第五章光无源器件与光放大器

1、1 2本章内容l无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器/WDM、光隔离器等。l光放大器本章重点l无源光器件的功能及主要性能。lEDFA的原理及应用本章难点l光放大机理3l掌握无源光器件的功能及主要性能。l掌握EDFA的原理及应用。45Components and Modules in DWDM Networks DWDM Thin film filters Fiber gratings Waveguides Circulators Interleavers Mux/Demux modulesAmplifiers Isolators Tap couplers Pump lasers Gain

2、equalizers Attenuators Integrated amplifiers SOAs Optical Switches Circulators Couplers Add/drop modulesSwitchingTransmission Source lasers Modulators Wavelockers Receivers Detectors Tx/Rx modulesOver 9000 Products6 无源光器件是指不涉及光电能量转换的器件，无源光器件是指不涉及光电能量转换的器件，它们也是构成光它们也是构成光纤传输系统的重要部分。对于未来先进灵活的光纤通信系统而言，纤

3、传输系统的重要部分。对于未来先进灵活的光纤通信系统而言，光无源器件的使用将会越来越多。光无源器件可分为光无源器件的使用将会越来越多。光无源器件可分为连接用的部件连接用的部件和功能性部件两大类和功能性部件两大类： 连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（设备）连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。 功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。开关和光隔离器等，用于

4、光的分路、耦合、复用、衰减等方面。 光有源器件通常涉及光电之间的能量转换，光有源器件通常涉及光电之间的能量转换，它包括光源、光检它包括光源、光检测器、测器、光放大器光放大器等器件，是构成光纤通信系统的关键器件。等器件，是构成光纤通信系统的关键器件。 78 光纤连接器，俗称活接头，光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为建议将其定义为“用以稳定用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。 光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定

5、连接等。备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。 （1）光纤连接器的基本构成）光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图所示。进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图所示。光纤活动连接器基本结构9 目前主要采用的光纤连接器多采用目前主要采用的光纤连接器多采用插针套筒结构插针套筒结构，如图。连，如图。连接器主要由带有接器主要由带有微孔（微孔（125m）的插针体）的插针体a、插针体、插针体b与用于与用于套筒套筒等几部分构成。需要连接的光纤去除涂覆层后插入插针中心

6、微孔，等几部分构成。需要连接的光纤去除涂覆层后插入插针中心微孔，并用环氧树脂类粘结剂固定。将插针体并用环氧树脂类粘结剂固定。将插针体a、b同时插入套筒中，利同时插入套筒中，利用插针和套筒之间用插针和套筒之间通过精密公差配合保证通过精密公差配合保证两根光纤的轴对准，再采两根光纤的轴对准，再采用弹簧等机械装置紧固，实现光纤的活动连接。用弹簧等机械装置紧固，实现光纤的活动连接。10 光纤连接器的核心技术体现在陶瓷插针体的毛坯上，毛坯内孔光纤连接器的核心技术体现在陶瓷插针体的毛坯上，毛坯内孔的精度体现了精密机械加工的技术水平。的精度体现了精密机械加工的技术水平。2002年以前，以年以前，以TOTO为代

7、表的日本三大公司的产量占全球产量的为代表的日本三大公司的产量占全球产量的80%以上。以上。1112 （2）光纤连接器的分类）光纤连接器的分类 型号型号:FC/SC/ST/LC系列（螺纹系列（螺纹/方销方销/卡口卡口/自锁）自锁） 多芯光纤活动连接器（光纤阵列等）多芯光纤活动连接器（光纤阵列等） 跳线跳线:单芯单芯/双芯双芯/模块尾纤模块尾纤/束状束状/带状带状131415 （3）光纤连接器的损耗及影响因素）光纤连接器的损耗及影响因素 光纤连接时引起的损耗与多种因素光纤连接时引起的损耗与多种因素有关，诸如光纤的结构参数有关，诸如光纤的结构参数（如纤芯直（如纤芯直径、数值孔径等）、光纤的相对位置径

8、、数值孔径等）、光纤的相对位置（如横向位移、纵向间隙等）以及端面（如横向位移、纵向间隙等）以及端面状态（如形状、平行度等），状态（如形状、平行度等），如图所示。如图所示。d z * 纤芯直径不同引起的连接损耗纤芯直径不同引起的连接损耗 * 数值孔径不同引起的连接损耗数值孔径不同引起的连接损耗22121220lg2wwwaww221110lg(),NANAaNANANA 16 * 横向错位引起的连接损耗横向错位引起的连接损耗 * 端面纵向间隙引起的连接损耗端面纵向间隙引起的连接损耗2222110lg()12zazn 210lgexp ( /) dad w 上述因素中哪些可上述因素中哪些可作为设计

