现代光通信第三章

1、第第3章章 光纤线路技术及器件光纤线路技术及器件3.1 光器件概述3.2 光连接器3.3 光衰减器和光开关3.4 光纤耦合器3.5 光隔离器与环行器3.6 光调制器3.7 光纤光栅3.8 光波分复用技术3.9 复用器与滤波器3.10 光波长转换器与光交叉互连器3.11 光放大器3.1 光器件概述光器件概述 1、种类、种类： 通信用光器件可以分为有源器件有源器件和无源器件无源器件两种类型。 有源器件有源器件包括光源光源、光检测器光检测器和和光放大器光放大器。 光无源器件光无源器件主要有连接器连接器、耦合器耦合器、波分复用器波分复用器、调制调制器器、光开关光开关和和隔离器隔离器等。2、功能：、功能

2、：3、发展趋势发展趋势集成化、全光纤化集成化、全光纤化4、具体器件：、具体器件：3.2 光连接器光连接器Connector3.2.1 光纤的连接光纤的连接光纤的连接：是将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持续传输。分类：分为活动连接和固定连接。利用活动器是实现活动连接器的主要方法，熔接法是固定连接的主要方法。 光纤的光纤的熔接（接（fusion splicing）光纤的固定连接是指一对光纤之间形成永久性的连接，这种连接用于不需要拆卸或重复使用的场合。 光纤融接机：光纤融接机：光纤融接机光纤融接机光纤切割刀光纤切割刀 3.2.2 光纤活动连接器光纤活动连接器1、概念、概念光纤活动连接器：是连接

3、两根光纤或光缆使其成为光通路可以重复装拆的活接头。用途：常用于光源到光纤、光纤到光纤以及光纤与探测器之间的连接；在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中，光纤活动连接器的使用非常广泛。要求：损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等；还要求能承受机械振动和冲击，适应一定的温度和湿度环境条件；需要有装拆时防止杂志污染的保护措施。2、分类、分类单芯型和多芯型：单芯型：用于单根光纤之间的连接。多芯型：用于多根光纤之间的连接。单模型和多模型：单模型：用于单模光纤之间的连接多模型：用于多模光纤之间的连接单模型又分为： 调芯型：指光纤活动连接器内部装有 调心机构 。非

4、调芯型 ：内部没有调心结构。 对接耦合式和透镜耦合式 3、结构、结构（常用套管结构）接口零件对中：要和插针精密配合，确保光纤的对准；对中可以采 用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜结构 。光纤插针：是将光纤固定在其中保护起来，并使套筒中的 光纤对准；其结构有微孔结构、三棒或多层结 构等。 精密套管结构连接器简图 光纤套管插针粘结剂光纤插针端面的分类 平面式（FC型,Flat Connection or Fiber Contact ）球面式（PC型,Physical Connection or Sphere Contact ） 8斜面式（APC型,Angled Physical Contact

5、 ）超级球面式（UPC型,Super Physical Contact ） 注：不管何种插针结构，都应使光纤外径与插针管内径匹配不留间隙，光纤端面之间距离要很小，为减小端面上的菲涅尔反射。连接器的结构很多，目前许多光纤通信系统使用的FC型连接器。并采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固定效果最好，适合大批量生产，得到了广泛的应用。 实际应用：实际应用：活动连接器外部结构分类两插头与转换器（珐琅盘）的连接有 ：FC型（螺纹连接，Ferrule Connector） SC型（轴向插拔矩形，Square Connector ） ST型（弹簧带键卡口，Spring Tension）光纤活动连接器基本结构

6、 注：插针和套筒可用不透钢、硬质合金制作，也可用陶瓷材料制作。陶瓷材料比合金较为优越，因为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（都为810-7/C），容易吻合。ST Connector:光纤跳线适配器光纤跳线适配器FC Connector：SC Connector：光纤适配器（转换器）光纤适配器（转换器）:该图为FC/PC型光纤跳纤（非正规叫法是双头尾纤)。光跳线颜色为黄色，表示单模跳纤。 该图为MTRJ-SC型光纤跳纤， 光跳线颜色为橙色，表示多模跳纤。 4、性能、性能 光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。)(lg10dBPP

