光波导理论与技术_第六章
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《光波导理论与技术》课件
光计算和光传感等领域。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
光波导理论与技术
色散补偿光纤（DCF）
33
§6.6色散补偿
34
色散补偿光栅(DCG)
时延差t=2L/Ug 色散量D=t/B L：光栅长度 Ug：短波长光 速度 B：反射带宽
对于普通单模G.652光纤,在1550nm处色散值为负,光脉冲在其中 传输时，短波长的光（兰光）较长波长的光（红光）传播得快. 这样经过一定距离得传输后，脉冲就被展宽了。光纤chirp光栅 是很少能对色散进行有效补偿的器件之一，其原理是,当光脉冲 通过线性chirp光栅后,短波长的光的时延比长波长的光的时延 长,正好起到了色散均衡作用,从而实现了色散补偿,如上图所示。
石英系玻璃的折射率随波长的变化情况
ε0
群折 射率
6
群时延差(注意与折射率 关于的二阶导数成正比),
式中 , 称
§6.2材料色散
N
材料的归一化色散系数
7
§6.3单模光纤的色散及单模光纤的分类
单模光纤中只有主模式LP01，总色散由材料色散、波导色散、折射率剖面色散、以 及偏振模色散构成，前三项属于波长色散。这里的波长色散用D(λ)表示，单位为 ps/nm km, 即单位波长间隔的两个频率成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差。
4
n = n +jn’
§6.2材料色散 在谐振点附近，介质产生强烈的吸收，所以工作频率 应该远离这些谐振频率，这样我们只要讨论折射率的 实部即可。折射率计算的近似公式为：
折射率对波长的导数为
3 3 5
§6.2材料色散 无界媒质中电磁波的相位常数为
无界媒质中电磁波的相速度 无界媒质中电磁波的群速度
重写第 p个模式群的相位常数 第 p个模式群传播单位长 度的群时延为
16
可求得第p个模式的时延
33
§6.6色散补偿
34
色散补偿光栅(DCG)
时延差t=2L/Ug 色散量D=t/B L：光栅长度 Ug：短波长光 速度 B：反射带宽
对于普通单模G.652光纤,在1550nm处色散值为负,光脉冲在其中 传输时，短波长的光（兰光）较长波长的光（红光）传播得快. 这样经过一定距离得传输后，脉冲就被展宽了。光纤chirp光栅 是很少能对色散进行有效补偿的器件之一，其原理是,当光脉冲 通过线性chirp光栅后,短波长的光的时延比长波长的光的时延 长,正好起到了色散均衡作用,从而实现了色散补偿,如上图所示。
石英系玻璃的折射率随波长的变化情况
ε0
群折 射率
6
群时延差(注意与折射率 关于的二阶导数成正比),
式中 , 称
§6.2材料色散
N
材料的归一化色散系数
7
§6.3单模光纤的色散及单模光纤的分类
单模光纤中只有主模式LP01，总色散由材料色散、波导色散、折射率剖面色散、以 及偏振模色散构成，前三项属于波长色散。这里的波长色散用D(λ)表示，单位为 ps/nm km, 即单位波长间隔的两个频率成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差。
4
n = n +jn’
§6.2材料色散 在谐振点附近，介质产生强烈的吸收，所以工作频率 应该远离这些谐振频率，这样我们只要讨论折射率的 实部即可。折射率计算的近似公式为：
折射率对波长的导数为
3 3 5
§6.2材料色散 无界媒质中电磁波的相位常数为
无界媒质中电磁波的相速度 无界媒质中电磁波的群速度
重写第 p个模式群的相位常数 第 p个模式群传播单位长 度的群时延为
16
可求得第p个模式的时延
光波导理论与技术
境监测、医疗诊断等领域得到广泛应用。
激光雷达系统中的应用
总结词
光波导在激光雷达系统中发挥了重要作用，能够实现 高精度、高分辨率的测量和成像。
详细描述
激光雷达系统利用光波导作为传输介质，将激光雷达 发射出的光信号传输到目标物体上，并收集目标物体 反射回来的光信号。通过测量光信号的往返时间和角 度信息，可以实现对目标物体的距离、速度、形状和 表面特征等的测量和成像。光波导的高灵敏度和低损 耗特性使得激光雷达系统具有高精度、高分辨率和低 噪声等优点，在遥感测量、无人驾驶、机器人等领域 得到广泛应用。
光波导技术面临的挑战
制造工艺限制
目前，光波导器件的制造工艺仍 受限于材料和加工技术的限制， 难以实现更精细的结构和更高的
性能。
耦合效率问题
光波导器件之间的耦合效率是影响 光子集成回路性能的关键因素，如 何实现高效的光波导耦合仍是一个 挑战。
