第2章光接入网用光纤和器件

1、宽带光接入技术 原荣 编著1第第 2 章章 光接入网用光纤和器件光接入网用光纤和器件 光纤光纤 光无源器件光无源器件 光收发器件光收发器件 光收发模块光收发模块宽带光接入技术 原荣 编著22.1 光纤和光缆光纤和光缆 无源光网络使用的光缆可划分为馈线光缆、配线无源光网络使用的光缆可划分为馈线光缆、配线光缆和入户光缆三部分。光缆和入户光缆三部分。 馈线光缆是指局端馈线光缆是指局端OLT设备至光缆分路器之间的设备至光缆分路器之间的光缆；光缆； 配线光缆是指分路器至接入点的光缆；配线光缆是指分路器至接入点的光缆； 入户线光缆则从用户接入点到每一个入户线光缆则从用户接入点到每一个ONU用户终用户终端。

2、端。 每一段光缆的敷设环境、方式和工程施工方法都每一段光缆的敷设环境、方式和工程施工方法都不尽相同，都有其特殊的要求，因此针对这些不不尽相同，都有其特殊的要求，因此针对这些不同场景需要采用不同的类型的光纤和光缆。同场景需要采用不同的类型的光纤和光缆。宽带光接入技术 原荣 编著32.1.1 G.652光纤光纤 接入网的传输距离较短，对带宽的要求也接入网的传输距离较短，对带宽的要求也不高，也没有信号再生的要求，在设计系不高，也没有信号再生的要求，在设计系统时可按线性、非色散受限光纤系统考虑。统时可按线性、非色散受限光纤系统考虑。因此，非线性效应、色散影响等问题均不因此，非线性效应、色散影响等问题均

3、不予考虑。予考虑。 综合考虑速率、损耗和成本诸多因素，在综合考虑速率、损耗和成本诸多因素，在当前当前PON网络建设的初期，馈线和配线光网络建设的初期，馈线和配线光缆段应采用缆段应采用G.652C光纤光纤 。宽带光接入技术 原荣 编著42.1.2 G.657光纤光纤 在在FTTH建设中，与馈线和配线不同，入户光缆建设中，与馈线和配线不同，入户光缆和室内布线被安放在拥挤的管道中或者经过多次和室内布线被安放在拥挤的管道中或者经过多次弯曲后被固定在接线盒和插座的等狭小空间的线弯曲后被固定在接线盒和插座的等狭小空间的线路终端设备中，所以不可避免地面临较大程度的路终端设备中，所以不可避免地面临较大程度的弯

4、曲。弯曲。 在这种情况下要求光纤具有抗弯曲的性能，即在在这种情况下要求光纤具有抗弯曲的性能，即在小弯曲半径的情况下仍然具有损耗小的性能。为小弯曲半径的情况下仍然具有损耗小的性能。为了规范抗弯曲单模光纤产品的性能，了规范抗弯曲单模光纤产品的性能，ITU-T于于2006年在日内瓦通过了一个新的光纤标准年在日内瓦通过了一个新的光纤标准ITU-T G.657标准，即标准，即接入网用弯曲不敏感单模接入网用弯曲不敏感单模光纤和光缆特性光纤和光缆特性建议。建议。 宽带光接入技术 原荣 编著5G. 657光纤光纤 卓越的抗弯曲性能使卓越的抗弯曲性能使G.657光纤可以像铜缆一样，光纤可以像铜缆一样，沿着建筑物

5、内很小的拐角安装。运营商可以使用沿着建筑物内很小的拐角安装。运营商可以使用非熟练技术工人来进行安装操作，进一步降低了非熟练技术工人来进行安装操作，进一步降低了运营商的光纤网络安装成本。运营商的光纤网络安装成本。 另外，可以使光纤接头盒的体积减小，这对于空另外，可以使光纤接头盒的体积减小，这对于空间狭小的场合是非常重要的。间狭小的场合是非常重要的。 因此，在当前的因此，在当前的FTTH接入网建设中，在入户段接入网建设中，在入户段和用户室内布线段应尽可能采用和用户室内布线段应尽可能采用G.657A光纤，而光纤，而不要采用不要采用G.657B光纤，因为光纤，因为G.657B光纤的纤芯和光纤的纤芯和包

6、层结构与包层结构与G.652光纤存在较大差异，二者连接工光纤存在较大差异，二者连接工艺复杂，弯曲导致的附加损耗较大艺复杂，弯曲导致的附加损耗较大 。宽带光接入技术 原荣 编著62.1.3 光缆光缆无源光网络使用的光缆根据使用环境的无源光网络使用的光缆根据使用环境的不同，可分为：不同，可分为： 室内光缆；室内光缆； 室外光缆；室外光缆； 室内外两用光缆。室内外两用光缆。宽带光接入技术 原荣 编著7图图2.1.1 室外光缆的几种形式室外光缆的几种形式(a) 中心束管式光缆中心束管式光缆 (b) 层绞式光缆层绞式光缆 (c) 骨架槽式光纤带光缆骨架槽式光纤带光缆光纤套管填充物松套管钢丝聚乙烯护套阻水