9、可调光衰减作为设计可调光衰减器的理论基础？器的理论基础？17 （5）光纤连接器的）光纤连接器的关键参数关键参数 插入损耗，插入损耗，该值越小越好。光纤连接器的该值越小越好。光纤连接器的典型值典型值0.2dB。输出光功率相对于输入光功率的减小输出光功率相对于输入光功率的减小 IL (dB) = 10lg(Pout/Pin) 系统中器件的系统中器件的插入损耗包括两个方面插入损耗包括两个方面： 一个是器件本身存在的固有损耗，另一个是由于器件的接入在一个是器件本身存在的固有损耗，另一个是由于器件的接入在光纤线路连接点上产生的连接损耗光纤线路连接点上产生的连接损耗 插入损耗的波长响应插入损耗的波长响应(

10、谱响应谱响应)：波长变化时插入损耗的变化：波长变化时插入损耗的变化： L = f （ ）ComponentInput signalsReflected signalsOutput signals18 回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值，接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值，该值越大越好。其典型值应不小于该值越大越好。其典型值应不小于40dB。 RL(dB) = 10lg(Pref/Pin) 互换性互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好。，每次互换后

11、，其连接损耗变化量越小越好。 重复性重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。，即每次插拔时连接损耗变化量要小。 插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定。一般大于由元件的机械磨损情况决定。一般大于10万次。万次。19 光纤耦合器是分路和耦合光信号的器件。光纤耦合器是分路和耦合光信号的器件。 功能是把一个输入功能是把一个输入的光信号分配给多个输出（分路），或把多个输入的光信号组合成的光信号分配给多个输出（分路），或把多个输入的光信号组合成一个输出（耦合）。一个输出（耦合）。 1耦合器类型耦合器类型 （1）T形

12、耦合器形耦合器 （2）星形耦合器）星形耦合器 （3）定向耦合器）定向耦合器 （4）波分复用器）波分复用器/解复用器（也称合波器解复用器（也称合波器/分波器）分波器）20常用耦合器的类型21 2熔锥型光纤耦合器的工作原理熔锥型光纤耦合器的工作原理 把两根或多根光纤排列，用把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术使熔融区光纤的包层合熔拉双锥技术使熔融区光纤的包层合并成同一包层，纤芯变细、靠近，制作并成同一包层，纤芯变细、靠近，制作各种器件（例各种器件（例分波器分波器） 光纤光纤a(直通臂直通臂)传输的输出光功率为传输的输出光功率为Pa，光纤，光纤b(耦合臂耦合臂)的输出光的输出光功率为功率为Pb，根据

13、耦合理论得到：，根据耦合理论得到： Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL) L为有效作用长度，为有效作用长度，C为取决于光纤参数和波长的耦合系数。为取决于光纤参数和波长的耦合系数。 直通臂直通臂耦合臂耦合臂22 设特定波长为设特定波长为1和和2，选择光纤参数，调整有效作用长度，选择光纤参数，调整有效作用长度，使使 *当光纤当光纤a的输出的输出Pa(1)最大时，光纤最大时，光纤b的输出的输出Pb(1)=0； *当当Pa(2)=0时，时，Pb(2)最大。最大。 对于对于1和和2分别为分别为1.3m和和1.55 m的光纤型解复用器，可以做到的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为附加损耗为0.5

14、 dB，波长隔离度大于，波长隔离度大于20 dB。 1 2P 0 P1 P223散射矩阵表示法n以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析:212221121121aaSSSSbb2,1 ,2,1 ,11ininoutoutEEjjEE24n令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1 ，n输出功率为： Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0 Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P02,1 ,2,1 ,1121ininoutoutEEjjEE25262728 3介质膜型滤波器

15、介质膜型滤波器WDM(微器件型微器件型) 原理原理:基于多层介质薄膜的反射基于多层介质薄膜的反射/透射原理，由光学厚度透射原理，由光学厚度1/4的两组的两组高反膜系高反膜系H（LH）P-1和（和（HL）P-1中间夹着一层间隔层中间夹着一层间隔层LL构成，类构成，类似似F-P标准具。标准具。带 宽 和 腔 体 数 的 关 系123带 宽z y x 0 1/2 1/4 1 /4 1 输入输入 1 2 3HLHLHHLHLH反射反射 2 3 透射透射 129 8波长波长DWDM器件的结构器件的结构 7 0.004 nm/o C输入输入 1 8 1 3 5 8 6 4 2自聚焦棒30 4主要特性主要特

16、性 表示光纤耦合器性能指标的参数有：插入损耗、附加损耗、耦合表示光纤耦合器性能指标的参数有：插入损耗、附加损耗、耦合比、串音等。比、串音等。下面以下面以22定向耦合器定向耦合器为例来说明。为例来说明。 （1）插入损耗）插入损耗Li 插入损耗插入损耗Li它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用Li表示为表示为 一般情况下，要求小于一般情况下，要求小于0.5dB 。23110log(dB)PPLiP 31 （2）耦合比）耦合比CR（用百分数表示）（用百分数表示） 耦合比是