稳定性问题
光波导器件在温度、湿度等环境因 素下的稳定性问题仍需进一步研究 和改善。
开关分类
光波导开关可以分为电光开关、磁光开关和热光开关等。其中，电光开关是最常用的一种，其利用电场 改变光波导的折射率，实现对光信号的通断进行控制。
光波导耦合器
耦合器概述
光波导耦合器是一种利用光波导 结构实现光信号耦合的器件。通 过将两个或多个光波导连接在一 起，可以实现光信号在不同波导 之间的传输和能量转移。
光波导的波动理论
总结词
波动理论是描述光波在光波导中传播的基本理论。
详细描述
波动理论是研究光波在介质中传播的基础理论，它通过麦克斯韦方程组描述了 光波在空间中的分布和演化。在光波导中，波动理论用于分析光波的传播特性， 如相位速度、群速度、模场分布等。
激光雷达系统中的应用
总结词
光波导在激光雷达系统中发挥了重要作用，能够实现 高精度、高分辨率的测量和成像。
详细描述
激光雷达系统利用光波导作为传输介质，将激光雷达 发射出的光信号传输到目标物体上，并收集目标物体 反射回来的光信号。通过测量光信号的往返时间和角 度信息，可以实现对目标物体的距离、速度、形状和 表面特征等的测量和成像。光波导的高灵敏度和低损 耗特性使得激光雷达系统具有高精度、高分辨率和低 噪声等优点，在遥感测量、无人驾驶、机器人等领域 得到广泛应用。
光波导技术面临的挑战
制造工艺限制
目前，光波导器件的制造工艺仍 受限于材料和加工技术的限制， 难以实现更精细的结构和更高的
性能。
耦合效率问题
光波导器件之间的耦合效率是影响 光子集成回路性能的关键因素，如 何实现高效的光波导耦合仍是一个 挑战。
稳定性问题
光波导器件在温度、湿度等环境因 素下的稳定性问题仍需进一步研究 和改善。
开关分类
光波导开关可以分为电光开关、磁光开关和热光开关等。其中，电光开关是最常用的一种，其利用电场 改变光波导的折射率，实现对光信号的通断进行控制。
光波导耦合器
耦合器概述
光波导耦合器是一种利用光波导 结构实现光信号耦合的器件。通 过将两个或多个光波导连接在一 起，可以实现光信号在不同波导 之间的传输和能量转移。
光波导的波动理论
总结词
波动理论是描述光波在光波导中传播的基本理论。
详细描述
波动理论是研究光波在介质中传播的基础理论，它通过麦克斯韦方程组描述了 光波在空间中的分布和演化。在光波导中，波动理论用于分析光波的传播特性， 如相位速度、群速度、模场分布等。
光波导理论与技术讲义(总结)(课堂PPT)
偏振模色散
1
2
束缚光线：0
z
cos1
n2 n1
; n2
n1
传播路径及分类 均匀介质薄膜波导
折射光线ccooss11
n2 n1 n3 n1
z z
cos1
n3 n1
; n3
2
;0
n3
n2
传播时延及时延差
=t/z=
max
n1
c cosz
n1 c
3
4
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
束 缚 光 线 ： 0
n
2 2
2 3
2
k
2 0
n
2 3
k xd
tan 1 2 kx
tan 1 3 kx
m
1 tan 1 2 1 tan 1 3 n
TM模的特征方程
2
kx 2
kx 2
kxd
tan1 2n12
kxn22
tan1
3n12
kxn32
m
1 tan1 2
2n12
kxn22
1 tan1 2
3n12
dr
；与z、都有关
ric [g(r)]1/2
11
自聚焦光纤
12
两种理论：几何光学理论 模式理论
四种介质：均匀平板波导 渐变平板波导 阶跃光纤 梯度光纤
影响光信号传输的三大因素：损耗 色散 非线性
两类器件：光无源器件 光有源器件
偏振模色散
13
TE模的特征方程
k
2 x
2
k
2 0
n
2 1
2 2
2
k
2 0
对HE11模 是主模式
光波导理论与技术_第六章
第六章
• • • • •
无源光器件
光纤连接器 光耦合器 光波复用、解复用器 光调制器 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 2. 3. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗； 光纤端面形状畸变引起的损耗 光纤结构参数失配引起的损耗22.来自光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
x1 x2 x
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
k -1 L 10 lg 1 k 2 1 2
x1 x2 1 Lx 10 lg 1 a 2 2
3.
