第4章 线路器件与技术

1、第4章 线路器件与技术提纲n4.1线路器件4.1.1光隔离器4.1.2光环行器4.1.3光纤连接器4.1.4光耦合器4.1.6光纤光栅4.1.7光衰减器4.1.8光开关4.1.9光调制器n4.2线路技术4.2.1光复用技术4.2.2光放大技术4.2.3色散补偿技术n光信号在光纤传输线路上传送时，要解决由光纤损耗、色散及非线性引起的信号衰减和畸变等问题光信号的调制、信号的选路、线路的连接、光信号的分配与控制、杂散光噪声的隔离等一系列工程实践问题n需要通过具有特定功能的器件及技术来完成n具体包括：光隔离器、光环行器、光耦合器、光衰减器、光纤连接器、光开关、光调制器等线路器件光复用、光放大和色散补偿

2、等线路技术4.1线路器件n分类：n无源器件：本身不发生光电或不进行电光转换的传输器件，如光隔离器、光耦合器、光环行器等。n有源器件：本身会发生光电或电光转换的器件，如激光器、光电检测器、光放大器等。4.1.1光隔离器n有一个输入端、一个输出端的非互易光器件，只允许光信号单向传输端口1输入，端口2可以获得低损耗的传输信号端口2输入，器件产生高损耗，光路被阻断n通常放置在线路中激光器、光放大器等之后，用以防止光路中的后向传输光对光源、光放大器以及光路系统产生不良影响端口1端口2n光隔离器的实现需要利用破坏光路可逆的一些特性，如磁光晶体的法拉第磁致旋光效应。n法拉第1845年观察到不具有旋光性的材料

3、在磁场作用下会使通过该物质的光的偏振发生旋转n常用的磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石榴石（SIC）等旋光材料B光方向光方向2n分类：偏振相关型：特性与输入光信号的偏振态有关偏振无关型：特性与输入光信号的偏振态无关n主要技术指标：插入损耗（IL）回波损耗（RL）隔离度偏振相关损耗（PDL）偏振模色散（PMD）n插入损耗：器件引入光路后正常使用情况下传输的光信号，由于构成器件的材料各部分对光的吸收、散射等造成的对输入信号的附加损耗希望其值越小越好n回波损耗：构成器件的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射光造成的对入射光信号的衰减希望返回的光功率值尽可能的小，回波损耗的值越大越好n隔离度：

4、指在逆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损耗隔离度的值越大越好n偏振相关损耗（PDL）：指输入光偏振态发生变化而其它参数不变时，器件插入损耗的最大变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。n偏振模色散（PMD）：指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。4.1.2光环行器n一种有多个端口的只允许光信号单向传输的非互易光器件n光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端口2输出，其它端口处几乎没有光输出；n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；n以此类推端口1端口2端口3端口4n双向通信中的重要器件，可以完成正反向传输光的分离，在光通信

5、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。n光环行器用于单纤双向通信123光纤213发送发送接收接收n指标包括插入损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗、偏振模色散及回波损耗等n光环行器的插入损耗、隔离度、偏振相关损耗、偏振模色散的定义与光隔离器的基本相同，只不过对环行器而言，均指具体的两个相邻端口之间的指标。n串音指多端口的光环行器，两个不相邻端口之间理论上不能接收到光信号但实际中由于种种原因而接收到的功率以dB表示的相对值，如端口1输入信号时在端口3接收到的功率相对于输入功率的dB值。4.1.3光纤连接器n光纤的连接：将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持续传输。活动

6、连接：活动连接器是活动连接的主要方法固定连接：熔接法是固定连接的主要方法n应用：活动连接：可以重复装拆的活接头。它常被用于光源到光纤、光纤到光纤以及光纤与深测器之间的连接固定连接：光纤之间形成永久性的连接，用于不需要拆卸或重复使用的场合，是光纤通信干线中光纤连接的主要方法n光纤活动连接器可以重复装拆的活接头可分为单芯型和多芯型可分为调心型和非调心型调心型：内部装有调整机构，可调整光纤纤芯的位置，使两根光纤之达到最佳耦合非调心型：内部没有调心机构，依靠光纤活动连接器结构组件之间的精密配合来达到最佳耦合，常用有套管结构、双锥结构、V型槽结构等，实际绝大多数都应用的是套管结构。n插针套筒结构套管插针

7、光纤光纤f 2.4990.0005f 0.1250.0014f 2.5f 3.2-0.002-0.007+0-0.020.0050.0001n主要性能指标：插入损耗：与光纤的横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度以及纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异和光纤的椭圆度、偏心度等有关。(a)横向错位 (b)端面间隙纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯纤芯(c)角度倾斜 (d)端面形状 (e)纤芯直径差异纤芯纤芯n回波损耗：界面处出现菲涅尔反射将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面接触等来降低回波损耗重复性：每次插拔后其损耗的变化范围互换性：同一种连接器不同插针替换时损耗的变化范围插拔次数：具有

