1 / 149

Chapter 2. 光纖通訊元件簡介

Chapter 2. 光纖通訊元件簡介. 本單元撰寫人 : 林依恩 副教授. 光纖通訊元件簡介. 課程題綱 第一部份 : 幾何光學介紹 造鏡者公式 、 ABCD 矩陣、成像 第二部分 : 光纖通訊被動元件介紹 光連接器、光耦合器、微光學元件、光纖光柵 光準直器、光開關、薄膜濾鏡 TFF 、光晶體元件 第三部分 : 光纖通訊主動元件介紹 光纖收發器 、透鏡光纖、平行傳輸模組 第四部分 : 光纖通訊次模組介紹 光塞取器 OADM 、光放大器等 EDFA 、色散補償. 第一部份 : 幾何光學介紹. 現代光學之結構圖. 量子光學. 電磁光學. 波動光學.

lindsay
Download Presentation

Chapter 2. 光纖通訊元件簡介

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Chapter 2. 光纖通訊元件簡介 本單元撰寫人:林依恩 副教授

  2. 光纖通訊元件簡介 課程題綱 • 第一部份:幾何光學介紹 • 造鏡者公式、ABCD矩陣、成像 • 第二部分:光纖通訊被動元件介紹 • 光連接器、光耦合器、微光學元件、光纖光柵 • 光準直器、光開關、薄膜濾鏡TFF 、光晶體元件 • 第三部分:光纖通訊主動元件介紹 • 光纖收發器 、透鏡光纖、平行傳輸模組 • 第四部分:光纖通訊次模組介紹 • 光塞取器OADM、光放大器等EDFA 、色散補償

  3. 第一部份:幾何光學介紹 現代光學之結構圖 量子光學 電磁光學 波動光學 幾何光學

  4. 光學基礎學習目標 讓學員有足夠光學基礎,了解如何能將光由介質A傳遞到介質B 例如 ? 光纖 耦合雷射到光纖 laser ? 光纖 光纖 耦合光纖到光纖

  5. 將會學到的項目 • (1) 鏡片基礎 造鏡者公式 薄鏡片,厚鏡片,鏡片組合 像差計算與補償 • 光纖耦光特性 耦光效率計算 薄膜濾光鏡片光跡計算 • (3) 光纖光學 工作原理 光纖類型 色散及速度限制

  6. 基本定律:Snell’s law Snell’s Law 1 •  為與法線夾角 • 如果 n2 > n1:向下彎曲而收縮 2 n1 n2

  7. Snell’s Law的聚焦能力 注意:光跡並不是平行 h = 0.7 mm h = 1 mm • 利用Snell’s Law可以算出球透鏡聚焦點. • 球透鏡可以用來聚光進入光纖中

  8. 鏡片的幾何光學 單球面上的折射與反射 傍軸近似和一次光學(i.e. small angle, < 15 deg) :

  9. 薄透鏡造鏡者公式

  10. 簡單例題 雙凸透鏡的曲率半徑為2cm，中心厚度為d=2.5cm 物點折射率為n1=1.0，像點折射率為n3=1.33，透鏡折射率為n2=1.5物置於透鏡前4.0cm如下圖,求像的位置? (可用任何算法)

  11. 傍軸近似和一次光學 我們希望能簡化光跡物理計算公式 我們假設光線與光學軸的夾角很小 15deg sin(.262 rad)  0259 10 deg: sin(.175 rad)  0.174 5 deg: sin(.873 rad)  0.872 optic axis 1 deg: sin(30.5 mrad)  30.5 E-3 30 deg: sin(.524 rad)  .5 45 deg: sin(.785 rad)  .707

  12. (1) 物體符號規則 物體是實體 光跡由物體發散出來: so> 0 so 物體是虛像 光跡收聚到物體上: so < 0 so

  13. (2) 成像符號規則 成像是實像 當光跡收聚到像體 : si > 0 si 成像是虛像 當光跡發散到像體 : : si < 0 si

  14. (3) 曲面符號規則  R1 R1> 0 R2< 0 R2 R > 0 當半徑線在右邊(凸面) R < 0 當半徑線在左邊(凹面) R1 R1< 0 R2> 0 R2