7、Linout反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。)(lg10dBPPLinRR 5、连接器的表示方式、连接器的表示方式光纤连接器的表示3.3 光衰减器和光开关光衰减器和光开关3.3.1光衰减器（光衰减器（Attenuator ）1、概念及主要用途、概念及主要用途光衰减器：光衰减器：光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。 主要用途：主要用途：光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量光系统的灵敏度及校正光功率计等。 2、分类、分类按工作机理按工作机理 耦合型：通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。 反射型：在玻璃基

8、片上镀反射模作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。 吸收型：是采用光学吸收材料制成的衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。 按衰减量的变化按衰减量的变化 固固定定式：式：即即衰衰减减量量一一定定 固定式：即衰减量一定步进可变式：即阶跃式可变 连续可变式3、主要性能指标、主要性能指标： 插入损耗、衰减量变化范围、精度以及温度等 光衰减器分类说明 3.3.2光开关（光开关（Switches）1、概念、概念 光开关光开关 ：能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件。光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备的核心器件，也是光网络实现保护倒换的

9、必需器件 。2、主要性能、主要性能 开关时间开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。消光比、插损、串话、偏振相关性消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)(PDL)也是光开关的重要参数。消光比和阻塞性质消光比和阻塞性质 消光比是指开关on和off时输出功率之比（常用dB表示） 阻塞性质是指任一输入端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的性质 隔离度隔离度： 指对输出光功率的隔离程度。iminmnPPIlog10,3、分类、分类 机械光开关 热光开关 电光开关 微光机电系统（MOEMS） 机械式光开关机械式光开关：通过机械运动实现不同光纤端口之间的相对连接，解决的

10、办法无非是相对移动光纤或相对移动光学元件。 低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(ms)只能用在OXC和OADM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关。 1N移动光纤式机械光开关 用电磁铁驱动活动臂移动，切换到不同的固定臂光纤 基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断 特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）在第二个耦合器处产生相长或相消干涉，使输出有或无Figure. Thermo optic switch Figure. Thermo-optical switch matrix architecture LiN

11、bO3波导型电光开关：等同于外调制器 特点：速度快（10ps1ns）、偏振敏感、价格昂贵 半导体光放大器SOA光开关：改变SOA驱动电流来实现 特点：速度快（ns）、无损开关，但引入ASE噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵类型大小插损(dB)串话(dB)PDL(dB)开关时间机械式883550.210ms热光开关 SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms电光开关 LiNbO3 SOA44448035401Low10ps1ns光开关性能比较 微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关。 MEMS技术是基于半导体

12、微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。 采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细。I/O FibersImaging LensesReflectorMEMS 2-axis Tilt Mirrors优点：可实现超大规模交叉连接可利用IC工艺，批量生产MOEMS开关时间：开关时间： ms量级量级 安捷伦（安捷伦（Agilent）公司）公司 Agilent于1999年将它成熟的喷墨打印技术与Si平面光路（Planar Lightwave CircuitPLC）结合，推出喷墨液晶开关器

13、件。在Si衬底材料上制作出偏振光束分支波导（PBS），再在每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。不加热时，光束直通；当Si材料中相关点被加热器加热时，其上的液晶产生一种气泡，经过它的全反射，使来自输入波导的光改变方向，反射到要求输出的波导上。PBS起着路由器的作用，它把信号引向到要求的出口。数十微秒量级。快于MOEMS光开关。 3.4 光纤耦合器（光纤耦合器（Coupler）1、概念及应用、概念及应用 光纤耦合器光纤耦合器：是一种能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。 应用应用：光纤耦合器可以从传输线路中提取出一定的功率

14、，实现对线路的监控；也可以用于光纤CATV、光纤用户网、无源光网络（PON）、光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。 2、分类、分类 按端口形式按端口形式 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定向(c)2314l1l2lNl1l2lN(d)波分图1 光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12个22耦合器组成的 88星形耦合器 输 入 光光 强 度光 纤 a光 纤 b 输 出 光2341(a)(b)123456789101112(c)直通臂直通臂耦合臂耦合臂l l1 l l2P 0 P1 P2图2 熔锥光纤型波分复用器结构和特性 公共臂公共臂 图 3 微器件型

