光网络器件教材课件

第5章光网络器件

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光放大器★无源器件第5章光网络器件

（1）半导体光放大器（SOA）光放大器的分类光放大器按原理不同，大体上有以下三种类型：优点；

FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等。缺点:需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。优点:体积小、结构简单、功耗低、便于光电集成；缺点:插入损耗大、工作稳定性较差、噪声大，增益小、对串扰和偏振态敏感等。它是由半导体材料制成的，可看成是没有反馈的半导体激光器（2）光纤喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。光放大器（1）半导体光放大器（SOA）光放大器的分类光放大器按原理优点：①工作波长处在1530～1560nm范围，与光纤最小损耗窗口一致；②对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；③连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB。④增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益可达40dB，且在100℃内增益特性保持稳定，也与偏振无关。噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm；⑤对各种类型、速率与格式的信号传输透明。光放大器的分类光放大器（3）掺铒光纤放大器（EDFA）

优点：③连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易

缺点：①波长固定，只能放大1550nm左右的光波，可调节的波长有限；②增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。光放大器的分类光放大器缺点：光放大器的分类光放光放大器概述1.增益系数光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为对于小信号放大有由泵浦强度决定的增益峰值介质原子跃迁频率偶极子弛豫时间光放概述1.增益系数光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理设光放大器增益介质长度为L，信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长为最大，也为最大光放大器概述增益设光放大器增益介质长度为L，信号光功率将沿着放大器的为最大，(2π)ΔνgT20.50G(ω)归一化增益(ω－ω0)T20.751.000.250.00－4－2024g(ω)光放大器增益曲线和增益系数曲线的半最大值全宽FWHM（FullWidthatHalfMaximum）的FWHM,也称作光放大器的带宽。光放大器概述(2π)ΔνgT20.50G(ω)归(ω－ω0)T20.752．增益饱和当输入光功率比较小时，是一个常数，输出光功率与输入光功率成正比，此时的增益用符号表示，称为光放大器的小信号增益。但当增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和.PsatPin(dBm)10G0增益(dB)20303dB0－60－50－30－40－20－10010增益G与输入光功率的关系曲线光放大器概述饱和输出光功率2．增益饱和当输入光功率比较小时，是一个常数，输出大信号增益饱和输出光功率光放大器概述大信号增益饱和输出光功率光放概述？？？3．噪声系数放大的自发辐射形成了信号带宽内的主要噪声。放大的自发辐射ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)功率为自发辐射噪声是一种白噪声，叠加到信号光上，会劣化信噪比SNR。信噪比的劣化用噪声系数

表示，其定义光放大器概述光带宽自发辐射因子？？？3．噪声系数放大的自发辐射形成了信号带宽内的主要噪声（1）输入信噪比光放大器输入端的信号功率经光检测器转化为光电流为则检测的电功率由于信号光的起伏，光放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声为限制可以得到输入信噪比光放大器概述光检测器的电带宽（1）输入信噪比光放大器输入端的信号功率经光检测器转化为光（2）输出信噪比光检测器输出电功率为散粒噪声自发辐射与信号光产生的差拍噪声输出信噪比所以噪声系数当光放大器的增益比较大时光放大器概述（2）输出信噪比光检测器输出电功率为散粒噪声自发辐射与信号半导体光放大器SOA(SemiconductorOpticalAmplifier)法布里－珀罗腔放大器FPA(Fabry-PerotAmplifier)行波放大器TWA(Traveling-WaveAmplifier)(a)法布里－珀罗放大器泵浦电流反射面反射面有源区输入光信号输出光信号Z=0Z=L泵浦电流增透膜增透膜有源区输入光信号输出光信号Z=0Z=L(b)行波放大器反射镜面由半导体晶体的解理面形成，自然反射率达32%。有增透膜或者有适当的切面角度，不会发生内反射，入射光信号通过一次就会得到放大，光带宽较宽，饱和功率高。光放大器半导体光放大器SOA(SemiconductorOptic1.光放大器的增益法布里－珀罗放大器的增益可以表示为Gω0增益频率ω0GFPAmaxGFPAminR=0.3R=0.03R=0(行波放大器增益)半导体光放大器光放大器SOA放大器的增益频谱反射面的反射系数单程功率放大因子峰值频率1.光放大器的增益法布里－珀罗放大器的增益可以表示为Gω0行波放大器的增益单程增益用光放大器的参数可表示为SOA增益典型值为20～30dBSOA的增益依赖于输入信号的偏振状态，不同的极化模式具有不同的增益。由于有源区的矩形形状和晶体结构造成增益对偏振依赖。减小SOA的偏振增益的方法，一种是使有源区的横截面成正方形；另一种是通过串联或是并联两个SOA来补偿增益差。这些方法的使用可以使偏振增益差降至0.5dB。半导体光放大器光放大器限制系数增益系数损耗系数行波放大器的增益单程增益用光放大器的参数可表示为SOA增益典2.光放大器的带宽增益减小到峰值一半时，

就是带宽上式成立要满足条件：FPA的带宽比较窄，通常不超过10GHz。常用在有源滤波器、构造光子开关、光波长转换器和路由器等场合。行波放大器的带宽用下式进行估算TWA的带宽大约是半导体光放大器光放大器2.光放大器的带宽增益减小到峰值一半时，就是带宽上式成Gω0增益频率ω0GFPAGTWAΔωTWAΔωPFAFPA增益较大，而带宽较小；TWA增益略小，带宽较大。FPA与TWA的带宽比较半导体光放大器光放大器Gω0增益频率ω0GFPAGTWAΔωTWAΔωPFAFPA3.噪声系数SOA噪声系数的范围是从6dB到9dB。半导体光放大器光放大器3.噪声系数SOA噪声系数的范围是从6dB到9dB。半导体掺杂光纤放大器光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器熔接点掺铒光纤EDFA泵浦源1.

掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构光隔离器是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.波分复用器也称为合波器，它的功能是将980/1550nm或1480/1550nm波长的泵浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，对它的要求是插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。光放大器掺杂光纤放大器光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号掺铒光纤是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25㎎/㎏。泵浦光源为半导体激光器，输出的光功率为10～100mW，工作波长约为980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三种不同的结构方式:（1）同向泵浦结构泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。在掺铒光纤的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但是由于吸收的原因，泵浦光将沿光纤长度衰减，使在一定的光纤长度上达到增益饱和。其优点是构成简单，具有较好的噪声性能。缺点是输出功率低。掺杂光纤放大器光放大器光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器熔接点掺铒光纤EDFA泵浦源掺铒光纤是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元泵（2）反向泵浦结构泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率高，但是噪声性能差。光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器EDFA泵浦源熔接点掺铒光纤掺杂光纤放大器光放大器（2）反向泵浦结构泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两（3）双向泵浦结构有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同一方向注入掺铒光纤，另一个泵浦光从相反方向注入掺铒光纤。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布从而使其增益在光纤中均匀分布。光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器EDFA泵浦源熔接点掺铒光纤

波分复用器泵浦源掺杂光纤放大器光放大器（3）双向泵浦结构有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输出光功率同向泵浦输出光功率掺铒光纤长度双向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦双向泵浦

(a)转换效率的比较(c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系三种泵浦方式的微分转换效率分别为61%和76%和77%。随着输出功率的增加，粒子反转数将下降，结果是使噪声指数增大。不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦方式的EDFA噪声最小。掺杂光纤放大器光放大器(b)噪声系数与放大器输出功率的关系泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输同向泵浦输出光功率掺铒光纤长2.

掺铒光纤放大器的工作原理简单地说，就是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。（1）能级与泵浦泵浦光980nm能级1（0ev）τsp=1μs泵浦光1480nm受激辐射信号光（1500～1600nm）自发辐射光（1500～1600nm）ASE能级2（0.80ev）能级3（1.27ev）τsp=10ms掺铒石英的能级图，用三能级表示掺杂光纤放大器光放大器EDFA得到广泛应用的原因噪声2.

掺铒光纤放大器的工作原理简单地说，就是在泵浦源的作用下（2）增益EDFA的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光纤的长度、铒离子浓度、泵浦功率等因素有关。增益与掺铒光纤长度的关系掺杂光纤放大器光放大器（2）增益EDFA的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光经常用关系式来估算增益EDFA增益和噪声与输入光信号功率之间的关系8GEFn输入功率（dBm）Fn(dB)GE(dB)765430252015105-45-40-35-30-25-20-15-10-5掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率来表示，即当饱和增益下降3dB时所对应的输出光功率值。它表示了掺铒光纤放大器的最大输出能力。掺杂光纤放大器光放大器经常用关系式来估算增益EDFA增益和噪声与输入光信号功率之间（3）噪声系数噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率有关噪声系数还与泵浦源波长有关，使用980nm泵浦源的噪声特性优于1480nm泵浦源。EDFA噪声系统的变化范围在3.5dB到9dB之间。3.EDFA增益平坦性掺铒光纤增益系数与波长的关系10增益系数(dB/m)8642波长（nm）14801500152015401560掺杂光纤放大器光放大器（3）噪声系数噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率有关噪声系数还为了获得较为平坦的增益特性，增大EDFA的带宽，有两种方法可以采用。一种是采用新型宽谱带掺杂光纤，如在纤芯中再掺入铝离子；另一种方法是在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器。波长掺铒光纤增益波长滤波器特性波长放大器增益均衡滤波器掺铒光纤掺铒光纤EDFA中的均衡滤波器作用掺杂光纤放大器光放大器为了获得较为平坦的增益特性，增大EDFA的带宽，有两种方法波4.EDFA的性能指标掺杂光纤放大器光放大器4.EDFA的性能指标掺杂光纤放大器光放5.掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器PDFA工作在1310nm波段目前已研制出的PDFA模块所采用泵浦波长为1017nm，在1310nm波长处放大器的增益可达24dB，噪声系数为6.6。在－3dBm输入时放大波段为1281nm－1381nm，放大带宽达37nm。增益和噪声与波长的关系波长（μm）20Fn(dB)增益(dB)2015105510151.281.301.321.34Fn增益掺杂光纤放大器光放大器5.掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器PDFA工作在1310n6.掺铥光纤放大器掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子制作的，其工作波长范围为1450nm－1480nm，增益可达22dB，噪声指数在6dB以下。主要与EDFA配合应用在DWDM系统中。掺杂光纤放大器光放大器6.掺铥光纤放大器掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子制作的喇曼光纤放大器基于受激喇曼散射机理，可以制造出喇曼光纤放大器RFA(RamanFiberAmplifier)。小功率信号光的频率为大功率泵浦光的频率为它们的频差(也称作频移)落在喇曼增益谱带宽范围之内，则信号光沿着光纤传输时将得到有效的放大。对于固定的泵浦光频率，由于喇曼增益谱宽度很大，所以利用SRS效应可以在相当宽的波长范围对信号光进行放大。光放大器？？？喇曼光纤放大器基于受激喇曼散射机理，可以制造出喇曼光纤放大器1.增益在长为L的光纤输出端，信号光功率若没有喇曼放大，经光纤输出的信号为故喇曼放大器的小信号增益定义为随着信号光的增强，泵浦光的减弱，增益会逐渐降低达到饱和。喇曼光纤放大器光放大器光纤对信号光的衰减系数1.增益在长为L的光纤输出端，信号光功率若没有喇曼放大，经光可算得饱和增益喇曼光纤放大器光放大器可算得饱和增益喇曼光纤放大器光放2.带宽光纤的SRS增益与喇曼增益系数之间的关系是由喇曼增益谱曲线可见，在增益峰值附近的增益带宽约为6THz~7THz。如果采用不同波长的多个泵浦源同时作用，则可获得更为平坦的，带宽更宽的增益特性。目前喇曼放大器的带宽已达132nm。喇曼光纤放大器光放大器2.带宽光纤的SRS增益与喇曼增益系数之间的关系是由喇曼增益光放大器的应用1.在线放大(in-lineamplifier)光放大器光发射机

