光器件及基本的光测量.ppt

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1、基本的光纤测量基本的光纤测量基本的光纤测量基本的光纤测量光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光有源器件n n定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源半导体光源半导体光源半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL)(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL)(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL)(LD,LE

2、D,DFB,DBR,QW,VCSEL)半导体光探测器半导体光探测器半导体光探测器半导体光探测器(PD,PIN,APD(PD,PIN,APD(PD,PIN,APD(PD,PIN,APD）光纤激光器（光纤激光器（光纤激光器（光纤激光器（OFL:OFL:OFL:OFL:单波长、多波长）单波长、多波长）单波长、多波长）单波长、多波长）光放大器光放大器光放大器光放大器(SOA,EDFA)(SOA,EDFA)(SOA,EDFA)(SOA,EDFA)光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器(XGM,XPM,FWM)(XGM,XPM,FWM)(XGM,XPM,FWM)(XGM,XPM,FWM)光调制器

3、光调制器光调制器光调制器光开关光开关光开关光开关/路由器路由器路由器路由器原子的激发和辐射原子的激发和辐射E2E1N2N1h 1.自发辐射自发辐射原子处于激发态是不稳定的原子处于激发态是不稳定的会自发跃迁到低能级会自发跃迁到低能级同时放出一个光子同时放出一个光子这个过程叫这个过程叫自发辐射自发辐射2.受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 原子就可能原子就可能吸收吸收光子光子而从低能级跃迁到高能级而从低能级跃迁到高能级这个过程叫这个过程叫受激吸收受激吸收原子就可能原子就可能吸收吸收光子光子而从低能级跃迁到高能级而从低能级跃迁到高能级原子就可能原子就可能吸收吸收光子光子这个过程叫受激吸收这个过程叫受

4、激吸收而从低能级跃迁到高能级而从低能级跃迁到高能级原子就可能原子就可能吸收吸收光子光子当入射光子的能量当入射光子的能量h 等于等于E2 E1时时另有某个能量为另有某个能量为E2的高能级的高能级若原子处在某个能量为E1的低能级 若入射光子的能量若入射光子的能量h 等于原子高、低等于原子高、低 能级的能量差能级的能量差E2 E1 且高能级上有原子存在时且高能级上有原子存在时 入射光子入射光子的电磁场就会诱发原子的电磁场就会诱发原子 从高能级从高能级跃迁跃迁到低能级到低能级 同时同时 放出一个与入射光子放出一个与入射光子完全相同完全相同的光子的光子3.受激辐射受激辐射全同光子全同光子:h E2E1N

5、2N1频率频率 相位相位 振动方向振动方向传播方向传播方向 相同相同受激辐射有光放大作用受激辐射有光放大作用好激光器：好激光器：1 s 10ms980nm980nm E3 E1 E21480nm1480nm铒离子（铒离子（ErEr3+3+）的能带结构和光放大原理）的能带结构和光放大原理光耦合器光耦合器(合波器合波器)光隔离器光隔离器光滤波器光滤波器光隔离器光隔离器掺铒光纤掺铒光纤(1050m)泵浦光源泵浦光源光输出光输出EDFAEDFA的组成部分的组成部分的组成部分的组成部分:掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤,泵浦光源泵浦光源泵浦光源泵浦光源,光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器(合波器合波器合波

6、器合波器),),光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器,光滤波器光滤波器光滤波器光滤波器光输入光输入EDFA的增益谱的增益谱PN结结耗尽区耗尽区3)使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）（选频）激励能源激励能源全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光1.光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用1.光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用2)增强增强光放大光放大作用（相当于延长了工作物质）作用（相当于延长了工作物质）1)使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）（沿轴线）1.光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性 光光-电流电流(L-I)特性和光谱特

