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第5章 光功率发射和耦合

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光纤耦合章动 耦合能量

光纤耦合章动 耦合能量

光纤耦合章动耦合能量
光纤耦合是指将光束从一个光纤传输到另一个光纤的过程。

在
光纤耦合过程中，耦合章动是一个重要的概念。

耦合章动是指由于
光纤之间的不完美匹配而导致的光能损失或者传输效率降低的现象。

这种不完美匹配可能来自于光纤之间的位置偏差、端面不平整、折
射率不匹配等因素。

耦合能量是指光纤耦合过程中光能的传输效率。

在光纤耦合中，我们希望尽可能地将光能从一个光纤传输到另一个光纤，而耦合能
量就是衡量这一传输效率的指标。

耦合能量的高低直接影响着光纤
系统的性能和稳定性。

从光学角度来看，光纤耦合章动和耦合能量的大小与光束的模
式匹配、入射角、光纤端面质量等因素密切相关。

通过优化光束的
模式和入射角，可以减小耦合章动，提高耦合能量，从而提高光纤
耦合的效率。

此外，从工程角度来看，选择合适的耦合器件和采用精密的安
装调试方法也可以改善光纤耦合的性能。

例如，使用适当的耦合器
件（如聚焦透镜、光纤对准器等）可以减小光束的发散角，提高耦
合能量；精密的安装调试方法可以减小光纤之间的位置偏差，减小耦合章动，提高耦合能量。

总的来说，光纤耦合章动和耦合能量是光纤耦合过程中需要重点关注的问题，通过光学和工程手段的优化，可以提高光纤耦合的效率和稳定性，从而更好地满足实际应用的需求。

源与光纤的耦合

源与光纤的耦合

6.5 光接收机噪声分析
1 数字光纤通信系统的信号变换特点 在数字光纤通信系统中，传输的是由
“0”和“1”组成的二进制光脉冲信号， 这是一种单极性码，即光功率在“接 通”(“1”码)和“断开”(“0”码)两个电平 上变动。
按照“1”码时码元周期T的大小，分 为 归 零 码 (RZ 码 ) 与 非 归 零 码 (NRZ 码 ) 两 种。
(1) 光电检测器 一般采用PIN光电二极管或APD雪崩光电二极管，
它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能 (2) 光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要
多级放大器进行放大，多级放大器的前级为前 置放大器。
一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检 测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端 应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。
包括以下方面： (1)光源特性 (2)调制特性 (3)输出特性
2 光发射机的组成
目前使用的光发射机大多数是直接调制 的光发射机，它的原理如图6-3-1所示。
3 输入电路
输入电路由图6-3-3所示电路组成
6.4光接收机
1 光接收机的组成
光接收机的作用是把接收来的光信号转 变为原来的电信号，它的性能的优劣直 接影响整个光纤通信系统的性能。
6.2 光调制
要实现光纤通信，首先要解决的问题是 如何将电信号加载到光源的发射光束上， 即需要进行光调制。
根据调制与光源的关系，光调制可分为： 直接调制和间接调制。
1 光源的直接调制
直接调制就是将调制信号直接作用在光源上， 把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或 LED，获得相应的光信号。这种方法调制的是 光源的发光强度调制(IM)。
6.1光源与光纤的耦合
从光源发射出来的光功率尽可能多地 送入光纤中传输，这就是光源与光纤的

光源-光纤的耦合和光纤连接器

光源-光纤的耦合和光纤连接器

B 0,max
0
0
cos sindddsrdr
pB0
rm 0
2p
0
sin20,maxdsrdr
pB0
rm 0
2p
0
NA2dsrdr
对于阶跃光纤，NA是常数与s和r无关，于是：
p P LE ,Байду номын сангаасD te p 2rs2B0N2 A
因此：
PLED ,stepPsrasN2PAs2,NA2,
ra
5.3 光纤与光纤的连接
多模光纤的连接 单模光纤的连接
多模光纤的连接
假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光 纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为：
Rn n1 1 n n23 3..6 60 0 1 1..4 48 8 20.174
这相当于17.4%的发射功率反射回光源，与这一R值相对应的 耦合功率由下式给定：
P couple1d RP emitted
由反射造成的功率损耗为：
L1l0 o P P g c eo mui p t tle e1 d dl0 o1g R ()0.8d 3B
有：
p P
B rs 00
02pN2A dsrdr
PLED,graded
2p 2B0
rs 0
n2 (r) n22
rdr
2p
2rs2
B0n121
2
2
rs a
2Ps
n121
2
2
rs a
a
n (r) n n 1 11 (1 2 2 ()r1 //2 a ) n 1 1 (/1 2 )n 20 r r a a
LED发射的光耦合入多模光纤之后，由于非传播模式的能量 衰减，将在开始的~50 m存在注入模式达到稳态的过程。

光纤通信-第五章-光纤线路技术与器件-光环形器

光纤通信-第五章-光纤线路技术与器件-光环形器
磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石榴 石（SIC）等。
偏振相关型光隔离器
由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。
偏振无关型光隔离器
主要技术指标
插入损耗 回波损耗 隔离度
偏振相关损耗（PDL） 偏振模色散（PMD）
插入损耗(IL)
指在光隔离器通光方向上传输的光信号由 于引入光隔离器而产生的附加损耗。
无源器件和有源器件
无源器件(passive device)：本身不发生 光电或电光转换的器件。如光隔离器、 光耦合器、光环形器等实现连接光路、 分配光功率以及合波和分波等作用。
有源器件(active device)：本身会发生光 电或电光转换的器件，如激光器、光电 检测器、光放大器等。
光隔离器(isolator)
套管结构
由插针和套管组成，都是精密的机械结 构和光学结构
光纤固定在插针里，两个插针在套管中 对接并保证两根光纤的对准 套管 插针
光纤
光纤
插针
可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作
陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系 数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，
使用最多
f 2.499±0.0005 f 0.125±0.001
由端口2>端口3;
…… 若端口N输入的光可由
端口1输出，称为环行 器，若不可以，称为准 环行器
应用
双向通信中的重要器件，完成正反向传 输光的分离
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
第五章 光纤线路技术及器件
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术

