第4章 线路器件与技术

1、第4章 线路器件与技术 提纲 n4.1线路器件 4.1.1光隔离器 4.1.2光环行器 4.1.3光纤连接器 4.1.4光耦合器 4.1.6光纤光栅 4.1.7光衰减器 4.1.8光开关 4.1.9光调制器 n4.2线路技术 4.2.1光复用技术 4.2.2光放大技术 4.2.3色散补偿技术 n光信号在光纤传输线路上传送时，要解决 由光纤损耗、色散及非线性引起的信号衰减和 畸变等问题 光信号的调制、信号的选路、线路的连接、光 信号的分配与控制、杂散光噪声的隔离等一系 列工程实践问题 n需要通过具有特定功能的器件及技术来完成 n具体包括： 光隔离器、光环行器、光耦合器、光衰减器、 光纤连接器、光

2、开关、光调制器等线路器件 光复用、光放大和色散补偿等线路技术 4.1线路器件 n分类： n无源器件：本身不发生光电或不进行电光转换 的传输器件，如光隔离器、光耦合器、光环行 器等。 n有源器件：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。 4.1.1光隔离器 n有一个输入端、一个输出端的非互易光器件， 只允许光信号单向传输 端口1输入，端口2可以获得低损耗的传输信号 端口2输入，器件产生高损耗，光路被阻断 n通常放置在线路中激光器、光放大器等之后， 用以防止光路中的后向传输光对光源、光放大 器以及光路系统产生不良影响 端口1端口2 n光隔离器的实现需要利用破坏光路可逆的

3、一些 特性，如磁光晶体的法拉第磁致旋光效应。 n法拉第1845年观察到不具有旋光性的材料在磁 场作用下会使通过该物质的光的偏振发生旋转 n常用的磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石 榴石（SIC）等 旋光材料 B 光方向 光方向 2 n分类： 偏振相关型：特性与输入光信号的偏振态有关 偏振无关型：特性与输入光信号的偏振态无关 n主要技术指标： 插入损耗（IL） 回波损耗（RL） 隔离度 偏振相关损耗（PDL） 偏振模色散（PMD） n插入损耗：器件引入光路后正常使用情况下传 输的光信号，由于构成器件的材料各部分对光 的吸收、散射等造成的对输入信号的附加损耗 希望其值越小越好 n回波损耗：构成

4、器件的各元件、光纤以及空气 折射率失配引起的反射光造成的对入射光信号 的衰减 希望返回的光功率值尽可能的小，回波损耗的 值越大越好 n隔离度：指在逆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损耗 隔离度的值越大越好 n偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振态发生 变化而其它参数不变时，器件插入损耗的最大 变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程 度的指标。 n偏振模色散（PMD）：指通过器件的信号光 不同偏振态之间的相位延迟。 4.1.2光环行器 n一种有多个端口的只允许光信号单向传输的非 互易光器件 n光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端口2 输出，其它端口处几乎没有光输出；

5、n光由端口2输入时，光几乎毫无损失地由端口3 输出，其它端口处几乎没有光输出； n以此类推 端口1 端口2 端口3 端口4 n双向通信中的重要器件，可以完成正反向传输 光的分离，在光通信中单纤双向通信、上/下 话路、合波/分波及色散补偿等领域有广泛的 应用。 n光环行器用于单纤双向通信 12 3 光纤 21 3 发送发送 接收接收 n指标包括插入损耗、隔离度、串音、偏振相关 损耗、偏振模色散及回波损耗等 n光环行器的插入损耗、隔离度、偏振相关损耗 、偏振模色散的定义与光隔离器的基本相同， 只不过对环行器而言，均指具体的两个相邻端 口之间的指标。 n串音指多端口的光环行器，两个不相邻端口之 间理

6、论上不能接收到光信号但实际中由于种种 原因而接收到的功率以dB表示的相对值，如 端口1输入信号时在端口3接收到的功率相对于 输入功率的dB值。 4.1.3光纤连接器 n光纤的连接：将两根光纤端面结合在一起，实 现光信号的持续传输。 活动连接：活动连接器是活动连接的主要方法 固定连接：熔接法是固定连接的主要方法 n应用： 活动连接：可以重复装拆的活接头。它常被用 于光源到光纤、光纤到光纤以及光纤与深测器 之间的连接 固定连接：光纤之间形成永久性的连接，用于 不需要拆卸或重复使用的场合，是光纤通信干 线中光纤连接的主要方法 n光纤活动连接器 可以重复装拆的活接头 可分为单芯型和多芯型 可分为调心型