7、性特性和光谱特性IIIIthth:阈值条件阈值条件阈值条件阈值条件;I;Ithth:阈值电流阈值电流阈值电流阈值电流可靠性较高室温下连续工作时间长光功率电流线性度好价格非常便宜驱动电路较为简单输出功率小发射角大谱线宽响应速度低效率高体积小调制速率快单色性好响应速度高LEDLaser1.在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。2.在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中需要Laser。1、超辐射的概念n n超辐射光是有自发发射光子在增益介质中传播经历了受激放大过程而得到的。我们把放大了的自发发射称为超辐射。n n这是一种强

8、激发状态下定向的辐射现象，当激发密度足够高时，自发发射的光子受激放大呈雪崩式倍增，发光强度随激发强度超线性地急剧增加，谱线宽度变窄，由初始的自发发射占主导地位很快地演变为以受激发射为主要特征。n n理想的超辐射光是一种相位不一致的非相干光。光功率电流特性LD、SLD、LED、ASE比较n nLDLD：1.1.利用受激利用受激辐辐射射，因此，因此功率非常高功率非常高功率非常高功率非常高；2.2.经过经过F-PF-P腔的腔的筛选筛选作用，因此作用，因此输输出光的出光的频谱频谱很窄很窄很窄很窄，光源相干性好。，光源相干性好。n nSLDSLD：1.1.利用受激利用受激辐辐射，射，输输出出功率很高功率

9、很高功率很高功率很高；2.2.没有没有F-PF-P腔的腔的筛选筛选作用（作用（这这是它跟激光器的最大不同），是它跟激光器的最大不同），输输出光的出光的频谱较宽频谱较宽，在几十，在几十nmnm。n nLEDLED：1.1.只利用自只利用自发辐发辐射，射，输输出出功率很低功率很低功率很低功率很低；2.2.输输出光出光频谱较宽频谱较宽，也在几十，也在几十nmnm。ASE:ASE:1.1.只利用自只利用自发辐发辐射，射，输输出出功率功率功率功率较较高高高高；2.2.输输出光出光频谱较宽频谱较宽，也在几十，也在几十nmnm。光探测器光探测器 PN结光电效应结光电效应1.本产品属静电敏感器件，请遵守静电敏

10、感器件的防护措施。2.焊接管脚用的电烙铁应正确接地，以防漏电击穿器件。光电检测器的特性指标光电检测器的工作特性1.响应度在在一一定定波波长长的的光光照照射射下下，光光电电检检测测器器的的平平均均输输出出电电流流与与入入射射的的平平均均光光功功率率之之比比称称为为响响应应度度(或或响响应应率率)。响响应应度度可可以以表表示示如下：如下：式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号表示：2.量子效率式中：e是电子电荷，其值

11、约为1.610-19G；为光频。h是普朗克常数，c是光在真空中的速度,是光电检测器的工作波长。代入相应数值后，可以得到：从上式可以看出：在工作波长一定时，与具有定量的关系。例 能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管的响应度为0.65A/W，如果入射光功率为10uW，则产生的光电流为：例 有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6x106 个，平均产生了 5.4x106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：几种不同材料的pin 光电二极管响应度和量子效率与波长的关系曲线量子效率响应度光子能量一定时，量子效率与光功率无关

12、响应度是光功率的线性函数。0.92 光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管的的的的响响响响应应应应速速速速度度度度是是是是指指指指它它它它的的的的光光光光电电电电转转转转换换换换速速速速度度度度。它它它它取取取取决于以下三个因素：决于以下三个因素：决于以下三个因素：决于以下三个因素：1 1 1 1、耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区的光载流子的渡越时间；2 2 2 2、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；3 3 3 3、光电二极管

13、以及与其相关的电路的、光电二极管以及与其相关的电路的、光电二极管以及与其相关的电路的、光电二极管以及与其相关的电路的RCRCRCRC时间常数。时间常数。时间常数。时间常数。影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w w、吸收系数、吸收系数a as s、等效电容、等效电阻等。、等效电容、等效电阻等。3.响应速度一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的极限速度。例如：耗尽层为10 m的Si光电二极管电场强度：20000 V/cm电子最大速度：8.4 x 106 cm/s空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s极限响应时间：0.1 ns光载流子渡越时间耗尽区