光纤通信原理第5章光放大器

光纤通信原理第5章光放大器
光纤通信原理第5章光放大器
目录
5.1 概述 5.1.1 半导体光放大器 5.1.2 掺饵光纤放大器 5.1.3 光纤拉曼放大器 5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.2 光放大器基本特性 5.2.1 增益和带宽 5.2.2 饱和输出功率 5.2.3 噪声特性 5.2.4 光放大器存在的问题
4~6 <-40 <0.5 不
5~11
~3 小 <0.5 不 0.05~0.1
~6 小 <0.5 不
WDM NO YES YES YES
PDFA 1310
~2 30
>10 ~6 小 <0.5 不
YES
SOA的最大优点—可以单片集成；最大问题——不适合于多波长工作
5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.1.3 光纤拉曼放大器（FRA）
——普通光纤（几十KM）
s v 分子振动频率
耦合器
原理：
p
图5.1.6 反向泵浦光纤拉曼放大器 受激拉曼散射（SRS) 泵浦激光很强
s p nv
斯托克效应，恰使斯托克散射光的频率与入射光 相同，实现了泵浦光向信号光的能量转移
受激拉曼散射（SRS）原理
在频率为p的入射强光作用 下，物质分子做频率为ν的 周期性调制，使得感应电偶 极矩也做周期性调制。该调 制对入射光散射，使得入射 光的频率发生移动变为s ： 1、斯托克散射光（强）：
SOA慢的多，XGM/XPM很小
图5.3.5 交叉增益饱和引起的信道间串扰
2.全光信号处理——SOA的用途
波长转换器
(WC)工作原
理---利用了
SOA交叉增
强
益调制 弱
（XGM)

激光与光纤耦合技术

激光与光纤耦合技术

图 2.7 等效接收角与光纤孔径角的关系曲线
柱透镜耦合要求所选用的柱透镜直径要和光纤纤芯直径相当，而且要求激光器、柱透 镜、光纤三者的相对位置要极其精确，才能获得较高的耦合效率。 2、自聚焦透镜耦合 自聚焦透镜是一种与常规透镜不同的小型透镜， 实际上是一段梯度光纤， 故又称 GRIN 透镜。自聚焦透镜的聚光能力是依靠折射率的渐变分布实现的，透镜的焦距由透镜的长度 决定。因此，自聚焦透镜的加工简单，其端面只需研磨成平面，外形尺寸较小，且数值孔
7
径较大，适用于狭小空间。理想情况下，自聚焦透镜的折射率分布是双曲正割型，因而可 以完全消除透镜的球差。 但由于制造工艺的影响， 很难形成理想的双曲正割型折射率分布， 而平端自聚焦透镜的球差仍很严重，会聚光斑较大，采用这种自聚焦透镜的耦合系统的耦 合损耗大于 3dB。作为改进，将前端研磨成球面的平凸自聚焦透镜系统可以提高透镜的数 值孔径，并补偿折射率分布，从而使耦合损耗降低到 2dB。若对前端的形状进行优化，可 以得到 ldB 的耦合损耗。但由于平凸自聚焦透镜系统的优化需要精密的测量手段和复杂的 计算，透镜的光学加工需要小曲率球面的精密研磨，这使制造难度和成本增加，因而不适 用于批量生产。 自聚焦透镜耦合就是首先让激光进入一段自聚焦光纤 (GRIN lens)， 即折射率参数为 2 的梯度型折射率光纤，光束强烈的聚焦后，再耦合进光纤中进行传输。自聚焦光纤的折射 率在径向的分布符合下式 :
《光纤通信》课程论文
激光与光纤耦合原理与损耗分析
摘要：
本文首先对激光与光纤的耦合方式进行了介绍，对一些耦合方式做了较为详细的分 析，并给出了理论表达式与计算结果。其后对耦合的三种机械损耗进行了分析与计算，并 给出了分析结果。
关键词：
激光 光纤 耦合方式 损耗分析

第5章 光放大器

第5章 光放大器

（1） 宽的增益平坦度（30 nm）。如对1500 nm波 长 区 的 宽 带 信 号 放 大， 最 高 带 宽 已 达 到80 nm， 是 EDFA最佳数据的两倍。在1530～1610 nm的波长区， 得到了20 dB以上的增益，增益平坦度达1.5 dB。 （2） 放大波段向长波长移动。硅和氟EDFA大约
拉曼光纤放大器的主要问题在于所需泵浦的种类， 其次是如何使放大器本身作为一个谐振腔来获得高数 量级的拉曼效应。 目前， 拉曼光纤放大器的小信号增 益为30 dB， 饱和输出功率为+25 dBm， 特别适于作光 功率放大级。
5.4 其他光纤放大器
1. 掺镨光纤放大器（PDFA） EDFA光纤放大器只能对1550 nm波段的光信号进 行放大，为了能对1310 nm波段的光信号进行放大， 人们在光纤中掺入镨。PDFA具有高的增益（约30 dB） 和高的饱和功率（20 dBm），适用于EDFA不能放大
放 大器
电 光变 换 (E /O )
光纤
光 的范 围
电 的范 围
光 的范 围
图5.1 传统的中继器原理框图
尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的 通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相 当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长 就需要N个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面， 对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大。 因 此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带 宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大，因而只需 一个放大器即可。 人们经过很大的努力， 终于研制成
模光纤的构造一样， 如图5.3所示。 铒离子位于EDF的
纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸 收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。