15、耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复用器光 纤自 聚 焦 透 镜自 聚 焦 透 镜光 纤滤 光 片l1、 l2l1l2l1l2l3l1 l2 l3光 纤自 聚 焦 透 镜硅 光 栅光 纤自 聚 焦 透 镜分 光 片1342(b)(a)(c)(d)微器件型微器件型 用自聚焦透镜和分光片(光部分透射， 部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图3所示。 衍射光栅型波分复用器结构示意图衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅l l1l l2l l3l

16、 l1l l2l l3l l1+ l l2+ l l3l l1+ l l2+ l l3采用棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅l l1+ l l2+ l l3 l l1 l l2 l l3+ + l l3 l l1 l l2 l l3 图4 波导型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解复用器；光 波 导开 角(a)(b )(c)多 模 波 导多 层 膜 滤 光 片单 模 波 导1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m波导型波导型 在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，

17、一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。按照与波长关系按照与波长关系 窄带耦合器：耦合器的耦合比随入射波长而变化。宽带耦合器：耦合器的耦合比与入射波长无关系。3、主要特性、主要特性 图5 说明耦合器参数的模型说明耦合器参数的模型如图5所示， 主要参数定义如下。耦合比耦合比CR 是一个指定和的比值，用%表示NnonocOtOCPPPPCR1由此可定义功率分路损耗Ls： Ls=10lg)1(CR 附加损耗附加损耗Le 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的和的比值，用分贝表示 插入损耗插入损耗Lt 是一个指定和一个指定的比值，用分贝表示NnonNninotitePPpPL11lg10lg1

18、0ocictppLlg10 方向性方向性DIR(隔离度隔离度) 是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示 一致性一致性U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。ricppDIRlg10产品产品：12耦合器耦合器产品产品：1N耦合器耦合器耦合器的研制制作过程熔融拉锥机的主要部分仪器：熔融拉锥机标定光源：1550 nm LD 制作光纤：Corning SMF-28 制作方法：拉锥法利用光纤耦合器制作的光纤环形镜Iin为FLM的1端输入光强；IR、IT分别为FLM的1端反射光强及2端透射光强 光纤环形镜结构图3.5 光隔离器与光环行器光

19、隔离器与光环行器 3.5.1 光隔离器光隔离器(Isolators )互易器件：耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换，称之为互易器件。1、概念及主要用途、概念及主要用途 概念：隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。 应用：主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。 2、工作原理及类型、工作原理及类型 工作原理工作原理 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。 沿

20、磁场方向传输的偏振光，其偏振方向旋转角度和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例，有 VBL式中，V为材料的特性常数，称维尔德常数。偏正方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关 类型类型 （1）偏振相关型：）偏振相关型：由起偏器、检偏器和旋光器组成。由起偏器、检偏器和旋光器组成。注：SOP的意思是光的偏振态（State of Polarization） （2）偏振无关型：）偏振无关型：空间分离偏振器、旋光器、半波片空间分离偏振器、旋光器、半波片SWP的意思是空间分离偏振器（Spatial Walk-off Polarizer），作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过

21、，水平分量偏折通过。3、光隔离器的主要技术指标、光隔离器的主要技术指标附加损耗附加损耗：插入损耗是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。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器后的功率为Po，则插入损耗IL为 (dB)log10ioPPIL回波损耗回波损耗：回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射造成的对入射光信号的衰减。回波损耗RL为显然，其值越小越好，其典型值约为1dB。(dB)log10irPPRL其中， Pi为正向输入光隔离器的光信号功率，Pr为返回输入端口的光功率。 RL值越大越好。隔离度隔离度：隔离度是指在逆光隔离器通光方

22、向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的损耗。有 (dB)log10iosoPPI其中， 为反向输入光隔离器的光信号功率， 为反向通过光隔离器的光功率。隔离度越大越好，其典型值约为4050dB 。iPoP偏振相关损耗（偏振相关损耗（PDL）：是指输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量。它是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。 偏振模色散（偏振模色散（PMD）：是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。 注：一般情况下，光通信系统对光隔离器的主要技术指标要求为：插入损耗1.0dB；隔离度35dB；回波损耗50dB；PDL0.2dB；PMD0.2ps。3.5.2 光