14、内产生的光生载流子光载流子扩散时间耗尽区外产生的光生载流子p区或n区产生的载流子向耗尽区扩散在耗尽区内漂移到电极存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间解决办法：尽量扩大耗尽层宽度扩散速度 漂移速度当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间tr和下降tf 时间来表示。在理想情况下tr=tf，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度远小于漂移速度，使得trtf，造成脉冲不对称。上升时间和下降时间图图 10%90%上升时间和下降时间光电二极管脉冲响应1.为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w必须大于1/as(吸 收系数的倒数)，以便可以吸收大部分的光；2.同时如果w较大，会让

15、二极管结电容C变小，于是RLC常数 变小，从而得到较快的响应；3.但是过大的w会导致渡越时间的增大折衷取值范围：1/as w 2/as不同参数条件下，光电二极管的脉冲响应带宽 设RT是负载电阻和放大器输出电阻的组合，CT是光电二极管结电容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个RC低通滤波器，其带宽为：例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大器电容为4 PF，负载电阻为1 K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT=7 PF，RT=1 K欧姆，所以电路带宽：如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。APD的电流增益，即平均倍增因子M可表示为：式中：Ip为APD倍增后的光生电流；

16、Ip0是未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣除当时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。4.APD的倍增因子5.光电检测器的噪声光电检测器的噪声输出端光信噪比：S/N=光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)为了得到较高的信噪比：1.光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率2.使光检测器和放大器噪声尽可能的低光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光相位的检测光相位的检

17、测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光纤结构光纤结构1.25 104 m8 106 mcore纤芯纤芯 a hair-thin glass fibrecladding包包层层 smaller refractive index than the glass at inner coreprotective coating 涂覆层涂覆层按制造光纤的材料分：按制造光纤的材料分：(1).高纯度熔石英光纤传输损耗低(2).多组分玻璃纤维纤芯包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径 的光纤。(3).塑料光纤成本低、材料损耗大、温度性能差。(4).红外光纤(5).液芯光纤纤芯为液体(6)

18、晶体光纤纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。近红外15m，中红外10 m模式色散的计算模式色散的计算几何光学几何光学包层n2 芯区n1 传输最快的子午线传输最快的子午线 传输最慢的子午线传输最慢的子午线对于，单位长度光纤传输的时延：对于，单位长度光纤传输的时延：多模光纤的模式色散为：多模光纤的模式色散为：n n多模光纤与单模光纤(2)光缆光缆(1)光纤制造光纤制造技术技术光纤制造技术和光缆光纤制造技术和光缆拉丝工艺拉丝工艺拉丝拉丝工艺工艺流程流程拉丝拉丝控制控制系统系统收丝控收丝控制设备制设备预制棒裸光纤光纤拉丝塔结构示意图光纤拉丝塔结构示意图四种光缆结构图四种光缆结构图层绞式骨架式带

19、状束管式光纤制造的关键原料：原料：SiCl4,GeCl4,POCl3,BBr3,O2,He,提纯：过渡提纯：过渡金属离子，金属离子，OH-，.要求达到要求达到ppb量级量级原料提纯原料提纯光纤丝径控光纤丝径控制，温度控制，温度控制制拉制光纤制作中对各制作中对各种参数的精种参数的精确控制确控制预制棒制预制棒制备在具有里程碑意义的理论性论文中，他们表明现存光纤的高损耗理论上是由玻璃中的玻璃中的微小微小杂质-主要是水和金属水和金属-而不是玻璃本身固有的局限造成的。他们预言纤维中的光损失可以从每公里1000分贝急剧降到不到20分贝！n n要将杂质降低到什么程度？要将杂质降低到什么程度？1ppm OH-