  15. (4) 焦距符號規則  聚焦型的鏡片: f > 0 f f 發散型的鏡片 f < 0 在算焦距時,光線由無限遠進來 f f

  16. 常用鏡片形式 planar convex bi-convex • 聚焦或放大光線 • 產生實像或虛像 • 對稱曲率,能做像差的修正 f > 0 f > 0 planar concave bi-concave • 將光線擴張 • 產生實像或虛像 • 增加系統焦距f • 對稱曲率,能做像差的修正 f < 0 f < 0

  17. 光通訊元件常用鏡片 meniscus cylindrical • 在系統中改變焦距或收集光 • 等光程鏡片aplanatic:不會產生像差 • 在只需要一軸放大情況使用多 • 平行傳輸中使用 f > 0 or f < 0 f > 0 or f < 0 graded index (GRIN) ball • 能將發射角大的雷射(diode lasers)聚焦 • 高耦合效率,容易對位 • 不會有像差產生 • 使用在雷射與光纖耦合 • 產生平行光 f > 0 f > 0

  18. 厚透鏡圖示

  19. 厚透鏡公式 高斯公式表示Gauss formula Power formula

  20. 厚透鏡例題 題目:第一主平面與第二主平面同一面n=1.0 ，n’=1.6，n’’=1.3，r1=1.5cm，r2=1.5cm，d=2.0cm，試分別求出各特性點H，H’’，F，F’’及f，f’’值

  21. 薄透鏡組成厚透鏡 如果薄透鏡相距d 如果薄透鏡相互連接d=0

  22. 像差及其消除 色差(Chromatic Aberration) 任何實際的光學材料，對於不同顏色的光之折射率是不同的。因而，一個透鏡對不同顏色的光將有不同的焦點。這樣，即使在單透鏡的情況之下，當光軸上的物點發出多色光經單透鏡成像時，即使在傍軸區域也將得到一系列與各色光對應之像點，這就是透鏡之色像差，簡稱色差(Chromatic Aberration) 球面像差（簡稱：球差） 球差(Spherical Aberration)是指光學系統對軸上物點以單色粗光束成像時所產生的像差。這裹所由的“單色”是一種顏色的光，即波長一定的光。所謂粗光束是相對細光束，即傍軸光束而言的。我們用以下的近似式

  23. 光學成像矩陣法 (Ray Transfer Matrix) 光傳輸矩陣：考慮單一光線傳輸在相同的介質中

  24. (1)直線部分：長度d 基本矩陣與透鏡矩陣之運用 (2)薄透鏡：焦聚長度f (f>0,收斂;f<0,發散) (3)介質分界面： 折射率n1,n2

  25. (4)球面的介質分界面：半徑R 基本矩陣與透鏡之運用 (5)球面鏡：曲率R的半徑 (6)中間用 二次方程式 表示量變曲線

  26. 基本矩陣與厚透鏡矩陣之運用 (7)考慮單一厚鏡片（折射率n2，屈率半徑分別為R1、R2 ，鏡片厚度為d）的矩陣

  27. ABCD矩陣可以融入像差計算 在原來我們所用的ABCD矩陣及造鏡者公式中，並沒有考慮到像差(Aberration)。 在討論光學理論中，完全沒有考慮物理光學(physical optics)的繞射(diffraction)影響，且是近軸光線的高斯光學結果，因此所成的像也都為理想像點。 所謂的像差指的是在一個實際的光學系統中，為了使亮度與視場的要求，但光線並非都是近軸的軌跡，也就是說實際像點和理想像點產生了有些出入的差異，此差異的現象或成像的缺陷稱之為像差。 像差產生的原因有三種：一為繞射影響、二為元件製造生產所要求的公差(tolerance) ，三為真實光線幾何的光學結果。

  28. 例題一 有考慮到像差時，雙凸透鏡的曲率半徑為0.67mm與0.85mm，中心厚度d=0.6mm，物點折射率為斯n1=1.0，透鏡折射率為n2 =1.81，物置於鏡前2.2mm，求像的位置？

