现代光通信第三章

第3章光纤线路技术及器件3.1光器件概述3.2光连接器3.3光衰减器和光开关3.4光纤耦合器3.5光隔离器与环行器3.6光调制器3.7光纤光栅3.8光波分复用技术3.9复用器与滤波器3.10光波长转换器与光交叉互连器3.11光放大器3.1光器件概述

1、种类：通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。

有源器件包括光源、光检测器和光放大器。

光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。2、功能：3、发展趋势：集成化、全光纤化4、具体器件：3.2光连接器Connector3.2.1光纤的连接光纤的连接：是将两根光纤端面结合在一起，实现光信号的持续传输。分类：分为活动连接和固定连接。利用活动器是实现活动连接器的主要方法，熔接法是固定连接的主要方法。

光纤的熔接（fusionsplicing）光纤的固定连接是指一对光纤之间形成永久性的连接，这种连接用于不需要拆卸或重复使用的场合。光纤融接机：光纤融接机光纤切割刀

3.2.2光纤活动连接器1、概念光纤活动连接器：是连接两根光纤或光缆使其成为光通路可以重复装拆的活接头。用途：常用于光源到光纤、光纤到光纤以及光纤与探测器之间的连接；在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中，光纤活动连接器的使用非常广泛。要求：损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等；还要求能承受机械振动和冲击，适应一定的温度和湿度环境条件；需要有装拆时防止杂志污染的保护措施。2、分类单芯型和多芯型：单芯型：用于单根光纤之间的连接。多芯型：用于多根光纤之间的连接。单模型和多模型：单模型：用于单模光纤之间的连接多模型：用于多模光纤之间的连接单模型又分为：调芯型：指光纤活动连接器内部装有调心机构。非调芯型：内部没有调心结构。对接耦合式和透镜耦合式

3、结构（常用套管结构）接口零件对中：要和插针精密配合，确保光纤的对准；对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜结构。光纤插针：是将光纤固定在其中保护起来，并使套筒中的光纤对准；其结构有微孔结构、三棒或多层结构等。

精密套管结构连接器简图

光纤插针端面的分类

平面式（FC型,FlatConnectionorFiberContact

）球面式（PC型,PhysicalConnectionorSphereContact

）

8°斜面式（APC型,AngledPhysical

Contact

）超级球面式（UPC型,SuperPhysicalContact

）

注：不管何种插针结构，都应使光纤外径与插针管内径匹配不留间隙，光纤端面之间距离要很小，为减小端面上的菲涅尔反射。连接器的结构很多，目前许多光纤通信系统使用的FC型连接器。并采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固定效果最好，适合大批量生产，得到了广泛的应用。实际应用：活动连接器外部结构分类两插头与转换器（珐琅盘）的连接有：FC型（螺纹连接，FerruleConnector）

SC型（轴向插拔矩形，SquareConnector

）

ST型（弹簧带键卡口，SpringTension）光纤活动连接器基本结构

注：插针和套筒可用不透钢、硬质合金制作，也可用陶瓷材料制作。陶瓷材料比合金较为优越，因为陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近（都为8×10-7/°C），容易吻合。FC型：螺纹连接。外部材料为金属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。ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。STConnector:光纤跳线＋适配器FCConnector：SCConnector：光纤适配器（转换器）:该图为FC/PC型光纤跳纤（非正规叫法是双头尾纤)。光跳线颜色为黄色，表示单模跳纤。

该图为MTRJ-SC型光纤跳纤，光跳线颜色为橙色，表示多模跳纤。

4、性能插入损耗：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。重复性和互换性插拔寿命

损耗来源

5、连接器的表示方式光纤连接器的表示3.3光衰减器和光开关3.3.1光衰减器（Attenuator）1、概念及主要用途光衰减器：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。

主要用途：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。

2、分类按工作机理

耦合型：通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。

反射型：在玻璃基片上镀反射模作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。

吸收型：是采用光学吸收材料制成的衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。

按衰减量的变化

固定式：即衰减量一定固定式：即衰减量一定步进可变式：即阶跃式可变

连续可变式3、主要性能指标：

插入损耗、衰减量变化范围、精度以及温度等

光衰减器分类说明

3.3.2光开关（Switches）1、概念光开关：能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件。光网络中的关键器件。光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备的核心器件，也是光网络实现保护倒换的必需器件。2、主要性能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。

消光比、插损、串话、偏振相关性(PDL)也是光开关的重要参数。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消光比和阻塞性质

