1-1 Cop
yri
gh
t W
an
g Y
an
2009-7-21
Optical fiber
communications 第四章 光无源元件
第一节 光无源元件的结构形式
第二节 光纤的接续损耗与光纤连接器
第三节 光波导的横向耦合与耦合器
第四节 波分复用元件
第五节 光学谐振腔
第六节 光调制器
第七节 偏振控制器
第八节 光隔离器
1-2 Cop
yri
gh
t W
an
g Y
an
2009-7-21
Optical fiber
communications 第一节 光无源元件的结构形式用途：连接器、耦合器、波分复器、波复用器、光调制器、光偏振控制器、光隔离器结构：体块型、全光纤型和波导型
1-3 Cop
yri
gh
t W
an
g Y
an
2009-7-21
Optical fiber
communications第二节 光纤得持续损耗和光纤的连接器一、光纤的连续损耗
A、参数
TP RP
耦合的有效性用传输 系数 T或耦合损耗 L表示。
若输入光纤发出的光功率为,输出光纤接收的光功率为则,TP RP
T
R
P
PT?
R
T
P
PTdBL lg10lg10)(
1-4 Cop
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an
g Y
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2009-7-21
Optical fiber
communications
B、引起光纤损耗的原因间隙 Axial offset
D
横向偏移 Later offset
倾斜角
Tilt
端面不齐
Scattering/reflections
棋式矢配
Mode mismatch
1-5 Cop
yri
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2009-7-21
Optical fiber
communications
二、单模光纤的耦合
（ Coupling to single Mode Fibers）
1-6 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
To find the coupling coefficient we must calculate
how much of the incident field is in the propagating
mode
1-7 Cop
yri
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an
g Y
an
2009-7-21
Optical fiber
communications
1,LP01膜均匀的横向电场分布用 Gaussian Fuction 来近似
2、该近似对大多数的光纤模式计算是正确的
3、例外是 cross-talk calculation,
4、采用 Gaussian approximation,横向电场三,Gaussian Approximation to the HE11 mode
)e x p ()e x p (2 2
2
20
0 zi
s
r
snPE x
P：峰值功率采用 Gaussian approximation的主要问题在于找出合适的横场半径 S0
1-8 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
5、对阶跃光纤 （经验公式）
对 的抛物线型折射率分布光纤，且 V较大时
V：归一化率项
65.1 87.26 1 9.165.0 VV
a
s
2
65.1 01.182.02 VV
Va
s
1-9 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
四、存在纵向光纤间隙 D时 （ including Mode matching）
A、归一化光纤间隙 （ Axial offset of Mode Matching）
n3,两光纤方向面间的介质折射率指数
S1,S2,两单模光纤的模场半径
B、传输系数
3103 sskn
DZ?
2
1
2
1
222
2
22
2
2
1
2
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2
1
2
/4)/)(4(
)/4(4
SSzSSSz
SSzT
1-10 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
当 D＝ 0
T=|l0|2
L0：输入光纤在输出光纤中激发出的单模光场的幅度传输损耗 L（ dB）＝ 10lg |l0|2
C、当 S1/S2偏离越远损耗越大 T——S1/S2
D,T——D/a
传输系数对光纤截面间隙的变化不太大不太敏感；同样间隙 D光纤芯径大时连接损耗小。
2
2
2
2
1
21
0
2
SS
SSTT
1-11 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
五,Tilt（轴向倾斜角 时的输出系数）
A、
B,T随 的增加按 Gaussian Fuction 的规律减小。设,T=T0/e 即：
n d a llin gn
ss
ssnkTT
:
2
e x p 2
2
2
1
2
2120
0
2
34.4)(
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2
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1/)(2
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2009-7-21
Optical fiber
communications
A、
B,s1=s2=s
T=1/e de=s
2
0 22
12
0
12
22
12
2
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/
/2
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TT
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T T e
d de s s
2)(e x p sdT
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2)(34.4)(
s
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3、横向位移 d（ lateral offset）
1-13 Cop
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an
