現(xiàn)代光通信第三章

第3章光纖線路技術(shù)及器件3.1光器件概述3.2光連接器3.3光衰減器和光開關(guān)3.4光纖耦合器3.5光隔離器與環(huán)行器3.6光調(diào)制器3.7光纖光柵3.8光波分復用技術(shù)3.9復用器與濾波器3.10光波長轉(zhuǎn)換器與光交叉互連器3.11光放大器3.1光器件概述

1、種類：通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。

有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。

光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等。2、功能：3、發(fā)展趨勢：集成化、全光纖化4、具體器件：3.2光連接器Connector3.2.1光纖的連接光纖的連接：是將兩根光纖端面結(jié)合在一起，實現(xiàn)光信號的持續(xù)傳輸。分類：分為活動連接和固定連接。利用活動器是實現(xiàn)活動連接器的主要方法，熔接法是固定連接的主要方法。

光纖的熔接（fusionsplicing）光纖的固定連接是指一對光纖之間形成永久性的連接，這種連接用于不需要拆卸或重復使用的場合。光纖融接機：光纖融接機光纖切割刀

3.2.2光纖活動連接器1、概念光纖活動連接器：是連接兩根光纖或光纜使其成為光通路可以重復裝拆的活接頭。用途：常用于光源到光纖、光纖到光纖以及光纖與探測器之間的連接；在光纖通信系統(tǒng)、光信息處理系統(tǒng)、光學儀器儀表中，光纖活動連接器的使用非常廣泛。要求：損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復性和互換性好以及價格低廉等；還要求能承受機械振動和沖擊，適應一定的溫度和濕度環(huán)境條件；需要有裝拆時防止雜志污染的保護措施。2、分類單芯型和多芯型：單芯型：用于單根光纖之間的連接。多芯型：用于多根光纖之間的連接。單模型和多模型：單模型：用于單模光纖之間的連接多模型：用于多模光纖之間的連接單模型又分為：調(diào)芯型：指光纖活動連接器內(nèi)部裝有調(diào)心機構(gòu)。非調(diào)芯型：內(nèi)部沒有調(diào)心結(jié)構(gòu)。對接耦合式和透鏡耦合式

3、結(jié)構(gòu)（常用套管結(jié)構(gòu)）接口零件對中：要和插針精密配合，確保光纖的對準；對中可以采用套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V形槽結(jié)構(gòu)或透鏡結(jié)構(gòu)。光纖插針：是將光纖固定在其中保護起來，并使套筒中的光纖對準；其結(jié)構(gòu)有微孔結(jié)構(gòu)、三棒或多層結(jié)構(gòu)等。

精密套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖

光纖插針端面的分類

平面式（FC型,FlatConnectionorFiberContact

）球面式（PC型,PhysicalConnectionorSphereContact

）

8°斜面式（APC型,AngledPhysical

Contact

）超級球面式（UPC型,SuperPhysicalContact

）

注：不管何種插針結(jié)構(gòu)，都應使光纖外徑與插針管內(nèi)徑匹配不留間隙，光纖端面之間距離要很小，為減小端面上的菲涅爾反射。連接器的結(jié)構(gòu)很多，目前許多光纖通信系統(tǒng)使用的FC型連接器。并采用套管結(jié)構(gòu)對中和微孔結(jié)構(gòu)插針光纖固定效果最好，適合大批量生產(chǎn)，得到了廣泛的應用。實際應用：活動連接器外部結(jié)構(gòu)分類兩插頭與轉(zhuǎn)換器（琺瑯盤）的連接有：FC型（螺紋連接，F(xiàn)erruleConnector）

SC型（軸向插拔矩形，SquareConnector

）

ST型（彈簧帶鍵卡口，SpringTension）光纖活動連接器基本結(jié)構(gòu)

注：插針和套筒可用不透鋼、硬質(zhì)合金制作，也可用陶瓷材料制作。陶瓷材料比合金較為優(yōu)越，因為陶瓷材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，線膨脹系數(shù)很小，且與石英光纖的線膨脹系數(shù)接近（都為8×10-7/°C），容易吻合。FC型：螺紋連接。外部材料為金屬SC型：外殼采用工程塑料，矩形結(jié)構(gòu)，便于密集安裝，不用螺紋連接，可以直接插拔。ST型：采用帶鍵的卡口式鎖緊機構(gòu)，確保連接時準確對中。STConnector:光纖跳線＋適配器FCConnector：SCConnector：光纖適配器（轉(zhuǎn)換器）:該圖為FC/PC型光纖跳纖（非正規(guī)叫法是雙頭尾纖)。光跳線顏色為黃色，表示單模跳纖。