7、和非调心型 调心型：内部装有调整机构，可调整光纤纤芯 的位置，使两根光纤之达到最佳耦合 非调心型：内部没有调心机构，依靠光纤活动 连接器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦 合，常用有套管结构、双锥结构、V型槽结构 等，实际绝大多数都应用的是套管结构。 n插针套筒结构 套管 插针 光纤 光纤 f 2.4990.0005 f 0.1250.001 4 f 2.5 f 3.2 -0.002 -0.007 +0 -0.02 0.0050.0001 n主要性能指标： 插入损耗：与光纤的横向错位、角度倾斜、端 面间隙、端面形状、端面光洁度以及纤芯直径 、数值孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆 度、偏心度等

8、有关。 (a)横向错位 (b)端面 间隙 纤芯 纤芯 纤芯纤芯 纤芯 纤芯 纤芯纤芯 (c)角度倾斜 (d)端面形状 (e)纤芯直径差异 纤芯纤芯 n回波损耗： 界面处出现菲涅尔反射 将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面接 触等来降低回波损耗 重复性：每次插拔后其损耗的变化范围 互换性：同一种连接器不同插针替换时损耗的 变化范围 插拔次数：具有上述损耗参数范围内插拔的次 数 工作温度：在工作温度范围内连接器的损耗变 化量应在给定的范围内变化 n光纤连接器类型 多采用AA/BB的方式表示 AA表示外部连接方式，即如何可靠的保持插 针与套管之间的相对位置，不会在光纤受到拉 扯等外力作用时发生分离

9、造成信号功率的改变 BB表示表示插针端面形状，有FC、PC、 UPC、APC等。 n光纤固定连接 n使一对光纤之间形成永久性的连接，用于不需 要拆卸或重复使用的场合。 n方法有： 熔接法 V型槽法 毛细管法等 n熔接法：应用最为普遍，利用电弧放电、氢焰 或激光等方法加热将光纤熔融结合在一起。 n光纤熔接机构成： 由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电 弧放电机构以及控制机构等四部分构成 光纤夹持器 控制中心监测信号 电弧 电源 显微镜头 电极 n光纤熔接 利用光纤剥皮钳去除光纤外的套塑层 利用光纤切割刀切割光纤端面 将制备好端面的光纤放入准直与夹持机构中固 定，通过手动或自动装置使纤芯在空间

10、三个方 向上移动，保证需要熔接的两根光纤完全对准 ，消除纤芯的横向错位、角度偏差，并将端面 之间的间距调整到预定大小。 根据光纤的类型，选择放电电流、放电时间， 进行电弧放电，对端面加热，实现熔接。 熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。 4.1.4光耦合器 n一类能使传输中的光信号在特定结构的耦合区 发生耦合，并进行再分配的器件。 n实际中，光耦合器通常指在耦合过程中，光信 号功率发生改变而波谱成分没有变化的器件， 把信号波谱成分发生改变的称为波分复用器。 n应用：光耦合器可以从传输线路中提取出一定 的功率，实现对线路的监控；也可用于光纤 CATV、光纤用户网、无源光网络、光纤传感 等领域

11、，实现信号的组合与分配。 n从端口形式上划分有 X形（2 2）耦合器 Y形（1 2）耦合器 星形（N N，N2）耦合器 树形（1 N，N2）耦合器等 n参数： 分光比：各输出端口的输出功率的比值，如 80:20、25:25:25:25等，或4:1、1:1:1:1等 均匀性：输出各端口之间的功率偏差程度 方向性：输入端主光纤传输方向与任一根非主 光纤非传输方向上的功率比 附加损耗：耦合器引入光路后所造成总的光功 率衰减量EL = -10 lg (POUT/ PIN) 插入损耗：某一输出端口的光功率相对总的输 入光功率的衰减量IL = -10 lg (POUTi/ PIN) min max log