光纤结构参数失配引起的损耗 1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发 射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
设：
r1 r2 r
t1 t 2 t
则功率反射和透射系数各为： R
AiT exp j At 1 R exp j
r
2
T t
Ai T 2
2
R T 1
输出光强： I t KAt At
1 R
2
4 R sin
2
定义F-P腔功率传输系数为：
1 2
则：
At1 Ai h
At2 hAt1 Ai h 2
3
At3 h At1 Ai h
2
透射光幅振幅： At1 2 At At1 At 2 At 3 At1 1 h h 1 h
Ai t1t 2 exp j 1 h
• • • • •
无源光器件
光纤连接器 光耦合器 光波复用、解复用器 光调制器 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 2. 3. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗； 光纤端面形状畸变引起的损耗 光纤结构参数失配引起的损耗22.来自光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
x1 x2 x
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
k -1 L 10 lg 1 k 2 1 2
x1 x2 1 Lx 10 lg 1 a 2 2
3.
光纤结构参数失配引起的损耗 1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发 射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
设：
r1 r2 r
t1 t 2 t
则功率反射和透射系数各为： R
AiT exp j At 1 R exp j
r
2
T t
Ai T 2
2
R T 1
输出光强： I t KAt At
1 R
2
4 R sin
2
定义F-P腔功率传输系数为：
1 2
则：
At1 Ai h
At2 hAt1 Ai h 2
3
At3 h At1 Ai h
2
透射光幅振幅： At1 2 At At1 At 2 At 3 At1 1 h h 1 h
Ai t1t 2 exp j 1 h
第六讲：光波导理论
几何光学分析
光线轨迹：锯齿形折线 图中平面波的波矢量为： （设n1> n2> n3) k1 | k |=k0n1 k1 = k0n1 sin θ = k0n1cosθ
x
k
β
d
θ
n3 n1
z
0 n2
29
根据全反射临界角的计算公式：
n2 c12 arcsin( ) n1 （1）导模条件：光线在上下界面都发生全反射。 c13 , c12 < < 求得 n2 k0 < < n1k0 2 （2）部分反射，光线在上界面发生全反射,下界面部分反射 有辐射模。（导模截止） c13 < < c12 有： n3k0 < < n2 k0 （3）在上下界面都发生部分反射。能量被同时辐射到上下 包层中去。 < c13 < c12 得到： < n3k0 < n2 k0
第六讲
集成光学理论
1
一、 集成光学概述
一、概念 集成光学是指利用平面光波导结构将光波 束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无 辐射的传输。 并以此为基础集成不同结构与 功能的大量光子学器件。
2
二、光集成的类型
1、从集成方式上划分－－
“光－光集成”
和“光电集成”；
2、从集成形式上划分－－单片集成和混合集
d2 Z kz 2 Z 0 dz 2
2 kx kz2 k12 2 2 m k 2 （2）
（1）
31
场量可写为： E (r , t ) E ( x)e i ( z t ) H (r , t ) H ( x)e i ( z t )
光波导理论与技术讲义
04
光波导的应用
光纤通信
光纤通信概述
光纤通信是一种利用光波在光纤中传输信息的技术。由于光纤具有低损耗、高带宽和抗电 磁干扰等优点，因此光纤通信已成为现代通信的主要手段之一。
光纤通信系统
光纤通信系统主要由光源、光纤、光检测器和传输控制设备等组成。其中，光源用于产生 光信号，光纤作为传输介质，光检测器用于接收光信号，传输控制设备负责对整个系统进 行管理和控制。
03
光波导材料
玻璃光波导
玻璃光波导是一种以玻璃为介质的光 波导器件，其具有优秀的光学性能和 机械性能，被广泛应用于光纤通信、 光传感等领域。
玻璃光波导的主要优点是光学性能优 异、机械强度高、化学稳定性好等， 但其缺点是制备工艺复杂、成本较高。
玻璃光波导的制备工艺主要包括预制 棒制作、拉丝、涂覆等环节，这些工 艺过程需要精确控制，以保证光波导 的性能和稳定性。
聚合物光波导
1