該圖為MTRJ-SC型光纖跳纖，光跳線顏色為橙色，表示多模跳纖。

4、性能插入損耗：光信號通過連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)?；夭〒p耗：反射損耗，光纖連接處，后向反射光相對輸入光的比率的分貝數(shù)。重復性和互換性插拔壽命

損耗來源

5、連接器的表示方式光纖連接器的表示3.3光衰減器和光開關(guān)3.3.1光衰減器（Attenuator）1、概念及主要用途光衰減器：光衰減器是用來穩(wěn)定地、準確地減小信號光功率的無源光器件。

主要用途：光衰減器主要用于調(diào)整中繼段的線路衰減，測量光系統(tǒng)的靈敏度及校正光功率計等。

2、分類按工作機理

耦合型：通過輸入、輸出光束對準偏差的控制來改變光耦合量的大小，從而達到改變衰減量的目的。

反射型：在玻璃基片上鍍反射模作為衰減片。光透過衰減片時主要是反射和透射。

吸收型：是采用光學吸收材料制成的衰減片，對光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。

按衰減量的變化

固定式：即衰減量一定固定式：即衰減量一定步進可變式：即階躍式可變

連續(xù)可變式3、主要性能指標：

插入損耗、衰減量變化范圍、精度以及溫度等

光衰減器分類說明

3.3.2光開關(guān)（Switches）1、概念光開關(guān)：能夠控制傳輸通路中光信號通或斷或進行光路切換作用的器件。光網(wǎng)絡中的關(guān)鍵器件。光開關(guān)是構(gòu)成光網(wǎng)絡中光交叉連接（OXC）和光分插復用（OADM）設(shè)備的核心器件，也是光網(wǎng)絡實現(xiàn)保護倒換的必需器件。2、主要性能開關(guān)時間是光開關(guān)的主要指標。不同的應用場合,對光開關(guān)的開關(guān)時間要求不同。

消光比、插損、串話、偏振相關(guān)性(PDL)也是光開關(guān)的重要參數(shù)。應用開關(guān)時間需求光路的交換及管理(OADM、OXC)1~10ms保護開關(guān)1~10ms光包交換1ns外調(diào)制10ps消光比和阻塞性質(zhì)

消光比是指開關(guān)on和off時輸出功率之比（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刻接通到任意輸出端的性質(zhì)

隔離度：指對輸出光功率的隔離程度。3、分類

機械光開關(guān)熱光開關(guān)電光開關(guān)微光機電系統(tǒng)（MOEMS）機械式光開關(guān)：通過機械運動實現(xiàn)不同光纖端口之間的相對連接，解決的辦法無非是相對移動光纖或相對移動光學元件。

機械式光開關(guān)低插損、低PDL、低串話(隔離度高)、性能穩(wěn)定、低價格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM節(jié)點中。是目前最為成熟，應用最廣的光開關(guān)。

活動光纖光纖光纖固定裝置

1×N移動光纖式機械光開關(guān)

用電磁鐵驅(qū)動活動臂移動，切換到不同的固定臂光纖

熱光效應光開關(guān)基本結(jié)構(gòu)：MZ干涉儀，通過改變某一干涉臂的材料溫度，而改變其相位差，進而實現(xiàn)光信號的通斷特點：可以集成、開關(guān)速度優(yōu)于機械式（ms）3dB耦合器波導臂薄膜加熱器相位移動在第二個耦合器處產(chǎn)生相長或相消干涉，使輸出有或無Figure.Thermoopticswitch

Figure.Thermo-opticalswitchmatrixarchitecture電光效應光開關(guān)LiNbO3波導型電光開關(guān)：等同于外調(diào)制器特點：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、價格昂貴半導體光放大器SOA光開關(guān)：改變SOA驅(qū)動電流來實現(xiàn)特點：速度快（~ns）、無損開關(guān)，但引入ASE噪聲和可能導致信號畸變、價格昂貴類型大小插損(dB)串話(dB)PDL(dB)開關(guān)時間機械式883550.210ms熱光開關(guān)

SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms電光開關(guān)

LiNbO3SOA44448035401Low10ps1ns光開關(guān)性能比較新型光開關(guān)——MOEMS

(Micro-Opto-Electro-MechanicalSystems)微光機電系統(tǒng)(MOEMS)光開關(guān)是微機電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)與傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型機械式光開關(guān)。MEMS技術(shù)是基于半導體微細加工技術(shù)而成長起來的制作工藝技術(shù)，利用這種技術(shù)可以制作出微小而活動的機械系統(tǒng)。采用集成電路(IC)標準工藝在Si襯底上制作出集成的微反射鏡陣列，反射鏡尺寸非常小，僅300微米左右，比頭發(fā)絲還細。I/OFibersImagingLensesReflectorMEMS2-axisTiltMirrorsMEMS光開關(guān)陣列優(yōu)點：可實現(xiàn)超大規(guī)模交叉連接可利用IC工藝，批量生產(chǎn)MOEMS開關(guān)時間：ms量級