17、指一个输出端口（耦合比是指一个输出端口（3口）的光功率口）的光功率P03与全部输出端口输与全部输出端口输出光功率之比，如图端出光功率之比，如图端3耦合比：耦合比： 一般情况下，定向耦合器的一般情况下，定向耦合器的分光比分光比为为11110。 （3）串音）串音LC 由端由端1输入的光功率输入的光功率P1应从端应从端2和端和端3输出，端输出，端4理论上应无光功理论上应无光功率输出。但实际上端率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（还是有少量光功率输出（P4），其），其大小就表大小就表示了示了1、4两个端口的串音程度两个端口的串音程度，用，用Lc表示为表示为 一般情况下，串音为一般情况下，串音为0

18、30304100PCRXPP11 4410log(dB)cPLP、2 0 d BcL32 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。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。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。校正光功率计等。 分固定衰减器和可变衰减器两种：分固定衰减器和可变衰减器两种：位移型位移型 横向位移型横向位移型-偏离对中偏离对中 纵向位移型纵向位移型-增加间隙增加间隙直接镀膜型直接镀膜型 蒸镀金属膜蒸镀金属膜 A l+SiO2衰减片型衰减片型 有色玻璃或滤光片有

19、色玻璃或滤光片333435 1光隔离器光隔离器 光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。而产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。 光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。主要技术指标是光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。主要技术指标是插入损耗和隔离度。插入损耗和隔离度。偏振器法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光36自聚焦棒楔形双折射晶体法拉第旋转器楔形双折射晶体自聚焦棒楔形双折射晶体法拉第旋转器楔形双折射晶体37光环形器基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送

20、顺序：12 3 4 （三端口，四端口，多端口）主要特性： 插入损耗 隔离度 价格38 光隔离器开发设计：光隔离器开发设计：方案分析、光学指标分解、理论计算、元方案分析、光学指标分解、理论计算、元件设计选型、仿真验证、样品试制、工艺设计等件设计选型、仿真验证、样品试制、工艺设计等 *理论计算举例理论计算举例: 1)光路计算（射线法）光路计算（射线法） 光线轨迹的射线分析，关键参数值获取：反向光线轨迹的射线分析，关键参数值获取：反向o、e光的张角，光的张角，光斑中心偏移量，各元器件的工作尺寸、光斑中心偏移量，各元器件的工作尺寸、PMD、工作距离等、工作距离等.39 3）ISO相关参数的研究相关参数

21、的研究（ 与与0 0、晶片距离的关系）晶片距离的关系） 2）IL相关参数的研究相关参数的研究（ 0 0、偏振器楔角、准直器的关系）偏振器楔角、准直器的关系）40*元件的设计选取举例元件的设计选取举例1）起偏器、检偏器的设计）起偏器、检偏器的设计2）磁环的设计）磁环的设计3）法拉第旋光器的选取）法拉第旋光器的选取4）准直器的设计）准直器的设计41*制造工艺设计举例制造工艺设计举例 光隔离器的制造将光准直器、光隔离器的制造将光准直器、Core组件、连接桥、外壳进行组件、连接桥、外壳进行组装，并对参数进行优化。具体包括：组装，并对参数进行优化。具体包括： 1）光准直器）光准直器1与与Core组件胶接

22、固化组件胶接固化 配胶工艺、器件固化配胶工艺、器件固化 2）调节耦合）调节耦合 装配组件与准直器装配组件与准直器2对中，对中，调节调节IL、ISO最优后注胶最优后注胶 3）焊接：用焊锡固定连接桥和准直器）焊接：用焊锡固定连接桥和准直器 4）冷却调校参数）冷却调校参数 5）老化）老化 6）参数二次调校）参数二次调校 7）加外壳（壳体和端盖）加外壳（壳体和端盖）42434410.1 光放大器概述n光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。n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。n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

23、现1R、2R、3R中继n光放大器（O-O）n多波长放大、低成本，只能实现1R中继45光放大器的原理n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。n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。n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。4610.1.1 光放大器的分类光放大器的分类l按工作原理分类按工作原理分类掺稀土元素光纤放大器掺稀土元素光纤放大器 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器( E

24、DFA ) 掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器( PDFA,1310nm波长波长 ) 掺铷光纤放大器掺铷光纤放大器( NDFA )等等非线性效应光纤放大器非线性效应光纤放大器 拉曼光纤放大拉曼光纤放大(RFA) 布里渊光纤放大布里渊光纤放大(BFA)等等半导体光放大半导体光放大(SOA)l按应用分类按应用分类 功率放大器、预放大器、线路放大器功率放大器、预放大器、线路放大器47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