12、10 i i P P P in ib P P Slog10 4.1.5光纤光栅 n利用石英光纤的紫外光敏特性直接在光纤轴向 上形成波导结构的光纤器件 可以做成滤波器、反射器、色散补偿器等 易于与光纤连接，对偏振不敏感，适应光纤中 光信号偏振态的随机变化，在光纤通信、光纤 传感中有着明显的优势和广泛的应用 n光纤的光敏特性： 光纤折射率在紫外光照射下，随光强发生变化 折射率变化具有稳定性，可保持永久性不变 改变折射率分布，形成特定的光波导结构，实 现特定的功能，形成光纤型光波导器件 n分类： n从结构上可分为： 周期性结构：称为均匀光纤光栅制造简单，其 特性受到限制 非周期性结构：称为非均匀光纤

13、光栅，制造困 难，其特性容易满足各种要求 n从功能上可分为： 滤波型光栅 色散补偿型光栅：是非周期光栅，又称为啁啾 光栅 n光纤光栅是通过波导与光波的相互作用，将在 光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传 输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传 输的限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特 定的透射和反射光谱特性。 n光场与光波导之间的相互作用可用耦合模理论 来描述 lB 0 0. 5 1 波长（mm） 反 射 率 n应用：利用光纤光栅的反射特性，可以用来 进行波长选择，实现滤波、波长分插复用、 色散补偿、激光器选频和光纤传感等。 n波长分插复用 l1、l2lnl1、l2ln 下话路l1 光纤

14、光栅 中心波长l1 上话路l1 l2ln 环行器1环行器2 1 1 2 2 3 3 n光纤激光器 n分布反馈式(DBF)激光器 激光二极管泵浦 激光输出 光纤光栅反射器 光纤 激光输出 激光二极管 光纤光栅反射器 光纤透镜 n光纤光栅传感器 波长鉴别器 光电探测器 宽带光源 G1 G2 G3 G4 G1 G2 G3 G4 4.1.6光衰减器 n用来稳定、准确地减小信号光功率的无源器件 n是光功率调节所不可缺少的器件 降低输入光信号的功率，可以防止光功率过大 超出仪表的量程而造成仪表的损坏 防止在光传输系统中短距离传输时的光功率超 出接收机的允许最大输入功率而造成传输质量 的下降 用来模拟实际信

15、道传输造成的信号衰减 n工作机理主要有：耦合型、反射型、吸收型 n耦合型光衰减器：控制输入、输出光束对准的 横向或纵向位移来改变光耦合量/衰减量的大小 d s n反射型光衰减器：通过控制反射膜的反射率的 大小来改变光信号功率的大小，改变衰减量。 n吸收型光衰减器：通过采用光学吸收材料制成 衰减片，对光的作用主要是吸收和透射。 RLRL M M L A L n光衰减器按衰减量的变化情况可分为： 固定式衰减器，即衰减量一定 步进可变式衰减器，即阶跃式可变 连续可变式衰减器 n主要技术指标有：插入损耗、衰减量变化范围 、精度以及温度的影响。 4.1.7光开关 n一种可实现光路通断的控制、光路选择的光

16、路 控制器件 n应用： 主备光路切换、光器件的测试 实现光交换，完成全光层次的路由选择、波长 选择、光交叉连接、自愈保护等 构建新一代全光网络的关键器件 n主要性能参数： 交换矩阵：反映光开关的交换能力 交换速度：衡量开关性能的重要指标。不同的 应用场合对交换速度的要求不同 消光比：描述光开关导通与非导通状态通光能 力差别的指标，即两个端口处于导通和非导通 状态的插入损耗之差 交换粒度：反映了光开关交换业务的灵活性， 可分三类：波长交换、波长组交换和光纤交换 可靠性：要求具有良好的稳定性和可靠性 n实现光开关的方法 n依据不同的光开关原理，光开关可分为： 机械光开关 电光开关 磁光开关 声光开

17、关等 n依据光开关的交换介质来分，光开关可分为： 自由空间交换光开关 波导交换光开关。 n机械式光开关 n微机械（MEMS）光开关 A B C 机械驱动 S17 S78 S53 X1 X8 Y1Y8 n喷墨气泡光开关 沟道 波导 衬底 气泡 4.1.8光调制器 n内调制：直接改变半导体激光器的注入电流实 现对光载波的调制，受电子瓶颈的限制，不适 应于高调制速率系统。 n外调制：利用特定介质的电光效应、磁光效应 、声光效应、电致吸收效应等，通过携带了信 息的电、磁、声等信号作用于相应介质上，影 响介质的光学特性进而影响通过介质的光的特 性，实现对光载波的调制。 n外调制类型： 电光调制器 电吸收

