第五章无源光器件资料教程
光纤技术复习资料
《光纤技术》复习资料第一章 绪论要求：1、了解光纤的基本结构和基本特性；2、充分认识光纤传感和光纤通信在现代工农业生产、军事、科研及日常生活中的作用和地位，明确学习目的；3、了解光纤技术的发展动向；4、知道本课程的学习方法。
具体：1、光纤的定义：光纤是“光导纤维”的简称，是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。
2、光纤的结构：主要由纤芯、包层和涂敷层构成。
其中纤芯的折射率比包层要高。
纤芯和包层的折射率差引起光在纤芯内发生全内反射，从而使光在纤芯内传播。
3、通信光纤的标准包层直径是125m μ，涂敷层的直径大约是250m μ。
4、常用的光纤材料有纯石英（2SiO ）、玻璃和塑料。
5、列举光纤相对于金属导线的优点（至少5点）：如容量大、抗电磁干扰、电绝缘、本质安全；灵敏度高；体积小、重量轻、可绕曲；测量对象广泛；对被测介质影响小；便于复用，便于成网；损耗低；防水、防火、耐腐蚀；成本低、储量丰富等。
6、光纤通信所占的波长范围大概是0817..m μ。
7、1953年，在伦敦皇家科学技术学院开发出了用不同光学玻璃作纤芯和包层的包层纤维，由此导致光纤的诞生。
8、1966年，光纤之父高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因。
9、目前，F T T H （光纤到户）是宽带接入的一种理想模式，各国发展迅猛。
10、目前流行的“三网合一”指的是将现存三个网络：电信网、有线电视网和计算机网的信号在同一个光纤网络中传输。
11、光纤被喻为信息时代的神经。
第二章 光纤拉制及成缆要求：1、了解光纤的分类方法和光纤的种类，理解各种不同种类光纤之间的区别及每种光纤的特点；2、知道光纤的制作材料及要求；3、了解光纤预制棒的制造原理和工艺；4、知道各种光缆结构和材料的用途。
具体：1、光纤的分类：按照光纤横截面折射率分布不同分为：阶跃光纤和渐变光纤（折射率在纤芯中保持恒定，在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤，折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。
光无源器件课件.
光源，反射损耗系数达55dB。
（a）FC型
（b）PC型
（a）FC型
（b）PC型
（c）APC型
7
光传输技术
光无源器件
光纤
套管
插针
粘结剂
图 精密套管结构连接器简图
连接器分为：单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。
8
光传输技术 光耦合器
光无源器件
功能与分类
功能是把一个输入 的光信号分配给多 个输出，或把多个 输入的光信号组合 成一个输出。
光无源器件
图 熔锥光纤型波分复用器结构和特性
15
光传输技术
光无源器件
光 纤
l1 l2 l3
透 镜
光 栅
l1+ l2+ l3
图 衍射光栅型波分复用器结构示意图
16
光传输技术
光无源器件
光
l1 l2 l3
纤
棒透 镜
光 栅
+
l3
l1 + l2
图 采用棒透镜的光栅型波分复用器
17
光传输技术 隔离器
光无源器件
特点
• 机械光开关的优 点是插入损耗小， 串扰小时和各种 光纤，技术成熟； 缺点是开关速度 慢。 •固体光开关 的优点是开 关速度快； 缺点是插入 损耗大，串 扰大，只适 合单模光纤。
• 转换光路， 实现 光交换
22
光传输技术
有哪些光无源器件？描述它们的工作原理
23
光传输技术
24
T形耦合器 星形耦合 器 定向耦合 器
9
光传输技术 常用耦合器的类型
光无源器件
…
…
(a)T型
(b)星型
1
1x2的3端耦合器，其
第五章 无源光器件
∆n( E ) ∝ γE + ξE
2
Optical fiber Principle and Application 5-8
γE ξE
2
谱克尔电光效应 γ 线性电光系数 克尔电光效应
ξ二次电光系数
线性电光效应所需的电压比克尔效应要低一些
C.铌酸锂晶体（ C.铌酸锂晶体（LiNbo3）的谱克尔效应 铌酸锂晶体
∆n
n n = − ∆η = − γE 2 2
3
3
Optical fiber Principle and Application 5-9
Δn(E)也是外加电场的线性函数,当信号电场E改变时,介质 的折射 n(E)也是外加电场的线性函数,当信号电场E改变时, 也是外加电场的线性函数 随之线性变化,从而实现对光的调制。 率n随之线性变化,从而实现对光的调制。 二. 相位调制器
Optical fiber Principle and Application 5-1
光无源器件（参见P.57） 第五章 光无源器件（参见 ）
第一节 光无源元件的结构形式 第二节 光纤的连接损耗与光纤连接器 第三节 光波导的横向耦合与耦合器 第四节 光调制器 第五节 其他无源器件
Optical fiber Principle and Application 5-2
n( E ) =
1 3 n + ∆n = n − rn E 2
当光波通过此晶体时 , 经受的相位变化为 :
ϕ = k 0 n ( E ) L = ϕ (0) − π
rn 3 LE
λ0
L调制器的长度 , λ 0 波长 , ϕ (0) = 2πnL / λ 0 未加电压时的相位 变化
Optical fiber Principle and Application 5-11
第五章无源光器件共74页PPT资料
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
图3-46 复用器插入损耗—波长关系曲线