消光比是指开关on和off时输出功率之比（常用dB表示）

阻塞性质是指任一输入端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的性质

隔离度：指对输出光功率的隔离程度。3、分类

机械光开关热光开关电光开关微光机电系统（MOEMS）机械式光开关：通过机械运动实现不同光纤端口之间的相对连接，解决的办法无非是相对移动光纤或相对移动光学元件。

机械式光开关低插损、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

1×N移动光纤式机械光开关

用电磁铁驱动活动臂移动，切换到不同的固定臂光纤

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在第二个耦合器处产生相长或相消干涉，使输出有或无Figure.Thermoopticswitch

Figure.Thermo-opticalswitchmatrixarchitecture电光效应光开关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光开关性能比较新型光开关——MOEMS

(Micro-Opto-Electro-MechanicalSystems)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。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MOEMS开关时间：ms量级

Mirror1NMEMSSwitch

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。安捷伦（Agilent）公司

Agilent于1999年将它成熟的喷墨打印技术与Si平面光路（PlanarLightwaveCircuit－PLC）结合，推出喷墨液晶开关器件。原理：在Si衬底材料上制作出偏振光束分支波导（PBS），再在每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。不加热时，光束直通；当Si材料中相关点被加热器加热时，其上的液晶产生一种气泡，经过它的全反射，使来自输入波导的光改变方向，反射到要求输出的波导上。PBS起着路由器的作用，它把信号引向到要求的出口。开关速度：数十微秒量级。快于MOEMS光开关。

3.4光纤耦合器（Coupler）1、概念及应用光纤耦合器：是一种能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。

应用：光纤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；也可以用于光纤CATV、光纤用户网、无源光网络（PON）、光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。2、分类按端口形式

常用耦合器的类型

T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分图1光纤型耦合器

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12个2×2耦合器组成的8×8星形耦合器1，221直通臂耦合臂12P0

P1P2图2熔锥光纤型波分复用器结构和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂

图3微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复用器微器件型

用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图3所示。

衍射光栅型波分复用器结构示意图光纤透镜光栅1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透镜的光栅型WDM光纤棒透镜光栅1+2+31231+2+3123图4波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；波导型

在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。按照与波长关系

窄带耦合器：耦合器的耦合比随入射波长而变化。宽带耦合器：耦合器的耦合比与入射波长无关系。3、主要特性图5说明耦合器参数的模型说明耦合器参数的模型如图5所示，主要参数定义如下。耦合比CR

是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用%表示由此可定义功率分路损耗Ls：

Ls=10lg

附加损耗Le

由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示

插入损耗Lt

是一个指定输入端的光功率Pit和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示

方向性DIR(隔离度)

是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示

一致性U

是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。产品：1×2耦合器产品：1×N耦合器耦合器的研制制作过程熔融拉锥机的主要部分仪器：熔融拉锥机标定光源：1550nmLD

制作光纤：CorningSMF-28制作方法：拉锥法利用光纤耦合器制作的光纤环形镜Iin为FLM的1端输入光强；IR、IT分别为FLM的1端反射光强及2端透射光强

光纤环形镜结构图3.5光隔离器与光环行器

3.5.1光隔离器(Isolators)互易器件：耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换，称之为互易器件。1、概念及主要用途概念：隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。应用：主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。

2、工作原理及类型工作原理

光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振方向旋转角度θ和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例，有式中，V为材料的特性常数，称维尔德常数。偏正方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关

类型

（1）偏振相关型：由起偏器、检偏器和旋光器组成。注：SOP的意思是光的偏振态（StateofPolarization）

（2）偏振无关型：空间分离偏振器、旋光器、半波片SWP的意思是空间分离偏振器（SpatialWalk-offPolarizer），作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。3、光隔离器的主要技术指标附加损耗：插入损耗是指在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附加损耗。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器后的功率为Po，则插入损耗IL为

回波损耗：回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射造成的对入射光信号的衰减。回波损耗RL为显然，其值越小越好，其典型值约为1dB。其中，Pi为正向输入光隔离器的光信号功率，Pr为返回输入端口的光功率。RL值越大越好。隔离度：隔离度是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。有其中，为反向输入光隔离器的光信号功率，为反向通过光隔离器的光功率。隔离度越大越好，其典型值约为40~50dB。偏振相关损耗（PDL）：是指输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量。它是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。偏振模色散（PMD）：是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。注：一般情况下，光通信系统对光隔离器的主要技术指标要求为：插入损耗≤1.0dB；隔离度≥35dB；回波损耗≥50dB；PDL≤0.2dB；PMD≤0.2ps。IsolatorsIsolator/couplerhybrids3.5.2光环形器（Circulators）1.概念：是一种多端口非互易光学器件。光环形器与光隔离起工作原理基本相同，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。