18、调制器 工作物质LD 调制信号 调制光信号 n电光调制器： KDP、LiNbO3、GaAs等电光晶体的电光效应 折射率将随着电场发生变化 激光束通过电光晶体时，相位、幅度或强度会 产生相应变化，得到相位、强度调制的信号光 泡科尔效应：折射率变化量正比于外加电场强 度 克尔效应：折射率变化量正比于外加电场强度 的二次方 电光波导调制器的工作机理基于泡科尔效应 n半导体电吸收光调制器： 电吸收效应：半导体量子阱材料对入射光的吸 收系数随外加电场不同而产生变化。 易与激光器集成，驱动电压低。 与LiNbO3电光调制器相比，消光比不高、频 率啁啾较大，不适合超长距离和超高速率系统 波长 0 0V 1V

19、 2V 吸 收 系 数 4.2线路技术 n4.2.1光复用技术 n4.2.2光放大技术 n4.2.3色散补偿技术 4.2.1光复用技术 n传输系统所能提供的带宽要远远大于单一用户 的带宽需求，要采用复用技术同时传输多个用 户的信息最大限度的利用传输系统的带宽。 n复用技术：在发送端将多路信号进行组合，在 物理信道上实现传输，接收端再将复合信号分 离开来。 n有时分复用、波（频）分复用、码分复用等 n目前波分复用技术在应用中占据主导地位。 n波分复用（WDM） n在一根光纤中传输多个波长信号从而提高系统 传输容量的一种技术。 光 分 波 器 光 合 波 器 光 分 / 合 波 器 光 分 / 合

20、 波 器 n发射端：光合波器（复用器）将不同发射机输 出的波长不一的信号光融入同一根光纤传输； n接收端：光分波器（解复用器）将同一根光纤 中的波长不一的信号光分开，分别送给不同的 光接收机接收恢复原始信息。 n一般情况下，光合波器和光分波器是互易器件 n光合波器和光分波器统称为光波分复用器。利 用光波分复用器的互易性，就可以实现在一根 光纤上实现双向通信。 n根据复用的波长间隔的大小，分为三种： 1310nm/1550nm复用：最初的复用方式 l密集波分复用（DWDM）：波长间隔nm量级 lITU-T G.692定义载波间隔为100GHz和50GHz l中心波长为152.52nm（频率193

21、.1THz） l工作波长覆盖14801620nm波段，其中S波段 （14801530nm）、C波段（15301560nm） 和L波段（15601620nm）。在C波段可容纳40 个间隔100GHz的波长信道，扩容效果明显。 粗波分复用（CWDM） lITU-T的G.694.2中定义了工作波长覆盖 12701610nm波段、波长间隔20nm的16个信道 的粗波分复用。 l波长间隔较大，可降低半导体激光器的波长稳 定性和线宽的要求，系统成本较低，适用于容 量要求不是很大的城域网、局域网以及接入网 。 n性能指标主要： 信道数 信道中心波长 信道间隔 波长隔离度：也叫信道隔离度，指某一信道的 信号光

22、耦合到另一个信道的大小 插入损耗 1 1 21 2 2 12 lg10,lg10 N P A N P A WDM P1(l1)+P2(l2) P1(l1)+N2(l2) N1(l1)+P2(l2) n空分复用（SDM）：利用空间分割，根据需 要构成不同的信道进行光信号复用的技术。 光缆中不同的光纤 多芯光纤（MCF）：在超高容量长距离传输 中得到验证。需要优化纤芯距、纤芯和沟道的 尺寸以及折射率，解决芯间串扰；实现大有效 模场面积，避免非线性效应引起的信号畸变。 沟道 纤芯 沟道 纤芯 n时分复用（TDM） 将通信时间分成相等的间隔，某一固定信道占 用某一固定间隔，各信道按照一定的时间顺序 进