第5章光纤耦合理论

第5章光纤耦合理论
7
∂Aj
∂Aj
多束同频光的非线性耦合
l
频率相同的不同光波应当具有不同的偏振方向或者传输 方向。
(s) ( z, T ) ∂Ap
(s) (s) ( z , T ) 1 ( s )(3) ( z, T ) ∂ 2 Ap ∂ 3 Ap i ( s )(2) s + β p (ω0 ) − β p (ω0 ) 2 2 6 ∂z ∂T ∂T 3 (s) α p (s) (s) (s) ( z , T ) + iΓ (ps ) Ap ( z , T ) − Ap = iδ p 2
3
Bao-Jian Wu, et al. Characteristics of magneto-optic fiber Bragg gratings for use in optical signal processing, Optical Fiber Technology, 2009,15(2): 165-171
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2
−1 −2 −3 −4 −2
0 x/κg
2
0 x/κg
2
δ = (ω − ω B )n c , ω B = β B c n κ g =k0 ∆n1 > 0
4
5.3 光纤非线性光控光机理
l l
非线性光学经常在频域内讨论介质的极化过程，通 过傅里叶变换引入介质极化率张量。 三阶复电极化强度与复电场之间的关系：
m,n, q
P (3) (ω , t ) = ε 0
Ø
∑
χ (3) (ω | ωm , ωn , ωq )gE (ωm , t )E (ωn , t )E (ωq , t )

光模块耦合原理

光模块耦合原理

光模块耦合原理一、概述光模块耦合是指将光学信号从一个光学器件（如激光器或LED）传输到另一个光学器件（如接收器或其他光学设备）的过程。

它是现代通信和计算机技术中不可或缺的一部分。

本文将详细介绍光模块耦合的原理。

二、传输介质在进行光模块耦合时，需要使用一个传输介质来将光信号从一个器件传输到另一个器件。

常用的传输介质有两种：一种是光纤，另一种是自由空间。

2.1 光纤光纤是一根具有高折射率的玻璃或塑料材料制成的细长柔性管道，可以将光信号通过反射和折射在内部进行传输。

在进行光模块耦合时，通常使用单模或多模光纤来连接两个器件，以便实现高速、稳定和可靠的数据传输。

2.2 自由空间自由空间指无任何障碍物存在的空气或真空环境，在这种环境下可以通过直接发射和接收来实现两个器件之间的通信。

在进行自由空间耦合时，通常需要使用透镜、反射镜和光栅等光学元件来控制光束的传输和聚焦。

三、耦合方式在进行光模块耦合时，需要选择一种适当的耦合方式来实现两个器件之间的连接。

常用的耦合方式有两种：一种是直接耦合，另一种是间接耦合。

3.1 直接耦合直接耦合是指将两个器件直接连接在一起，以便实现光信号的传输。

在进行直接耦合时，需要将两个器件的输出端和输入端精确对准，并使用适当的夹具或支架来保持它们之间的距离和角度不变。

3.2 间接耦合间接耦合是指通过一个中介物来将两个器件连接起来。

中介物可以是一个透明材料（如玻璃或塑料）或一个反射表面（如金属或镜子）。

在进行间接耦合时，需要将中介物放置在两个器件之间，并使用适当的光学元件来控制光束的传输和聚焦。

四、影响因素在进行光模块耦合时，有许多因素会影响其性能和效率。

以下是其中几个主要因素。

4.1 准直度准直度是指光束的方向和角度是否正确。

如果光束的方向或角度偏离了正常值，将会导致信号损失和噪声增加。

4.2 聚焦度聚焦度是指光束的直径和形状是否正确。

如果光束的直径或形状不正确，将会导致信号强度减弱和失真。

入纤光功率与直接耦合效率的计算公式

入纤光功率与直接耦合效率的计算公式

入纤光功率与直接耦合效率的计算公式
入纤光功率（Pin）与直接耦合效率（ηdc）之间的计算公式如下：ηdc = (Pout / Pin) * 100
其中，Pout为从光源输出的光功率，通常以毫瓦（mW）或者分贝（dBm）为单位。