2.结构：典型结构有N（N大于等于3）个端口，如下图所示，当光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端口2输出，其它端口几乎没有光输出；当光由端口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，这N个端口形成了一个连续的通道。若端口N输入的光可以由端口1输出，称为环形器，若端口N输入的光不可以由端口1输出，称为准环形器，一般人们都称为环形器。3、应用：它可以完成正反向传输光的分离任务。光环形器在光通信中单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等领域有广泛的应用。

4.分类：透射式和反射式。光环形器用于单纤双向通信示意图3.6光调制器（Modulators）光调制器：实现从电信号到光信号的转换光调制的分类：从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制--内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变--外调制（调制信号啁啾小）。按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。直接调制和外调制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外调制技术调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光调制ElectroopticEffects电致吸收Electro-AbsorptionEffects磁光调制MagnetoopticEffects声光调制AcousticModulators其中电光调制和电致吸收最为常用。电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3)

，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(rE+RE2)成正比。电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.普科尔(Pocket)效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化晶体折射率随外加电场而变化。具有非常好的消啁啾特性，适合于高速系统的超长距离传输。但调制器的插入损耗大，需要较高的驱动电压(典型值为4V)，难以与光源集成，而且对偏振敏感。40Gb/sLiNbO3Modulator对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条件，两波之间将发生能量的耦合。Bragg条件：特别地，如果满足

能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射中--反射式滤波器FBG光栅周期3.7光纤光栅（FiberBraggGrating-FBG）FBG:lengthPeriod光纤光栅的形成：光纤敏化（载氢或光敏光纤）--紫外光（~244nm）以光栅条纹方式照射光纤--形成折射率光栅反射中心波长纤芯的有效折射率光栅周期根据不同的折射率分布，FBG分类：1.均匀的Bragg光栅：谐振峰两边有一些旁瓣。由于光纤光栅两端折射率突变引起F-P效应导致的。旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。

2.切趾型光栅apodisation：两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使反射谱不存在旁瓣高斯切趾平均值为零的升余弦切趾

3.啁啾光栅ChirpedFBGs：折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，反射谱宽增加短波长长波长FBG应用：滤波器、色散补偿器、光纤激光器等特点：插损小带宽窄易于光纤连接低成本温度特性（0.0125nm/oC未补偿,0.0007nm/oC经补偿)应力敏感长周期光纤光栅：能量耦合:传输模---同向的包层模P阶包层模耦合至包层模的能量迅速损耗---损耗的波长相关性应用:EDFA的增益均衡光纤光栅的应用举例

例一：色散补偿

例二：EDFA的增益平坦EDFA增益谱线：有很大的不平坦性，在1530nm和1560nm处有两个增益峰，而且有用的增益带宽只有几十钠米。必须对其增益进行均衡，把尖峰压平，使其增益在较宽的频谱范围内是平坦的，从而使波分复用系统中的各个工作波长处的功率差异不才超出接收器的动态范围。方法：（1）利用紫外写入的闪耀光栅：选择合适的闪耀角、周期等光栅参数，使光纤放大器的增益峰减小，即达到增益均衡，由于闪耀光栅中存在着向后反射，所以更倾向于：（2）长周期光纤光栅：进行增益平坦。通过选择适当的光栅周期，使得长周期光栅将一定波长的光耦合致包层而迅速损耗掉，而且不存在反射，较好的用于EDFA的增益平坦。例三：分插复用器例四：光纤激光器基于FBG和FLM的线性腔光纤激光器

例五：光纤光栅传感器FBG性能测试等腰三角形悬臂梁调谐示意图

FBG：布喇格波长

1555.065nm

反射率95%

悬臂梁：长l=12cm

截面厚度h=0.3cm

底边b=1.3cm

自由端G处：托盘和砝码的总质量P

光纤光栅调谐技术FBG中心波长漂移量ΔλB

与P的变化关系曲线

悬臂梁的调谐公式

其中

,g为重力加速度

杨氏模量：有效弹光系数：可调谐光纤激光器实验装置

Output1端激光光谱图（用光谱仪测量）

3.8光波分复用技术WDM:WavelengthDivisionMultiplexing3.8.1光复用技术概述1、光时分复用技术（OTDM,OpticalTimeDivisionMultiplexing）原理：在发送端的同一光波波长上，把时间周期性地分成帧，每一帧再分割成若干个时隙。再根据一定的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号。在接受端同步的条件下，分别向各个时隙内取回各自的信号，而互不干扰。将高速的光支路数据流（couldbe