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
图3-47 解复用器波长—插入损耗关系曲线
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
Ⅰ 中心波长λ和中心波长的工作范围Δλ Ⅱ 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 Ⅲ 相邻信道之间串音耦合最大值L12和L23
（2）带宽（BFWS）：R为fq谐振fq峰1降2至cn一l半时所对应的
频带宽度，又称为3dB带宽。
04.09.2019
nancy
3.4.4 光开关
能够控制传输通路中光信号通或断或进行 光路切换作用的器件，称为光开关。
光开关一般包括两种：机械式光开关和电 子式光开关。
04.09.2019
作为输出端口。
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
图3-45 WDM光传输原理图
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
（2
①
复用器的光学特性可以用给定的输入端口 的插入损耗—波长关系曲线表示。
②
解复用的光学特性，可以用输入端到N个输
出端的各信道的波长—插入损耗关系曲线来 表达
图 3.30 光纤型波分解复用器原理
nancy
设 特 定 波 长 为 λ1 和 λ2 ， 1 、 2
选择光纤参数，调整有效作
a
用长度，使得当光纤a的输
b
出Pa(λ1)最大时，光纤b的输
出Pb(λ1)=0；当Pa(λ2)=0时， Pb(λ2) 最 大 。 对 于 λ1 和 λ2 分 别为1.3μm和1.55 μm的光纤
《光无源器件》课件
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目录 /目录
01
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04
光无源器件的 应用场景
02
光无源器件概 述
05
光无源器件的 市场分析
03
光无源器件的 原理与技术
06
光无源器件的 挑战与前景
01 添加章节标题
02 光无源器件概述
性能参数
光功率：表示光无源器件的输出光功率 光损耗：表示光无源器件的损耗程度 光隔离度：表示光无源器件的隔离性能 光稳定性：表示光无源器件的稳定性能
0应用
光纤通信：光无源 器件在光纤通信系 统中的应用广泛， 如光纤耦合器、光 纤分路器等。
光传输系统：光无 源器件在光传输系 统中的应用，如光 放大器、光调制器 等。
定义与分类
光无源器件：指在光通信系统中，不需 要外部电源即可工作的器件
分类：根据功能不同，可以分为光分路 器、光隔离器、光耦合器等
光分路器：用于将光信号分成多路，实 现光信号的分配和复用
光隔离器：用于防止光信号的反射和回 波，保证光信号的传输质量
光耦合器：用于将光信号从一个光纤传 输到另一个光纤，实现光信号的耦合和 分离
市场需求：光无源器件的市场需求尚未完全打开，需要加大市场推广力度 政策支持：政府对光无源器件产业的政策支持力度有待加强，需要争取更 多的政策支持
技术创新与突破方向
提高光无源器件的性能和稳定 性
降低光无源器件的成本和功耗
开发新型光无源器件，如光子 晶体、光子集成电路等
研究光无源器件在5G、物联网、 人工智能等领域的应用
添加标题
添加标题
光纤通信原理第五章1 无源光器件和WDM技术
每一波长在输入和输出耦合器中受到相移。结果是一个波 长的每一空间分量受到不同的相移，并在输出耦合器中相 互干涉，形成一系列最大光强，它们的方向取决于波长值。
1 .... 5
Input fibre
Constant path difference = between waveguides
P0
P1
P2
P1 = P0 cos2(Kz)
P2 = P0 sin2(Kz)
K是耦合系数，和耦合区的长度、光纤的半 径及光波长有关； z是耦合区长度。
插入损耗：L=10log[P1/(P3+P2)] (dB) 分光比： R=P2/（P3＋P2) 耦合系数：K=P3/P1 隔离度： I=10log[(P2+P3)/P4] (dB)
1 2
3
3端口环行器中端口1到端口2的光路
自聚焦透镜
主要作用是准直光束 。 自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件， 其折射率分布同自聚焦光纤，直径远大于自 聚焦光纤芯径 。
1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲实现光学成像
F-P腔滤波器
由两块平行的高反射率的镜面构成 谐振腔，对特定波长的光波发生谐振而 得到频率选择性。
B = 2neff
neff是纤芯的等效折射率； 是光栅周期 。
λ1—λ16
布拉格光栅
λ1—λ15
λ16
光纤光栅：体积小、插入损耗低、可以与 光纤有良好的匹配。
环形器
λ1—λ15、λ16
FBG
λ1—λ15、λ16
λ16
λ16
光纤光栅的应用
•光纤激光器 •波分复用器 •传感器
无源光器件
无源光器件（Optical Passive Devices）简介:又称为光无源器件，是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。
具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等。
其结构图如下：无源光器件原理、作用、种类以及应用简介光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分。