23、环形器（光环形器（Circulators ）1.概念：概念：是一种多端口非互易光学器件。光环形器与光隔离起工作原理基本相同，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。 2.结构结构 ：典型结构有N（N大于等于3）个端口，如下图所示，当光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端口2输出，其它端口几乎没有光输出；当光由端口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，这N个端口形成了一个连续的通道。若端口N输入的光可以由端口1输出，称为环形器，若端口N输入的光不可以由端口1输出，称为准环形器，一般人们都称为环形器。3、应用：、应用：它可以完成正反向传输光的分离任务。光

24、环形器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。 4.分类：分类：透射式和反射式。光环形器用于单纤双向通信示意图3.6 光调制器（ Modulators） 光调制器：实现从电信号到光信号的转换 光调制的分类： 从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制-内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变-外调制（调制信号啁啾小）。 按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏

25、振调制等。直接调制和外调制光源的外调制技术 调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。 外调制技术分类： 电光调制 Electrooptic Effects 电致吸收 Electro-Absorption Effects 磁光调制 Magnetooptic Effects 声光调制 Acoustic Modulators 其中电光调制和电致吸收最为常用。电光效应光调制器 电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3 ) ，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。 折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(r E+R E2)成正比。40Gb/s Li

26、NbO3 Modulator 对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条件，两波之间将发生能量的耦合。 Bragg条件： 特别地，如果满足 能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射中-反射式滤波器FBG221221113.7 光纤光栅（光纤光栅（Fiber Bragg Grating-FBG）effn2l21pcl光纤光栅的应用举例光纤光栅的应用举例 例一：色散补偿例一：色散补偿 例二：例二：EDFA的增益平坦的增益平坦EDFA增益谱线：增益谱线：有很大的不平坦性，在1530nm和1560nm处有两个增益峰，而且有用的增益带宽只有几十钠米。必须对其增益进行均衡，把尖峰压平，使其增益

27、在较宽的频谱范围内是平坦的，从而使波分复用系统中的各个工作波长处的功率差异不才超出接收器的动态范围。方法：方法：（1）利用紫外写入的闪耀光栅：选择合适的闪耀角、周期等光栅参数，使光纤放大器的增益峰减小，即达到增益均衡，由于闪耀光栅中存在着向后反射，所以更倾向于：（2）长周期光纤光栅：进行增益平坦。通过选择适当的光栅周期，使得长周期光栅将一定波长的光耦合致包层而迅速损耗掉，而且不存在反射，较好的用于EDFA的增益平坦。例三：分插复用器例三：分插复用器例四：光纤激光器例四：光纤激光器基于FBG和FLM的线性腔光纤激光器 例五：光纤光栅传感器例五：光纤光栅传感器FBG性能测试等腰三角形悬臂梁调谐示意

28、图 FBG：布喇格波长 1555.065 nm 反射率95% 悬臂梁 ：长l=12 cm 截面厚度h=0.3 cm 底边b=1.3 cm 自由端G处 ：托盘和砝码的总质量P 光纤光栅调谐技术FBG中心波长漂移量B 与P 的变化关系曲线 0.000.020.040.060.080.00.51.01.52.02.5 ll/nmP/kg Theoretical plot Experimental plot悬臂梁的调谐公式 FEbhPleBB2)1 (6ll其中 , g为重力加速度 gPF 杨氏模量 ：25/10744. 2cmNE有效弹光系数 ：22. 0eP可调谐光纤激光器实验装置 Output1

29、端激光光谱图（用光谱仪测量） 3.8 光波分复用技术光波分复用技术WDM: Wavelength Division Multiplexing 3.8.1 光复用技术概述光复用技术概述1、原理：原理： 在发送端的同一光波波长上，把时间周期性地分成帧，每一帧再分割成若干个时隙。再根据一定的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号。在接受端同步的条件下，分别向各个时隙内取回各自的信号，而互不干扰。将高速的光支路数据流（could be 电复用产生 ， eg.10Gbit/s甚至40Gbit/s）直接复用进光域，产生比特率极高的合成光数据流。2、 光副载波复用（光副载波复用（OS