电复用产生

，eg.10Gbit/s甚至40Gbit/s）直接复用进光域，产生比特率极高的合成光数据流。也即：2、光副载波复用（OSCM,OpticalSubcarrierMultiplexing）将基带信号首先调制到GHz（微波频率）的副载波（电载波）上，再把副载波调制到THz的光载波上。每个信道具有不同的副载波频率（频分复用），占据光载波附近光谱的不同部分，从而保证各信道上信号互不干扰。原理:副载波信道的复用和解复用是在电域而不是在光域进行的，因此，副载波复用具有几个信道能够共用

一个价格昂贵的光器件，降低设备成本。注意：

因为副载波所传输的信号之间相互无关，彼此独立，故可实现模拟和数字以及图像信号的兼容，适用于用户接入网的CATV多频道的传输系统之中。

要想更多地利用光纤的带宽，副载波复用技术可以与波分复用技术联合使用。总结：每个信道或占有一个给定的波长、频率；或占有一个给定的时隙。并且，光复用和电复用结合。3、光码分复用技术（OCDM,OpticalCodeDivisionMultiplexing）每个信道不是占有一个给定的波长、频率；或占有一个给定的时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。也即，不同信道的信号用互成正交的不同码序列来填充，再调制到同一光波上在光纤信道中传输，接收端用与发送方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复出原信道的信号。由于采用的是正交码,相关接收时不会产生相互干扰。原理:改善网络性能，提高网络通信容量，提高系统信噪比，增强系统保密性，增加网络灵活性。优点:非相干光CMD:正交码数量有限，码间干扰大;相干光CDM:激光源频率稳定性差，光纤激化态不稳定，光脉冲相位难以控制问题:4、光波分复用技术（WDM,WavelengthDivisionMultiplexing）

WDM是在一光纤芯中同时传输多波长光信号的技术。在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，

在接收端将组合波长的光信号分开，恢复出原信号后送入不同的终端。它是目前研究最多，发展最快，应用最广泛的技术。

复用波长数也在不断增长。1997年BellLabs创造的最高记录是206个，到1999年11月，又实现了超密集波分复用（UDWDM，1022个波道），波长间隔为10GHz。最近，Essex(埃塞克斯大学)宣称实现了4000个信道的DWDM系统，信道间隔为1GHz，相当于0.008nm，而Avanex（艾维思通讯）又宣布他们已掌握了信道间隔为0.0032nm的技术，这些技术为大容量吉比特以太网和城域网的发展提供了有力的支持。

在超长距离方面，Corvis公司的160×2.5Gbit／s系统从芝加哥传输到西雅图，总长度3200km；而在实验室的环路实验方面，OFC2000（世界光纤通信大会）上报道的NEC（日本电气）的3.2Tbit／s系统和Tyco（美国泰科）的1.8Tbit／s系统分别传输了1500km和7000km。

WDM的主要优点为：

·充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本；

·对各信道传输的信号的速率，格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容；

·节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容；

·可以提供波长选路，使建立具有高度生存性和灵活性的WDM全光通信网成为可能。

5、光频分复用技术（OFDM,Optical

FrequencyDivision

Multiplexing）

为了进一步提高光线带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小。一般认为，当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz)以下时，此时的复用称为光频分复用，它与波分复用在本质上没有区别。当光载波的间隔比较大时，用波长衡量比较方便，称之为波分复用;当光载波的间隔比较小时，用频率衡量比较方便，称之为频分复用。3.8.2光波分复用技术