Mirror1NMEMSSwitch

HP/AgilentBubble開關(guān)陣列將成熟的噴墨打印技術(shù)與Si平面光路(PLC)結(jié)合。加熱時，利用氣泡的全反射，使來自輸入波導的光改變反向。安捷倫（Agilent）公司

Agilent于1999年將它成熟的噴墨打印技術(shù)與Si平面光路（PlanarLightwaveCircuit－PLC）結(jié)合，推出噴墨液晶開關(guān)器件。原理：在Si襯底材料上制作出偏振光束分支波導（PBS），再在每個分支波導交叉點刻蝕成有一定角度的槽，槽內(nèi)裝上折射匹配的液晶，液晶槽下面是電熱器。不加熱時，光束直通；當Si材料中相關(guān)點被加熱器加熱時，其上的液晶產(chǎn)生一種氣泡，經(jīng)過它的全反射，使來自輸入波導的光改變方向，反射到要求輸出的波導上。PBS起著路由器的作用，它把信號引向到要求的出口。開關(guān)速度：數(shù)十微秒量級。快于MOEMS光開關(guān)。

3.4光纖耦合器（Coupler）1、概念及應用光纖耦合器：是一種能使傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行再分配的器件。

應用：光纖耦合器可以從傳輸線路中提取出一定的功率，實現(xiàn)對線路的監(jiān)控；也可以用于光纖CATV、光纖用戶網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡（PON）、光纖傳感等領(lǐng)域，實現(xiàn)信號的組合與分配。2、分類按端口形式

常用耦合器的類型

T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分圖1光纖型耦合器

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器1，221直通臂耦合臂12P0

P1P2圖2熔錐光纖型波分復用器結(jié)構(gòu)和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂

圖3微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復用器；(d)光柵式解復用器微器件型

用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學器件構(gòu)成，如圖3所示。

衍射光柵型波分復用器結(jié)構(gòu)示意圖光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透鏡的光柵型WDM光纖棒透鏡光柵1+2+31231+2+3123圖4波導型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解復用器；波導型

在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。按照與波長關(guān)系

窄帶耦合器：耦合器的耦合比隨入射波長而變化。寬帶耦合器：耦合器的耦合比與入射波長無關(guān)系。3、主要特性圖5說明耦合器參數(shù)的模型說明耦合器參數(shù)的模型如圖5所示，主要參數(shù)定義如下。耦合比CR

是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用%表示由此可定義功率分路損耗Ls：

Ls=10lg

附加損耗Le

由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示

插入損耗Lt

是一個指定輸入端的光功率Pit和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示

方向性DIR(隔離度)

是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示

一致性U

是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。產(chǎn)品：1×2耦合器產(chǎn)品：1×N耦合器耦合器的研制制作過程熔融拉錐機的主要部分儀器：熔融拉錐機標定光源：1550nmLD

制作光纖：CorningSMF-28制作方法：拉錐法利用光纖耦合器制作的光纖環(huán)形鏡Iin為FLM的1端輸入光強；IR、IT分別為FLM的1端反射光強及2端透射光強

光纖環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)圖3.5光隔離器與光環(huán)行器

3.5.1光隔離器(Isolators)互易器件：耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換，稱之為互易器件。1、概念及主要用途概念：隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。應用：主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。

2、工作原理及類型工作原理

光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應。法拉第效應是法拉第在1845年首先觀察到不具有旋光性的材料在磁場作用下使通過該物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱磁致旋光效應。沿磁場方向傳輸?shù)钠窆?，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角度θ和磁場強度B與材料長度L的乘積成比例，有式中，V為材料的特性常數(shù)，稱維爾德常數(shù)。偏正方向的旋轉(zhuǎn)只與磁場強度的方向有關(guān)，而與光傳播的方向無關(guān)

類型

（1）偏振相關(guān)型：由起偏器、檢偏器和旋光器組成。注：SOP的意思是光的偏振態(tài)（StateofPolarization）

（2）偏振無關(guān)型：空間分離偏振器、旋光器、半波片SWP的意思是空間分離偏振器（SpatialWalk-offPolarizer），作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。3、光隔離器的主要技術(shù)指標附加損耗：插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號功率為Pi，經(jīng)過光隔離器后的功率為Po，則插入損耗IL為