光接收机光纤链路作用：补偿传输损耗副作用：要考虑放大器噪声等因素的影响，使用多个在线放大器,光纤链路中会积累ASE噪声，它随着信号光一起传输，最终影响输出端的信噪比,造成信噪比下降。通过放大器增益和级联数目的选择，可以得到总增益和

的最佳组合一般而言，选择在线放大器的输入信号标称范围从增益大于15dB。光放大器光放大器的应用1.在线放大(in-lineamplifie2.前置放大光放大器光发射机

光接收机光纤链路作用：在光电检测之前将弱信号放大，可以抑制在接收机中由于热噪声引起的信躁比下降。前置放大器的加入，可以提高接收机的灵敏度。光放大器的应用光放大器2.前置放大光放大器光发射机光接收机光纤链路作用：在光电检光放大器光发射机

光接收机光纤链路3.功率放大（powerboaster）作用：可使传输距离增加10km－100km。如果同时使用前置放大，即可实现200km－250km的无中继海底传输。由于功率放大器直接放置于光发射机后，其输入功率较高，要求的泵浦功率也较大。其输入一般要在－8dBm以上，具有的增益必须大于5dB。光放大器的应用光放大器光放大器光发射机光接收机光纤链路3.功率放大（power例5.1.1用EDFA做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦波长为λ=980nm，输入光信号的功率为0dBm，波长为1550nm，求所用的泵浦源功率为多少？解：入射功率0dBm，即为1mw。由功率放大器增益表达式光放大器的应用光放大器光放大器的应用光放第5章光网络器件

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光放大器★无源器件第5章光网络器件

光器件概述作用:

实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。类型：包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器等发展趋势：集成化、全光纤化光器件概述作用:实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用定义：对同一波长的光功率进行分路或合路类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型全光纤型、微光元件型、集成光波导型功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。1321243光耦合器—Coupler定义：对同一波长的光功率进行分路或合路1321243光耦合器1、插入损耗：特定的输出端口的功率相对全部输入功率的减少值，用分贝表示。2、附加损耗：所有端口输出功率的总和相对于全部输入功率以分贝表示的减小值。3、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比特性参数：光耦合器—Coupler1、插入损耗：特定的输出端口的功率相对全部输入功率的减少值，4、方向性（串扰）：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例：5、均匀性(uniformity)定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量6、偏振相关损耗(polariztiondependentloss)指当传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出光功率的最大变化量.光耦合器—Coupler4、方向性（串扰）：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输目前,国内外普遍采用熔融拉锥法(FBT)制作光纤耦合器,用这种方法制作的光纤耦合器,由于具有损耗低、性能稳定、成本低且制作容易等特点而日益受到人们的重视。熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。光耦合器—Coupler目前,国内外普遍采用熔融拉锥法(FBT)制作光纤耦合器在单模光纤中，传导模是两个正交的基模信号,当传导模进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，V值不断减小，模场直径越来越比纤芯直径大，于是越来越多的光模传输到光纤包层中；在熔锥区，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，光从一根纤芯耦合到另一纤芯；在逐渐离开拉锥区时，随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大．光模以特定的比例重新被限制在两光纤纤芯中，实现了功率的再分配。在若导近似下，光纤的耦合模方程为：两光纤模场振幅

和是两光纤在孤立状态时的传播常量互耦合系数自耦合系数光耦合器—Coupler在单模光纤中，传导模是两个正交的基模信号,当传导模进入熔锥区假设：且时光纤耦合模方程的解为：式中光耦合器—Coupler假设：且时光纤耦合模方程的解由此可知每根光纤中的功率为：假定：，光功率由一根光纤注入当两根光纤完全相同时，有即影响拉伸长度与耦合功率的关键参数就是耦合系数C，而耦合系数C的确定，需要用不同的模型来近似。光耦合器—Coupler由此可知每根光纤中的功率为：假定：锥体颈部区域纵向为平行线形如图（a）横向切面为矩形如图（b）光耦合器—Coupler锥体颈部区域纵向为平行线形如图（a）光耦合器—Couple锥体颈部区域纵向为抛物线型如图（a）横向切面为相切的双圆形如图（b）光耦合器—Coupler锥体颈部区域纵向为抛物线型如图（a）光耦合器—Coupler1310nm1550nm拉伸长度为8.936mm，纤芯间隔0.65微米

光耦合器—Coupler1310nm1550nm拉伸长度为8.936mm，纤芯间隔0光耦合器—Coupler光耦合器—Coupler耦合臂光纤的相位总比直通光纤的相位滞后/2。耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。实际制作中耦合臂光纤的相位总比直通光纤的相位滞后/2。耦合区两纤芯中光网络器件教材课件波导型光耦合器利用平面介质光波导工艺制作的光耦合器件．往往是在铌酸锂等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所需的波导结构制成芯片。光耦合器—Coupler波导型光耦合器利用平面介质光波导工艺制作的光耦合器件．往往是Y-Coupler(Splitter)port1port2(50%)＋port3(50%)问题：如果从左端输入100uw的功率则右边两端各为50uw，但是如果从右边两端各输入50uw的功率，则左边出射功率为多少呢？光耦合器—CouplerY-Coupler(Splitter)问题：如果从左端输入3dBcoupler光耦合器—Coupler3dBcoupler光耦合器—CouplerIsolators&Circulators非互易器件用途：放置于激光器及光放大器后面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：低的插入损耗(对正向入射光，~1dB)高的隔离度(对反向反射光，40~50dB)原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。光隔离器与环形器Isolators&Circulators非互易器件光与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer

Polarizer

Faradayrotator

Blocked

Reflectlight

Lightout

Lightin

起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转450

，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。光隔离器与环形器与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理PolarizerPo基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送顺序：1234（三端口，四端口，多端口）三端口光环行器四端口光环行器光环形器回波损耗如何测量？？主要特性：

插入损耗隔离度回波损耗隔离器的回波损耗测量图光隔离器与环形器基本原理：工作原理等同于隔离器，三端口光环行器四端口光环行器IsolatorsIsolator/couplerhybrids光隔离器与环行器IsolatorsIsolator/couplerhybr滤波器固定滤波器:允许一个确定波长的信号光通过。可调谐滤波器:在一定光带宽范围内动态地选择波长。光滤波器λk(固定)λ1，λ2，…λn光滤波器λi(可调)Δλλ1λ2λn1.固定波长滤波器

中心波长λ0，带宽Δλ，插入损耗和隔离度等。主要参数：滤波器固定滤波器:允许一个确定波长的信号光通过。光滤波器λk（1）薄膜干涉滤波器

如何解释薄膜干涉滤波器的原理？？滤波器（1）薄膜干涉滤波器

如何解释薄膜干涉滤波器的原理？？滤波器（2）法布里－珀罗固定波长滤波器

L平行镜入射光平行镜透射光R1FSRΔfP－F频率R2R1<R2TFPF10.5滤波器该滤波器的传输特性可由下式表示（2）法布里－珀罗固定波长滤波器

L平行镜入射光平行镜透射光周期长度称为自由光谱范围FSR

F-P滤波器的带宽F-P滤波器的精细度反映滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差。滤波器周期长度称为自由光谱范围FSR

F-P滤波器的带宽F-P滤波2．可调谐滤波器属于有源器件，它通过控制电压或温度的变化来改变滤波器的某些参数，从而达到波长动态选择的目的。主要参数有调谐范围、带宽、可分辨信道数、调谐速度、插入损耗、偏振相关损耗和分辨率等。可分辨信道数是信道范围与最小信道间隔之比。调谐速度指的是滤波器调到指定波长所需要的时间。分辨率是滤波器能检测的最小波长偏移。滤波器2．可调谐滤波器属于有源器件，它通过控制电压或温度的变化来改（1）光纤法布里－珀罗滤波器

光纤压电陶瓷压电陶瓷光纤反射镜支架滤波器（1）光纤法布里－珀罗滤波器

光纤压电陶瓷压电陶瓷光纤反射镜（2）马赫－曾德干涉滤波器MZIMach-ZehnderInterferometer长度相差L的两根波导，用来在两臂间产生与波长有关的相移对输入信号进行分路的3dB耦合器通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。在输出端将信号复合的3dB耦合器滤波器（2）马赫－曾德干涉滤波器MZIMach-ZehnderIInput1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk为奇数k为偶数Output1Output2滤波器Input1Output2Output1/2+L利用3个22MZI元件构成四通道复用器：1

2

3

4＋213241

32

4MZI1L1MZI2L2MZI3L3＋＋3ABCD滤波器利用3个22MZI元件构成四通道复用器：123声光可调谐滤波器λ1λ2λ3换能器λ1（选择）λ2λ3（拒绝）TE电压输入偏振输出偏振TMTE(λ1)TM(λ1)滤波器声光可调谐滤波器λ1λ2λ3换能器λ1（选择）λ2λ3（拒根据工作原理分类：位移型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器直接镀膜型光衰减器（吸收模或反射模型）衰减片型光衰减器液晶型光衰减器光衰减器光衰减器—Attenuator根据工作原理分类：位移型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器固定光衰减器可变光衰减器尾纤式固定光衰减器转\变换器式固定光衰减器SC—FC型、FC—ST型、SC—ST型、SC型、FC型、ST型小可变光衰减器步进可变光衰减器连续可变光衰减器机械型智能型根据结构来分：光衰减器—Attenuator光衰减器固定光衰减器可变光衰减器尾纤式固定光衰减器转\变换器光衰减器结构与工作原理

1、位移型光衰减器两段光纤连接时，纤芯错位、端面间隙都会引起连接器损耗。如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制连接时的衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时发生一定错位，使光能量损失一些，从而可以控制衰减量。光衰减器—Attenuator光衰减器结构与工作原理1、位移型光衰减器两段光纤连接时，纤特点仅用于固定衰减器回波损耗大，偏振无关体器件d横向位移型光衰减器—Attenuator特点d横向位移型光衰减器—Attenuator纵向位移型特点：

用于固定衰减器和一些小型可调光衰减器偏振无关体器件光衰减器—Attenuator纵向位移型特点：光衰减器—Attenuator光衰减片型特点不具备连续可变的衰减特性体器件P/4CollimatingFiberP/4FocusingFiber衰减盘不同衰减量的衰减片光衰减器—Attenuator光衰减片型特点P/4FiberP/4Fiber衰减盘不同衰减双轮式可变光衰减器P/4CollimatingFiberP/4FocusingFiberSteptype

步进式双轮可变光衰减器：在光路中插入两个具有固定衰减量的衰减圆盘，通过旋转这两个圆盘．使两个圆盘上的不同衰减片相互组合，获得多档衰减量。连续可变衰减器是将步进式双轮可变光衰减器的第二个衰减片换成一片连续变化的衰减片而形成。光衰减器—Attenuator双轮式可变光衰减器P/4FiberP/4FiberStep平移式光衰减器P/4CollimatingFiberP/4FocusingFiber衰减片改用全量程连续变化的中性滤光片，这种滤光片光学密度随滤光片平移方向呈线性变化，垂直于光路平移滤光片即可调节光衰减器的衰减量。衰减片光衰减器—Attenuator平移式光衰减器P/4FiberP/4Fiber衰减片改用全量液晶型光衰减器P/4CollimatingFiberP/4FocusingFiberLiquidcrystal