7、材料涂塑钢带光纤套管填充物松套管钢丝聚乙烯护套涂塑钢带缆芯填充物聚乙烯护套涂塑钢带中心加强芯骨架四芯带阻水带宽带光接入技术 原荣 编著8图图2.1.2 室内光缆的几种形式室内光缆的几种形式(a) 多芯分支光缆多芯分支光缆 (b) 扁平光纤带光缆扁平光纤带光缆 (c)多芯束状光缆多芯束状光缆 (d) 单芯光缆单芯光缆 (e) 两芯光缆两芯光缆单芯紧套光缆非金属加强件外护套饶包层光纤带非金属加强件外护套外护套紧套光纤紧套光纤护套护套单芯光缆芳纶纱宽带光接入技术 原荣 编著93. 室内外两用光缆室内外两用光缆 在无源光网络中会存在光缆引入由室外向室内过在无源光网络中会存在光缆引入由室外向室内过渡的情

8、况，通常要求光缆兼顾有室外光缆良好的渡的情况，通常要求光缆兼顾有室外光缆良好的机械、防雷性能，又要具备室内光缆的阻燃性能，机械、防雷性能，又要具备室内光缆的阻燃性能，同时要求有比较好的柔韧性。同时要求有比较好的柔韧性。 目前大芯数室内外两用光缆，可以有效减少光缆目前大芯数室内外两用光缆，可以有效减少光缆的交接次数，降低光缆的接续、敷设成本，适用的交接次数，降低光缆的接续、敷设成本，适用于国内大多数楼型。于国内大多数楼型。 而对于别墅，通常可采用单芯或双芯的一体化光而对于别墅，通常可采用单芯或双芯的一体化光缆引入。缆引入。宽带光接入技术 原荣 编著104. 入户线光缆入户线光缆 对于对于FTTH

9、的应用，光缆直接铺设至用户家的应用，光缆直接铺设至用户家中，安装时需要像电缆一样穿墙掏接，并中，安装时需要像电缆一样穿墙掏接，并且由于用户一般不具备光纤维护的知识和且由于用户一般不具备光纤维护的知识和技能，因此入户线光缆在柔韧度、抗拉性、技能，因此入户线光缆在柔韧度、抗拉性、耐久性方面比普通的布线光缆有更高的要耐久性方面比普通的布线光缆有更高的要求，甚至要求防水、抗鼠咬等。求，甚至要求防水、抗鼠咬等。 基于以上考虑，入户线光缆通常使用的类基于以上考虑，入户线光缆通常使用的类型有皮线光缆和铠装光缆。型有皮线光缆和铠装光缆。宽带光接入技术 原荣 编著112.2 光无源器件光无源器件本节介绍接入网常

10、用的器件：本节介绍接入网常用的器件： 光连接器光连接器 光分路器光分路器 光耦合器光耦合器 阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWG）AWG可用作波分复用可用作波分复用/解复用器、波长路由解复用器、波长路由选择、多频激光器和无色光源。选择、多频激光器和无色光源。宽带光接入技术 原荣 编著122.2.1 光连接器光连接器 光纤连接可以采用活动连接和固定连接两种方式光纤连接可以采用活动连接和固定连接两种方式套筒插针粘结剂光纤光纤插针与套筒连接示意图(b)(C) 连接器插头和插座APC8o三种常见的物理接触(a)芯包皮凸球面平面斜面PC宽带光接入技术 原荣 编著13光纤固定连接光纤固定连接固定连接可以采用

11、两种技术：光纤熔接和机械式固定连接可以采用两种技术：光纤熔接和机械式光纤接续。光纤接续。 光纤熔接，通过光纤熔接机的电极放电使光纤呈光纤熔接，通过光纤熔接机的电极放电使光纤呈熔融状态，然后经过纤芯对准完成光纤的连接。熔融状态，然后经过纤芯对准完成光纤的连接。 机械式光纤接续，俗称光纤冷接，机械光纤接续机械式光纤接续，俗称光纤冷接，机械光纤接续子（又称冷接子）利用闭合设计的高精度子（又称冷接子）利用闭合设计的高精度V型槽型槽结构和低反射光纤匹配液，采用简单的压接工具，结构和低反射光纤匹配液，采用简单的压接工具，在很短的时间内就可以实现损耗低于在很短的时间内就可以实现损耗低于0.1 dB的可的可靠