20、1ppm OH-,将导致将导致40dB/km 40dB/km 损耗损耗600ppb Cu 600ppb Cu 或或1ppm Fe1ppm Fe，导致，导致120dB/km120dB/km损耗损耗n n关键问题关键问题:如何在制造工艺上降低光纤中的杂质含如何在制造工艺上降低光纤中的杂质含量？量？ppm:ppm:百万分之一百万分之一ppb:ppb:十亿分之一十亿分之一ppt:ppt:万亿分之一万亿分之一光纤的透明度?光纤的最低损耗已低于0.2dB/km相当于传送15公里公里以后，光的强度还有原来的一半一半比喻：假如海水的透明比喻：假如海水的透明度与光纤相同，那么如度与光纤相同，那么如果有一根针沉

21、入果有一根针沉入10公里公里深的海底，人在海面上深的海底，人在海面上可以把针看得非常清楚可以把针看得非常清楚 衰减系数测量衰减系数测量 measurement of attenuation measurement of attenuation coefficientcoefficient n衰减产生的原因衰减产生的原因n光纤衰减定义光纤衰减定义 n光纤衰减的测量方法光纤衰减的测量方法（单模）（单模）（单模）（单模）衰减产生的原因衰减产生的原因分子振动态的改变对光子分子振动态的改变对光子 的吸收的吸收(红外吸收红外吸收)电子跃迁对光子电子跃迁对光子 的吸收的吸收(紫外吸收紫外吸收)杂质离子吸收杂

22、质离子吸收过渡金属离子过渡金属离子OH-（2.73um,1.38um）散射损耗散射损耗Rayleigh散射（散射（-4，由不可避免的，由不可避免的 随机密度波动引起随机密度波动引起）芯芯/包界面不规则包界面不规则材料对光的本征吸收材料对光的本征吸收弯曲损耗（宏观、微观）弯曲损耗（宏观、微观）非线性散射损耗（非线性散射损耗（SBS，SRS）极限损耗极限损耗0.11dB/km0.680.921.551.380.851.300.20.33(dB/km)(m)OH-吸收吸收红外吸收红外吸收紫外吸收紫外吸收Rayleigh散射散射总损耗总损耗光光纤纤衰衰减减是是对对光光信信号号在在光光纤纤中中传传输输时

23、时能能量量损损失失的的一一种种度度量量，单单位位为为dB，在在工工作作波波长长为为时时的的衰衰减减A定义为：定义为：（1）式中：式中：分别为光纤注入端和输出端的光功率。分别为光纤注入端和输出端的光功率。（dB与与dBm）光纤衰减定义光纤衰减定义)(lg10)(21dBppA=l l1p2p 若若光光纤纤是是均均匀匀的的，则则还还可可以以用用单单位位长长度的衰减即衰减系数度的衰减即衰减系数来表示：来表示：（2 2）)/(lg101)(1)(21kmdBppLAL=l ll la a光纤衰减的测量方法光纤衰减的测量方法（单模）（单模）Test methods for the attenuation

24、 剪断法剪断法 The cut-back technique光时域反射法光时域反射法（后向散射法）（后向散射法）(measurement of optical time domain reflectionOTDR)The backscattering technique 插入法插入法 The insertion loss technique 剪断法剪断法The cut-back techniqueThe cut-back technique包包 层层 模模滤滤除除器器（转变为辐射模）注入系统注入系统(充分激励基模充分激励基模)白光源白光源（3）LD（1）LED，EDFA（2）此处此处剪断剪断检

