第五章光无源器件与光放大器

1第5章 光无源器件与光放大器

2本章内容、重点和难点本章内容无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器/WDM、光隔离器等。光放大器本章重点无源光器件的功能及主要性能。EDFA的原理及应用本章难点光放大机理第3章通信用光器件3学习本章目的和要求掌握无源光器件的功能及主要性能。掌握EDFA的原理及应用。第3章通信用光器件4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、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。类型：无源、有源包括：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、光调制器、光开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等发展趋势：集成化、全光纤化5ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products6

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，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）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、光开关和光隔离器等，用于光的分路、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，它包括光源、光检测器、光放大器等器件，是构成光纤通信系统的关键器件。

785.1.1

光纤连接器

光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为“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”。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连接等。（1）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插针－套筒结构，如图。连接器主要由带有微孔（Φ125μm）的插针体a、插针体b与用于套筒等几部分构成。需要连接的光纤去除涂覆层后插入插针中心微孔，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，利用插针和套筒之间通过精密公差配合保证两根光纤的轴对准，再采用弹簧等机械装置紧固，实现光纤的活动连接。10

光纤连接器的核心技术体现在陶瓷插针体的毛坯上，毛坯内孔的精度体现了精密机械加工的技术水平。2002年以前，以TOTO为代表的日本三大公司的产量占全球产量的80%以上。方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯1112（2）光纤连接器的分类型号:FC/SC/ST/LC系列（螺纹/方销/卡口/自锁）多芯光纤活动连接器（光纤阵列等）跳线:单芯/双芯/模块尾纤/束状/带状1314损耗来源15（3）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

有关，诸如光纤的结构参数（如纤芯直

径、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

状态（如形状、平行度等），如图所示。5.1.1

光纤连接器dθ

z*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16

*横向错位引起的连接损耗*端面纵向间隙引起的连接损耗5.1.1

光纤连接器上述因素中哪些可作为设计可调光衰减器的理论基础？175.1.1

光纤连接器（5）光纤连接器的关键参数

①插入损耗，该值越小越好。光纤连接器的典型值0.2dB。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光纤线路连接点上产生的连接损耗插入损耗的波长响应(谱响应)：波长变化时插入损耗的变化：

L=f（λ）ComponentInputsignalsReflectedsignalsOutputsignals185.1.1

光纤连接器②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，该值越大越好。其典型值应不小于40dB。

RL(dB)=－10lg(Pref/Pin)③互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好。④重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。⑤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10万次。195.1.2

光纤耦合器

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）。

1．耦合器类型（1）T形耦合器（2）星形耦合器（3）定向耦合器（4）波分复用器/解复用器（也称合波器/分波器）205.1.2光纤耦合器常用耦合器的类型215.1.2光纤耦合器

2．熔锥型光纤耦合器的工作原理

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并成同一包层，纤芯变细、靠近，制作各种器件（例分波器）光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到：Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)L为有效作用长度，Cλ为取决于光纤参数和波长的耦合系数。

1，221直通臂耦合臂225.1.2光纤耦合器

设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使

*当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0；

*当Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大。对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55μm的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5dB，波长隔离度大于20dB。12P0P1P223散射矩阵表示法以22耦合器为例,用散射矩阵(传播矩阵)S来分析:输入场强a1a2b1b2S11S22S21S12输出场强b＝Sa假如从端口a1输入的光功率中有比例为(1－)的部分出现在输出端口b1，剩余的部分出现在端口b2。散射矩阵：24令Ein,2=0，则有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1

，输出功率为：

Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P03dB耦合器，＝0.5，输出场强：a1a2b1b225263dBcoupler27285.1.2光纤耦合器

3．介质膜型滤波器WDM(微器件型)原理:基于多层介质薄膜的反射/透射原理，由光学厚度λ1/4的两组高反膜系H（LH）P-1和（HL）P-1中间夹着一层间隔层LL构成，类似F-P标准具。1/21/41/41输入123HLHLHHLHLH反射23透射1295.1.2光纤耦合器

8波长DWDM器件的结构7<0.004nm/oC输入1~8

1358642自聚焦棒30

4．主要特性表示光纤耦合器性能指标的参数有：插入损耗、附加损耗、耦合比、串音等。下面以2×2定向耦合器为例来说明。（1）插入损耗Li

插入损耗Li它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用Li表示为一般情况下，要求小于0.5dB

。5.1.2光纤耦合器315.1.2光纤耦合器

（2）耦合比CR（用百分数表示）耦合比是指一个输出端口（3口）的光功率P03与全部输出端口输出光功率之比，如图端3耦合比：

一般情况下，定向耦合器的分光比为1︰1～1︰10。（3）串音LC

由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表示了1、4两个端口的串音程度，用Lc表示为一般情况下，串音为325.1.3