8、上述损耗参数范围内插拔的次数工作温度：在工作温度范围内连接器的损耗变化量应在给定的范围内变化n光纤连接器类型多采用AA/BB的方式表示AA表示外部连接方式，即如何可靠的保持插针与套管之间的相对位置，不会在光纤受到拉扯等外力作用时发生分离造成信号功率的改变BB表示表示插针端面形状，有FC、PC、UPC、APC等。n光纤固定连接n使一对光纤之间形成永久性的连接，用于不需要拆卸或重复使用的场合。n方法有：熔接法V型槽法毛细管法等n熔接法：应用最为普遍，利用电弧放电、氢焰或激光等方法加热将光纤熔融结合在一起。n光纤熔接机构成：由光纤的准直与夹持机构、光纤对准机构、电弧放电机构以及控制机构等四部分构成光

9、纤夹持器控制中心监测信号电弧电源显微镜头电极n光纤熔接利用光纤剥皮钳去除光纤外的套塑层利用光纤切割刀切割光纤端面将制备好端面的光纤放入准直与夹持机构中固定，通过手动或自动装置使纤芯在空间三个方向上移动，保证需要熔接的两根光纤完全对准，消除纤芯的横向错位、角度偏差，并将端面之间的间距调整到预定大小。根据光纤的类型，选择放电电流、放电时间，进行电弧放电，对端面加热，实现熔接。熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。4.1.4光耦合器n一类能使传输中的光信号在特定结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。n实际中，光耦合器通常指在耦合过程中，光信号功率发生改变而波谱成分没有变化的器件，把信号波谱成分

10、发生改变的称为波分复用器。n应用：光耦合器可以从传输线路中提取出一定的功率，实现对线路的监控；也可用于光纤CATV、光纤用户网、无源光网络、光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。n从端口形式上划分有X形（2 2）耦合器Y形（1 2）耦合器星形（N N，N2）耦合器树形（1 N，N2）耦合器等n参数：分光比：各输出端口的输出功率的比值，如80:20、25:25:25:25等，或4:1、1:1:1:1等均匀性：输出各端口之间的功率偏差程度方向性：输入端主光纤传输方向与任一根非主光纤非传输方向上的功率比附加损耗：耦合器引入光路后所造成总的光功率衰减量EL = -10 lg (POUT/ PIN)插入

11、损耗：某一输出端口的光功率相对总的输入光功率的衰减量IL = -10 lg (POUTi/ PIN)minmaxlog10iiPPP inibPPSlog104.1.5光纤光栅n利用石英光纤的紫外光敏特性直接在光纤轴向上形成波导结构的光纤器件可以做成滤波器、反射器、色散补偿器等易于与光纤连接，对偏振不敏感，适应光纤中光信号偏振态的随机变化，在光纤通信、光纤传感中有着明显的优势和广泛的应用n光纤的光敏特性：光纤折射率在紫外光照射下，随光强发生变化折射率变化具有稳定性，可保持永久性不变改变折射率分布，形成特定的光波导结构，实现特定的功能，形成光纤型光波导器件n分类：n从结构上可分为：周期性结构：称

12、为均匀光纤光栅制造简单，其特性受到限制非周期性结构：称为非均匀光纤光栅，制造困难，其特性容易满足各种要求n从功能上可分为：滤波型光栅色散补偿型光栅：是非周期光栅，又称为啁啾光栅n光纤光栅是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。n光场与光波导之间的相互作用可用耦合模理论来描述lB00.51波长（mm）反射率n应用：利用光纤光栅的反射特性，可以用来进行波长选择，实现滤波、波长分插复用、色散补偿、激光器选频和光纤传感等。n波长分插复用l1、l2lnl1、l2ln下话

13、路l1光纤光栅中心波长l1上话路l1l2ln环行器1环行器2112233n光纤激光器n分布反馈式(DBF)激光器激光二极管泵浦激光输出光纤光栅反射器光纤激光输出 激光二极管光纤光栅反射器光纤透镜n光纤光栅传感器波长鉴别器光电探测器宽带光源G1 G2 G3 G4G1 G2 G3 G44.1.6光衰减器n用来稳定、准确地减小信号光功率的无源器件n是光功率调节所不可缺少的器件降低输入光信号的功率，可以防止光功率过大超出仪表的量程而造成仪表的损坏防止在光传输系统中短距离传输时的光功率超出接收机的允许最大输入功率而造成传输质量的下降用来模拟实际信道传输造成的信号衰减n工作机理主要有：耦合型、反射型、吸收