25、测器、锁相检测器、锁相放大，放大，A/D转换，转换，计算机处理显计算机处理显示（示（3）光谱仪光谱仪（2）光功率计光功率计（1）光探测光探测器器（光谱特性要求）卤卤钨钨灯灯、斩斩波波器器、锁锁相相放放大大器器单色仪单色仪被测光纤被测光纤（清洁、光滑、垂直纤轴）滤模器滤模器（去高阶模）12n n将被测光纤接入测量系统，得到 n n保持注入条件不变，在2米处减断光纤，得到n n12两点间的损耗和衰减系数由式1和式2计算得到。测量过程2p1p是是ITU 建建议议规规定定的的光光纤纤衰衰减减的的一一种种替替代代测测试试法法。（活动连接器、法兰盘、FC、SC、ST 跳线）插入法测试系统如下：插入法测试系

26、统如下：插入法插入法 The insertion loss technique光源被测光纤测p1时，将1，2直接相连光功率计12n n选择连接器、清洁光纤n n选择测量波长n n短接12两点，得到n n将被测光纤接入测量系统，得到n n12两点间的损耗由下式计算得到。测量过程1p2p()()APPCa=-1012log(dB)光纤的连接常采用两种办法一种是要求两根光纤（缆）的连接固定、永久。在光缆施工中，因为一盘光缆的长度一般在2km以内，所以两根光缆的接续要采用熔接机将它们熔融相连。另一种是光纤与光发射机（附带尾纤）、光接收机或仪表之间的连接，或者是与另一根光纤暂时性的连接，就要用到连接器。

27、连接器是易出故障的器件，也是用途最广泛的无源器件，我们有必要对其结构性能等有所了解。连接器连接器芯径失配纤芯不同心折射率分布失配横向偏移轴向倾角端面粗糙（a）（b）连接损耗机理 连接损耗产生的原因可归为两类：一类是光纤公差引起的固有损耗，如芯径、折射率指数等的失配，如图所示。另一类是连接器加工装配引起的外部损耗。外部损耗往往是主要的，其中间隙和横向偏移造成的损耗占有较大的比例。连接损耗连接损耗常用的连接器型号有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型。分子部分表示外部加强件的材料、固定方式：FC是金属套筒，卡口螺旋 式；SC是插拔式，外壳为矩形；ST是弹簧带锁卡口结构。

28、分母部分表示内部光纤端面的处理形式：PC是端面做成凸球面形，APC是端面处理成斜面。连接器型号和参数连接器型号和参数FC是金属套筒，卡口螺旋式PC是端面做成凸球面形FC/PC型接连器，插入损耗小，适用于长距离干线网。APC是端面处理成斜面。值得说明的是，APC连接器端面的倾斜面为80。因为标准单模光纤的数值孔径是0.13，这相当于7.50（NA=sin0），所以80的倾斜角使反射光角度大于接收角。这是为了保证光传输到两光纤端面产生部分反射时，反射光不致反射传播回去，而是近距离消失。SC是插拔式，外壳为矩形；ST是弹簧带锁卡口结构光无源器件n n定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器

29、固定、活动光纤连接器（固定、活动光纤连接器（固定、活动光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC,FC/PC,FC/APC,FC/PC,FC/APC,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器光纤定向耦合器光纤定向耦合器光纤定向耦合器/分支器分支器分支器分支器光分插复用器（光分插复用器（光分插复用器（光分插复用器（OADM)OADM)OADM)OADM)光波分光波分光波分光波分/密集波分复用器（密集波分复用器（密集波分复用器（密集波分复用器（WDM/DWDM)WDM/DWDM)WDM/DWDM)WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光衰减器（固定、连续）光衰减器（固定、连续）光衰减器（

30、固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅多波长光源多波长光源DWDM光调制器光调制器光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器光波长转换光波长转换光放大光放大DWDM光色散补偿光色散补偿光隔离器光隔离器光环行器光环行器光波长转换光波长转换OADMDWDM光隔离器

