2.7光耦合器、 光复用与解复用器在线视频

好

同学们好

前面我们讲了半导体激光器

光放大器

光探测器等有源光波导器件

这一节我们来讲无源光波导器件

首先讲里面的光耦合器

光复用与解复用器

无源器件与有源器件的区别

我们前面已经给出了这样一个定义

就是功能的实现

如果不需要发生光电的能量转换

就是无源器件

那我们来讨论一下

相应的耦合器

复用器解复用器

隔离器

环行器

光纤光栅

光开关

右边分别给出了

耦合器

复用器

阵列波导光栅

隔离器

环行器

光纤光栅

光开关的这样一个实物

或者示意图

首先看光耦合器

光耦合器是对光信号实施分路

合路

插入和分配的无源器件

它的类型主要包括全光纤型

微光元件型

和集成光波导型

三种类型

先看下全光纤的耦合器

全光纤的耦合器的原理如下

它有这种拼接式

和熔融拉锥式两种结构

它的功能的实现

主要的基于

波导场里面的消逝场的模式耦合理论

这个图给出了全光纤结构的

拼接式结构

左图

和熔融拉锥式

右图

拼接式的这种结构是将光纤的侧面

研磨抛光

然后将两根光纤埋入玻璃块的弧形槽中

它们之间由于把边上磨光了

这样的话

通过纤芯包层界面的消逝场

进行能量耦合

达到这样一个耦合的效果

熔融拉锥式

它是将几根光纤扭结在一起

用微火炬对耦合部分加热

在熔融的过程中拉伸

形成双锥耦合区

在这个锥形区

那相应的

各个光纤的包层就成为了一个统一的包层

光纤芯变细产生了能量的耦合

那这个耦合的这个具体的模式耦合理论

满足下面的这样一个方程

这里是以两根光纤为例

这里的a₁a₂就是

直通臂和耦合臂的这个模场的振幅

β₁β₂是它对应的传播常数

K是耦合系数

就是上面公式里边标框的这两部分

就是第二个对第一个

第一个对第二个的这样一个

耦合的情况

当两个光纤的参数一样的时候

我们把它这个参数就统一记为β和K

利用上面的方程

就可以得到a₁a₂

随着这个传播距离的这样一个变化

其中这里边的φ是K的积分

利用这个关系我们就得到了

直通臂和耦合臂的输出的光功率

分别可以表示成

P₁等于P0 cos²KL

p₂等于p0 sin²KL

这两个一加等于p₀

这实际上也符合能量守恒的定律

p₀就是输入到直通臂的功率

L是它的耦合区的有效的长度

那我们把它画出这个曲线来

P₁P₂画出曲线来

大家就可以看到

它的直通臂和耦合臂的输出功率

随着长度的变化

所以呢

你只需要选用相应的耦合的这样一个长度

就可以从P₀出来

到P₁端保留多少功率

P₂端进入多少功率

就很明显的就可以来得到

所以只要控制这个长度

就可以了

它这个分类具体的来说

全光纤的耦合器基本类型

有X型和Y型

如图

大家可以看

X型结构对吧

特别形状像一个X

然后b图像一个Y型

对不对

然后在那个基本形式的基础上

我们可以构成星形的耦合器

大家可以看到

这是一个八路的星型耦合器

和传输型的一个是反射型的

反射型的口留在一端

传输型的口在两端

对不对

然后对多模光纤

那这种星型的耦合器

采取熔融拉锥的方法可以制成

但是它耦合的功率对模式比较敏感

它输出口的端口的功率的变化也会比较大

所以制作起来实际上比较麻烦

对单模光纤

那这种拉锥法就更困难了

所以一般都采用这个

简单的二乘二的耦合器进行级联的方式

来构成比较大的这种耦合器

如图

就是由二乘二的构成这种大的耦合器的

这个结构图

我们只看第一个

就是说

比如说由1口进来

我们希望它的功率可以分配到1234

这个图里面已经画出来了

对不对

1口直接过来

通过第二个耦合器

实际上就可以在1口和2出口都有

对不对

2口进来的

就可以通过第二个耦合器在3口4口都有

对不对

然后你把这种级联

就可以得到更多端口的这样一个耦合器

这是第一种全光纤型

再看一下微光元件型的耦合器

微光元件型的耦合器

主要的采用的由微型的透镜

半反射镜之外

主要的是用了一种自聚焦的透镜

我们把它简称为RL

这个自聚焦的透镜

能把它的光线变成平行光线

这里这个图大家可以看到

实现通过这些方式

利用这里的L

M或者RL就可以实现它的功率的耦合

这个细节不说了

大家可以下去自己看一下

再看一下集成光波导型的耦合器

这个图就是集成光波导的耦合器的这个结构

它主要的采取的工艺是利用沉积

光刻与扩散工艺来制成

它沉积的目的是在基体上镀膜

光刻是要在膜层上刻出相应的图案

扩散

是在光刻形成的图案

在基体里形成光波导

比如说这里的a图就是一个Y型的耦合器

而b图是一个树型的耦合器

就是在波导上

通过这三个工艺都可以做出来

相应的耦合器

这是我们讲的光耦合器

耦合器主要的是实现功率的分配

那我们下面要讲的复用与解复用器

实际上实现波长的分配

波分复用技术

是将发端的多路波长信号

耦合进同一种光栅

所以在发端我们把它叫做复用器

然后通过光纤传输在末端

又用解复用器把它分开

所以大家可以看到复用解复用器

就是实现波长信号的耦合或分离

那复用器和解复用器的道理