14、型n耦合型光衰减器：控制输入、输出光束对准的横向或纵向位移来改变光耦合量/衰减量的大小dsn反射型光衰减器：通过控制反射膜的反射率的大小来改变光信号功率的大小，改变衰减量。n吸收型光衰减器：通过采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射。RLRLMMLALn光衰减器按衰减量的变化情况可分为：固定式衰减器，即衰减量一定步进可变式衰减器，即阶跃式可变连续可变式衰减器n主要技术指标有：插入损耗、衰减量变化范围、精度以及温度的影响。4.1.7光开关n一种可实现光路通断的控制、光路选择的光路控制器件n应用：主备光路切换、光器件的测试实现光交换，完成全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自

15、愈保护等构建新一代全光网络的关键器件n主要性能参数：交换矩阵：反映光开关的交换能力交换速度：衡量开关性能的重要指标。不同的应用场合对交换速度的要求不同消光比：描述光开关导通与非导通状态通光能力差别的指标，即两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差交换粒度：反映了光开关交换业务的灵活性，可分三类：波长交换、波长组交换和光纤交换可靠性：要求具有良好的稳定性和可靠性n实现光开关的方法n依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关电光开关磁光开关声光开关等n依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关波导交换光开关。n机械式光开关n微机械（MEMS）光开关ABC机械驱动S17S78S

16、53X1X8Y1Y8n喷墨气泡光开关沟道波导衬底气泡4.1.8光调制器n内调制：直接改变半导体激光器的注入电流实现对光载波的调制，受电子瓶颈的限制，不适应于高调制速率系统。n外调制：利用特定介质的电光效应、磁光效应、声光效应、电致吸收效应等，通过携带了信息的电、磁、声等信号作用于相应介质上，影响介质的光学特性进而影响通过介质的光的特性，实现对光载波的调制。n外调制类型：电光调制器电吸收调制器工作物质LD调制信号调制光信号n电光调制器：KDP、LiNbO3、GaAs等电光晶体的电光效应折射率将随着电场发生变化激光束通过电光晶体时，相位、幅度或强度会产生相应变化，得到相位、强度调制的信号光泡科尔效

17、应：折射率变化量正比于外加电场强度克尔效应：折射率变化量正比于外加电场强度的二次方电光波导调制器的工作机理基于泡科尔效应n半导体电吸收光调制器：电吸收效应：半导体量子阱材料对入射光的吸收系数随外加电场不同而产生变化。易与激光器集成，驱动电压低。与LiNbO3电光调制器相比，消光比不高、频率啁啾较大，不适合超长距离和超高速率系统波长00V1V2V吸收系数4.2线路技术n4.2.1光复用技术n4.2.2光放大技术n4.2.3色散补偿技术4.2.1光复用技术n传输系统所能提供的带宽要远远大于单一用户的带宽需求，要采用复用技术同时传输多个用户的信息最大限度的利用传输系统的带宽。n复用技术：在发送端将多

18、路信号进行组合，在物理信道上实现传输，接收端再将复合信号分离开来。n有时分复用、波（频）分复用、码分复用等n目前波分复用技术在应用中占据主导地位。n波分复用（WDM）n在一根光纤中传输多个波长信号从而提高系统传输容量的一种技术。光分波器光合波器光分/合波器光分/合波器n发射端：光合波器（复用器）将不同发射机输出的波长不一的信号光融入同一根光纤传输；n接收端：光分波器（解复用器）将同一根光纤中的波长不一的信号光分开，分别送给不同的光接收机接收恢复原始信息。n一般情况下，光合波器和光分波器是互易器件n光合波器和光分波器统称为光波分复用器。利用光波分复用器的互易性，就可以实现在一根光纤上实现双向通信

19、。n根据复用的波长间隔的大小，分为三种：1310nm/1550nm复用：最初的复用方式l密集波分复用（DWDM）：波长间隔nm量级lITU-T G.692定义载波间隔为100GHz和50GHzl中心波长为152.52nm（频率193.1THz）l工作波长覆盖14801620nm波段，其中S波段（14801530nm）、C波段（15301560nm）和L波段（15601620nm）。在C波段可容纳40个间隔100GHz的波长信道，扩容效果明显。粗波分复用（CWDM）lITU-T的G.694.2中定义了工作波长覆盖12701610nm波段、波长间隔20nm的16个信道的粗波分复用。l波长间隔较大，