Pin为经过耦合器件（如耦合光纤）输入到接收器的
光功率。

需要注意的是，由于耦合过程中存在一些损耗，直接耦合效率通
常小于100%。

此外，还需要考虑其他因素对直接耦合效率的影响，例如耦合器
件的质量、对齐精度、波长匹配、功率稳定性等。

不同的应用场景可
能需要考虑不同的因素。

值得一提的是，在实际工程应用中，还可以利用光源的输出功率
和接收器的灵敏度来计算最佳输入功率范围，以达到最佳性能和传输
距离。

总结起来，入纤光功率与直接耦合效率之间的关系可以用简单的公式表达，但是具体的计算和分析需要结合具体的实验条件、耦合器件和应用场景进行综合考虑。

光器件耦合原理

光器件耦合原理

光器件耦合原理光器件耦合是指将光源和光接收器之间的光信号传输的一种技术。

在光通信领域中，光器件耦合是非常重要的一环，它直接关系到光信号的传输效率和质量。

光器件耦合原理主要包括光耦合的基本概念、光耦合的方法以及光器件耦合的优缺点等内容。

光耦合的基本概念是指将光源发出的光信号经过某种方法传输到光接收器上的过程。

在光通信系统中，光源可以是光纤、激光二极管或者其他光发射器件，而光接收器可以是光电二极管、光电探测器等光接收器件。

光源发出的光信号通过光耦合的方法传输到光接收器上，完成光通信的过程。

光耦合的方法主要包括直接耦合和间接耦合两种。

直接耦合是指光源和光接收器之间直接相连，光信号通过光纤或者其他光导体传输。

直接耦合的优点是传输效率高，传输距离远，传输速度快。

但是直接耦合也存在一些问题，例如光源和光接收器之间的对齐需要非常精确，光纤或者光导体的损耗也会影响光信号的传输质量。

间接耦合是指在光源和光接收器之间使用光耦合器件进行信号传输。

光耦合器件可以是光纤耦合器、光纤插件等。

间接耦合的优点是对光源和光接收器的对齐要求相对较低，光信号的传输损耗也较小。

然而，间接耦合也存在一些问题，例如耦合器件的成本较高，对光源和光接收器的封装要求较高。

光器件耦合的优点在于可以通过光耦合的方法将光信号传输到目标位置，完成光通信的过程。

光器件耦合的缺点在于对光源和光接收器的要求较高，耦合的精度需要保持在一定的范围内，否则会影响光信号的传输效率和质量。

此外，光器件耦合还需要考虑光信号的传输距离、传输速度以及光信号的传输损耗等因素。

总结起来，光器件耦合原理是光通信中非常重要的一环。

光耦合的基本概念是指将光信号从光源传输到光接收器的过程。

光耦合的方法包括直接耦合和间接耦合两种。

光器件耦合的优点在于可以实现高效、高质量的光信号传输，但是也存在一些问题需要解决。

光器件耦合的研究和应用对于光通信技术的发展具有重要的意义。

光纤耦合

光纤耦合

8 omega_y = 0.47e-6; %LED的y方向强度半径
9 P_LED = 500e-6;
%LED的输出光功率
10
第 4 章 高斯光束和光纤耦合
BUAA
11 t11x = dblquad(@(r,theta)(exp(-2*r.ˆ2/omega_xˆ2).*r),0,a,0,2*pi,1e-16);
何 效率定义为：
疑 问，
η = PF PS
(4.109)
可
以 式中，PF为耦合进光纤的光功率；PS为光源发射出的全部光功率。发射效率或耦合效率取决
凭 于和光源连接的光纤类型和耦合实现的过程，例如是否采用透镜或其他耦合改进方案。
在 线
实际上，许多光源供应商提供的光源都附带一小段长度（1m或更短）的光纤，以便使其
卡 登
一个120◦半功率光束宽度的朗伯分布），而T 的值则要更大些。对于半导体激光器，L的值可 录
能超过100。
MATLAB
【例 4.6 】 在MATLAB中作图比较一个朗伯光源和一个半导体激光器的输出水平方向
图，此半导体激光器具有水平方向（φ = 0◦）的2θ = 15◦的半功率光束宽度。
中
【分析】 对于这种半导体激光器，从式(4.111)可得B(θ = 7.5◦, φ = 0◦) = B0进光纤的光功率；Ps是LED光源的总输出光功率。
何 疑 问，
可
使用小角度近似，首先在光纤的有效立体接收角上积分，其值为πNA2sm，这里NAsm是单 模光纤的数值孔径。假定光源的输出为高斯分布，然后将LED与纤芯半径为a的单模光纤对接
耦合，那么在x、y方向的耦合效率分别为：
Ps,
(rs > a)
4.3.3 LED与单模光纤的光功率耦合

光纤通信第三版pdf完全版本光纤通信原理与技术

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相关信息：【作者】（美）Gerd Keiser【格式】超星转成的pdf【译者】李⽟权等【 ISBN 】7-5053-7637-3【出版社】电⼦⼯业出版社【系列名】国外电⼦通信教材【出版⽇期】2002年7⽉【版别版次】2002年7⽉第⼀版第⼀次印刷【简介】本书是⼀本系统介绍光纤通信知识的专著。

全书共分为13章，内容涉及光纤传输原理和传输特性、半导体光源和光检测器的⼯作原理及⼯作特性、数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统、光放⼤器的⼯作原理和性能、WDM系统原理、光⽹络以及光纤通信系统测量。

