第4章光纤无源及有源器件

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常用光环行器示意图
2
2
3 1 1
3 (a) 三端口
(b)
4 四端口
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4.7 光纤调制器
光调制器——外调制方式中采用， 光调制器——外调制方式中采用，把激光的产生 ——外调制方式中采用 和调制分开， 和调制分开， 可避免对光源直接调制产生线性调 频的限制。调制器一般用电光效应或声光效应使 频的限制。 折射率改变， 折射率改变，或用磁光效应使光的透过率变化实 现光调制。 现光调制。
2
(m
δ n 2 π NR = λ m
= 1 , 2 , 3 ,...
)
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4·4·2
保偏光纤偏振器
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5.4 光纤滤波器
Mach-Zehnder滤波器 Fabry-Perot滤波器
光栅光纤滤波器
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4.5.1 Mach-Zehnder滤波器
ϕ T1→3 = cos 2 2 ϕ T1→4 = sin 2 1 ϕ = 2π∆Lnf c c ∆L fs = 2n
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4.8 掺杂光纤激光器与放大器
光放大器的类型及其特点 掺铒光纤放大器的工作原理 掺铒光纤放大器的构成与特性 掺铒光纤放大器的优点 掺铒光纤放大器的应用
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光放大器的类型及其特点
半导体放大器： 半导体放大器：易与其他半导体器 件集成，但性能与光偏振方向有关， 件集成，但性能与光偏振方向有关， 器件与光纤的耦合损耗大。 器件与光纤的耦合损耗大。 光纤放大器： 光纤放大器：性能与光偏振方向无 关，器件与光纤的耦合损耗小。 器件与光纤的耦合损耗小。
1.波分复用 解复用器 波分复用/解复用器 波分复用 2.光插 分复用器 光插/分复用器 光插 3.光交叉连接器 光交叉连接器 4.波长变换器 波长变换器 5.滤波器 滤波器
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主要内容
光纤分/ 光纤分/合路连接器和接头 光纤耦合器 光纤偏振器 光纤滤波器 光纤隔离器 光纤调制器 掺杂光纤激光器与放大器 光纤光栅
掺铒光纤放大器的优点
工作波长正好落在光纤通信最佳波段 （1500nm～1600nm），与光纤耦合损耗 ～ ） 可达0.1dB。 小，可达 。 增益高，约为30～ 增益高，约为 ～40dB，饱和输出光功率大， ，饱和输出光功率大， 约为10—15dB。 约为10 15dB。 噪声指数小，一般为 ～ 噪声指数小，一般为4～7dB。隔离度大，串 。隔离度大， 扰小，适用于波分复用。 扰小，适用于波分复用。 窗口频带宽度为20 ～ 频带宽 ， 在 1550nm 窗口频带宽度为 40nm。有利于增加传输容量。 。有利于增加传输容量。
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光隔离器工作原理
假设入射光是垂直偏振光， 假设入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方向是在 垂直方向，故入射光顺利通过它射向法拉第旋转器， 垂直方向，故入射光顺利通过它射向法拉第旋转器，法拉第 旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度， 旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，如 45°，并且其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋转器 ° 并且其旋转方向与光传播方向无关。 后的检偏振器透振方向若在45°方向上， 后的检偏振器透振方向若在 °方向上，则经过法拉第旋 转器旋转45°后的光能通过检偏振器，即光沿正方向（ 转器旋转 °后的光能通过检偏振器，即光沿正方向（从 左到右）通过这些器件是没有损耗的。但沿反方向（ 左到右）通过这些器件是没有损耗的。但沿反方向（从右到 左）传送的反射光，其偏振态也在45°，当反射光经过法 传送的反射光，其偏振态也在 ° 拉第旋转器再旋转45° 偏振态达到90° 拉第旋转器再旋转 °后，偏振态达到 °，变为水平偏 振光，则无法通过起偏振器。 振光，则无法通过起偏振器。
4.2.1 理论分析
•锥体颈部区域纵向为平行线形，横向切面为矩形 锥体颈部区域纵向为平行线形， 锥体颈部区域纵向为平行线形
P = P 0 sin
ห้องสมุดไป่ตู้
2
(CL )
3 πλ 1 C = 2 32 n 2 a (1 + 1 / V V = ak
0
(n
2 2
− n
2 3
)
)
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1/2
•锥体颈部区域为抛物线形，横向切 锥体颈部区域为抛物线形， 锥体颈部区域为抛物线形 面为相切的双圆形
0.2---0.3 0.2---0.3 --＜±0.1 ＜±0.1 35---40 35---40 --45---50 45---50 --103 104 －20---- +70 20---－40---- +80 40---光电工程学院
4.3 磨抛型单模光纤定向耦合器
P 1 = P 0 cos P 2 = P 0 sin
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使用方法： 使用方法： 将带有接收光纤和发射光纤的插针 体分别插入套筒中，将螺旋拧紧， 体分别插入套筒中，将螺旋拧紧，就实 现了光纤的耦合。 现了光纤的耦合。
螺旋式连接
粘合剂 插针体 套筒 插针体 固定盘
光纤
光纤
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光连接器