电极

如果晶体不加电压时，出射光功率等于入射光功率，当晶体加上电压时，由于晶体的电光效应，出射光功率小于入射光功率，达到衰减的目的。光衰减器—Attenuator液晶型光衰减器P/4FiberP/4FiberLiquid技术指标：衰减量、精度、回波损耗、频谱特性固定光衰减器尾纤式衰减量调节旋钮光衰减器—Attenuator技术指标：衰减量、精度、回波损耗、频谱特性固定光衰减器尾纤式光网络器件教材课件技术指标：插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。重复性和互换性光连接器—Connector技术指标：光连接器—Connector损耗来源损耗来源光连接器—Connector改进回波损耗的方法如图(a)．将装有光纤的插针体端面加工成曲率半径25—60mm的球面，这样两插针接触时纤芯间隙接近于0，达到“物理接触”，则端面间隙损耗和菲涅耳损耗将为0，从而后向反射光大大减小。这种方法可使回波损耗达到50dB以上。图（b）是将插针体端面先加工成80左右的倾角，然后再抛磨成斜球面，这种接触法除了具有球面接触的优点外，还可以将微弱的后向反射光加以旁路，使其难以进入原来的纤芯，从而可以进一步改进回波损耗．使其达到60dB以上。光连接器—Connector改进回波损耗的方法如图(a)．将方法：利用各种技术准直纤芯插入损耗目前水平0.2dB减低反射技术：APC类型：FC、SC、ST其它：多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光纤连接器活动连接器P/4CollimatingFiberP/4FocusingFiber

准直器Collimator方法：利用各种技术准直纤芯活动连接器P/4FiberP/4FP=2/gP/2光在自聚焦透镜里面的传输性质活动连接器P=2/gP/2光在自聚焦透镜里面的传输性质活动连接器ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。FC型：螺纹连接。外部材料为金属ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。SC型光网络器件教材课件包括：熔接法、V形槽法和套管法等。固定连接器包括：熔接法、V形槽法和套管法等。固定连接器实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关1~10ms光包交换1ns外调制10ps

消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)也是光开关的重要参数光开关Switches实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。应用开关时间需求光开关的分类机械光开关集成光波导式光开关微光机电系统（MOEMS）光开关Switches光开关的分类机械光开关光开关Switches特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关活动光纤光纤光纤固定装置机械式光开关特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）3dB耦合器波导臂薄膜加热器相位移动热光效应光开关基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器特点：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、价格昂贵半导体光放大器SOA光开关：改变SOA驱动电流来实现特点：速度快（~ns）、无损开关，但引入ASE噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵电光效应光开关LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器电光效应光开关类型大小插损(dB)串话(dB)PDL(dB)开关时间机械式883550.210ms热光开关

SilicaPolymer888810101530LowLow2ms2ms电光开关

LiNbO3SOA44448035401Low10ps1ns光开关性能比较类型大小插损串话PDL开关机械式883550.210ms热微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关。MEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细。新型光开关——MOEMS微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)I/OFibersImagingLensesReflectorMEMS2-axisTiltMirrorsMEMS光开关阵列优点：可实现超大规模交叉连接可利用IC工艺，批量生产I/OFibersImagingLensesReflec

MirrorMirror1NMEMSSwitch

1NMEMSSwitch大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使MOEMS光开关阵列成为光开关的主流长距离系统中光交换设备市场预测(LightwaveMay2000)MOEMS光开关阵列可能成为光开关的主流大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使MOEMS光开关阵列成为HP/AgilentBubble开关阵列将成熟的喷墨打印技术与Si平面光路(PLC)结合。加热时，利用气泡的全反射，使来自输入波导的光改变反向。HP/AgilentBubble开关阵列将成熟的喷墨打印右图：将平行排列3×3耦合器的4和6端口连结起来形成的萨各奈克（Sagnac）干涉环。基于平行排列3×3耦合器的全光开关广泛用于光纤通信系统、光纤网络、光纤测量系统、仪器以及光纤传感系统。举例右图：将平行排列3×3耦合器的4和6端口连结起来形成的萨举例基于包交换的全光网是全光网（现在处于光传送网阶段）的下一个战略目标。包交换技术实质上就是存储—转发技术，因此在光域中完成光信号的存储，就成为包交换的关键技术之一。光存储器的好坏直接决定了全光包交换网的性能。基于3×3耦合器的全光缓存器是一种新型结构的全光缓存器。双环全光缓存器（DLOB）举例基于包交换的全光网是全光网（现在处于光传支撑未来光网络的关键器件未来光网络的发展很大程度上是基于光器件的创新光子集成工艺的突破将引起大规模的光器件创新

光交叉器件可调谐器件宽带光纤放大器新型高速光信号处理器件支撑未来光网络的关键器件未来光网络的发展很大程度上是基于光器

光放大器和光无源器件的重要性随着光纤通信应用范围的不断扩大而日益显著，它们的性能也直接影响到信号传输的各种指标。对于光放大器，应掌握增益系数、增益饱和和噪声系数的意义，各类放大器的基本工作原理、参数和应用。EDFA已经得到了普遍的使用，读者对它应有足够的了解。光无源器件的种类很多，读者除了理解其基本工作原理外，更应注重它们的参数和应用，并且应学会在网上搜索有关产品的性能指标。本章小结本章小结作业P143：5.25.95.115.125.145.15Thankyou作业P143：5.25.95.11第5章光网络器件