回波損耗：回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對入射光信號的衰減。回波損耗RL為顯然，其值越小越好，其典型值約為1dB。其中，Pi為正向輸入光隔離器的光信號功率，Pr為返回輸入端口的光功率。RL值越大越好。隔離度：隔離度是指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的損耗。有其中，為反向輸入光隔離器的光信號功率，為反向通過光隔離器的光功率。隔離度越大越好，其典型值約為40~50dB。偏振相關(guān)損耗（PDL）：是指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其他參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量。它是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標。偏振模色散（PMD）：是指通過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。注：一般情況下，光通信系統(tǒng)對光隔離器的主要技術(shù)指標要求為：插入損耗≤1.0dB；隔離度≥35dB；回波損耗≥50dB；PDL≤0.2dB；PMD≤0.2ps。IsolatorsIsolator/couplerhybrids3.5.2光環(huán)形器（Circulators）1.概念：是一種多端口非互易光學器件。光環(huán)形器與光隔離起工作原理基本相同，只是光隔離器一般為兩端口器件，而光環(huán)形器則為多端口器件。

2.結(jié)構(gòu)：典型結(jié)構(gòu)有N（N大于等于3）個端口，如下圖所示，當光由端口1輸入時，光幾乎毫無損失地由端口2輸出，其它端口幾乎沒有光輸出；當光由端口2輸入時，光幾乎毫無損失地由端口3輸出，其它端口處幾乎沒有光輸出，這N個端口形成了一個連續(xù)的通道。若端口N輸入的光可以由端口1輸出，稱為環(huán)形器，若端口N輸入的光不可以由端口1輸出，稱為準環(huán)形器，一般人們都稱為環(huán)形器。3、應用：它可以完成正反向傳輸光的分離任務。光環(huán)形器在光通信中單纖雙向通信、上/下話路、合波/分波及色散補償?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應用。

4.分類：透射式和反射式。光環(huán)形器用于單纖雙向通信示意圖3.6光調(diào)制器（Modulators）光調(diào)制器：實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換光調(diào)制的分類：從光源調(diào)制角度看，有兩種方法實現(xiàn)光調(diào)制，其一，將調(diào)制信號直接注入激光器（調(diào)制激光器驅(qū)動電流），而實現(xiàn)激光輸出光強度等參數(shù)的調(diào)制--內(nèi)調(diào)制或直接調(diào)制（簡單、經(jīng)濟、引入較大的啁啾）；其二，將調(diào)制信號控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應使其輸出光的強度等參數(shù)隨信號而變--外調(diào)制（調(diào)制信號啁啾?。?。按被調(diào)制光波的參數(shù)分：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制等。直接調(diào)制和外調(diào)制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外調(diào)制技術(shù)調(diào)制信號不直接施加在LD上，而是施加在光調(diào)制器上。外調(diào)制技術(shù)分類：電光調(diào)制ElectroopticEffects電致吸收Electro-AbsorptionEffects磁光調(diào)制MagnetoopticEffects聲光調(diào)制AcousticModulators其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。電光效應光調(diào)制器電光效應：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3)

，導致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化。折射率變化n與外加電場E有著復雜的關(guān)系，可近似地認為n與(rE+RE2)成正比。電光調(diào)制器主要利用普科爾(Pocket)效應.普科爾(Pocket)效應：晶體折射率與外加電場幅度成線形變化克爾(Kerr)效應：晶體折射率與外加電場幅度的平方成比例變化晶體折射率隨外加電場而變化。具有非常好的消啁啾特性，適合于高速系統(tǒng)的超長距離傳輸。但調(diào)制器的插入損耗大，需要較高的驅(qū)動電壓(典型值為4V)，難以與光源集成，而且對偏振敏感。40Gb/sLiNbO3Modulator對于同向傳輸?shù)膬蓚€波，如果傳播常數(shù)滿足Bragg條件，兩波之間將發(fā)生能量的耦合。Bragg條件：特別地，如果滿足

能量將耦合至波長與入射波相同的反向傳輸?shù)纳⑸渲?-反射式濾波器FBG光柵周期3.7光纖光柵（FiberBraggGrating-FBG）FBG:lengthPeriod光纖光柵的形成：光纖敏化（載氫或光敏光纖）--紫外光（~244nm）以光柵條紋方式照射光纖--形成折射率光柵反射中心波長纖芯的有效折射率光柵周期根據(jù)不同的折射率分布，F(xiàn)BG分類：1.均勻的Bragg光柵：諧振峰兩邊有一些旁瓣。由于光纖光柵兩端折射率突變引起F-P效應導致的。旁瓣分散了光能量，不利于其應用，需進行旁瓣抑制。