31、光隔离器光环行器光环行器光开关光开关光器件的应用光器件的应用可调谐滤波可调谐滤波DWDMOXC光耦合器光耦合器光调制解调光调制解调光耦合示意P2P1P0耦合器的分类光纤耦合器波导耦合器衬底SiO222 光纤耦合器耦合区W锥形区L锥形区L拉伸区2L+WL：由拉伸时决定W：由加热的火焰宽度决定P1和P2跟什么因素有关?耦合器内的光功率分布：随位移的变化假设耦合器无损耗k 是耦合系数f1=f2-p/2f1=f2-p/2P1和P2与拉伸区宽度有关z耦合器内的光功率分布：随波长的变化P1和P2与入射波长有关例如成品上会标注：1550 nm 50:5022光纤耦合器的参数11NM星形耦合器 光耦合器NN1

32、NP1/NP1/NP1/N2212光纤耦合器的插入损耗？MZI干涉仪的插入损耗？WDMWDM的重要意义波分复用(WDM)全光网关键技术WDM的工作原理的工作原理在13001600 nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播。例：这两个低损耗波长窗口可以容纳 290 个40-Gb/s PSK信号点到点的波分复用系统波分复用器100 GHz间隔的WDM信道频谱基于相位阵列的WDM器件相邻波导长度差DL阵列波导光栅AWG是MZI的扩展NN波分复用与解复用器波分复用与解复用器(WDM)波分复用器波分复用器(合波器合波器)1 2 3 1.n解复用器解复用器(分波器分波器)1 2

33、 3 1.n WDM是用于光纤通信的是用于光纤通信的FDM(频分复用频分复用)技术，其技术，其中，多个光信道是在单根光纤上以不同的光波波长承中，多个光信道是在单根光纤上以不同的光波波长承载的。可以将每个波长想象成可以携带数据的红外范载的。可以将每个波长想象成可以携带数据的红外范围内不同颜色的光。围内不同颜色的光。隔离器是一种只允许光单方向传输的器件。光纤通信系统中的很多光器件如激光器，光放大器对来自连接器，熔接点，滤波器的反射光非常敏感，反射光将导致它们的性能恶化，例如半导体激光器的线宽受反射光的影响会展宽或压缩，甚至可达几个数量级。因此要在靠近这种光器件的输出端放置隔离器，阻止反射光的影响。

34、隔离器由三个功能部件组成，输入偏振器（起偏器），法拉第旋转器和输出偏振器（检偏器)。输入和输出偏振器的作用是将光变成固定偏振方向的线偏振光。隔离器隔离器Magneto-Optic(Faraday)Effects Faraday Rotation法拉第旋转器是使入射光的偏振方向发生旋转变化，旋转的角度由下式决定：式中L是法拉第旋转器的长度，H是法拉第旋转器沿光束传播上所加的磁场强度，单位为A/m（安培/米），对石英光纤，（弧度/安培）。隔离器的工作原理 入射光经过输入偏振器后变成垂直偏振光。经过法拉第旋转器，垂直偏振光的偏振方向旋转了450，输出偏振器的方向设计成450，所以允许其通过；另一方面

35、在隔离器的反方向上，反射光经输出偏振器变成450的线偏振光，经法拉第旋转器又一次旋转450后，变成了水平偏振，由于输入偏振器只允许垂直偏振光通过，所以反射光便无法到达隔离器输入端。Basic Principle Forward Propagation Wave Backward propagation Wave隔离器的工作过程隔离器的主要性能指标有 Improvement:Polarization Insensitivity 1、工作波长 2、典型插入损耗（参考值：0.4dB）3、最大插入损耗（参考值：0.6dB）4、典型峰值隔离度，最小隔离度（参考值：40dB）5、最大偏振灵敏度（参考值：

36、0.05dB）6、回波损耗（参考值：输入/输出60/60dB）环形器有3、4和6端口之分，它是只允许某端口的入射光从确定端口输出的器件，对于3端口环形器，端口1的输入光信号只能从端口2输出，而端口2的输入光信号只能从端口3输出。环形器的主要功能部件为双折射分离元件、法拉第旋转器和相位旋转器。双折射分离元件不仅能使入射光分离成相互正交的偏振光，而且两者具有一定的分裂度，即在空间上可以分离开来。12环形器 33环形器环形器光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光谱的检测光谱的检测光