30、CM, Optical Subcarrier Multiplexing）原理原理:副载波信道的复用和解复用是在电域而不是在光域进行的，因此，副载波复用具有几个信道能够共用一个价格昂贵的光器件，降低设备成本。注意：注意： 因为副载波所传输的信号之间相互无关，彼此独立，故可实现模拟和数字以及图像信号的兼容，适用于用户接入网的CATV多频道的传输系统之中。 要想更多地利用光纤的带宽，副载波复用技术可以与波分复用技术联合使用。总结：总结：每个信道或占有一个给定的波长、频每个信道或占有一个给定的波长、频；或占有一；或占有一个给定的时隙。并且，光复用和电复用结合。个给定的时隙。并且，光复用和电复用结合。3

31、、 光码分复用技术（光码分复用技术（OCDM, Optical Code Division Multiplexing）每个信道不是占有一个给定的波长、频；或占有一个给定的时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。也即，不同信道的信号用互成正交的不同码序列来填充，再调制到同一光波上在光纤信道中传输，接收端用与发送方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复出原信道的信号。由于采用的是正交码,相关接收时不会产生相互干扰。原理原理:改善网络性能，提高网络通信容量，提高系统信噪比，增强系统保密性，增加网络灵活性。优点优点:非相干光CMD: 正交码数量有限，码间干扰大;相干光CDM: 激光源频率

32、稳定性差，光纤激化态不 稳定，光脉冲相位难以控制问题问题:4、光波分复用技术（、光波分复用技术（WDM, Wavelength Division Multiplexing ） WDM是在一光纤芯中同时传输多波长光信号的技术。在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线 路上的同一根光纤中进行传输， 在接收端将组合波长的光 信号分开，恢复出原信号后送入不同的终端。它是目前研 究最多，发展最快，应用最广泛的技术。 复用波长数也在不断增长。1997年Bell Labs创造的最高记录是206个，到1999年11月，又实现了超密集波分复用（UDWDM，1022个波道），波长间隔为10 GHz。最近

33、，Essex(埃塞克斯大学)宣称实现了4 000个信道的DWDM系统，信道间隔为1GHz，相当于0.008nm，而Avanex（艾维思通讯）又宣布他们已掌握了信道间隔为0.0032nm的技术，这些技术为大容量吉比特以太网和城域网的发展提供了有力的支持。 在超长距离方面，Corvis公司的1602.5 Gbits系统从芝加哥传输到西雅图，总长度3200km；而在实验室的环路实验方面，OFC 2000（世界光纤通信大会）上报道的NEC（日本电气）的3.2Tbits系统和Tyco（美国泰科）的1.8Tbits系统分别传输了1500km和7000km。 WDM的主要优点为：的主要优点为：充分利用光纤的

34、低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本；成本；对各信道传输的信号的速率，格式具有透明性，有利于数字信对各信道传输的信号的速率，格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容；号和模拟信号的兼容；节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容；节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容；可以提供波长选路，使建立具有高度生存性和灵活性的可以提供波长选路，使建立具有高度生存性和灵活性的WDM全光通信网成为可能。全光通信网成为可能。 5、光频分复用技术（、光频分复用技术（OFDM, Optical Frequency Division Multi

35、plexing ） 为了进一步提高光线带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小。一般认为，当相邻光载波的间隔小到0.1nm (10GHz)以下时，此时的复用称为光频分复用，它与波分复用在本质上没有区别。 当光载波的间隔比较大时，用波长衡量比较方便，称之为波分复用; 当光载波的间隔比较小时，用频率衡量比较方便，称之为频分复用。3.8.2 光波分复用技术光波分复用技术 1、光波分复用技术（、光波分复用技术（WDM）概念）概念：在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。 2、WDM原理原理3、WDM的常规分类的常规分类4、WDM系统的基本组成系统的基本组成 双纤单向传输