12、而稳定的光纤固定式接续。靠而稳定的光纤固定式接续。 宽带光接入技术 原荣 编著142.2.2 光分路器光分路器 对于对于PON来说，除光纤外，作为连接来说，除光纤外，作为连接OLT和和ONU的光分路器就是室外的主要器件。分路器就是光的光分路器就是室外的主要器件。分路器就是光耦合器，它是个可逆器件，在下行方向进行分光，耦合器，它是个可逆器件，在下行方向进行分光，在上行方向实现合光。对于利用在上行方向实现合光。对于利用WDM实现方向实现方向复用的复用的PON而言，分路器必须是波长无关的，它而言，分路器必须是波长无关的，它们在们在1.3 m或或1.5 m都应有同等的表现。都应有同等的表现。 常用的光

13、分路器根据制作工艺不同，可分为熔融常用的光分路器根据制作工艺不同，可分为熔融拉锥式光纤分路器和平面光波导（拉锥式光纤分路器和平面光波导（PLC）分路器）分路器两种。两种。宽带光接入技术 原荣 编著15图图2.2.2 光分路器结构光分路器结构熔融拉锥耦合器的制造方法是先将许多光纤放在一起熔融，然后再拉伸熔融熔融拉锥耦合器的制造方法是先将许多光纤放在一起熔融，然后再拉伸熔融了的部分。这个拉长过程会减小光纤的直径，并在光纤的电磁场间产生互耦了的部分。这个拉长过程会减小光纤的直径，并在光纤的电磁场间产生互耦效应，从而使一根输入光纤的光信号耦合到多根输出光纤中去。效应，从而使一根输入光纤的光信号耦合到多

14、根输出光纤中去。1 2耦合器的损耗大约是耦合器的损耗大约是3.5 dB，其中，其中3 dB是固有损耗，是固有损耗，0.5 dB是额外损耗。是额外损耗。 12 分路器（a）1N 分路器（b ）（c）1分路器8宽带光接入技术 原荣 编著16图图2.2.3 采用硅平面波导技术制成采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器的多端星形耦合器 这种耦合这种耦合器制作在器制作在光波导材光波导材料的衬底料的衬底上，可采上，可采用不同的用不同的机理制作，机理制作，例如例如Y分分支耦合或支耦合或多模干涉多模干涉（MMI）耦合分光。耦合分光。 自由空间区Q输入阵列输出阵列宽带光接入技术 原荣 编著172.2.3 阵列波

15、导光栅（阵列波导光栅（AWG）路由器（路由器（WGR）AWG由由N个输入波导、个输入波导、N个输出波导、两个如图个输出波导、两个如图2.2.3所示的具有相同所示的具有相同结构的结构的N N平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成， 星形耦合器星形耦合器输入输出12N.L = 常数neff12N.N12 自由空间区宽带光接入技术 原荣 编著18AWG工作原理工作原理 输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自由空间耦合区）模式场发散，把光功率几乎平均地分配到波由空间耦合区）模式场发

16、散，把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导，由阵列波导光栅的输入孔阑导阵列输入端中的每一个波导，由阵列波导光栅的输入孔阑捕捉。捕捉。 由于阵列波导中的波导长度不等，由上式可知，不同波长的由于阵列波导中的波导长度不等，由上式可知，不同波长的输入信号产生的相位延迟也不等。随后，光场在输出平板波输入信号产生的相位延迟也不等。随后，光场在输出平板波导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，通过合理的设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。通过合理的设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。 此处设计采用对称结构，根据互易性，同样

17、也能实现合波的此处设计采用对称结构，根据互易性，同样也能实现合波的功能。功能。Lneff2Leffn这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差 L相邻波导间的相位差为：相邻波导间的相位差为：是路径长度差，通常为几十微米，是路径长度差，通常为几十微米，为信道波道的有效折射率。为信道波道的有效折射率。宽带光接入技术 原荣 编著192.2.4 光耦合器光耦合器 单纤系统需要采用双向收发器分离上行和下行业务，这就单纤系统需要采用双向收发器分离上行和下行业务，这就需要一个光耦合器，把一根光纤中传输的上行和下行信号需要一个光耦合器，把一根光纤中传输的上行和下行信号分开。分

18、开。 (a) 1 2耦合器耦合器 (b) 2 2双向耦合器双向耦合器 (c) 与波长有关的与波长有关的WDM耦合器耦合器 PDLD光纤半透明片或WDM 透镜12LDPDPD耦合器WDM1.51.3mmLDPD光纤耦合器宽带光接入技术 原荣 编著20实用实用2 2双向耦合器双向耦合器 LDPD双工滤波器45o波长阻隔滤波器光纤宽带光接入技术 原荣 编著212.3 光收发器件光收发器件 在光接入网中，将电信号转变为光信号是在光接入网中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源，最常用的光光发射机的关键器件是光源，最常用的光源是半导体激光器（源是半导体