本书理论体系严谨，内容深⼊浅出，并且紧密联系实际，是通信⼯程及相关专业⾼年级本科⽣、研究⽣的⼀本好教材，也是通信⼯程师的⼀本很好的参考书。

【⽬录】第1章光纤通信总览1.1 基本的⽹络信息速率1.2 光纤光学系统的演进1.3 光纤传输链路的基本单元1.4 仿真与建模⼯具1.4.1 仿真和建模⼯具的特征1.4.2 编程语⾔1.4.3 PTDS仿真和建模⼯具1.5 本书的使⽤和扩展1.5.1 参考资料1.5.2 CD—ROM中的仿真程序1.5.3 光⼦学实验室1.5.4 基于Web的资源参考⽂献第2章光纤：结构、导波原理和制造2.1 光的特性2.1.1 线偏振2.1.2 椭圆偏振和圆偏振2.1.3 光的量⼦特性2.2 基本的光学定律和定义2.3 光纤模式和结构2.3.1 光纤分类2.3.2 射线和模式2.3.3 阶跃折射率光纤结构2.3.4 射线光学表述2.3.5 介质平板波导中的波动解释2.4 圆波导的模式理论2.4.1 模式概述2.4.2 对关键的模式概念的归纳2.4.3 麦克斯韦⽅程2.4.4 波导⽅程式2.4.5 阶跃折射率光纤中的波动⽅程2.4.6 模式⽅程2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式2.4.8 线偏振模2.4.9 阶跃折射率光纤中的功率流2.5 单模光纤2.5.1 模场直径2.5.2 单模光纤中的传播模2.6 梯度折射率光纤的结构2.7 光纤材料2.7.1 玻璃纤维2.7.2 卤化物玻璃纤维2.7.3 有源玻璃纤维2.7.4 硫属化合物玻璃纤维2.7.5 塑料光纤2.8 光纤制造2.8.1 外部汽相氧化法2.8.2 汽相轴向沉积法2.8.3 改进的化学汽相沉积法2.8.4 等离⼦体活性化化学汽相沉积法2.8.5 双坩埚法2.9 光纤的机械特性2.10 光缆习题参考⽂献第3章光纤中的信号劣化3.1 损耗3.1.1 损耗单位3.1.2 吸收损耗3.1.3 散射损耗3.1.4 弯曲损耗3.1.5 纤芯和包层损耗3.2 光波导中的信号失真3.2.1 信息容量的确定3.2.2 群时延3.2.3 材料⾊散3.2.4 波导⾊散3.2.5 单模光纤中的信号失真3.2.6 偏振模⾊散3.2.7 模间⾊散3.3 梯度折射率光波导中的脉冲展宽3.4 模式耦合3.5 单模光纤的优化设计3.5.l 折射率剖⾯3.5.2 截⽌波长3.5.3 ⾊散计算3.5.4 模场直径3.5.5 弯曲损耗习题参考⽂献第4章光源4.1 半导体物理学专题4.1.1 能带4.1.2 本征材料和⾮本征材料4.1.3 pn结4.1.4 直接带隙和间接带隙4.1.5 半导体器件的制造4.2 发光⼆极管(LED)4.2.1 LED的结构4.2.2 光源材料4.2.3 量⼦效率和LED的功率4.2.4 LED的调制4.3 半导体激光器4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件4.3.2 半导体激光器的速率⽅程4.3.3 外量⼦效率4.3.4 谐振频率4.3.5 半导体激光器结构和辐射⽅向图4.3.6 单模激光器4.3.7 半导体激光器的调制4.3.8 温度特性4.4 光源的线性特性4.5 模式噪声、模分配噪声和反射噪声4.6 可靠性考虑习题参考⽂献第5章光功率发射和耦合5.1 光源⾄光纤的功率发射5.1.1 光源的输出⽅向图5.1.2 功率耦合计算5.1.3 发射功率与波长的关系5.1.4 稳态数值孔径5.2 改善耦合的透镜结构5.2.1 ⾮成像微球5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合5.3 光纤与光纤的连接5.3.1 机械对准误差5.3.2 光纤相关损耗5.3.3 光纤端⾯制备5.4 LED与单模光纤的耦合5.5 光纤连接5.5.1 连接⽅法5.5.2 单模光纤的连接5.6 光纤连接器5.6.1 连接器的类型5.6.2 单模光纤连接器5.6.3 连接器回波损耗习题参考⽂献第6章光检测器6.1 光电⼆极管的物理原理6.1.1 pin光电⼆极管6.1.2 雪崩光电⼆极管6.2 光检测器噪声6.2.1 噪声源6.2.2 信噪⽐6.3 检测器响应时间6.3.1 耗尽层光电流6.3.2 响应时间6.4 雪崩倍增噪声6.5 InGaAsAPD结构6.6 温度对雪崩增益的影响6.7 光检测器的⽐较习题参考⽂献第7章光接收机7.1 接收机⼯作的基本原理7.1.1 数字信号传输7.1.2 误码源7.1.3 接收机结构7.1.4 傅⾥叶变换表⽰7.2 数字接收机性能7.2.1 误码概率7.2.2 量⼦极限7.3 接收机性能的详细计算7.3.1 接收机噪声7.3.2 散弹噪声7.3.3 接收机灵敏度计算7.3.4 性能曲线7.3.5 ⾮零消光⽐7.4 前置放⼤器的类型7.4.1 ⾼阻抗FET放⼤器7.4.2 ⾼阻抗双极晶体管放⼤器7.4.3 互阻抗放⼤器7.4.4 ⾼速电路7.5 模拟接收机习题参考⽂献第8章数字传输系统8.1 点到点链路8.1.1 系统考虑8.1.2 链路的功率预算8.1.3 展宽时间预算8.1.4 第⼀窗⼝传输距离8.1.5 单模光纤链路的传输距离8.2 线路编码8.2.1 NRZ码8.2.2 RZ码8.2.3 分组码8.3 纠错8.4 噪声对系统性能的影响8.4.1 模式噪声8.4.2 模分配噪声8.4.3 凋嗽8.4.4 反射噪声习题参考⽂献第9章模拟系统9.1 模拟链路概述9.2 载噪⽐9.2.1 载波功率9.2.2 光检测器和前置放⼤器的噪声9.2.3 相对强度噪声(RIN)9.2.4 反射对RIN的影响9.2.5 极限条件9.3 多信道传输技术9.3.1 多信道幅度调制9.3.2 多信道频率调制9.3.3 副载波复⽤习题参考⽂献第10章 WDM概念和器件10.1 WDM的⼯作原理10.2 ⽆源器件10.2.1 2x 2光纤耦合器10.2.2 散射矩阵表⽰法10.2.3 2x 2波导辊合器10.2.4 星形精合器10.2.5 马赫—曾德尔⼲涉仪复⽤器10.2.6 光纤光栅滤波器10.2.7 基于相位阵列的WDM器件10.3 可调谐光源10.4 可调谐滤波器10.4.1 系统考虑10.4.2 可调谐滤波器的类型习题参考⽂献第11章光放⼤器11.1 光放⼤器的基本应⽤和类型11.1.1 ⼀般应⽤11.1.2 放⼤器的类型11.2 半导体光放⼤器11.2.1 外泵浦11.2.2 放⼤器增益11.3 掺饵光纤放⼤器11.3.1 放⼤机制11.3.2 EDFA的结构11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益11.4 放⼤器噪声11.5 系统应⽤11.5.1 功率放⼤器11.5.2 在线放⼤器11.5.3 前置放⼤器11.5.4 多信道运⽤11.5.5 在线放⼤器增益控制11.6 波长变换器11.6.1 光栅波长变换器11.6.2 光波混合波长变换器习题参考⽂献第12章光⽹络12.1 基本⽹络12.1.1 ⽹络拓扑12.1.2 ⽆源线形总线的性能12.1.3 星形结构的性能12.2 SONET／SDH12.2.1 传输格式和速率12.2.2 光接⼝12.2.3 SONET／SDH环12.2.4 S0NET／SDH⽹络12.3 ⼴播选择WDM⽹络12.3.1 ⼴播选择单跳⽹12.3.2 ⼴播选择多跳⽹12.3.3 洗牌⽹多跳⽹12.4 波长路由⽹12.4.1 光交叉连接12.4.2 波长变换器的性能评估12.5 ⾮线性对⽹络性能的影响12.5.1 有效长度与⾯积12.5.2 受激拉曼散射12.5.3 受激布⾥渊散射12.5.4 ⾃相位调制和交叉相位调制12.5.5 四波混频12.5.6 ⾊散管理12.6 WDM⼗EDFA系统的性能12.6.1 链路带宽12.6.2 特定BER所需的光功率12.6.3 串扰12.7 孤⼦12.7.1 孤⼦脉冲12.7.2 孤⼦参数12.7.3 孤⼦宽度和间隔12.8 光CDMA12.9 超⾼容量⽹络12.9.1 超⼤容量WDM系统12.9.2 ⽐特间插光TDM12.9.3 时隙光TDM习题参考⽂献第13章测量13.1 测量标准和测试过程13.2 测试设备13.2.1 光功率计13.2.2 光衰减器13.2.3 可调谐激光器13.2.4 光谱分析仪13.2.5 光时域反射仪13.2.6 多功能光测试系统13.3 损耗测量13.3.1 截断法13.3.2 插⼊损耗法13.4 ⾊散的测量13.4.1 模间⾊散13.4.2 模间⾊散的时域测量13.4.3 模问⾊散的频域测量13.4.4 ⾊度⾊散13.4.5 偏振模⾊散13.5 0TDR的场地应⽤13.5.1 0TDR轨迹13.5.2 损耗测量13.5.3 光纤故障定位13.6 眼图13.7 光谱分析仪的应⽤13.7.1 光源特性13.7.2 EDFA增益与噪声系数的测试习题参考⽂献附录A 国际单位制附录B 常⽤的数学关系附录C 贝塞⽿函数附录D 分贝附录E 通信理论专题附录F ⾊散因⼦。