功能 用于光纤设备和光纤之间， 用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之 光纤与其它部件之间， 间, 光纤与其它部件之间，设备和设备之间 连接。又叫活接头 接头。 的连接。又叫活接头。
2
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4.5.2 Fabry-Perot滤波器 滤波器
光纤波导腔FFPF 光纤波导腔 空气隙腔FFPF 空气隙腔 改进型波导腔FFPF 改进型波导腔
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4.6 光纤隔离器
光隔离器—— 是一种非互易性器件 光隔离器 ——是一种非互易性器件 ， 只允 —— 是一种非互易性器件， 许光波往一个方向传输， 许光波往一个方向传输 ， 阻止光波往其他 方向尤其是反方向传输。 一般用在激光器 方向尤其是反方向传输 。 或光放大器后。 插入损耗值为1dB,隔离度 或光放大器后 。 插入损耗值为 1dB, 隔离度 的典型值为40--50 dB。 的典型值为40--50 dB。 40--
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光隔离器工作原理示意图
经SWP的 SWP的 入射光 起 偏 振 器 阻塞 法 拉 第 旋 转器 检 偏 振 器 反射光
SWP——Spatial Walk-off Polarizer 空间分离偏振 Spatial WalkSWP 器 ，其作用是将入射光分解为垂直与水平两个正交偏振 分量，让垂直分量通过，而水平分量偏折通过。 分量，让垂直分量通过，而水平分量偏折通过。
P = P0 sin 2 (CL ) C = aV 3 K 12 (W
2 2 1 2 2
δ U 2 K 0 (2W
)
)
V = ak 0 (n − n
2 1
δ = 1 − (n 2 / n 1 )
W = ak 0 (( β / k 0 )
U = ak 0 (n − ( β / k 0 )
2
)
1/ 2
) −n )
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全光纤定向耦合器
磨抛法 腐蚀法 熔锥法
缺点：热稳
定性和 定性和机械 稳定性差 稳定性差
缺点：工 缺点：
艺的一致性 差、热稳定 性差和损耗 大 用途： 用途：耦 合器
用途：光 用途：
纤滤波器 、波分复 用器、 用器、光 线偏振器 和偏振耦 合器等
用途：波 用途：
分复用器和 分复用器和 光滤波器
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掺铒光纤放大器的工作原理
在掺铒光纤（ 铒离子有三个能级 三个能级： 在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级： ） 基态E1、亚稳态 和激发态 和激发态E3。 基态 、亚稳态E2和激发态 。 当泵浦光的光子能级等于E3和 的能量差时 的能量差时， 当泵浦光的光子能级等于 和E1的能量差时， 铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态， 铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态， 但激发态不稳定，电子很快返回到E2， 但激发态不稳定，电子很快返回到 ，若输入 的信号光的光子能量等于E2和 之间能量差 之间能量差， 的信号光的光子能量等于 和E1之间能量差， 则电子从E2跃迁到 ，产生受激辐射光，故光 则电子从 跃迁到E1，产生受激辐射光， 跃迁到 信号被放大。 信号被放大。
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掺铒光纤放大器的应用
中继放大器（ ） 中继放大器（LA）：在光纤线路中每隔一 段距离设置一个光纤放大器， 段距离设置一个光纤放大器 ， 以延长干线网 的传输距离。 的传输距离。 前置放大器（ 前置放大器（PA）：放在光接收机之前， ） 放在光接收机之前， 放大微弱的光信号， 以改善光接收灵敏度， 放大微弱的光信号 ， 以改善光接收灵敏度 ， 对噪声要求苛刻。 对噪声要求苛刻。 后置放大器（ ）：放在光发射机后 后置放大器（BA）：放在光发射机后，以 ）：放在光发射机后， 提高发射光功率，对其噪声要求不高， 提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和 输出功率是主要参数。 输出功率是主要参数。
光源 尾纤 光跳线
光中继
光测试仪器
光耦合器
光检测器
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问题所在： 型光纤连接器的接头时平面型，产生菲涅尔反 问题所在：FC 型光纤连接器的接头时平面型，产生菲涅尔反 射，形成损耗和引入噪声 。
菲涅耳反射： 菲涅耳反射：光在不同折射 率的介质平面的交界面上会 发生入射光的部分反射 。
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熔锥型单模光纤光分/ 4.2 熔锥型单模光纤光分/合路连接器 单模光纤光分/ 单模光纤光分/合路连接器 与波长无关 波分复用器 与波长无关
λ1 λ2 λN 波分复用型 λ1 + λ2 +…λN λ
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连接器和接头
连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸的连接 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸的连接 器件， 器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或 光接收机输入之间， 光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无 源器件之间的连接。 源器件之间的连接。 接头是实现光纤与光纤间永久性连接， 接头是实现光纤与光纤间永久性连接，只要 是实现光纤与光纤间永久性连接 用于工程现场施工。 用于工程现场施工。 方法：热熔接或V 方法：热熔接或V形槽连接