聚合物光波导是一种以聚合物为介质的光波导器 件，其具有制备工艺简单、成本低、易于加工等 特点。
2
聚合物光波导的制备工艺主要包括薄膜制作、光 刻、刻蚀等环节，这些工艺过程相对简单，有利 于大规模生产。
3
聚合物光波导的主要优点是制备工艺简单、成本 低、易于加工等，但其缺点是光学性能较差、机 械强度较低。
A
B
C
D
模块化与小型化
为了适应现代通信系统的需求，光波导放 大器正朝着模块化和小型化方向发展。
增益均衡
由于不同波长的光信号在光纤中的传输损 耗不同，因此需要实现光波导放大器的增 益均衡，以保证信号的传输质量。
光波导开关
开关原理
光波导开关利用电场或热场对光 波的传播方向进行控制，实现光
第六章光波导理论及器件
x
n3 n1 n2 z
c13 c12 i
i
ห้องสมุดไป่ตู้
引入 沿z方向的传播常数
k1
kz k1 sin i k1 n1k0
n2 k2 n1 k1
sin i sin c12
k2
z方向最大传播常数
则
k2 k1 n2 k0 n1k0
12
2 Ey x
2
( 2 2m ) E y ( 2 n2k 2 ) Ey 2 H y x 2 ( 2 n2 k 2 ) H y
k 0 m0
同样
TE波：只存在电场横向分量
令 H y 0 Ex 0 则TE波中，仅剩 Ey , H z , H x 且 Hx Ey m
j H z ( x) m ( A sin x B cos x),
A2 2 x m
e , ,
H z(2) ( x)
j 2 A2 m
e 2 x ,
H ( x)
A3 3 x m
e
x0
3 A3 3 x H z(3) ( x) jm e ,
9
复共轭
介质中
D E B mH
E ( x, y, z; t ) E ( x, y, z )e jt c.c. H ( x, y, z; t ) H ( x, y, z )e jt c.c.
E ( x , y , z ; t ) B ( x, y , z ; t ) t H ( x, y, z; t ) D( x, y, z; t ) t
正整数—模数
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2. 光纤端面形状畸变引起的损耗 3. 光纤结构参数失配引起的损耗
光纤连接器的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗） 1) 两光纤相对位置偏离引起的损耗 a) 横向偏移:
2a
d
连接损耗取决于偏移量和纤芯直径之比。
阶跃光纤： 梯度光纤：
L d 1l0g 2 arc c 2 d ao s2 d a 1 2 d a 2 1/2
第六章 无源光器件
• 光纤连接器 • 光耦合器 • 光波复用、解复用器 • 光调制器 • 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗；
L d 1l0 g 2 arc 2 d a c o 2 d a s4 d a 2 6 5 d a 2
• 多模梯度光纤可简化成：
Ld 10lg12.35da2
• 单模光纤的传输模场近似为高斯分布时，可简化成：
例：
Ld
10lgexpd2 w
w是模场半径
多模光纤 2a=50m，=1%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 3 m。 单模光纤 2a=10m，=0.3%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 0.8 m。
b) 角度偏移
c) 阶跃多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg1k2
d) 梯度多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg13k82
2
单模光纤端面间隙损耗：
2
LS 10 lg1S21/2n2w2
2. 光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
x1 x2 x
L1l0g 1k k-2 112
Lx 10 lg 121 2x1 ax2
3. 光纤结构参数失配引起的损耗
1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发
基于22耦合器级联的N N星型耦合器
2. 微型元件型：
3. 集成光波导型：
光源与光纤的耦合
6.3 光滤波器
用于波分复用技术 1. 基于干涉原理的滤波器：
▪ Fabry-Perot滤波器、 ▪ 马赫—曾德尔滤波器、 ▪ 多层介质膜滤波器； 2. 基于光栅原理的滤波器： ▪ 体光栅滤波器、 ▪ 阵列波导光栅滤波器（AWG）、 ▪ 光纤光栅滤波器、 ▪ 声光可调谐滤波器。
1. Fabry-Perot滤波器
• 结构：两平行介质板，内 表面为镀高反射膜的镜面，
反射系数各为 r1, r2，透射
系数各为 t1, t2。
• 透射波由幅振幅为At1， At2 At3 --- 光束组成。