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2009-7-21
Optical fiber
communications
(1)可通过观测同单模光纤耦合功率随横向位移的变化来确定光纤的模场半径，它是用径向失调法来测单模场半径的基础。
(2)如果 tilt offset and separation 用时存在,T有其交叉项，但是如果每个矢配都很好，其交叉项可以忽略。
1-14 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
六、阶跃多模光纤的链接损耗多模光纤的耦合情况比较复杂，例如多模光纤中存在模式耦合和模式转换，使各模式所携带的能量比例随光纤长度而变，连到达平衡长度为正。
所谓平衡长度是指个模式的功率比例达稳定值时的长度。只有达到平衡长度后光纤端面才有稳定的功率分布，从而有稳定的耦合损耗。
1-15 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
Modle：输入、输出光纤芯子上的光纤都是均匀分布的
1、理论上可以计算所有的源模式和接收光纤模式的耦合系数
2、总的耦合系数是所有耦合系数的就和。
3、假定原有 m个模式，光纤有 n个模式总的耦合系数：
4、这一计算非常复杂，因而没有用处
5、一个简单而又有效的模型是假定源和接收光纤上的功率是均匀分布的。
6、耦合可从几何角度进行考虑
7、考虑源的一个积分作元面积上有多少入射到光纤的数值几径之内,总的耦合系数是对源面积积分。
8,GRIN的耦合更复杂。
mmmnt o t a l PPTT /
1-16 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
七、损耗 MMF
A、横向偏移情况下的耦合损耗光纤耦合损耗将由输入光纤面积 和输出光纤的有效接收面积 AR重合面积所决定。
当,d/2a<0.2时
d
2aAT
2
2
1
22
a r c c o s2lg10lg10)(
a
d
a
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A
AdBL
k
T
addBL?21lg10
1-17 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communicationsB.光纤端面间隙 D引入的耦合损耗
1、损耗的途径
（ 1）光束发散引起的耦合损失
（ 2）光纤芯子界面上的 Fresnel反射损耗
2、光束发射：
NA：光纤的数值孔径
)1lg (10)/lg (10
)(lg10)(
0
20
2
2
an
D N A
a
nD N Aa
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T
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PTL lg10lg10
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Optical fiber
communications
3,Fresrel损耗
Fresrel反射系数：
2
31
21
nn
nnR
2)/1
/4lg (10)(
2
31
31?
nn
nndBL
1-19 Cop
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Optical fiber
communications
C,Tile
一般
2333
2
1
22
a r c c o s2lg10)(
Nt
n
Nt
n
Nt
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3m a x / nNA
)1lg (10)( 3NAndBL
D、参数 mismatching
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0
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2
AN
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ANNA
ANNA
2/112/1222
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1
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1-20 Cop
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Optical fiber
communications
aa NAAN
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2009-7-21
Optical fiber
communications 第四章 光无源元件
第一节 光无源元件的结构形式
第二节 光纤的接续损耗与光纤连接器
第三节 光波导的横向耦合与耦合器
第四节 波分复用元件
第五节 光学谐振腔
第六节 光调制器
第七节 偏振控制器
第八节 光隔离器
1-2 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications 第一节 光无源元件的结构形式用途：连接器、耦合器、波分复器、波复用器、光调制器、光偏振控制器、光隔离器结构：体块型、全光纤型和波导型
1-3 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications第二节 光纤得持续损耗和光纤的连接器一、光纤的连续损耗
A、参数
TP RP
耦合的有效性用传输 系数 T或耦合损耗 L表示。
若输入光纤发出的光功率为,输出光纤接收的光功率为则,TP RP
T
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Optical fiber
communications
B、引起光纤损耗的原因间隙 Axial offset
D
横向偏移 Later offset
倾斜角
Tilt
端面不齐
Scattering/reflections
棋式矢配
Mode mismatch
1-5 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
二、单模光纤的耦合
（ Coupling to single Mode Fibers）
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Optical fiber
communications
To find the coupling coefficient we must calculate