36、，单纤双向传输双纤单向传输，单纤双向传输光发射机光发射机复用器光纤放大器解复用器光接收机光接收机1nl1lnl1ln1n光接收机光接收机解复用器光纤放大器复用器光发射机光发射机1nl1lnl1ln1n第一种：双纤单向WDM传输 光发射机光发射机光接收机光接收机1nl1lnl1ln1n光接收机光接收机复用/解复用器光纤放大器光发射机光发射机1nln 1l2n1n复用/解复用器ln 1l2n第二种：单纤双向WDM传输5、WDM技术的主要特点技术的主要特点3.9 复用器与滤波器复用器与滤波器3.9.1 概念概念波分复用器（波分复用器（ ）：）：如果在系统发送端采用此技术，将不同波长的光信号组合起来送

37、入光纤传输的设备称为光波分复用器（合波器）；在系统接收端可通过解复用器（分波器），将组合在一起的光信号分离并送入不同的终端。 光滤波器（光滤波器（Filter）：在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过的器件；如果所通过的光波长可以改变，则称为波长可调谐光滤波器。光滤波器 与解复用器(光波长选择器件)3.9.2 用途：用途：波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用3.9.3 性能指标性能指标 插入损耗：插入损耗：是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即 0lg10PPi(dB) 其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输

38、出端口接收到的光功率。隔离度（串扰抑制度）隔离度（串扰抑制度）：又叫信道隔离度，是指某一信道的信号光耦合到另一信道的大小，其定义为各信道最大的串扰系数，对于解复用器iijijPPClg10(dB) 其中Pi是波长为i的光信号的输入光功率，Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。回波损耗：回波损耗：是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即jrPPRLlg10(dB) 其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。反射系数：反射系数：是指在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即jrPPRlg10(dB) 工作波长范围：

39、工作波长范围：是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围。 信道宽度：信道宽度：是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。偏振相关损耗：偏振相关损耗：是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。 3.9.4 对光滤波器的要求对光滤波器的要求 3.9.5 种类种类 The period of the shift is different for the two different wavelengths. Each coupler/splitter must be designed for the particular wavelengths to be used. 二、法布里珀罗

40、滤波器 Fabry-Perot FilterF-P 滤波器特性自由谱区FSR(Free Spectral Range)：相邻两个谐振频率的间距。 FSR=c/2nd n-中间介质折射率；d-腔长3dB带宽F：传输系数的数值降为最大值的一半对应的频带宽度。 镜面反射率R越 大， F越窄精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。 RRFFSRF1RdnRcF2)1( RRFFSRF1f1 f2 f3 . fNP1P2 P3 . PNf1 f2 f3 . fN三、多层介质膜滤波器TFF Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多层介质膜：通过某一波长

41、，阻止其它波长四、马赫曾德干涉滤波器MZI Mach-Zehnder Interferometer五、体光栅滤波器 在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。采用渐变折采用渐变折射率透镜，射率透镜，简化了装置简化了装置的校准。的校准。阵列波导光栅型阵列波导光栅型未来方向未来方向注：详见第注：详见第3.7节节DWDM器件主要供应商器件主要供应商主要供应商TFFCorning、DiCon、JDSU、AMP、Oplink，ADC、Alliance,Casix,Chorum,Ditech

42、,ExceLight,FOCI,GlobalOpticom,ITF,Photonetics,WRI,HOPECOM，Sanyi,Browave,Transwave,Valdar,WaveSplitterAWGBookham、Lucent、Piri、NTT,HitachiCable,IOT,Lightwave Microsystems,SDL Piri,等FBG3M、ExceLight、MPB、BRAGG,Highwave,Fibersense&Signals,3.10 光放大器 3.10.1 光放大器概述 3.10.2 掺铒光纤放大器EDFA 3.10.3 半导体光放大器SOA 3.10.4

43、光纤拉曼放大器FRA3.10.1 光放大器概述 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继 光放大器（O-O） 多波长放大、低成本，只能实现1R中继光放大器的原理 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放

44、大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。光放大器的类型 利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、 TDFA 、PDFA） 利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好光放大器的应用研究新热点 展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40

45、nm； 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡； 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； 动态响应特性； 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。3.10.2 掺铒光纤放大器EDFA 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。 工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗 补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM 推动了全光网络的研究开发热潮为什么要