23、行传输。 光时分复用在光域内对光脉冲进行时间上的复 用，突破了电子瓶颈限制，可以产生更高的比 特流。超短光脉冲的产生和传输的关键技术尚 未成熟，光时分复用尚未实用。 n偏振复用（PDM） n又称极化波复用技术，利用光波的偏振特性 n在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏 振态同时传输两路独立数据信息以加倍系统总 容量、提升系统频谱利用率。 TX1 TX2 PBC RX1 RX2 PBS 光纤 n模式复用（MDM） n利用多模光纤中独立且相互正交的不同模式作 为独立信道分别传输信号，用以提高系统容量 、增加频谱利用率。下一代骨干传送网的候选 技术之一。 TX-1 TX-2 TX-M 模式 转换

24、 高阶模1 基模 模式 转换 高阶模M-1基模 模式复用器 模式解复用器 高阶模1 高阶模M-1 模式 转换 模式 转换 基模 基模 RX-1 RX-2 RX-M 基模 多模光纤 基模 n正交频分复用（OFDM） 将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数 据并对不同的载波进行调制。并行传输体制降 低了信号的速率，扩展了符号的脉冲宽度，降 低了色散对信号的影响程度，改善了传输信号 的质量。 为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相 互重叠但这些频谱在整个符号周期内满足正交 性，从而保证不同信道之间的互不影响。 采用数字信号处理技术，由数字信号处理算法 完成各子载波的产生和接收，极大简化了系统 的

25、结构。 串 / 并 IF FT Q A M 调 制 并 / 串 IQ 调 制 激 光 器 M Z M 串 / 并 FF T Q A M 解 调 并 / 串 IQ 解 调 光 纤 光 电 检 测 二进 制 输出 二进 制 输入 4.2.2光放大技术 n传统的中继器：“光电光”的转换方式 n设备复杂、成本高且可靠性不高、使用不便。 O/E/O O/E/O O/E/O 1 n 1 n 1 2 n W D M W D M 1 2 n n“光光”放大的光放大器 利用光的各种受激放大机理 由放大工作介质、泵浦源组成 n分类： 掺稀土元素光纤放大器 非线性光学光纤放大器 半导体光放大器 工作介质 泵浦源 输

26、出信号光输入信号光 n掺稀土元素光纤放大器： 掺镧系元素（如铒、钕、镨）光纤为工作介质 半导体激光器为泵浦源，受激放大原理 1.55m EDFA，1.33m PDFA n非线性光学光纤放大器： 以常规石英光纤为工作介质 以高功率的连续或脉冲固体激光器为泵浦源 利用非线性光学效应对信号光进行放大 拉曼光纤放大器（RA） n半导体光放大器（SOA）： 以半导体材料为工作介质 以电源为泵浦源，利用受激辐射实现光放大 n光放大器的性能参数有： 光放大器的增益G与饱和输出功率Psat G = 10 lg(Pout/Pin) 输入功率Pin 输 出 功 率 Pout Psat 输出功率 Pout 3dB

27、增 益 G 小 信 号 增 益 信号光波长(m) 3dB 噪声指数 光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪比 (S/N)in和输出信噪比(S/N)out的商的分贝数 不同种类光放大器的噪声指数NF的大小不同， EDFA的NF较小，已接近量子极限3dB。 out in NS NS NF )/( )/( lg10 n光放大器的应用 EDFA：高增益、宽带宽、低噪声，是技术最 为成熟、应用最为广泛的光放大器 RA：高增益、低噪声、全频段放大，已开始 商用并成为光放大器的研究热点 SO A：与光纤耦合效率很低，在光纤通信系 统中应用很少。用以全光信号处理，如全光波 长变换、脉冲整形、光逻辑控制等，也可以用 于制作光开关。 n作为线路中继器 对信号类型透明。 对信号速率透明。 对信号波长透明（增益谱范围内） n作为接收机前置放大器 置于光电检测器前，大幅提高接收机的灵敏度 n作为光发射机的后置放大 放在光发射机之后可使入纤功率大幅增加，使 传输距离增长 4.2.3色散补偿技术 n通过在光纤传输线路中加入适当的色散元件， 使色散元件的色散和光纤线路色散符号相反、 大小相等或相近，降低信号的整体色散，解决 因光纤色散而引起的波形失真。 n色散补偿的方法： 光纤型色散补偿技术 光纤光栅型色散补偿技术 光滤波器色散补偿技术 相位共轭型色散补偿技术 光源预啁啾