光纖通信(普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材)教學(xué)PPT作者顧畹儀

第五章無源光器件和WDM技術(shù)

5.1無源器件的幾個(gè)常用性能參數(shù)

5.2光纖和波導(dǎo)型無源光器件

5.3光學(xué)無源器件

5.4波分復(fù)用、解復(fù)用器件

5.5光開關(guān)

5.6WDM光纖傳輸系統(tǒng)5.1無源器件的幾個(gè)常用性能參數(shù)1．插入損耗IL=2．回波損耗RL=

3．反射系數(shù)R

=4．工作波長范圍最小波長（min）到最大波長（max）的范圍5．偏振相關(guān)損耗（PDL）對于所有的偏振態(tài)，由于偏振態(tài)的變化造成的插入損耗的最大變化值6．隔離度5.2光纖和波導(dǎo)型無源光器件5.2.1光連接器和光耦合器

1．光連接器光連接器的功能是將兩根光纖連接起來影響光連接器的插入損耗的因素:被連接的兩根光纖是否匹配安裝的精度2．光耦合器（Couplers）光通信中經(jīng)常需要把多個(gè)光信號耦合到一起，或?qū)⒐庑盘柗值蕉喔饫w中，光耦合器可以實(shí)現(xiàn)這些功能簡單的耦合器常用的制造光耦合器的方法有研磨拋光法、熔融拉錐法和平面波導(dǎo)法3．波導(dǎo)耦合器基本結(jié)構(gòu)和基本原理與光耦合器類似5.2.2偏振控制器

1．可轉(zhuǎn)動(dòng)光纖線圈型偏振控制器2．?dāng)D壓型偏振控制器5.2.3光纖布拉格光柵

1．光纖光柵濾波器光纖中折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)2．啁啾光纖光柵5.2.4Mach-Zahnder濾波器

M-Z濾波器由兩個(gè)3dB耦合器和兩段長度不等的波導(dǎo)臂組成輸入光功率Pi經(jīng)第一個(gè)3dB耦合器后等分為Pi1和Pi2兩部分,光功率可以表示為

由于兩波導(dǎo)的長度不同，傳輸時(shí)延不同，到達(dá)第二個(gè)3dB耦合器時(shí)，兩束光的電場強(qiáng)度可以表示為合成光波的電場強(qiáng)度和輸出光功率可以表示為定義輸出光功率與輸入光功率的比值為透射率，透射率的表達(dá)式為5.2.5非線性環(huán)路鏡

非線性環(huán)路鏡（Non-LinearOpticalLoopMirror，NOLM）是一個(gè)可以具有多種用途的快速開關(guān)器件，在消除脈沖序列的背景噪聲、光時(shí)分復(fù)用（OTDM）系統(tǒng)和光邏輯器件的研究中有廣泛的應(yīng)用非線性環(huán)路鏡的典型結(jié)構(gòu)

輸出光功率隨輸入功率的變化非線性環(huán)路鏡可以采用多種不同的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的目的,下圖為改進(jìn)的非線性環(huán)路鏡

非線性環(huán)路鏡可以用于不同的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)不同的目的下圖為NOLM可以作為一個(gè)光邏輯與門，在光時(shí)分復(fù)用（OTDM）系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)解復(fù)用的功能5.3光學(xué)無源器件5.3.1偏振分束器

雙折射棱鏡型偏振分束器5.3.2光隔離器

光隔離器結(jié)構(gòu)和原理的示意圖5.3.2光隔離器

光環(huán)行器是在光通信中應(yīng)用廣泛的微光學(xué)器件，它具有多個(gè)端口，最常用的是3端口和4端口器件光環(huán)行器可以有不同的結(jié)構(gòu)，可以使用不同的器件構(gòu)成，但其最基本的原理是利用法拉第電磁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸3端口光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)以及端口1到端口2的光路圖5.3.4自聚焦透鏡

自聚焦透鏡（GRIN）是應(yīng)用廣泛的無源光器件，主要作用是準(zhǔn)直光束自聚焦光纖的折射率分布近似為自聚焦透鏡中光線的軌跡在自聚焦透鏡中，近軸光線的軌跡r（z）及其導(dǎo)數(shù)為在自聚焦透鏡中，入射光線的軌跡是一條正弦曲線，而且所有的入射光線都有相同的周期，稱之為自聚焦透鏡的節(jié)距，表示為Ln

5.3.5F-P腔濾波器

兩束透射波A1和A2的路程差為相位差為當(dāng)相位差為2的整數(shù)倍時(shí)，所有的透射波同相相長，形成強(qiáng)的輸出光束，對應(yīng)的透射波長為m

=

1，2，3，…

5.3.6光柵

光柵形狀基本的光柵方程可以表示為

k=1，2，3，…

角色散本領(lǐng)和色分辨本領(lǐng)是角色散元件的主要性能指標(biāo)角色散本領(lǐng)是相距為單位波長的光波散開角度，其表達(dá)式為色分辨本領(lǐng)定義為光柵的角色散本領(lǐng)為色分辨本領(lǐng)為5.4波分復(fù)用、解復(fù)用器件對波分復(fù)用器件的主要要求是：插入損耗小，隔離度大，串?dāng)_??；帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭；溫度穩(wěn)定性好，工作穩(wěn)定、可靠；復(fù)用通路數(shù)多，各路插入損耗相差不大，尺寸小波分復(fù)用、解復(fù)用器件的性能參數(shù)插入損耗回波損耗反射系數(shù)偏振相關(guān)損耗中心波長和通帶特性中心波長是指各信道的中心波長通帶特性是指波分復(fù)用器的各個(gè)信道的濾波特性，可以用?0.5dB帶寬、?3dB帶寬和?20dB帶寬來表示