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光放大器★无源器件第5章光网络器件

（1）半导体光放大器（SOA）光放大器的分类光放大器按原理不同，大体上有以下三种类型：优点；

FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等。缺点:需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。优点:体积小、结构简单、功耗低、便于光电集成；缺点:插入损耗大、工作稳定性较差、噪声大，增益小、对串扰和偏振态敏感等。它是由半导体材料制成的，可看成是没有反馈的半导体激光器（2）光纤喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。光放大器（1）半导体光放大器（SOA）光放大器的分类光放大器按原理优点：①工作波长处在1530～1560nm范围，与光纤最小损耗窗口一致；②对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；③连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB。④增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益可达40dB，且在100℃内增益特性保持稳定，也与偏振无关。噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm；⑤对各种类型、速率与格式的信号传输透明。光放大器的分类光放大器（3）掺铒光纤放大器（EDFA）

优点：③连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易

缺点：①波长固定，只能放大1550nm左右的光波，可调节的波长有限；②增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。光放大器的分类光放大器缺点：光放大器的分类光放光放大器概述1.增益系数光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为对于小信号放大有由泵浦强度决定的增益峰值介质原子跃迁频率偶极子弛豫时间光放概述1.增益系数光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理设光放大器增益介质长度为L，信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长为最大，也为最大光放大器概述增益设光放大器增益介质长度为L，信号光功率将沿着放大器的为最大，(2π)ΔνgT20.50G(ω)归一化增益(ω－ω0)T20.751.000.250.00－4－2024g(ω)光放大器增益曲线和增益系数曲线的半最大值全宽FWHM（FullWidthatHalfMaximum）的FWHM,也称作光放大器的带宽。光放大器概述(2π)ΔνgT20.50G(ω)归(ω－ω0)T20.752．增益饱和当输入光功率比较小时，是一个常数，输出光功率与输入光功率成正比，此时的增益用符号表示，称为光放大器的小信号增益。但当增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和.PsatPin(dBm)10G0增益(dB)20303dB0－60－50－30－40－20－10010增益G与输入光功率的关系曲线光放大器概述饱和输出光功率2．增益饱和当输入光功率比较小时，是一个常数，输出大信号增益饱和输出光功率光放大器概述大信号增益饱和输出光功率光放概述？？？3．噪声系数放大的自发辐射形成了信号带宽内的主要噪声。放大的自发辐射ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)功率为自发辐射噪声是一种白噪声，叠加到信号光上，会劣化信噪比SNR。信噪比的劣化用噪声系数

表示，其定义光放大器概述光带宽自发辐射因子？？？3．噪声系数放大的自发辐射形成了信号带宽内的主要噪声（1）输入信噪比光放大器输入端的信号功率经光检测器转化为光电流为则检测的电功率由于信号光的起伏，光放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声为限制可以得到输入信噪比光放大器概述光检测器的电带宽（1）输入信噪比光放大器输入端的信号功率经光检测器转化为光（2）输出信噪比光检测器输出电功率为散粒噪声自发辐射与信号光产生的差拍噪声输出信噪比所以噪声系数当光放大器的增益比较大时光放大器概述（2）输出信噪比光检测器输出电功率为散粒噪声自发辐射与信号半导体光放大器SOA(SemiconductorOpticalAmplifier)法布里－珀罗腔放大器FPA(Fabry-PerotAmplifier)行波放大器TWA(Traveling-WaveAmplifier)(a)法布里－珀罗放大器泵浦电流反射面反射面有源区输入光信号输出光信号Z=0Z=L泵浦电流增透膜增透膜有源区输入光信号输出光信号Z=0Z=L(b)行波放大器反射镜面由半导体晶体的解理面形成，自然反射率达32%。有增透膜或者有适当的切面角度，不会发生内反射，入射光信号通过一次就会得到放大，光带宽较宽，饱和功率高。光放大器半导体光放大器SOA(SemiconductorOptic1.光放大器的增益法布里－珀罗放大器的增益可以表示为Gω0增益频率ω0GFPAmaxGFPAminR=0.3R=0.03R=0(行波放大器增益)半导体光放大器光放大器SOA放大器的增益频谱反射面的反射系数单程功率放大因子峰值频率1.光放大器的增益法布里－珀罗放大器的增益可以表示为Gω0行波放大器的增益单程增益用光放大器的参数可表示为SOA增益典型值为20～30dBSOA的增益依赖于输入信号的偏振状态，不同的极化模式具有不同的增益。由于有源区的矩形形状和晶体结构造成增益对偏振依赖。减小SOA的偏振增益的方法，一种是使有源区的横截面成正方形；另一种是通过串联或是并联两个SOA来补偿增益差。这些方法的使用可以使偏振增益差降至0.5dB。半导体光放大器光放大器限制系数增益系数损耗系数行波放大器的增益单程增益用光放大器的参数可表示为SOA增益典2.光放大器的带宽增益减小到峰值一半时，

就是带宽上式成立要满足条件：FPA的带宽比较窄，通常不超过10GHz。常用在有源滤波器、构造光子开关、光波长转换器和路由器等场合。行波放大器的带宽用下式进行估算TWA的带宽大约是半导体光放大器光放大器2.光放大器的带宽增益减小到峰值一半时，就是带宽上式成Gω0增益频率ω0GFPAGTWAΔωTWAΔωPFAFPA增益较大，而带宽较小；TWA增益略小，带宽较大。FPA与TWA的带宽比较半导体光放大器光放大器Gω0增益频率ω0GFPAGTWAΔωTWAΔωPFAFPA3.噪声系数SOA噪声系数的范围是从6dB到9dB。半导体光放大器光放大器3.噪声系数SOA噪声系数的范围是从6dB到9dB。半导体掺杂光纤放大器光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器熔接点掺铒光纤EDFA泵浦源1.

掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构光隔离器是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.波分复用器也称为合波器，它的功能是将980/1550nm或1480/1550nm波长的泵浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，对它的要求是插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。光放大器掺杂光纤放大器光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号掺铒光纤是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25㎎/㎏。泵浦光源为半导体激光器，输出的光功率为10～100mW，工作波长约为980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三种不同的结构方式:（1）同向泵浦结构泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。在掺铒光纤的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但是由于吸收的原因，泵浦光将沿光纤长度衰减，使在一定的光纤长度上达到增益饱和。其优点是构成简单，具有较好的噪声性能。缺点是输出功率低。掺杂光纤放大器光放大器光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器熔接点掺铒光纤EDFA泵浦源掺铒光纤是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元泵（2）反向泵浦结构泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率高，但是噪声性能差。光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器EDFA泵浦源熔接点掺铒光纤掺杂光纤放大器光放大器（2）反向泵浦结构泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两（3）双向泵浦结构有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同一方向注入掺铒光纤，另一个泵浦光从相反方向注入掺铒光纤。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布从而使其增益在光纤中均匀分布。光隔离器光隔离器波分复用器输入光信号输出光信号滤波器EDFA泵浦源熔接点掺铒光纤

波分复用器泵浦源掺杂光纤放大器光放大器（3）双向泵浦结构有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输出光功率同向泵浦输出光功率掺铒光纤长度双向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦双向泵浦

(a)转换效率的比较(c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系三种泵浦方式的微分转换效率分别为61%和76%和77%。随着输出功率的增加，粒子反转数将下降，结果是使噪声指数增大。不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦方式的EDFA噪声最小。掺杂光纤放大器光放大器(b)噪声系数与放大器输出功率的关系泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输同向泵浦输出光功率掺铒光纤长2.

掺铒光纤放大器的工作原理简单地说，就是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。（1）能级与泵浦泵浦光980nm能级1（0ev）τsp=1μs泵浦光1480nm受激辐射信号光（1500～1600nm）自发辐射光（1500～1600nm）ASE能级2（0.80ev）能级3（1.27ev）τsp=10ms掺铒石英的能级图，用三能级表示掺杂光纤放大器光放大器EDFA得到广泛应用的原因噪声2.

掺铒光纤放大器的工作原理简单地说，就是在泵浦源的作用下（2）增益EDFA的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光纤的长度、铒离子浓度、泵浦功率等因素有关。增益与掺铒光纤长度的关系掺杂光纤放大器光放大器（2）增益EDFA的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光经常用关系式来估算增益EDFA增益和噪声与输入光信号功率之间的关系8GEFn输入功率（dBm）Fn(dB)GE(dB)765430252015105-45-40-35-30-25-20-15-10-5掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率来表示，即当饱和增益下降3dB时所对应的输出光功率值。它表示了掺铒光纤放大器的最大输出能力。掺杂光纤放大器光放大器经常用关系式来估算增益EDFA增益和噪声与输入光信号功率之间（3）噪声系数噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率有关噪声系数还与泵浦源波长有关，使用980nm泵浦源的噪声特性优于1480nm泵浦源。EDFA噪声系统的变化范围在3.5dB到9dB之间。3.EDFA增益平坦性掺铒光纤增益系数与波长的关系10增益系数(dB/m)8642波长（nm）14801500152015401560掺杂光纤放大器光放大器（3）噪声系数噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率有关噪声系数还为了获得较为平坦的增益特性，增大EDFA的带宽，有两种方法可以采用。一种是采用新型宽谱带掺杂光纤，如在纤芯中再掺入铝离子；另一种方法是在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器。波长掺铒光纤增益波长滤波器特性波长放大器增益均衡滤波器掺铒光纤掺铒光纤EDFA中的均衡滤波器作用掺杂光纤放大器光放大器为了获得较为平坦的增益特性，增大EDFA的带宽，有两种方法波4.EDFA的性能指标掺杂光纤放大器光放大器4.EDFA的性能指标掺杂光纤放大器光放5.掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器PDFA工作在1310nm波段目前已研制出的PDFA模块所采用泵浦波长为1017nm，在1310nm波长处放大器的增益可达24dB，噪声系数为6.6。在－3dBm输入时放大波段为1281nm－1381nm，放大带宽达37nm。增益和噪声与波长的关系波长（μm）20Fn(dB)增益(dB)2015105510151.281.301.321.34Fn增益掺杂光纤放大器光放大器5.掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器PDFA工作在1310n6.掺铥光纤放大器掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子制作的，其工作波长范围为1450nm－1480nm，增益可达22dB，噪声指数在6dB以下。主要与EDFA配合应用在DWDM系统中。掺杂光纤放大器光放大器6.掺铥光纤放大器掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子制作的喇曼光纤放大器基于受激喇曼散射机理，可以制造出喇曼光纤放大器RFA(RamanFiberAmplifier)。小功率信号光的频率为大功率泵浦光的频率为它们的频差(也称作频移)落在喇曼增益谱带宽范围之内，则信号光沿着光纤传输时将得到有效的放大。对于固定的泵浦光频率，由于喇曼增益谱宽度很大，所以利用SRS效应可以在相当宽的波长范围对信号光进行放大。光放大器？？？喇曼光纤放大器基于受激喇曼散射机理，可以制造出喇曼光纤放大器1.增益在长为L的光纤输出端，信号光功率若没有喇曼放大，经光纤输出的信号为故喇曼放大器的小信号增益定义为随着信号光的增强，泵浦光的减弱，增益会逐渐降低达到饱和。喇曼光纤放大器光放大器光纤对信号光的衰减系数1.增益在长为L的光纤输出端，信号光功率若没有喇曼放大，经光可算得饱和增益喇曼光纤放大器光放大器可算得饱和增益喇曼光纤放大器光放2.带宽光纤的SRS增益与喇曼增益系数之间的关系是由喇曼增益谱曲线可见，在增益峰值附近的增益带宽约为6THz~7THz。如果采用不同波长的多个泵浦源同时作用，则可获得更为平坦的，带宽更宽的增益特性。目前喇曼放大器的带宽已达132nm。喇曼光纤放大器光放大器2.带宽光纤的SRS增益与喇曼增益系数之间的关系是由喇曼增益光放大器的应用1.在线放大(in-lineamplifier)光放大器光发射机