基本上是相同的

对它的要求共同的要求是插损比较低

串音比较小

通频带比较宽

但由于它的输入输出的方向不同

因为解复用器大家知道是在末端

它是与探测器相连

所以可以相对做它的

数值孔径相对比较大一点

其它的基本区别不大

然后我们看一下复用器和解复用器的类型

第一种叫做角色散型

它的核心就是利用一种棱镜色散

大家知道棱镜

可以把不同波长的波沿不同的方向来分开

所以它当然可以也实现一个解复用的效果

反过来它就是复用器

这个结构简单

价格低廉

但是它棱镜的体积大

色散系数较小

而且它的波长与出射的角度不是线性的

它是非线性

所以它的调节起来不太好调节

下面这个图是一种光栅型的解复用器

就是利用了这个光栅

光栅大家知道不同的方向

不同波长的光沿不同的方向散开

通过光栅

所以它用第一个透镜

先把这个输入的光变成平行光通过光栅

然后分开用第二个透镜再聚焦

就沿着不同的方向解复用

好

这是我们说的它的工作原理

刚才用到这种光栅是一种透射型的

所以

下面这个图是一种实用的光栅解复用器

为什么它实用呢

大家也可以看到

它这个把这刚才的透射光栅

变成了个闪耀的反射光栅

从这端进来

然后再返回去

所以

这样的话它就会降低这个体积

对不对

而且

它把它那个自聚焦使用的晶体

代替玻璃的透镜

做成这种晶体

让它具有这个自聚焦的功能

所以它的那个总的体积就会减小

处理起来就会比较方便

所以叫做实用型的

这是第一种形式

再看第二种形式

干涉型的光复用解复用器

这里有包括M-Z 形式的滤波器

看这个图

由DC1 DC2是两个定向的耦合器

这个耦合器里边

有两个比L₁L₂有一定的长度差叫Δl

1口输入的光进来以后

通过3口和4口输出

输出的光功率与输入功率的比值

可以用如下的这个公式来表示

B₁₃

B₁₄

大家可以看到这输出的功率

实际上和什么和波长有关系

和折射率有关系

和两个臂的光程差有关系

我们把它画出图来

B₁₃ B₁₄大家同样的和刚才

讲的那个耦合器的那个一样

对不对

所以你只要参数匹配的话

从一个口进来的信号

就可以让它一个从3出

一个从4

实现两个波长的解复用

对不对

那刚才的只是两个端口

那我想更多的波长怎么办

我就可以采取把这个

M-Z滤波器进行级联的方式

这个图就给出了

四个波长进来我分成四路

所以实现了四个波长解复用

那更多的就可以实现更多波长

再看一下干涉膜型

如图是一个干涉膜型的解复用器

干涉膜的核心思想

就是我这里画圈的地方

这里做着这个镀的膜

这个膜让它具有增反增透的效果

增反增透

所以在这些地方

比如说在右上那个口

它的波长λ1可以透射其它的波长反射

然后在左边这个口

λ2透射其它的3 4反射

然后那

在剩下那个口

λ3透射λ4反射

所以通过这样一种方式就是用镀膜的方式

有些波长增透有些波长增反

所以把4个波长是不是全分开了

这是干涉膜型结构

再看一下

F-P光滤波器型的复用解复用器

它的结构如这个图所示

就是由两块高反射系数

距离为d的平面镜 M₁ M₂构成

当光输入后在这两端

两个镜子多次的反射

那反射以后有

相邻的两束光之间的光程差相同

最后经透镜聚焦以后

就输出了多级透射光

那产生了多光束的干涉

那相应的假如说

我们设这两个平面镜的反射系数

和透射系数相同

定义R是它的镜子的反射率

进行推导

就可以给出F-P的透射系数

由下面这个公式来表示

大家可以看到这个里面有个F这个参数

还有里面与波长有关

画出图来

大家可以看到F较大的时候

实际上它这个透射的这个峰很尖锐

对不对

而且这个透射率和δ有关系

而δ是啥呢

就是2ndk₀

k₀里面 k₀是2π/λ

和波长有关系

所以不同的波长在不同的地方

所以利用这个东西也可以实现解复用

这个我们已经说的很清楚了

再看第四种阵列波导型

阵列波导的结构如下面图所示

由输入波导

输出波导

两个平面耦合波导

和阵列波导组成

如下面这个图

两个输入输出波导

阵列波导

阵列波导是由多个波导

但是它们的长度不一样

两个平板波导

这样一个结构

b图给出了平面波导

实际上它就是让

光进来以后沿不同的方向

实际上实现了这样一个衍射

从而进入不同的阵列波导分支里面

然后取得不同的这个相位差

实际上这样的效果

当这个多波长的光耦合进

某一个输入波导后

所以在第一个的平面波导发生衍射

耦合型阵列波导

阵列波导有好多

长度依次增加的分支波导组成

当光经过这个阵列波导到达

第二个平面波导的时候

它们具有不同的相位延迟

所以在第二个平面

耦合波导里面就会相干叠加

最后表现出类似于光栅的功能

所以实现了波长信道的复用解复用

好我们做一个小结

无源光波导我们这一节讲了

里面的光耦合器

包括全光纤型

微光元件型

集成波导型

光复用和解复用器

讲了角色散型

干涉型

F-P滤波器型

阵列波导型

下一节我们讲

无源器件里面的光隔离器与环形器

光纤光栅

光开关

好

这一节我们就讲到这里

同学们再见