光纤通信技术第五章光无源器件(1)汇总

光纤通信技术第五章光无源器件(1)汇总

（1）T型耦合器
这是一种2×2的3端耦合器，如图5.8（a） 所示，它的功能是把一根光纤输入的光信号按 一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入 的光信号组合在一起输入一根光纤。这种耦合 器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组 合器。
（2）星型耦合器
这是一种n×m耦合器，如图5.8（b）所示， 它的功能是把n根光纤输入的光功率组合在一 起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相 等。这种耦合器常用作多端功率分配器。
1. 光纤型耦合器
光纤型耦合器是把两根或多根光纤排列，
用熔融拉锥法制作出来的器件。熔融拉锥法就 是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定 的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧 拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波 导结构，实现传输光功率耦合的一种方法，这 种方法的系统框图如图5.9所示。
图5.9 熔融拉锥系统示意图
图5.1示出套筒结构的光 纤连接器简图，包括用于对 中的套筒、带有微孔的插针 和端面的形状（图中画出平 面的端面）。光纤固定在插 针的微孔内，两支带光纤的 插针用套筒对中实现连接。 以下文中提到的光纤连接器 都指的是光纤活动连接器。
图5.1 套筒结构光纤连接器简图
对光纤连接器的基本要求是使发射光纤输出的光 能量最大限度地耦合进接收光纤。光纤连接器是光纤 通信中应用最广泛、最基本的光无源器件。光纤连接 器的“尾纤”（即一端有活动的连接器光纤）用于和 光源或检测器耦合，以构成发射机或接收机的输出/输 入接口，或构成光缆线路及各种光无源器件两端的接 口。光纤连接器跳线（即两端都有光纤活动连接器的 一小段光纤）用于终端设备与光缆线路及各种光无源 器件之间的互连，以构成光纤传输系统。
重复性是指光纤（缆）活动连接器多次插拔后插 入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件 互换时插入损耗的变化，也用dB表示。 这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺 的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。影响 插入损耗的各项因素，也同时影响着连接器的重复性 和互换性，因而这些因素的改善也会有效地提高重复 性和互换性的性能指标。