它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关；因此它与电无源器件有本质的区别。
无源光器件的种类繁多，功能及形式各异，但在光纤通信网络里是一种使用性很强的不可缺少的器件，而在光纤有线电视中，起着连接、分配、隔离、滤波等作用。
作用概括起来主要是：连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；以及合波和分波等作用。
光无源器件有很多种，分别是：光纤准直器（Fiber Collimators）光纤连接器（Connector），光耦合器件（Coupler），光衰减器（Attenuator），光隔离器（Isolator），光波分复用器（WDM），偏振光合波器（PBC）、光开关(Switch)，光环形器（Circulator）；在此只介绍几种常见的无源光器件，其余的不再一一介绍。
1、光纤连接器：又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用于设备与光纤之间的连接。
光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多次使用。
2、光纤分路器及耦合器：光纤耦合器，将不同方向的光信号耦合(光纤flash\光纤耦合器SWF )送入一根光纤中传输，或者相反。
常用的三极管光耦合器结构图如下：3、光合波器、光分波器：光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件.可将不同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开。
光无源器件介绍分析课件
这里端面一般为球面，球面增加回损。比较两种连接器， APC斜球端面连接器可以在接触时产生更大的回波损耗， 其数值可以达到50-70dB，而一般的PC端面连接器回损约 为30-40dB ，只是由于角度位置的要求， APC连接器制作 工艺会稍微复杂。
光 鹅 合 器 ( Coupler) 3. 光鹅合器(Coupler)
光 耦 合 器 ( Coupler)
耦合器件的定义以及种类
光耦合器是重要的无源器件，可是传输中的光信号在特殊结构的耦合 区发生耦合，然后进行再分配。 种 类 从 功 能 上 分 光 功 率 ( Splitter) 和 光 波 长 分 配 耦 合 器 (WDM Coupler)；从端口形式可分为X形、 Y形、星形以及树形耦合器；从 工作带宽分窄带耦合器、单工作窗口宽带耦合器、双工作窗口的宽带 耦合器；从传导光模式分多模耦合器、单模耦合器。 熔融拉锥型全光纤耦合器应为其良好的综合优势成为现在制作耦合器 的主要方法。 JDSU主要制造此类Coupler，为本章节专讲内容。
光 隔 离 器 ( Isolator) 5. 光隔离器(Isolator)
光 隔 离 器 ( Isolator)
概述与光隔离器种类
光隔离器主要是解决光路中光的反射问题，它是只允许光线沿光路正向传输的 非互易性无源器件。包括两种主要类型：
1 、 Polarization- Dependent Free- space Optical Isolator
在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化值 6、偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)
当传输光信号偏振态发生360度变化，器件各端口输出光功率最大 变化量 7、隔离度(Isolation)
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（3）分光比T。
P1
T P3 P2
2020/8/16
nancy
3.4.2 光隔离器与光环行器
1．光隔离器的基本原理和结构 2．光环行器 3．光隔离器与光环行器的主要性能参数
2020/8/16
nancy
1．光隔离器的基本原理和结构
图3-36 光隔离器的工作原理图
2020/8/16
nancy
2．光环行器
这种复用器非常便于与光纤通信系统耦合 连接，而且插入损耗极小，且体积小，结 构紧凑。
2020/8/16
nancy
2．光波分复用器
图3-48 熔融光纤型波分复用器结构示意图
2020/8/16
nancy
3.4.7 光纤光栅
光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源 器件。
它是利用光纤中的光敏性而制成的。 光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺
锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久 性改变。 人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分
光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，
2020/8/16
第五章 无源光器件
2020/8/16
nancy
主要内容
连接器和接头 光耦合器 光隔离器与光环行器 光调制器 光开关
教学重点
连接器的作用及分类 光耦合器的作用 光隔离器的作用
2020/8/16
nancy
无源光器件的要求
插入损耗小、反射损耗大、工作温度范 围宽、性能稳定、寿命长、 体积小、 价格便宜、便于集成等。
1．光定向耦合器的结构
光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式 和光纤式两类。