每束透射波比前束相位延迟 φk02l4πn0 l，/λ振幅
减小，须乘因子 r1r2 。 令： h r 1 r2ex jp
At 1A iTReexxp p jj
输出光强：
It
KtA At
AiT2
1R2 4Rs
i2 nφ
定义F-P腔功率传输系数为：
2
τ It Ii
则： τ
1
1 4R/1-R2 sin2 φ
2
• 存在透射率为最大的峰值波 长0或峰值频率0；
0
2nL N
0
Nc 2nL
N为整数
• 峰值波长或频率等间隔排列， 谐振峰间的波长或频率间隔：
射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
La 2Biblioteka 10lga2 a1
0
a1 a2 a1a2
2) 两单模光纤：
La
10lg14aa12
a2 a1
2
2) 两光纤数值孔径不同引起的连接损耗：
LNA
10lg
N NAA12
10lg12
0
N1A N2A N1A N2A
3) 两光纤折射率分布不同引起的连接损耗
kn1/n0
e) 单模光纤倾斜损耗：
L d 1 le g 0 x n 2 w p / 2
f) 当要求 L < 0.1dB 时， 多模光纤 < 0.7，
g)
单模光纤 < 0.3。
c) 纵向偏移，两连接光纤端面间有间隙，只有部分能 量进入接受光纤
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
S
LS 10 lg14Sak
6.2 光耦合器
1. 全光纤耦合器原理 拼接法（磨抛法）：关键是控制光纤包层磨抛量
优点：通过改变光纤拚合角度和磨抛量调整耦合强弱。 缺点：热和机械稳定性差 熔锥法：严格控制拉锥长度、熔区形状、锥体光滑
度。对输出光功率在线控制，性能好，成本低。
设：两耦合波导相同 k12k21k β1 β2
第二波导输入端振幅为零，两波导z 处的光功率为：
p1(z )p1(0)co 2ksz
p2(z)p1(0)si2n kz
不同长度可改变耦合波导 输出功率比
耦合比与拉伸长度有关，到第九个周期附加损耗达到0.5dB
耦合器分类
1. 全光纤型： • 在锥形区变细处，高阶模入射角超出临界角，经纤
芯—包层边界进入包层，成为包层模在包层中传输， 锥形区又变粗后高阶模又重新耦合进纤芯成为导模。
• 由于锥形区包层相同，因而高阶模功率均匀分配到 两根光纤的输出。
• 低阶模在纤芯中传输。 • 总分光比取决于锥形耦合区长度和包层厚度。
• 作用：将N个输入功率复合后再平均分配到M个输 出端口。用熔锥法形成，适合于多模光纤；
• 耦合特性对模式敏感，输出端口功率变化大；
• 用单模光纤难于精确调整多根光纤间的消逝场。
则： At1 Aih
At2htA 1Aih2
At3h2At1Aih3
透射光幅振幅：
A t A t 1 A t2 A t3 A t 1 1 h h 2 1 A t 1 h
Ait1t2 expj
1h
设： r1 r2 r
t1 t2 t
则功率反射和透射系数各为： Rr2 T t 2 RT1
2 0
2neff L
neff
n1
0
n
dn
d 0
• 峰值波长或频率在谐振腔中
• 设多模光纤发射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a 2， 则有：
Ln
10
lg
a2 a1 a1a2
2 2
0
a1 a2 a1a2
连接器端面接触形式
a) 平面接触形：简单、低成本，反射波明显，影 响性能
b) 物理接触型：球面接触，减少反射
c) 有倾角物理接触型：端面法线与轴线有倾角， 进一步减少反射
光纤连接器的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗） 1) 两光纤相对位置偏离引起的损耗 a) 横向偏移:
2a
d
连接损耗取决于偏移量和纤芯直径之比。
阶跃光纤： 梯度光纤：
L d 1l0g 2 arc c 2 d ao s2 d a 1 2 d a 2 1/2
第六章 无源光器件
• 光纤连接器 • 光耦合器 • 光波复用、解复用器 • 光调制器 • 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗；
L d 1l0 g 2 arc 2 d a c o 2 d a s4 d a 2 6 5 d a 2
• 多模梯度光纤可简化成：
Ld 10lg12.35da2
• 单模光纤的传输模场近似为高斯分布时，可简化成：
例：
Ld
10lgexpd2 w
w是模场半径
多模光纤 2a=50m，=1%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 3 m。 单模光纤 2a=10m，=0.3%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 0.8 m。
b) 角度偏移