  29. 例題二 我們設計雙心光纖準直器到單心光纖準直器的距離為3mm，且中間有一基板厚度為d（這裡假設為1mm）、折射率為1.5的干涉濾鏡，加上原雙心光纖準直器出射光的高度為38.4um，利用簡單的幾何光學可得光到達單心光纖準直器端面時，將向下偏離軸心約17um，角度為向下1.25度。 1.請先計算出如何得到16.35um及1.25 degree 2.繪出16.35um及1.25 degree 如何隨Θ=0.59 角而改變

  30. 什麼是光纖? 光纖是光波導傳播媒介 它包含 : 核心 最中心光波傳導的部分 纖核 核心外面一層,能限制光在核心傳播 披覆 保護層塗模 外套 最外面膠套保護層

  31. 光纖的分類 nc step-indexmultimode nf nc nc step-indexsinglemode nf nc nc GRIN nf nc

  32. 光纖的數值孔徑(NA) 光纖的數值孔徑定義光纖的接收角(cone of acceptance)大小

  33. 步階光纖的數值孔徑 must be > critical angle  nc nf ni 90-t t max

  34. 光纖在不同波長下的散射與衰減 page 297 IR absorption Rayleigh Scattering 89% transmission

  35. 第二部分:光纖通訊被動元件介紹 • 主動元件(第三部份): 需要電力及電子控制 例如:收發器﹑放大器﹑接收器 • 被動元件(第二部份) : 不需要電力及電子控制,不會影響光傳輸訊號 例如:多工器﹑濾波器﹑塞取多工器﹑耦合器﹑ 分歧器﹑泵浦合成器﹑隔絕器﹑保偏耦 合器﹑循環器﹑光開關﹑光纖連接器等｡

  36. 光纖通訊系統所需之關鍵元件 光纖 光纖連接元件 光纖耦合元件 波長多工元件 光開關 光衰減器 光隔絕器 光循環器 濾光器 Laser Diode LED PIN diode APD 光傳送器 光接收器 輸入 訊號 輸出 訊號 (E/O Conversion) (O/E Conversion)

  37. spring Ferrules Fiber Fiber Connector body Sleeve 光纖連結器基本結構

  38. 光纖連接的方法 放電熔接法 接續盒連接法 連結器連接法 光纖連接的三個方式 • 光纖連接的方法 • 連接器連接法 • 熔接連接法 • 接續盒連接法

  39. Ferrules Fiber Fiber P P P r out in Connector body 連接損失的量測 • 插入損失 (IL) 訊號衰減 • 反射損失(RL)(或BR:反射量)干擾雷射光源

  40. 端面研磨反射損失的分級 70 60 55 50 45 40 35 30 20 10 PC :30~40 SPC :40~50 UPC :50~60 APC :60~70 Angled PC Angled Flat lV UPC lll SPC Return Loss (dB) ll l PC Flat 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Insertion Loss (dB) Compiled from SII/Seiko Giken/Chung-Hwa Telecom.

  41. 光纖連接器 • 連接器是一個可拆卸的元件，使用在連接 光纖至光源、檢光器、或其他光纖。 • 好品質的連接器除了外觀機械尺寸公差的控制外，ferrule同心度的品質尤其重要一般SM最大需在1.0mm內，最理想的品質在0.6 mm內

  42. APC型光連接器示意圖

  43. 各種不同光連接器比較

  44. 小型化光連接器分類 • 新世代連接器(小型化)

  45. LC 型連接器結構展開圖

  46. MTRJ 型連接器結構展開圖

  47. FC型光連接器與轉接器結構圖

  48. SC型光連接器與轉接器結構圖

  49. ST型光連接器與轉接器結構圖

  50. 光纖跳接線製作 • 跳接線是將光纖或光纜的兩端接上連接器再經過加工及端面拋光後，可做訊號的傳遞及接續。 • 製作跳接線的重點在於研磨後的反射量及端面的平整度、幾何形狀

More Related