20、可降低半导体激光器的波长稳定性和线宽的要求，系统成本较低，适用于容量要求不是很大的城域网、局域网以及接入网。n性能指标主要：信道数信道中心波长信道间隔波长隔离度：也叫信道隔离度，指某一信道的信号光耦合到另一个信道的大小插入损耗11212212lg10,lg10NPANPAWDMP1(l1)+P2(l2)P1(l1)+N2(l2)N1(l1)+P2(l2)n空分复用（SDM）：利用空间分割，根据需要构成不同的信道进行光信号复用的技术。光缆中不同的光纤多芯光纤（MCF）：在超高容量长距离传输中得到验证。需要优化纤芯距、纤芯和沟道的尺寸以及折射率，解决芯间串扰；实现大有效模场面积，避免非线性效应引起

21、的信号畸变。沟道纤芯沟道纤芯n时分复用（TDM）将通信时间分成相等的间隔，某一固定信道占用某一固定间隔，各信道按照一定的时间顺序进行传输。光时分复用在光域内对光脉冲进行时间上的复用，突破了电子瓶颈限制，可以产生更高的比特流。超短光脉冲的产生和传输的关键技术尚未成熟，光时分复用尚未实用。n偏振复用（PDM）n又称极化波复用技术，利用光波的偏振特性n在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路独立数据信息以加倍系统总容量、提升系统频谱利用率。TX1TX2PBCRX1RX2PBS光纤n模式复用（MDM）n利用多模光纤中独立且相互正交的不同模式作为独立信道分别传输信号，用以提高系统容量、增

22、加频谱利用率。下一代骨干传送网的候选技术之一。TX-1TX-2TX-M模式转换高阶模1基模模式转换高阶模M-1基模模式复用器模式解复用器高阶模1高阶模M-1模式转换模式转换基模基模RX-1RX-2RX-M基模多模光纤基模n正交频分复用（OFDM）将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。并行传输体制降低了信号的速率，扩展了符号的脉冲宽度，降低了色散对信号的影响程度，改善了传输信号的质量。为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证不同信道之间的互不影响。采用数字信号处理技术，由数字信号处理算法完成各子载波的产生和接收，极大

23、简化了系统的结构。串/并IFFTQAM调制并/串IQ调制激光器MZM串/并FFTQAM解调并/串IQ解调光纤光电检测二进制输出二进制输入4.2.2光放大技术n传统的中继器：“光电光”的转换方式n设备复杂、成本高且可靠性不高、使用不便。O/E/OO/E/OO/E/O1 n1 n 1 2n WDMWDM1 2n n“光光”放大的光放大器利用光的各种受激放大机理由放大工作介质、泵浦源组成n分类：掺稀土元素光纤放大器非线性光学光纤放大器半导体光放大器工作介质泵浦源输出信号光输入信号光n掺稀土元素光纤放大器：掺镧系元素（如铒、钕、镨）光纤为工作介质半导体激光器为泵浦源，受激放大原理1.55m EDFA，

24、1.33m PDFAn非线性光学光纤放大器：以常规石英光纤为工作介质以高功率的连续或脉冲固体激光器为泵浦源利用非线性光学效应对信号光进行放大拉曼光纤放大器（RA）n半导体光放大器（SOA）：以半导体材料为工作介质以电源为泵浦源，利用受激辐射实现光放大n光放大器的性能参数有：光放大器的增益G与饱和输出功率PsatG = 10 lg(Pout/Pin)输入功率Pin输出功率PoutPsat 输出功率Pout3dB增益G小信号增益信号光波长(m)3dB噪声指数 光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪比(S/N)in和输出信噪比(S/N)out的商的分贝数不同种类光放大器的噪声指数NF的大小不同，EDF

25、A的NF较小，已接近量子极限3dB。outinNSNSNF)/()/(lg10n光放大器的应用EDFA：高增益、宽带宽、低噪声，是技术最为成熟、应用最为广泛的光放大器RA：高增益、低噪声、全频段放大，已开始商用并成为光放大器的研究热点SO A：与光纤耦合效率很低，在光纤通信系统中应用很少。用以全光信号处理，如全光波长变换、脉冲整形、光逻辑控制等，也可以用于制作光开关。n作为线路中继器对信号类型透明。对信号速率透明。对信号波长透明（增益谱范围内）n作为接收机前置放大器置于光电检测器前，大幅提高接收机的灵敏度n作为光发射机的后置放大放在光发射机之后可使入纤功率大幅增加，使传输距离增长4.2.3色散补偿技术n通过在光纤传输线路中加入适当的色散元件，使色散元件的色散和光纤线路色散符号相反、大小相等或相近，降低信号的整体色散，解决因光纤色散而引起的波形失真。n色散补偿的方法：光纤型色散补偿技术光纤光栅型色散补偿技术光滤波器色散补偿技术相位共轭型色散补偿技术光源预啁啾色散补偿技术n光纤型色散补