25、数千米好容易大好4810.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器1）EDFA工作原理工作原理nEDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。49掺铒光纤放大器的基本结构50EDFA中的Er3+能级结构n泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nmn波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。51n增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：nG与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。insoutsPPdBG,10log10)(2）EDFA工作特性工作特性525354u增益特性

26、增益特性G G：与泵浦功率、掺杂：与泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入信号光有关光纤的参数和输入信号光有关 1 1）小信号增益随泵浦功率而）小信号增益随泵浦功率而变的曲线：变的曲线：对给定的对给定的EDFEDF长度，长度，增益先随泵浦功率指数增加，增益先随泵浦功率指数增加，达到一定值后变缓，并趋于达到一定值后变缓，并趋于恒定。恒定。 2 2）小信号增益随铒纤长度而）小信号增益随铒纤长度而变的曲线：变的曲线：当泵浦功率一定当泵浦功率一定时，时，放大器在放大器在EDFEDF某一最佳长某一最佳长度时获得最大增益，过点后度时获得最大增益，过点后不能得到增益不能得到增益55 3 3）不同泵浦功率条件下不同泵

27、浦功率条件下增益随增益随输出功率的变化：增益下降到输出功率的变化：增益下降到3dB3dB时即为时即为饱和输出光功率饱和输出光功率 因此，在因此，在EDFA设计中，需要在选定掺铒光纤结构参数的基设计中，需要在选定掺铒光纤结构参数的基础上，考虑应用场景的要求，础上，考虑应用场景的要求，选择合适的泵浦功率和铒纤长度，选择合适的泵浦功率和铒纤长度，使放大器工作处于使放大器工作处于最佳状态最佳状态。10.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器56 包括光增益、包括光增益、饱和输出功率、饱和输出功率、工作带宽、噪声系数、增益平坦度工作带宽、噪声系数、增益平坦度l光增益光增益：输出功率与输入功率之比的对数值：输出

28、功率与输入功率之比的对数值l工作带宽：工作带宽：增益特性下降到增益特性下降到3dB3dB时的全宽度时的全宽度l噪声系数噪声系数：由于自发辐射等原因引起的光信噪比的劣化值，即：由于自发辐射等原因引起的光信噪比的劣化值，即输入口光信噪比与输出口光信噪比的比输入口光信噪比与输出口光信噪比的比l增益平坦度增益平坦度：通道等输入后增益的最大值与最小值之差：通道等输入后增益的最大值与最小值之差/10lg/ininnoutoutPNFPN放大器的主要参数放大器的主要参数57u噪声指数噪声指数Fn：光放大器在放大过程中会把自发辐射（或散射，光放大器在放大过程中会把自发辐射（或散射，ASE噪声）叠加在信号光上，

29、导致被放大信号的信噪比下降。噪声）叠加在信号光上，导致被放大信号的信噪比下降。 Fn的极限是的极限是3dB，即理想光放大器被放大信号的，即理想光放大器被放大信号的SNR下降了两倍。下降了两倍。一般商用产品在大于一般商用产品在大于3.5dB。EDFA级联时噪声级联时噪声指数的有累积效应，这限指数的有累积效应，这限制多跨距段的级联数量。制多跨距段的级联数量。10.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器58u增益平坦增益平坦 同一能带内不同能级的铒离子受激辐射的几率大小不同同一能带内不同能级的铒离子受激辐射的几率大小不同 ； 级联使用时，增益起伏呈线性累加的趋势级联使用时，增益起伏呈线性累加的趋势 051

30、015202530150015201540156015801600-5-4-3-2-101550152015401560158016000510152025150015201540156015801600波长波长(nm)增益(dB)增益(dB)波长波长(nm)衰减(dB)=波长波长(nm)增益7.5dB，信噪比下降4dB（1 1）增益均衡技术）增益均衡技术10.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器59（2 2）泵浦源功率控制）泵浦源功率控制 采用采用1480nm1480nm和和980nm980nm泵浦源的混合泵浦，动态调节泵浦源的泵浦源的混合泵浦，动态调节泵浦源的光功率。光功率。10.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器603 3）EDFAEDFA结构与设计结构与设计 EDFAEDFA包括包括光路结构光路结构和和辅助电路辅助电路两大部分两大部分l光路部分由掺铒光纤、泵源、光耦合器、光隔离器等组成光路部分由掺铒光纤、泵源、光耦合器、光隔离器等组成 * *掺铒光纤（掺铒光纤（EDFEDF）和高功率泵浦源是关键器件）和高功率泵浦源是关键器件。EDFEDF的增益的增益取决于取决于Er3+Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率。的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率。 * *对泵浦光源的要求是对泵浦光源的要求是大功率和长寿命大