第5章-光波导耦合理论与耦合器

第5章-光波导耦合理论与耦合器
第5章 光波导耦合理论与耦合器
5.1光波导耦合的基本理论 5.2导模与辐射模的耦合 5.3 棱镜耦合器 5.4 光栅耦合器 5.5 楔形光波导耦合器 5.6 光波导耦合的其它方法
长春理工大学
第5章 光波导耦合理论与耦合器
5.1光波导耦合的基本理论
将光从一个光学元件引入到另一个光学元件 当中的过程称为光耦合。 使一个模式的功率完全转移到同一波导的另 一模式之中或者两个波导间的能量交换。这种 现象称为光波导耦合。
长春理工大学
第5章 光波导耦合理论与耦合器
由此可见，定向耦合器的耦合区长度仅取决于耦合 系数K。耦合系数越大，能量完全转移所需耦合长度 越小，器件尺寸越小。对于耦合器而言，很难使两条 波导完全相同，即做到 k 0 是十分困难的。 由式（5.1-19)可知，当 L / 2K 时，若相位失配因 子 k 3K ，则波导a中传输的光功率为零。因此， 要想制作高性能的耦合器，必须要使相位失配因子尽 可能小。 根据以上分析可知，两个耦合波导可以通过耦合长 度的不同，实现完全交叉态（从b传输到a）传输或者 完全直通态（从b传输到b）传输。
2k ka Ca kb Cb
（5.1-14)
k 又称位相失配因子。模式耦合导致的光波能量转移， k，即位相匹配时才能实现。假设在 0 只有在 z 0处，只有波导b存在单模光传播，微扰发生在 z 0 区，即
Eb 0 Eb0 ,
Ea 0 0
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第5章 光波导耦合理论与耦合器
若把后退波作为入射波，前进波作为反射波，则可 把z=0处反射波与入射波的功率之比定义为反射率， 可见在相位匹配条件下，反射率为
E y Ea z Eay x exp ika z Eb z Eby x exp ikb z
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下面针对FC、SC和ST这三种连接器作简单的 介绍。

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(1) FC系列连接器

FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采 用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采 用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国 家标准。
光 纤 连 接 器
光纤连接器的结构与种类

光纤(缆)活动连接器是实现光纤(缆)之间活动连接 的光无源器件，它还具有将光纤(缆)与其他无源器件、 光纤(缆)与系统和仪表进行活动连接的功能。
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1. 光纤连接器的结构
第5章 光功率发射和耦合
光源与光纤的耦合 光纤与光纤的耦合
本章主要学习
光源至光纤的功率发射 光路无源器件
教学内容和基本要求
1、教学内容 （1）光源至光纤的功率发射 光源的输出方向、功率 耦合计算、发射功率与波长的关系、稳态数值孔径； （2）光源与光纤的连接、光纤与光纤的连接、连接损 耗、连接方法 ； （3）光纤连接器 。 2、基本要求 了解光源至光纤、光纤与光纤连接过程的基本原理及 连接方法，影响连接的损耗等其它因素。
光隔离器
保证光信号只能正向传输的器件， 避免线路中由于各种因素而产生的反 射光再次进入激光器，而影响激光器 的工作稳定性。 由两个偏振器和一个法拉第旋转器 组成。 主要参数和指标： 插入损耗低，隔离性能好。 隔离衰减的大小用 αi 表示 ： αi=10lg(Pr/Pout) (dB)
A Simple Isolator
二、光纤与光纤的连接
（a）当所有的模式处于 相同的激励状态，则发射 光束充满了光纤的全部输 出数值孔径
（b）对于一个稳态的模 式分布，输出的光束只充 满稳态的数值孔径
1. 光纤与光纤的偶合效率为：
F
M
模式容量
comm E
M
模式数量
2. 光纤与光纤的偶合损耗：
L F 10 log F
5.4 光路无源器件
一．光纤连接器 ——称光纤活动连接器，活动接头。用于设备（光端机、光 测试仪表等）与光纤之间的连接，光纤与光纤之间的连接或 光纤与其它无源器件的连接。 是组成光纤通信系统和测试系统不可缺少的一种重要无源器 件。
光纤连接器应满足如下条件： （1）连接损耗小：单模光纤连接器的插入损耗为0.5dB左右； （2）装、拆方便； （3）稳定性好：连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大； （4）重复性好：一般要求重复使用次数大于1000次； （5）互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换； （6）体积小，成本低
a 2 Ps ( NA ) r s
rs>a
当光纤端面的介质折射率n不同于纤芯折射率n1，耦合进光 纤的功率将降低一个因子大小。
n n R 1 n n 1
2
Pcouple (1 R ) Pemitted
5.2 光源与光纤、光纤与光纤的偶合

图5.3 V形槽结构
图5.5 球透镜耦合结构
图5.6 自聚焦透镜耦合
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2. 光纤活动连接器的种类