2.切趾型光柵apodisation：兩端折射率分布逐漸遞減至零，消除了折射率突變，從而使反射譜不存在旁瓣高斯切趾平均值為零的升余弦切趾

3.啁啾光柵ChirpedFBGs：折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿光柵軸向變化，反射譜寬增加短波長長波長FBG應用：濾波器、色散補償器、光纖激光器等特點：插損小帶寬窄易于光纖連接低成本溫度特性（0.0125nm/oC未補償,0.0007nm/oC經(jīng)補償)應力敏感長周期光纖光柵：能量耦合:傳輸模---同向的包層模P階包層模耦合至包層模的能量迅速損耗---損耗的波長相關(guān)性應用:EDFA的增益均衡光纖光柵的應用舉例

例一：色散補償

例二：EDFA的增益平坦EDFA增益譜線：有很大的不平坦性，在1530nm和1560nm處有兩個增益峰，而且有用的增益帶寬只有幾十鈉米。必須對其增益進行均衡，把尖峰壓平，使其增益在較寬的頻譜范圍內(nèi)是平坦的，從而使波分復用系統(tǒng)中的各個工作波長處的功率差異不才超出接收器的動態(tài)范圍。方法：（1）利用紫外寫入的閃耀光柵：選擇合適的閃耀角、周期等光柵參數(shù)，使光纖放大器的增益峰減小，即達到增益均衡，由于閃耀光柵中存在著向后反射，所以更傾向于：（2）長周期光纖光柵：進行增益平坦。通過選擇適當?shù)墓鈻胖芷冢沟瞄L周期光柵將一定波長的光耦合致包層而迅速損耗掉，而且不存在反射，較好的用于EDFA的增益平坦。例三：分插復用器例四：光纖激光器基于FBG和FLM的線性腔光纖激光器

例五：光纖光柵傳感器FBG性能測試等腰三角形懸臂梁調(diào)諧示意圖

FBG：布喇格波長

1555.065nm

反射率95%

懸臂梁：長l=12cm

截面厚度h=0.3cm

底邊b=1.3cm

自由端G處：托盤和砝碼的總質(zhì)量P

光纖光柵調(diào)諧技術(shù)FBG中心波長漂移量ΔλB

與P的變化關(guān)系曲線

懸臂梁的調(diào)諧公式

其中

,g為重力加速度

楊氏模量：有效彈光系數(shù)：可調(diào)諧光纖激光器實驗裝置

Output1端激光光譜圖（用光譜儀測量）

3.8光波分復用技術(shù)WDM:WavelengthDivisionMultiplexing3.8.1光復用技術(shù)概述1、光時分復用技術(shù)（OTDM,OpticalTimeDivisionMultiplexing）原理：在發(fā)送端的同一光波波長上，把時間周期性地分成幀，每一幀再分割成若干個時隙。再根據(jù)一定的時隙分配原則，使每個信源在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向信道發(fā)送信號。在接受端同步的條件下，分別向各個時隙內(nèi)取回各自的信號，而互不干擾。將高速的光支路數(shù)據(jù)流（couldbe

電復用產(chǎn)生

，eg.10Gbit/s甚至40Gbit/s）直接復用進光域，產(chǎn)生比特率極高的合成光數(shù)據(jù)流。也即：2、光副載波復用（OSCM,OpticalSubcarrierMultiplexing）將基帶信號首先調(diào)制到GHz（微波頻率）的副載波（電載波）上，再把副載波調(diào)制到THz的光載波上。每個信道具有不同的副載波頻率（頻分復用），占據(jù)光載波附近光譜的不同部分，從而保證各信道上信號互不干擾。原理:副載波信道的復用和解復用是在電域而不是在光域進行的，因此，副載波復用具有幾個信道能夠共用

一個價格昂貴的光器件，降低設(shè)備成本。注意：

因為副載波所傳輸?shù)男盘栔g相互無關(guān)，彼此獨立，故可實現(xiàn)模擬和數(shù)字以及圖像信號的兼容，適用于用戶接入網(wǎng)的CATV多頻道的傳輸系統(tǒng)之中。

要想更多地利用光纖的帶寬，副載波復用技術(shù)可以與波分復用技術(shù)聯(lián)合使用?？偨Y(jié)：每個信道或占有一個給定的波長、頻率；或占有一個給定的時隙。并且，光復用和電復用結(jié)合。3、光碼分復用技術(shù)（OCDM,OpticalCodeDivisionMultiplexing）每個信道不是占有一個給定的波長、頻率；或占有一個給定的時隙，而是以一個特有的編碼脈沖序列方式來傳送其比特信息。也即，不同信道的信號用互成正交的不同碼序列來填充，再調(diào)制到同一光波上在光纖信道中傳輸，接收端用與發(fā)送方向相同的碼序列進行相關(guān)接收，即可恢復出原信道的信號。由于采用的是正交碼,相關(guān)接收時不會產(chǎn)生相互干擾。原理:改善網(wǎng)絡性能，提高網(wǎng)絡通信容量，提高系統(tǒng)信噪比，增強系統(tǒng)保密性，增加網(wǎng)絡靈活性。優(yōu)點:非相干光CMD:正交碼數(shù)量有限，碼間干擾大;相干光CDM:激光源頻率穩(wěn)定性差，光纖激化態(tài)不穩(wěn)定，光脈沖相位難以控制問題:4、光波分復用技術(shù)（WDM,WavelengthDivisionMultiplexing）