光衰减器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校正光功率计等。分固定衰减器和可变衰减器两种：位移型横向位移型-----偏离对中纵向位移型-----增加间隙直接镀膜型蒸镀金属膜Al+SiO2衰减片型有色玻璃或滤光片3334光隔离器与环行器Isolators&Circulators非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，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。355.1.4

光隔离器

1．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365.1.4

光隔离器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反向光出射正向光入射37光环形器基本原理：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）主要特性：

插入损耗隔离度价格三端口光环行器四端口光环行器385.1.4

光隔离器

光隔离器开发设计：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*理论计算举例:

1)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o、e光的张角，光斑中心偏移量，各元器件的工作尺寸、PMD、工作距离等.395.1.4

光隔离器3）ISO相关参数的研究（与θ0、晶片距离的关系）2）IL相关参数的研究（θ0、偏振器楔角、准直器的关系）405.1.4

光隔离器*元件的设计选取举例1）起偏器、检偏器的设计2）磁环的设计3）法拉第旋光器的选取4）准直器的设计415.1.4

光隔离器*制造工艺设计举例光隔离器的制造将光准直器、Core组件、连接桥、外壳进行组装，并对参数进行优化。具体包括：

1）光准直器1与Core组件胶接固化配胶工艺、器件固化

2）调节耦合装配组件与准直器2对中，

调节IL、ISO最优后注胶

3）焊接：用焊锡固定连接桥和准直器

4）冷却调校参数

5）老化

6）参数二次调校

7）加外壳（壳体和端盖）42434410.1光放大器概述光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。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。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，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O）多波长放大、低成本，只能实现1R中继45光放大器的原理光放大器的功能：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。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。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光放大器的分类按工作原理分类掺稀土元素光纤放大器

掺铒光纤放大器(EDFA)

掺镨光纤放大器(PDFA,1310nm波长)

掺铷光纤放大器(NDFA)等非线性效应光纤放大器

拉曼光纤放大(RFA)

布里渊光纤放大(BFA)等半导体光放大(SOA)按应用分类功率放大器、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100m~1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好4810.2掺铒光纤放大器1）EDFA工作原理EDFA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。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。49掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。50EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nm51增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G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。输出信号光功率输入信号光功率2）EDFA工作特性52小信号增益G＝30dB时，增益对输入光功率的典型依存关系输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率PS,OUT与输入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信号增益。G0饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。增益饱和现象。饱和区域53增益G与输入光波长的关系增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。54增益特性G：与泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入信号光有关

1）小信号增益随泵浦功率而变的曲线：对给定的EDF长度，增益先随泵浦功率指数增加，达到一定值后变缓，并趋于恒定。

2）小信号增益随铒纤长度而变的曲线：当泵浦功率一定时，放大器在EDF某一最佳长度时获得最大增益，过点后不能得到增益55

3）不同泵浦功率条件下增益随输出功率的变化：增益下降到3dB时即为饱和输出光功率

因此，在EDFA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，选择合适的泵浦功率和铒纤长度，使放大器工作处于最佳状态。10.2掺铒光纤放大器56包括光增益、饱和输出功率、工作带宽、噪声系数、增益平坦度光增益：输出功率与输入功率之比的对数值工作带宽：增益特性下降到3dB时的全宽度噪声系数：由于自发辐射等原因引起的光信噪比的劣化值，即输入口光信噪比与输出口光信噪比的比增益平坦度：通道等输入后增益的最大值与最小值之差放大器的主要参数57噪声指数Fn：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，导致被放大信号的信噪比下降。

Fn的极限是3dB，即理想光放大器被放大信号的SNR下降了两倍。一般商用产品在大于

3.5dB。EDFA级联时噪声

指数的有累积效应，这限

制多跨距段的级联数量。10.2掺铒光纤放大器58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；级联使用时，增益起伏呈线性累加的趋势

051015202530150015201540156015801600-5-4-3-2-101550152015401560158016000510152025150015201540156015801600波长(nm)增益(dB)增益(dB)波长(nm)衰减(dB)×=波长(nm)增益7.5dB，

信噪比下降4dB（1）增益均衡技术10.2掺铒光纤放大器59（2）泵浦源功率控制采用1480nm和980nm泵浦源的混合泵浦，动态调节泵浦源的光功率。10.2掺铒光纤放大器603）EDFA结构与设计

EDFA包括光路结构和辅助电路两大部分