how much of the incident field is in the propagating
mode
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2009-7-21
Optical fiber
communications
1,LP01膜均匀的横向电场分布用 Gaussian Fuction 来近似
2、该近似对大多数的光纤模式计算是正确的
3、例外是 cross-talk calculation,
4、采用 Gaussian approximation,横向电场三,Gaussian Approximation to the HE11 mode
)e x p ()e x p (2 2
2
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P：峰值功率采用 Gaussian approximation的主要问题在于找出合适的横场半径 S0
1-8 Cop
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Optical fiber
communications
5、对阶跃光纤 （经验公式）
对 的抛物线型折射率分布光纤，且 V较大时
V：归一化率项
65.1 87.26 1 9.165.0 VV
a
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2
65.1 01.182.02 VV
Va
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Optical fiber
communications
四、存在纵向光纤间隙 D时 （ including Mode matching）
A、归一化光纤间隙 （ Axial offset of Mode Matching）
n3,两光纤方向面间的介质折射率指数
S1,S2,两单模光纤的模场半径
B、传输系数
3103 sskn
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Optical fiber
communications
当 D＝ 0
T=|l0|2
L0：输入光纤在输出光纤中激发出的单模光场的幅度传输损耗 L（ dB）＝ 10lg |l0|2
C、当 S1/S2偏离越远损耗越大 T——S1/S2
D,T——D/a
传输系数对光纤截面间隙的变化不太大不太敏感；同样间隙 D光纤芯径大时连接损耗小。
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Optical fiber
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五,Tilt（轴向倾斜角 时的输出系数）
A、
B,T随 的增加按 Gaussian Fuction 的规律减小。设,T=T0/e 即：
n d a llin gn
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Optical fiber
communications
A、
B,s1=s2=s
T=1/e de=s
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3、横向位移 d（ lateral offset）
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Optical fiber
communications
(1)可通过观测同单模光纤耦合功率随横向位移的变化来确定光纤的模场半径，它是用径向失调法来测单模场半径的基础。
(2)如果 tilt offset and separation 用时存在,T有其交叉项，但是如果每个矢配都很好，其交叉项可以忽略。
1-14 Cop
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Optical fiber
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六、阶跃多模光纤的链接损耗多模光纤的耦合情况比较复杂，例如多模光纤中存在模式耦合和模式转换，使各模式所携带的能量比例随光纤长度而变，连到达平衡长度为正。
所谓平衡长度是指个模式的功率比例达稳定值时的长度。只有达到平衡长度后光纤端面才有稳定的功率分布，从而有稳定的耦合损耗。
1-15 Cop
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2009-7-21
Optical fiber
communications
Modle：输入、输出光纤芯子上的光纤都是均匀分布的
1、理论上可以计算所有的源模式和接收光纤模式的耦合系数
2、总的耦合系数是所有耦合系数的就和。
3、假定原有 m个模式，光纤有 n个模式总的耦合系数：
4、这一计算非常复杂，因而没有用处
5、一个简单而又有效的模型是假定源和接收光纤上的功率是均匀分布的。
6、耦合可从几何角度进行考虑
7、考虑源的一个积分作元面积上有多少入射到光纤的数值几径之内,总的耦合系数是对源面积积分。
8,GRIN的耦合更复杂。
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1-16 Cop
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Optical fiber
communications
七、损耗 MMF
A、横向偏移情况下的耦合损耗光纤耦合损耗将由输入光纤面积 和输出光纤的有效接收面积 AR重合面积所决定。
当,d/2a<0.2时
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Optical fiber
communicationsB.光纤端面间隙 D引入的耦合损耗
1、损耗的途径
（ 1）光束发散引起的耦合损失
（ 2）光纤芯子界面上的 Fresnel反射损耗
2、光束发射：
NA：光纤的数值孔径
)1lg (10)/lg (10
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Optical fiber
communications
3,Fresrel损耗
Fresrel反射系数：
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Optical fiber
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C,Tile
一般
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