光接收机光纤链路作用：补偿传输损耗副作用：要考虑放大器噪声等因素的影响，使用多个在线放大器,光纤链路中会积累ASE噪声，它随着信号光一起传输，最终影响输出端的信噪比,造成信噪比下降。通过放大器增益和级联数目的选择，可以得到总增益和

的最佳组合一般而言，选择在线放大器的输入信号标称范围从增益大于15dB。光放大器光放大器的应用1.在线放大(in-lineamplifie2.前置放大光放大器光发射机

光接收机光纤链路作用：在光电检测之前将弱信号放大，可以抑制在接收机中由于热噪声引起的信躁比下降。前置放大器的加入，可以提高接收机的灵敏度。光放大器的应用光放大器2.前置放大光放大器光发射机光接收机光纤链路作用：在光电检光放大器光发射机

光接收机光纤链路3.功率放大（powerboaster）作用：可使传输距离增加10km－100km。如果同时使用前置放大，即可实现200km－250km的无中继海底传输。由于功率放大器直接放置于光发射机后，其输入功率较高，要求的泵浦功率也较大。其输入一般要在－8dBm以上，具有的增益必须大于5dB。光放大器的应用光放大器光放大器光发射机光接收机光纤链路3.功率放大（power例5.1.1用EDFA做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦波长为λ=980nm，输入光信号的功率为0dBm，波长为1550nm，求所用的泵浦源功率为多少？解：入射功率0dBm，即为1mw。由功率放大器增益表达式光放大器的应用光放大器光放大器的应用光放第5章光网络器件

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光放大器★无源器件第5章光网络器件

光器件概述作用:

实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。类型：包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器等发展趋势：集成化、全光纤化光器件概述作用:实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用定义：对同一波长的光功率进行分路或合路类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型全光纤型、微光元件型、集成光波导型功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。1321243光耦合器—Coupler定义：对同一波长的光功率进行分路或合路1321243光耦合器1、插入损耗：特定的输出端口的功率相对全部输入功率的减少值，用分贝表示。2、附加损耗：所有端口输出功率的总和相对于全部输入功率以分贝表示的减小值。3、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比特性参数：光耦合器—Coupler1、插入损耗：特定的输出端口的功率相对全部输入功率的减少值，4、方向性（串扰）：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以22光纤耦合器为例：5、均匀性(uniformity)定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量6、偏振相关损耗(polariztiondependentloss)指当传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出光功率的最大变化量.光耦合器—Coupler4、方向性（串扰）：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输目前,国内外普遍采用熔融拉锥法(FBT)制作光纤耦合器,用这种方法制作的光纤耦合器,由于具有损耗低、性能稳定、成本低且制作容易等特点而日益受到人们的重视。熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。光耦合器—Coupler目前,国内外普遍采用熔融拉锥法(FBT)制作光纤耦合器在单模光纤中，传导模是两个正交的基模信号,当传导模进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，V值不断减小，模场直径越来越比纤芯直径大，于是越来越多的光模传输到光纤包层中；在熔锥区，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，光从一根纤芯耦合到另一纤芯；在逐渐离开拉锥区时，随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大．光模以特定的比例重新被限制在两光纤纤芯中，实现了功率的再分配。在若导近似下，光纤的耦合模方程为：两光纤模场振幅

和是两光纤在孤立状态时的传播常量互耦合系数自耦合系数光耦合器—Coupler在单模光纤中，传导模是两个正交的基模信号,当传导模进入熔锥区假设：且时光纤耦合模方程的解为：式中光耦合器—Coupler假设：且时光纤耦合模方程的解由此可知每根光纤中的功率为：假定：，光功率由一根光纤注入当两根光纤完全相同时，有即影响拉伸长度与耦合功率的关键参数就是耦合系数C，而耦合系数C的确定，需要用不同的模型来近似。光耦合器—Coupler由此可知每根光纤中的功率为：假定：锥体颈部区域纵向为平行线形如图（a）横向切面为矩形如图（b）光耦合器—Coupler锥体颈部区域纵向为平行线形如图（a）光耦合器—Couple锥体颈部区域纵向为抛物线型如图（a）横向切面为相切的双圆形如图（b）光耦合器—Coupler锥体颈部区域纵向为抛物线型如图（a）光耦合器—Coupler1310nm1550nm拉伸长度为8.936mm，纤芯间隔0.65微米

光耦合器—Coupler1310nm1550nm拉伸长度为8.936mm，纤芯间隔0光耦合器—Coupler光耦合器—Coupler耦合臂光纤的相位总比直通光纤的相位滞后/2。耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。实际制作中耦合臂光纤的相位总比直通光纤的相位滞后/2。耦合区两纤芯中光网络器件教材课件波导型光耦合器利用平面介质光波导工艺制作的光耦合器件．往往是在铌酸锂等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所需的波导结构制成芯片。光耦合器—Coupler波导型光耦合器利用平面介质光波导工艺制作的光耦合器件．往往是Y-Coupler(Splitter)port1port2(50%)＋port3(50%)问题：如果从左端输入100uw的功率则右边两端各为50uw，但是如果从右边两端各输入50uw的功率，则左边出射功率为多少呢？光耦合器—CouplerY-Coupler(Splitter)问题：如果从左端输入3dBcoupler光耦合器—Coupler3dBcoupler光耦合器—CouplerIsolators&Circulators非互易器件用途：放置于激光器及光放大器后面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：低的插入损耗(对正向入射光，~1dB)高的隔离度(对反向反射光，40~50dB)原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。光隔离器与环形器Isolators&Circulators非互易器件光与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer

Polarizer

Faradayrotator

Blocked

Reflectlight

Lightout

Light