WDM是在一光纖芯中同時傳輸多波長光信號的技術(shù)。在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，

在接收端將組合波長的光信號分開，恢復出原信號后送入不同的終端。它是目前研究最多，發(fā)展最快，應用最廣泛的技術(shù)。

復用波長數(shù)也在不斷增長。1997年BellLabs創(chuàng)造的最高記錄是206個，到1999年11月，又實現(xiàn)了超密集波分復用（UDWDM，1022個波道），波長間隔為10GHz。最近，Essex(埃塞克斯大學)宣稱實現(xiàn)了4000個信道的DWDM系統(tǒng)，信道間隔為1GHz，相當于0.008nm，而Avanex（艾維思通訊）又宣布他們已掌握了信道間隔為0.0032nm的技術(shù)，這些技術(shù)為大容量吉比特以太網(wǎng)和城域網(wǎng)的發(fā)展提供了有力的支持。

在超長距離方面，Corvis公司的160×2.5Gbit／s系統(tǒng)從芝加哥傳輸?shù)轿餮艌D，總長度3200km；而在實驗室的環(huán)路實驗方面，OFC2000（世界光纖通信大會）上報道的NEC（日本電氣）的3.2Tbit／s系統(tǒng)和Tyco（美國泰科）的1.8Tbit／s系統(tǒng)分別傳輸了1500km和7000km。

WDM的主要優(yōu)點為：

·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；

·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；

·節(jié)省光纖和光中繼器，便于對已建成系統(tǒng)的擴容；

·可以提供波長選路，使建立具有高度生存性和靈活性的WDM全光通信網(wǎng)成為可能。

5、光頻分復用技術(shù)（OFDM,Optical

FrequencyDivision

Multiplexing）

為了進一步提高光線帶寬利用率，相鄰兩光載波的間隔將越來越小。一般認為，當相鄰光載波的間隔小到0.1nm(10GHz)以下時，此時的復用稱為光頻分復用，它與波分復用在本質(zhì)上沒有區(qū)別。當光載波的間隔比較大時，用波長衡量比較方便，稱之為波分復用;當光載波的間隔比較小時，用頻率衡量比較方便，稱之為頻分復用。3.8.2光波分復用技術(shù)

1、光波分復用技術(shù)（WDM）概念：在一根光纖中能同時傳輸多波長光信號的技術(shù)，稱為光波分復用技術(shù)（WDM）。

2、WDM原理3、WDM的常規(guī)分類4、WDM系統(tǒng)的基本組成雙纖單向傳輸，單纖雙向傳輸?shù)谝环N：雙纖單向WDM傳輸

第二種：單纖雙向WDM傳輸5、WDM技術(shù)的主要特點3.9復用器與濾波器MultiplexerandFilter3.9.1概念波分復用器（Multiplexer

）：如果在系統(tǒng)發(fā)送端采用此技術(shù)，將不同波長的光信號組合起來送入光纖傳輸?shù)脑O(shè)備稱為光波分復用器（合波器）；在系統(tǒng)接收端可通過解復用器（分波器），將組合在一起的光信號分離并送入不同的終端。光濾波器（Filter）：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定波長的光信號通過的器件；如果所通過的光波長可以改變，則稱為波長可調(diào)諧光濾波器。光濾波器與解復用器(光波長選擇器件)0濾波器解復用器3.9.2用途：波長選擇、光放大器的噪聲濾除、光復用/解復用3.9.3性能指標插入損耗：是指由于增加光波分復用器/解復用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即(dB)其中Pi為發(fā)送進輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。隔離度（串擾抑制度）：又叫信道隔離度，是指某一信道的信號光耦合到另一信道的大小，其定義為各信道最大的串擾系數(shù)，對于解復用器(dB)其中Pi是波長為λi的光信號的輸入光功率，Pij是波長為λi的光信號串入到波長為λj信道的光功率。回波損耗：是指從無源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即(dB)其中Pj為發(fā)送進輸入端口的光功率，Pr為從同一個輸入端口接收到的返回光功率。反射系數(shù)：是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比，即(dB)工作波長范圍：是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長范圍。信道寬度：是指各光源之間為避免串擾應具有的波長間隔。偏振相關(guān)損耗：是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。3.9.4對光濾波器的要求