c) 阶跃多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg1k2
d) 梯度多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg13k82
2
单模光纤端面间隙损耗：
2
LS 10 lg1S21/2n2w2
2. 光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
x1 x2 x
L1l0g 1k k-2 112
Lx 10 lg 121 2x1 ax2
3. 光纤结构参数失配引起的损耗
1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发
基于22耦合器级联的N N星型耦合器
2. 微型元件型：
3. 集成光波导型：
光源与光纤的耦合
6.3 光滤波器
用于波分复用技术 1. 基于干涉原理的滤波器：
▪ Fabry-Perot滤波器、 ▪ 马赫—曾德尔滤波器、 ▪ 多层介质膜滤波器； 2. 基于光栅原理的滤波器： ▪ 体光栅滤波器、 ▪ 阵列波导光栅滤波器（AWG）、 ▪ 光纤光栅滤波器、 ▪ 声光可调谐滤波器。
1. Fabry-Perot滤波器
• 结构：两平行介质板，内 表面为镀高反射膜的镜面，
反射系数各为 r1, r2，透射
系数各为 t1, t2。
• 透射波由幅振幅为At1， At2 At3 --- 光束组成。
每束透射波比前束相位延迟 φk02l4πn0 l，/λ振幅
减小，须乘因子 r1r2 。 令： h r 1 r2ex jp
At 1A iTReexxp p jj
输出光强：
It
KtA At
AiT2
1R2 4Rs
i2 nφ
定义F-P腔功率传输系数为：
2
τ It Ii
则： τ
1
1 4R/1-R2 sin2 φ
2
• 存在透射率为最大的峰值波 长0或峰值频率0；
0
2nL N
0
Nc 2nL
N为整数
• 峰值波长或频率等间隔排列， 谐振峰间的波长或频率间隔：
射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
La 2Biblioteka 10lga2 a1
0
a1 a2 a1a2
2) 两单模光纤：
La
10lg14aa12
a2 a1
2
2) 两光纤数值孔径不同引起的连接损耗：
LNA
10lg
N NAA12
10lg12
0
N1A N2A N1A N2A
3) 两光纤折射率分布不同引起的连接损耗
kn1/n0
e) 单模光纤倾斜损耗：
L d 1 le g 0 x n 2 w p / 2
f) 当要求 L < 0.1dB 时， 多模光纤 < 0.7，
g)
单模光纤 < 0.3。
c) 纵向偏移，两连接光纤端面间有间隙，只有部分能 量进入接受光纤
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
S
LS 10 lg14Sak
6.2 光耦合器
1. 全光纤耦合器原理 拼接法（磨抛法）：关键是控制光纤包层磨抛量
优点：通过改变光纤拚合角度和磨抛量调整耦合强弱。 缺点：热和机械稳定性差 熔锥法：严格控制拉锥长度、熔区形状、锥体光滑
度。对输出光功率在线控制，性能好，成本低。
设：两耦合波导相同 k12k21k β1 β2
第二波导输入端振幅为零，两波导z 处的光功率为：
p1(z )p1(0)co 2ksz
p2(z)p1(0)si2n kz
不同长度可改变耦合波导 输出功率比
耦合比与拉伸长度有关，到第九个周期附加损耗达到0.5dB
耦合器分类
1. 全光纤型： • 在锥形区变细处，高阶模入射角超出临界角，经纤
芯—包层边界进入包层，成为包层模在包层中传输， 锥形区又变粗后高阶模又重新耦合进纤芯成为导模。
• 由于锥形区包层相同，因而高阶模功率均匀分配到 两根光纤的输出。
• 低阶模在纤芯中传输。 • 总分光比取决于锥形耦合区长度和包层厚度。
• 作用：将N个输入功率复合后再平均分配到M个输 出端口。用熔锥法形成，适合于多模光纤；
• 耦合特性对模式敏感，输出端口功率变化大；
• 用单模光纤难于精确调整多根光纤间的消逝场。
则： At1 Aih
At2htA 1Aih2
At3h2At1Aih3
透射光幅振幅：
A t A t 1 A t2 A t3 A t 1 1 h h 2 1 A t 1 h
Ait1t2 expj
1h
设： r1 r2 r
t1 t2 t
则功率反射和透射系数各为： Rr2 T t 2 RT1
2 0
2neff L
neff
n1
0
n
dn
d 0
• 峰值波长或频率在谐振腔中
• 设多模光纤发射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a 2， 则有：
Ln
10
lg
a2 a1 a1a2
2 2
0
a1 a2 a1a2
连接器端面接触形式
a) 平面接触形：简单、低成本，反射波明显，影 响性能
b) 物理接触型：球面接触，减少反射
c) 有倾角物理接触型：端面法线与轴线有倾角， 进一步减少反射