37、谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光谱的测量OCSULEn nTypicalfiberlossspectrumovertransmissionbands,mainlylinkedTypicalfiberlossspectrumovertransmissionbands,mainlylinkedtosilicaglasspropertiestosilicaglassproperties.00.20.40.612501350145015501650Wavelength(nm)Fiber loss(dB/km)oLoss h

38、as to be controlled over a wide spectrum.n n将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型n n按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。n n单色仪是只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。光谱仪的原理Single pass monochromator Limited close-in dynamic range Fast sweeping用单色仪进行波长扫描，同时对输出光功率进行检测和记录。色散色散oP焦距 f缝平面G透 镜Ldk=0k=1k=2k=3k=-1k=-2k=-3衍射光栅光功率的检测光功率的检测光功率的检

39、测光功率的检测光功率的检测光功率的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光纤损耗的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光谱的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测光相位的检测 光纤相位传感器要求有相应的干涉光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位任务，干涉仪完成相位光强的转换任光强的转换任务。务。相位检测

40、与光纤干涉仪相位检测与光纤干涉仪干涉条件（必要条件）：干涉条件（必要条件）：补充条件：补充条件：叠加光波的光程差不超过波列的长度满足干涉条件的光波，叫相干光波；其光源称为相干光源。相干光波和相干光源注意：干涉的光强分布只与光程差 有关激光的相干性强激光的相干性强相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源几厘米激光可达105千米n n 在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。束或多束相干光。束或多束相干光。束或多束相干光。n n例如，设有光振幅分别为例如，设有光振幅分别

41、为例如，设有光振幅分别为例如，设有光振幅分别为A1A1A1A1和和和和A2A2A2A2的两个相干光的两个相干光的两个相干光的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为中各点的光强可表示为中各点的光强可表示为中各点的光强可表示为一、一、马赫马赫泽德泽德(Machzehnder)(Machzeh

42、nder)光纤干涉仪光纤干涉仪保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。求环境温差不能太大。“正交状态正交状态正交状态正交状态”是指干涉的两臂光波间的相对相位为是指干涉的两臂光波间的相对相位为是指干涉的两臂光波间的相对相位为是指干涉的两臂光波间的相对相位为90909090正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。正交检测方式的优点是探测相位灵

43、敏度最高。二、二、迈克克尔逊(Michlson)光光纤干涉干涉仪三、法布里、法布里珀珀罗(Fabry-Perot)光光纤干涉干涉仪 由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95959595以上。以上。以上。以上。法布里法布里珀罗干涉仪是多光束干涉。根据珀罗

44、干涉仪是多光束干涉。根据光束干涉的原理光束干涉的原理透射的干涉光强的最大值与最小值之比透射的干涉光强的最大值与最小值之比R0.50.80.90.950.991F1.414.479.49 19.49 99.01它与一般法布里它与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。代替以传感器控制反射镜移动实现调相。四、赛格纳克四、赛格纳克(Sagnac)(Sagnac)光纤干涉仪光纤干涉仪干涉仪装在一个可绕垂干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的直于光束平面轴旋转的

45、平台上，且平台以角速平台上，且平台以角速度度转动时，根据赛格转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探向相反的光束到达光探测器的延迟不同。测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。的光延迟。最佳导航者n n地地图图n n罗盘罗盘n nGPSGPSn n陀螺仪 陀螺仪，是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动陀螺仪，是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心可以旋

46、转的刚体转子构成。可以旋转的刚体转子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。用于导航、定位等系统。n n光纤陀螺仪光纤陀螺仪Sagnac效应顺时针：逆时针：时间差：光程差：相位差：速率级光纤陀螺已经产业化，应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点，主要用于战术导弹、近程中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关公司和研究机构是研制、生产的佼佼者