基于干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多層介質(zhì)膜濾波器、馬赫-曾德干涉濾波器基于光柵原理的濾波器：體光柵濾波器、陣列波導光柵濾波器（AWG）、光纖光柵濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器3.9.5種類

一、熔錐光纖濾波器利用熔錐型光纖耦合器的波長依賴性。設(shè)計熔融區(qū)的錐度，控制拉錐速度。特點：插損低、結(jié)構(gòu)簡單、溫度穩(wěn)定性高、隔離度低、復用波長數(shù)少（兩波）應用：波長間隔較寬，常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波長的分離Theperiodoftheshiftisdifferentforthetwodifferentwavelengths.Eachcoupler/splittermustbedesignedfortheparticularwavelengthstobeused.WavelengthSelectiveCoupling/Splitting二、法布里－珀羅濾波器Fabry-PerotFilter基本原理：F-P干涉儀，平行平板的多光束干涉。F-P濾波器特性自由譜區(qū)FSR(FreeSpectralRange)：相鄰兩個諧振頻率的間距。

FSR=c/2nd

n-中間介質(zhì)折射率；d-腔長3dB帶寬F：傳輸系數(shù)的數(shù)值降為最大值的一半對應的頻帶寬度。鏡面反射率R越大，F(xiàn)越窄精細度F(Finesse)：自由譜區(qū)與3dB帶寬之比。

R越大，精細度越大。FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器(f)(a)FSR傳輸函數(shù)Pin(f)(b)輸入功率Pout(f)(c)輸出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P濾波器的傳輸特性(a)傳輸函數(shù)(b)N個信道經(jīng)波分復用后加到濾波器輸入端的頻譜圖(c)濾波器輸出端DWDM系統(tǒng)對F-P濾波器參數(shù)的要求：F-P腔的自由譜區(qū)FSR必須大于多信道復用信號的頻譜寬度，以免使信號重疊，造成混亂。在DWDM中，信道間距小于10nm，所以要求F-P腔有較窄的帶寬F。精細度F要高級聯(lián)F-P腔可調(diào)光纖F-P濾波器(FFP)三、多層介質(zhì)膜濾波器TFFMultilayerDielectricThin-FilmFilter多層介質(zhì)膜：通過某一波長，阻止其它波長Thin-FilmresonantMulticavityFilter(TFMF)薄膜多共振腔濾波器TFMF的傳輸特性：腔越多濾波器頂越平邊緣越陡多層介質(zhì)膜復用解復用器特點：通帶特性好（平頂、隔離度高~25dB）溫度敏感性?。?.0005nm/OC不需溫控）插損5~7dB（16波）波長數(shù)16CH波長間隔0.8nm價格較高PDL小(~0.2dB)是16波長WDM系統(tǒng)中主要選用的器件四、馬赫－曾德干涉濾波器MZIMach-Zehnder

Interferometer長度相差L的兩根波導，用來在兩臂間產(chǎn)生與波長有關(guān)的相移對輸入信號進行分路的3dB耦合器在輸出端將信號復合的3dB耦合器通過分裂輸入光束以及在一條通路上引進一個相移，重組的信號將在一個輸出端產(chǎn)生相加性干涉，而在另一個輸出端產(chǎn)生相消性干涉，信號最后只會在一個輸出端口出現(xiàn)。Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk為偶數(shù)Output2k為奇數(shù)Output1五、體光柵濾波器在Si襯底上沉積環(huán)氧樹脂后制造成光柵。多波長信號經(jīng)光纖輸入和普通透鏡或棒透鏡聚焦在反射光柵上，反射光柵將各波長分開，然后經(jīng)透鏡將各個波長的光聚焦在各自的光纖。采用漸變折射率透鏡，簡化了裝置的校準。采用普通透鏡的WDM六、陣列波導光柵AWGarray-waveguide-gratingAWG:規(guī)則排列的波導，相鄰波導的長度相差固定值L，因而產(chǎn)生的相移隨波長而變。陣列波導光柵型－未來方向七、光纖光柵FBG注：詳見第3.7節(jié)DWDM器件主要供應商支撐未來光網(wǎng)絡的關(guān)鍵器件未來光網(wǎng)絡的發(fā)展很大程度上是基于光器件的創(chuàng)新光子集成工藝的突破將引起大規(guī)模的光器件創(chuàng)新光交叉器件可調(diào)諧器件寬帶光纖放大器新型高速光信號處理器件3.10光放大器3.10.1