1、光波分复用技术（WDM）概念：在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。

2、WDM原理3、WDM的常规分类4、WDM系统的基本组成双纤单向传输，单纤双向传输第一种：双纤单向WDM传输

第二种：单纤双向WDM传输5、WDM技术的主要特点3.9复用器与滤波器MultiplexerandFilter3.9.1概念波分复用器（Multiplexer

）：如果在系统发送端采用此技术，将不同波长的光信号组合起来送入光纤传输的设备称为光波分复用器（合波器）；在系统接收端可通过解复用器（分波器），将组合在一起的光信号分离并送入不同的终端。光滤波器（Filter）：在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过的器件；如果所通过的光波长可以改变，则称为波长可调谐光滤波器。光滤波器与解复用器(光波长选择器件)0滤波器解复用器3.9.2用途：波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用3.9.3性能指标插入损耗：是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即(dB)其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。隔离度（串扰抑制度）：又叫信道隔离度，是指某一信道的信号光耦合到另一信道的大小，其定义为各信道最大的串扰系数，对于解复用器(dB)其中Pi是波长为λi的光信号的输入光功率，Pij是波长为λi的光信号串入到波长为λj信道的光功率。回波损耗：是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即(dB)其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。反射系数：是指在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即(dB)工作波长范围：是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围。信道宽度：是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。偏振相关损耗：是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。3.9.4对光滤波器的要求

基于干涉原理的滤波器：熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德干涉滤波器基于光栅原理的滤波器：体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器（AWG）、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器3.9.5种类

一、熔锥光纤滤波器利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。设计熔融区的锥度，控制拉锥速度。特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度低、复用波长数少（两波）应用：波长间隔较宽，常用于1300nm/1550nm、980nm/1550nm、1480nm/1550nm波长的分离Theperiodoftheshiftisdifferentforthetwodifferentwavelengths.Eachcoupler/splittermustbedesignedfortheparticularwavelengthstobeused.WavelengthSelectiveCoupling/Splitting二、法布里－珀罗滤波器Fabry-PerotFilter基本原理：F-P干涉仪，平行平板的多光束干涉。F-P滤波器特性自由谱区FSR(FreeSpectralRange)：相邻两个谐振频率的间距。

FSR=c/2nd

n-中间介质折射率；d-腔长3dB带宽F：传输系数的数值降为最大值的一半对应的频带宽度。镜面反射率R越大，F越窄精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。

R越大，精细度越大。FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄带滤波器(f)(a)FSR传输函数Pin(f)(b)输入功率Pout(f)(c)输出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P滤波器的传输特性(a)传输函数(b)N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图(c)滤波器输出端DWDM系统对F-P滤波器参数的要求：F-P腔的自由谱区FSR必须大于多信道复用信号的频谱宽度，以免使信号重叠，造成混乱。在DWDM中，信道间距小于10nm，所以要求F-P腔有较窄的带宽F。精细度F要高级联F-P腔可调光纤F-P滤波器(FFP)三、多层介质膜滤波器TFFMultilayerDielectricThin-FilmFilter多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长Thin-FilmresonantMulticavityFilter(TFMF)薄膜多共振腔滤波器TFMF的传输特性：腔越多滤波器顶越平边缘越陡多层介质膜复用解复用器特点：通带特性好（平顶、隔离度高~25dB）温度敏感性小（0.0005nm/OC不需温控）插损5~7dB（16波）波长数16CH波长间隔0.8nm价格较高PDL小(~0.2dB)是16波长WDM系统中主要选用的器件四、马赫－曾德干涉滤波器MZIMach-Zehnder

Interferometer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耦合器在输出端将信号复合的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。Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk为偶数Output2k为奇数Output1五、体光栅滤波器在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。采用渐变折射率透镜，简化了装置的校准。采用普通透镜的WDM六、阵列波导光栅AWGarray-waveguide-gratingAWG:规则排列的波导，相邻波导的长度相差固定值L，因而产生的相移随波长而变。阵列波导光栅型－未来方向七、光纤光栅FBG注：详见第3.7节DWDM器件主要供应商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3.10光放大器3.10.1

光放大器概述

3.10.2掺铒光纤放大器EDFA3.10.3半导体光放大器SOA3.10.4光纤拉曼放大器FRA3.10.1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。光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、TDFA

、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）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光放大器的应用线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数研究新热点展宽带宽：C-band40nm,L-band再加40nm；均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；动态响应特性；其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。3.10.2掺铒光纤放大器EDFA掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。EDFA的工作原理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。EDFA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1550nm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。三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关性能前向泵浦后向泵浦双向泵浦转换效率低高最高噪声指数小最大大饱和输出功率小大最大方式三种泵浦方式的放大器的性能比较MultistageEDFA由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。RemotePumpingEDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪声EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化一、光放大器的增益增益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EDFA的工作特性：小信号增益G＝3dB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。对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随放大器长度而变的曲线当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和