信道隔離度和串?dāng)_信道隔離度定義隔離度和串?dāng)_是一對相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，其絕對值相等，符號相反

5.4.1光柵型復(fù)用、解復(fù)用器

光柵型解復(fù)用器的三種結(jié)構(gòu)

光柵型解復(fù)用器是一種并行器件，它可以同時(shí)分開多路不同波長的信號，使各路的插入損耗都一樣，具有解復(fù)用路數(shù)多，分辨率較高等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中5.4.2干涉膜濾波器型復(fù)用、解復(fù)用器件

基本的干涉膜濾波器型解復(fù)用器件的結(jié)構(gòu)5.4.3陣列波導(dǎo)光柵型復(fù)用、解復(fù)用器

陣列波導(dǎo)光柵型（ArrayedWavequideGrating，AWG）復(fù)用、解復(fù)用器的原理結(jié)構(gòu)和輸出特性

隨著復(fù)用波長數(shù)的不斷增加，一種稱為波長交織器的復(fù)用、解復(fù)用器問世這種器件是一種梳狀濾波器，可以對信號的頻譜進(jìn)行梳理和交織，也稱為光數(shù)字波分復(fù)用器5.5光開關(guān)光開關(guān)是構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)中光交叉連接（OXC）和光分插復(fù)用（OADM）設(shè)備的核心器件，也是光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)保護(hù)倒換的必需器件，其主要性能除了插入損耗、隔離度、開關(guān)速度和偏振敏感性等外，還有消光比和阻塞性質(zhì)消光比是指開關(guān)on和off時(shí)輸出功率之比（常用dB表示），阻塞性質(zhì)是指任一輸入端的信號能否在任意時(shí)刻接通到任意輸出端的性質(zhì)5.5.1機(jī)械光開關(guān)

機(jī)械光開關(guān)可以分為移動(dòng)光纖、移動(dòng)套管、移動(dòng)準(zhǔn)直器、移動(dòng)反光鏡、移動(dòng)棱鏡和移動(dòng)耦合器等多種類型圖示為三種采用不同技術(shù)的開關(guān)結(jié)構(gòu)：移動(dòng)光纖、移動(dòng)棱鏡和轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡

5.5.2微機(jī)械光開關(guān)

MEMS器件基本原理是通過靜電的作用使可以活動(dòng)的微鏡面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向。MEMS既有機(jī)械光開關(guān)的低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性和高消光比的優(yōu)點(diǎn)，又有體積小、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于骨干網(wǎng)或大型交換業(yè)務(wù)的應(yīng)用場合。分為二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)自由空間MEMS光開關(guān)原理圖三維MEMS光開關(guān)5.5.3熱光開關(guān)

基本結(jié)構(gòu)有兩種：一種是Y型分路器結(jié)構(gòu)另一種是Much－Zahnder（MZI）干涉儀型結(jié)構(gòu)5.5.4其它類型的光開關(guān)

1．LiNbO3波導(dǎo)型電光開關(guān)利用電光效應(yīng)達(dá)到改變波導(dǎo)材料的折射率來實(shí)現(xiàn)的光開關(guān)開關(guān)速度快、集成方便，是未來光交換技術(shù)中需要的高速器件2．半導(dǎo)體光放大器門型開關(guān)3．噴墨氣泡光開關(guān)5.6WDM光纖傳輸系統(tǒng)5.6.1波分復(fù)用（WDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）和光頻分復(fù)用（OFDM）

本質(zhì)上都是光波長分割復(fù)用（或光頻率分割復(fù)用），所不同的是復(fù)用信道波長間隔不同目前WDM系統(tǒng)主要指密集波分復(fù)用系統(tǒng)，它的主要優(yōu)點(diǎn)為：（1）充分利用光纖的低損耗波段，大大增加光纖的傳輸容量，降低成本；（2）對各信道傳輸?shù)男盘柕乃俾?、格式具有透明性，有利于?shù)字信號和模擬信號的兼容；（3）節(jié)省光纖和光中繼器，便于對已建成的系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容；（4）可提供波長選路，使建立透明、靈活、具有高度生存性的WDM光通信網(wǎng)成為可能5.6.2波分復(fù)用系統(tǒng)的構(gòu)成

WDM系統(tǒng)可以分為單向傳輸方式和雙向傳輸方式單向WDM系統(tǒng)的組成

雙向WDM光纖通信系統(tǒng)的組成5.6.3WDM系統(tǒng)的標(biāo)稱波長

ITU-T已建議193.1THz（即1552.52nm）值作為WDM的參考頻率，從而為WDM光信號提供較高的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。WDM的通道間隔是指相鄰?fù)烽g的標(biāo)稱頻率差，可以是均勻間隔，也可以是非均勻間隔的，適當(dāng)設(shè)計(jì)的非均勻間隔可以用來抑制G.653光纖中的四波混頻效應(yīng)（FWM），減小非線性串?dāng)_。中心頻率偏移定義為標(biāo)稱中心頻率與實(shí)際中心頻率之差。5.6.4波分復(fù)用系統(tǒng)的管理技術(shù)

根據(jù)我國國標(biāo)的規(guī)定，光監(jiān)控信道應(yīng)滿足以下條件：（1）監(jiān)控通路不限制光放大器的泵浦波長；（2）監(jiān)控通路不應(yīng)限制兩線路放大器之間的距離；（3）監(jiān)控通路不能限制未來在1310nm波長的業(yè)務(wù)；（4）線路放大器失效時(shí)監(jiān)控通路仍然可用；（5）OSC傳輸應(yīng)該是分段的且具有3R功能和雙向傳輸功能，在每個(gè)光放大器中繼站上，信息能被正確的接收下來，而且還可附加上新的監(jiān)控信號；（6）只考慮在兩根光纖上傳輸?shù)碾p向