光放大器概述

3.10.2摻鉺光纖放大器EDFA3.10.3半導體光放大器SOA3.10.4光纖拉曼放大器FRA3.10.1光放大器概述

光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式。裝置復雜、耗能多、不能同時放大多個波長信道，在WDM系統(tǒng)中復雜性和成本倍增，可實現(xiàn)1R、2R、3R中繼光放大器（O-O）多波長放大、低成本，只能實現(xiàn)1R中繼光放大器的原理光放大器的功能：提供光信號增益，以補償光信號在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。在泵浦能量（電或光）的作用下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實現(xiàn)對入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件。其機制與激光器完全相同。實際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。光放大器的類型利用稀土摻雜的光纖放大器（EDFA、TDFA

、PDFA）利用半導體制作的半導體光放大器（SOA）利用光纖非線性效應制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA）幾種光放大器的比較放大器類型原理激勵方式工作長度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關(guān)系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米好容易無好半導體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m~1mm差很難大差光纖(喇曼)放大器光學非線性(喇曼)效應光數(shù)千米好容易大好光放大器的應用線路放大(In-line)：周期性補償各段光纖損耗功率放大(Boost)：增加入纖功率,延長傳輸距離前置預放大(Pre-Amplify):提高接收靈敏度局域網(wǎng)的功率放大器：補償分配損耗，增大網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)研究新熱點展寬帶寬：C-band40nm,L-band再加40nm；均衡功能：針對點對點系統(tǒng)的增益均衡，針對全光網(wǎng)的功率均衡；監(jiān)控管理功能：在線放大器，全光網(wǎng)路由改變；動態(tài)響應特性；其它波段的光纖放大器，如Raman放大器。3.10.2摻鉺光纖放大器EDFA摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下實現(xiàn)光信號的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定。工作波長為1550nm的鉺(Er)摻雜光纖放大器(EDFA)工作波長為1300nm的鐠(Pr)摻雜光纖放大器(PDFA)工作波長為1400nm的銩(Tm)摻雜光纖放大器(TDFA)目前，EDFA最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件。摻鉺光纖放大器給光纖通信領(lǐng)域帶來的革命EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制——光損耗補償了光纖本身的損耗，使長距離傳輸成為可能大大增加了功率預算的冗余，系統(tǒng)中引入各種新型光器件成為可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推動了全光網(wǎng)絡的研究開發(fā)熱潮為什么要用摻鉺光纖放大器工作頻帶正處于光纖損耗最低處(1525-1565nm)；頻帶寬，可以對多路信號同時放大-波分復用；對數(shù)據(jù)率/格式透明，系統(tǒng)升級成本低；增益高(>40dB)、輸出功率大(~30dBm)、噪聲低(4~5dB)；全光纖結(jié)構(gòu)，與光纖系統(tǒng)兼容；增益與信號偏振態(tài)無關(guān)，故穩(wěn)定性好；所需的泵浦功率低(數(shù)十毫瓦)。EDFA的工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號光誘導下實現(xiàn)受激輻射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信號光與波長較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級，并可通過能級間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號光的能量。信號光沿光纖長度得到放大，泵浦光沿光纖長度不斷衰減。EDFA中的Er3+能級結(jié)構(gòu)泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡化能級示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖：當一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時，Er3+從低能級被激發(fā)到高能級上，由于在高能級上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級上，并在該能級和低能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。半導體泵浦二極管：為信號放大提供足夠的能量，使物質(zhì)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波分復用耦合器：將信號光和泵浦光合路進入摻鉺光纖中。光隔離器：使光傳輸具有單向性，放大器不受發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號功率高雙向泵浦型：輸出信號功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號傳輸方向無關(guān)性能前向泵浦后向泵浦雙向泵浦轉(zhuǎn)換效率低高最高噪聲指數(shù)小最大大飽和輸出功率小大最大方式三種泵浦方式的放大器的性能比較MultistageEDFA由于光纖對1480nm的光損耗較小，所以1480nm泵浦光又常用于遙泵方式。RemotePumpingEDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪聲EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化一、光放大器的增益增益G是描述光放大器對信號放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號有很復雜的關(guān)系。輸出信號光功率輸入信號光功率EDFA的工作特性：小信號增益G＝3dB時，增益對輸入光功率的典型依存關(guān)系輸入光功率較小時，G是一常數(shù)，即輸出光功率PS,OUT與輸入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信號增益。G0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號增益一半時的輸出功率。3dBPout,sat當PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域增益G與輸入光波長的關(guān)系增益譜G()：增益G與信號光波長的關(guān)系。光放大器的增益譜不平坦。對于給定的放大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時按指數(shù)增加，當泵浦功率超過一定值時，增益增加變緩，并趨于一恒定值。小信號增益隨泵浦功率而變的曲線小信號增益隨放大器長度而變的曲線當泵浦功率一定時，放大器在某一最佳長度時獲得最大增益，如果放大器長度超過此值，由于泵浦的消耗，最佳點后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號能量，導致增益很快下降。因此，在EDFA設(shè)計中，需要在摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇合適的泵浦功率和