-Iron-Garnet)（Corning）8363號(hào)玻璃等?

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20132013年2-4月33/42國家工程N(yùn)ational

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System4、結(jié)構(gòu)P1P2（1）偏振有關(guān)的光器：由一對(duì)偏振方向成45o

的偏振片和45o

偏振旋光片構(gòu)成。磁環(huán)反向：偏振方向也旋正向：偏振方向旋轉(zhuǎn)45o，與檢偏器相平行——光路通；45o，但與檢偏器垂直——光路斷；?

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20132013年2-4月34/42國家工程N(yùn)ational

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System缺點(diǎn)：光 器是偏振相關(guān)的對(duì)任意偏振態(tài)注入的光，將損失50％的光功率如果光信號(hào)是特定的偏振態(tài)，有可能損失全部的光功率若光的偏振態(tài)是隨著時(shí)間變化的，這種變化將體現(xiàn)在對(duì)光的衰減上，因而將產(chǎn)生很大的噪聲?

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20132013年2-4月35/42國家工程N(yùn)ational

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System互易旋光片組成：(2)

偏振無關(guān)的光器：由一對(duì)偏振分光鏡、法拉第旋光片，45oYIG與波片的前后位置有關(guān)，(

)YIG磁環(huán)inout偏振分光鏡（a）正向YIG磁環(huán)in偏振分光鏡(

)（b）反向out旋光片對(duì)兩偏振方向的角度互相抵消，輸入光的偏振方向一致。正向：45o

法拉第旋光片與互易光片對(duì)兩偏振方向的角度相迭加，輸入光與輸出光的偏振方向相垂直。反向：4

5

o

法拉第旋光片與互易旋?

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20132013年2-4月36/42國家工程N(yùn)ational

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System方向有關(guān)的。關(guān)鍵：YIG總是向右旋轉(zhuǎn)，而與光的行進(jìn)方向無關(guān)，而互易波片是與光

器性能參數(shù)：–

損耗：

lg

(Pout/Pin

),

(正向輸入)–

比：I

=

lg(P’out/P’in),(反向輸入）–回波損耗：Ib

=

lg(Pback/Pin)–通帶帶寬：–偏振靈敏度：S

=

-10lg[1-|(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin)|]?

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20132013年2-4月37/42國家工程N(yùn)ational

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System五、光環(huán)形器1、

定義：光由環(huán)行器的一個(gè)端口（如端口

1）輸入，沿著環(huán)形器傳輸，將從端口2輸出；由端口