19、激光器（LD）和发光二极管）和发光二极管（LED）。）。 宽带光接入技术 原荣 编著222.3.1 垂直腔表面发射激光器（垂直腔表面发射激光器（VCSEL）电介质镜就对波长产生很强的选择性，从界面上反射的部分透射光相电介质镜就对波长产生很强的选择性，从界面上反射的部分透射光相长干涉，使反射光增强，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，长干涉，使反射光增强，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到而反射系数将达到 1 。2n入射光反射光透射光AB1n2n1nC12121n2n透射光4/24/1多层电介质镜对反射光相长干涉1550330770(nm)反射系数0多层电介质镜反射系数

20、与波长的关系有源区电极电极电介质镜衬底电介质镜+表面发射/(4n1)L/(4n2)ddn1n212z= 0.1mInGaAsAlGaAsGaAs（a）VCSEL结构（c）（b）宽带光接入技术 原荣 编著23 VCSEL的优点的优点 （1）发光效率高，以）发光效率高，以850 nm波长的波长的VCSEL为例，在为例，在10 mA电流驱动下可以获得高达电流驱动下可以获得高达1.5 mW的输出光功率。这就降的输出光功率。这就降低了对接收机灵敏度的要求，使其设计变得比较简单。低了对接收机灵敏度的要求，使其设计变得比较简单。（2）工作阈值极低，从）工作阈值极低，从1 A到到1 mA均可以工作，所以它的均

21、可以工作，所以它的工作电流也不高，一般工作电流也不高，一般510 mA。（3）不仅可以单纵模工作，也可以多纵模工作，从而减少）不仅可以单纵模工作，也可以多纵模工作，从而减少了多模光纤应用时的模式噪声。了多模光纤应用时的模式噪声。（4）温度稳定性好。）温度稳定性好。（5）工作速率高，）工作速率高，1 GHz以上的频率测试时其光脉冲的上升以上的频率测试时其光脉冲的上升和下降时间的典型值为和下降时间的典型值为100 ps。（6）工作寿命长。）工作寿命长。（7）与不同芯径的光纤模式匹配好。）与不同芯径的光纤模式匹配好。（8）采用不同的材料可制造出从紫外光到）采用不同的材料可制造出从紫外光到1.55 m

22、波长的光波长的光源。源。宽带光接入技术 原荣 编著242.3.2 LED 频谱分割多波长光源频谱分割多波长光源使用使用AWG对对LED的宽谱光进行分割，就可以得到一种低成本多波长的宽谱光进行分割，就可以得到一种低成本多波长光源，以便用于光源，以便用于WDM-PON。基本想法是，首先用信号调制基本想法是，首先用信号调制LED的输出光，然后将其输出连接到使的输出光，然后将其输出连接到使用用AWG的波长路由器（的波长路由器（WGR）的输入端，此时）的输入端，此时LED的宽光谱就被分的宽光谱就被分成许多波长的信号，在成许多波长的信号，在WGR的每个端口输出。的每个端口输出。其结果是将调制后的信号以不同

23、的波长分配到许多用户，这些不同的其结果是将调制后的信号以不同的波长分配到许多用户，这些不同的波长是由波长是由AWG的特性决定的。的特性决定的。AWG种子光源光谱宽谱光源12NLED输入信号宽带光接入技术 原荣 编著252.3.3 波导探测器（波导探测器（WG-PD） 波导探测器是将波导探测器是将PIN光电接收二极管直接制作在波导上；光电接收二极管直接制作在波导上； 光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生

24、电子空穴对，实现了激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了对光信号的探测。对光信号的探测。 入射光吸收层PIN(a) PIN-PD吸收层(b) WG-PD吸收层(c) Tapered WG-PD单模波导(多模波导)光匹配层n1n2n3n1n2n3PD 长吸收区L单模波导光经过光匹配层进入 吸收层PD(d)折射率宽带光接入技术 原荣 编著262.4 光收发模块光收发模块10 G以太网光接口的功能完全由一个光模块来实现，以太网光接口的功能完全由一个光模块来实现，包括光包括光/电转换、时钟提取和同步、复用电转换、时钟提取和同步、复用/解复用、解复用、64B/66B编解码、编解码、WIS和和8B/10B编解码等功能。编解码等功能。图图2.4.1 双纤以太网点到点双纤以太网点到点10 G收发机收发机 XAUIXGXSPCSPMAPMD8B/10B64B/66BO/E光/电变换复用/解复用连接器编码编码 输入光纤 输出光纤物理编码子层物理媒质附加子层物理媒质相关子层媒质无关接口扩展子层附加单元接口O/E光/电变换连接器输入光纤输出光纤电路板10 G串行电路接口光接口宽带光接入技术 原荣 编著27图图2.4.2 单纤双向模块构成单纤双向模块构成(a) 1 2