光纤活动连接器的品种、型号很多，其中有代 表性的有：FC、ST、SC、D4 、双锥、VF O(球面定心)、F-SMA、MT-RJ连接器等等。
一、光源与光纤的偶合 对光功率的注入分析是基于将光纤的平面端面中心尽 可能地靠近光源。 如果光源发射面积大于光纤纤芯的面积，则最终偶合 进光纤的光功率可以达到最大值。如果光源的发射面积 小于纤芯的面积，可以在光源和光纤之间设置微型透镜 来改善功率偶合效率。 微型透镜功能是扩大光源的发射面积，使之与光纤纤 芯区域精确匹配。
1. 插入损耗

插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后， 其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达 式为：
Ac＝-10lgP1/P0 (dB)
式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1 为输出端的光功率。
2. 回波损耗

回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连 接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数， 表达式为：
(4) 活动连接器跳线的规格

(5) 新型多芯光纤连接器

随着用户通信网规模的扩大、WDM的普及、 电信网／数据网的光纤化乃至多媒体大容量信 息处理设备的发展均推动着光缆向多芯、高密 度方向深入发展，带状多芯光缆需要用多芯光 纤连接器进行连接，多芯带状光纤MT连接器就 应运而生。
光纤连接器特性 评价一个连接器的主要指标有4个，即插入 损耗、回波损耗、重复性和互换性。
a)面发射二极管(朗伯源)
b)边发射二极管
c)实际的辐射模式
因为它的辐射模式，SLED（面）比较适合与多模光纤配合使用，而ELED（边）则 比较适合与单模光纤配套。
面发射的LED利用朗伯光源的 输出方向图表示－任何方向观 察，光源都是等亮度的。
在相对于发射面的θ角度上，光源 发出的功率随cosθ变化，朗伯光源的 发射方向图的关系式如下：
检测、控制使用。有时也需要把两个不同方向来的光信号 合起来送入一根光纤中传输，这些都需要定向耦合器来完 成。 分为棱镜式和光纤式两类
Common
l1
l2
主要参数
（1）隔离度A 端1输入，应从端2和端3输出，端4应无光输出，但实 际上端4还是有少量光功率输出。 A1-4=－10lg （P4/P1 ） （dB） 一般，要求A<20 dB （2）插入损耗L L=-10lg （P2+P3 / P1 ） （dB） 一般要求：L≦0.5 dB （3）分光比T T=P3 / P2 一般定向耦合器的分光比为1：1～10：1


0
2
0
[度B对称，光 纤的端面在光源 发射面中心之上 并且位置尽可能 靠近光源。
在允许的角度以 外的光将损失掉
图5.3 光源偶合进光纤示意图
LED光源发射到阶跃折射率光纤中的光功率：
Ps ( NA )
2
2
PLED
, step
rs≤a
纤芯半径
PLED
, step
L log 0 . 5 log(cos 5 )


log 0 . 5 log 0 . 9962
182
该解说明：半导体激光器的更窄的输出光束可以让更多的光功率偶合进 光纤中。
5.1.2 功率耦合计算
P
rm
dA d
s Af
f
s
B ( As , s ) B ( , ) sin d d ] d s rdr
ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确 保连接时准确对中。
(2) ST型连接器

(3) 不同型号插头互相连接的转换器

对于上述FC、SC、ST三种连接器，在对不同 型号插头连接时，需要转换器进行连接。 由于实际使用情况非常复杂，因而跳线的规格 也多种多样。在选择跳线时，至少有下述几个 参数是需要明确的。
T和L：横向和侧向的功率分 布系数
例5.1：
图5.2 比较了一个朗伯光源和一个半导体激光器的输出 方向图，此半导体激光器具有水平方向（Φ＝0o)的 2θ=10o的半功率光束宽度。在这种情况下，从（5.2） 式可得： B(θ=5o, Φ＝0o)=B0=(cos5o)L=(1/2)B0 求解L，可得到：
三、光衰减器
当输入光功率超过某一范围时，需要对光信号进行 一定程度的衰减，采用金属蒸发膜来吸收光能进行光 衰减，衰减量大小与膜的厚度成正比。 （1）固定衰减器 衰减量固定，具体规格有3、6、10、20、30 dB标准水碱量，误差＜10％ （2）可变衰减器 分为：连续可变和分档可变
光隔离器和环行器

光纤连接器基本上是采用某种机械和光学 结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以 上的光能够通过，目前有代表性并且正在使 用的光纤连接器主要有五种结构。
(1) 套管结构

套管结构的连接器由插针和套筒组成。 双锥结构连接器是利用锥面定位。 V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V 形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准 原理使纤芯对准，(如图4.3所示)。
LD
B ( , ) B 0 cos
沿辐射面法线方向 的辐射强度
(5.1)
边发射的LED和半导体激光器有更复杂的 辐射方向图。辐射角分布近似：
1 B ( , ) sin
2
图5.2 朗伯光源和半导体激光器 的水平输出方向图
B 0 cos
T


cos
2
B 0 cos
L

(5.2)
5.1 光源至光纤的功率发射
5.1.1 光源的输出方向图
发出的光束呈锥体。在一个球面坐标系中，用R、θ， φ表征。见图5.1
图5.1 表征光源辐射方向图的球面坐标系
LED的辐射模式
P P0 cos
LED辐射光的方式如同—个朗伯源。其中θ
是观察方向与发射面垂线之间的夹角； 所以当θ ＝0o时有P=Po。朗伯源产生功 率的一半都集中在一个l20o的圆锥之中。
Ar＝-10lgPR/P0 (dB)
式中：Ar表示回波损耗；P0表示输入光功率；PR 表示后向反射光功率。
3. 重复性

重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插 入损耗的变化，用dB表示。
4.互换性

互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变
化，也用dB表示。
二、光定向耦合器
经常遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为