2020/8/16
nancy
1．光定向耦合器的结构
图3-35 棱镜式和光纤式定向耦合器
2020/8/16
nancy
2．光纤式定向耦合器的参数
（1）隔离度A。
A 1 、4 10
lg
P4 P1
（2）插入损耗L。
L 10 lg P 2 P 3
全光型波长转换器技术主要由半导体光放大器 （SOA）构成。
2020/8/16
nancy
1．光电型波长转换器
图3-41 光电光型波长转换器
2020/8/16
nancy
2．全光型波长转换器
图3-42 全光型波长转换器
2020/8/16
nancy
3.4.6 波分复用器
在一根光纤中能同时传输多波长光信号的 技术，称为光波分复用技术（WDM）。
如果在系统发送端采用此技术，将不同波 长的光信号组合起来送入光纤传输的设备 称为光波分复用器。
在系统接收端可通过解复用器（分波器）， 将组合在一起的光信号分离并送入不同的 终端。
2020/8/16
nancy
3.4.6 波分复用器
1．光波分复用系统的结构与工作原理 2．光波分复用器
2020/8/16
图3-37 三端口光环行器
2020/8/16
nancy
3．光隔离器与光环行器的主要性能参 数
对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是 希望从输入端口输入的光信号到输出端口 时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗 要小；对于不应有输出的端口，要求隔离
器件典型的插入损耗为1dB左右，隔离度为 40～50dB
2020/8/16
nancy
1．光波分复用系统的结构与工作原理
图3-44 单纤双向结构WDM传输系统
2020/8/16
nancy
2．光波分复用器
（1 器件的各端口可以作为输入端口，也可以作为输来自端口。2020/8/16
nancy
2．光波分复用器
图3-45 WDM光传输原理图
2020/8/16
nancy
2．光波分复用器
（2
①
复用器的光学特性可以用给定的输入端口 的插入损耗—波长关系曲线表示。
②
解复用的光学特性，可以用输入端到N个输
出端的各信道的波长—插入损耗关系曲线来 表达
2020/8/16
nancy
2．光波分复用器
图3-46 复用器插入损耗—波长关系曲线
2020/8/16
nancy
3.4.4 光开关
图3-40 电子式光开关
2020/8/16
nancy
3.4.5 波长转换器
能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件 称为波长转换器。波长转换器根据波长转换机理 可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器，
光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏 振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制， 因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要
2020/8/16
nancy
连接器的分类
单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。
光纤 套管
插针 粘结剂
2020/8/16
nancy
3.4.1 光定向耦合器
1 2．光纤式定向耦合器的参数
光通信中经常需要把多个光信号耦合到一 起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合 器可以实现这些功能
2020/8/16
nancy
2020/8/16
nancy
3.4.3 光滤波器
图3-38 F-P腔光滤波器
2020/8/16
nancy
3.4.3 光滤波器
F-P腔型光滤波器的主体是F-P谐振腔。 描述F-P腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱
域（FSR）及带宽（BW）。 （1）自由谱域（FSR）：为相邻波长之间的距离
（2）带宽（BFWS）：R为fq谐振fq峰1降2至cn一l半时所对应的
2．光波分复用器
图3-47 解复用器波长—插入损耗关系曲线
2020/8/16
nancy
2．光波分复用器
Ⅰ 中心波长λ和中心波长的工作范围Δλ Ⅱ 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 Ⅲ 相邻信道之间串音耦合最大值L12和L23
2020/8/16
nancy
2．光波分复用器
（3 熔融光纤型是指将两根光纤紧靠在一起并
频带宽度，又称为3dB带宽。
2020/8/16
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3.4.4 光开关
能够控制传输通路中光信号通或断或进行 光路切换作用的器件，称为光开关。
光开关一般包括两种：机械式光开关和电 子式光开关。
2020/8/16
nancy
3.4.4 光开关
图3-39 机械式光开关
2020/8/16
nancy
nancy
1．光波分复用系统的结构与工作原理
光波分复用器是对光波波长进行合成与分 离的光器件。
由光波分复用器构成的光波分复用系统， 从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统 和单纤双向WDM系统。
2020/8/16
nancy
1．光波分复用系统的结构与工作原理
图3-43 单纤单向结构WDM传输系统