光纤传输技术课件

光纤传输技术Fiber-OpticCommunicationTechnology第二章

光源与光探测器

第一部分

光源和光发射机主要内容一、半导体中的光的发射和激射原理二、半导体发光二极管（LED）三、半导体激光二极管（LD）四、数字光发射机光纤通信系统对光源的要求合适的发射波长，光纤的低损耗窗口；足够大的输出功率，较长的传输距离；较窄的发光谱线，减少光纤色散的影响；易于与光纤耦合，提高耦合效率，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；要求在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。1能级2光与物质的相互作用3半导体材料的能带结构4半导体PN结光源5发光波长6直接带隙和间接带隙材料7异质结一、半导体中光的发射和激射原理

能级原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨道上运动，电子的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。我们把这种电子的能量不连续的分立的内能称为能级。处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。光与物质的相互作用光与物质之间存在以下三种相互作用关系：自发辐射受激辐射受激吸收自发辐射——电子无外界激励而从高能级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。☞受激辐射——高能级电子受到外来光子作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。☞受激吸收——低能级电子在外来光子作用下吸收光能量而跃迁到高能级。☞半导体材料的能带结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相重叠，从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。☞

价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能量更高的导带之中去，成为自由电子，可以参与导电。处在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。根据能带能量的高低，有导带、禁带和价带之分。☞费米能级通常情况下（热平衡条件下），处于低能级的粒子数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布。粒子在各能级间分布符合费米统计规律：

f(E)是能量为E的能级被粒子占据的几率，称为费米分布函数。Ef为费米能级，与物质特性有关，不一定是一个为粒子占据的实际能级，只是一个表明粒子占据能级状况的标志。低于费米能级的能级被粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占据的几率小。半导体PN结光源 发光二极管的工作原理：PN结在正向偏置时，N区的电子及P区的空穴会克服内建电场的阻挡作用，穿过结区(扩散运动超过漂移运动)，从P区到N区产生净电流。电子与空穴在扩散运动中产生复合作用，释放出光能，实现发光。这种发光是一种自发辐射，所以发出的是荧光。由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。半导体激光器产生激光原理☞发光波长

半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的带隙Eg发射波长为直接带隙和间接带隙材料由于半导体内光子与电子之间的相互作用所导致的电子的跃迁除需要满足能量守恒条件之外，还必须满足动量守恒条件。光子的动量与电子的动量相比可以忽略，因此，电子的跃迁前后应具有相同的动量，也即有相同的波矢量。根据能带结构的能量与波矢量关系，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类：直接带隙材料间接带隙材料 在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量空间中的同一点上。直接带隙材料能带、波矢量关系示意图

碲化镉（GdTe）、碲化锌（ZnTe）等Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。 砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷磷化铟镓（InGaAsP）等绝大多数的Ⅲ—Ⅳ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要。用于集成电路和光纤通信用半导体发光二极管、激光器、光电检测器的制作

在间接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具有不同的动量。间接带隙材料能带、波矢量关系示意图 硅（Si）、锗（Ge）等Ⅳ族半导体材料，属于间接带隙材料，不能用来制作半导体激光器，主要用于集成电路和光电检测器的制作。不同半导体材料的带隙及发光波长合金化合物半导体AlxGa1-xAs（GaAs和AlAs）经验公式Eg=1.424+1.266x+0.266x2同质结

PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种PN结称为同质结。同质结导波作用很弱，光波在PN结两侧渗透较深，从而致使损耗增大，发光区域较宽。构成的光源有很大的缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不能在室温下连续工作。异质结

由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成。利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，改善同质结发光不集中、强度低的不足。分类：单异质结（SH）双异质结（DH）同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。1结构面发光边发光2工作特性光谱特性P-I特性发光效率二、半导体发光二极管（LED）

调制特性发光二极管的结构实际中多采用异质结根据发光面与PN结的结平面平行或垂直可分为面发光二极管（SLED）边发光二极管（ELED）

SLED的典型结构☞边发光二极管（ELED）的结构☞光谱特性自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱线较宽

半最大值处的全宽度（FWHM）Dl=1.8kT(l2/ch)nm

线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加随着温度的升高线宽加宽发光效率分为内量子效率和外量子效率内量子效率：（存在非辐射复合）外量子效率：（材料吸收、波导效应等）P-I特性输出的光功率随注入电流的变化关系当注入电流较小时，线性度非常好； 当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。温度对P—I特性的影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低

调制特性改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率，即可以直接由信号电流来调制光信号——直接调制或内调制发光二极管的模拟调制原理图

☞发光二极管的数字调制原理图☞发光二极管的频率响应PN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的调制特性随着调制的频率提高而变化。频率响应可表示为

t为载流子的寿命随着调制频率的提高，输出光功率下降。要提高截止频率fc=1/(2pt)以增加调制带宽，要缩短载流子的寿命，可以通过有源区重掺杂以及高注入等方法来改进。

发光二极管的频率响应

1结构激光器的基本工作原理条形结构2工作特性光谱特性P-I特性调制特性三、半导体激光二极管（LD）

半导体激光器（ＬＤ）的结构☞激光器的一般工作原理

激光器的三个基本条件是合适的工作物质（发光介质）泵浦源光学谐振腔

产生激光还必须满足

阈值条件

相位条件具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射可以进行方向和频率选择可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源阈值条件存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗情况，只有光在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条件（临界条件）为相位条件谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传播的，只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件，有

q=1，2，…激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。

激光二极管的结构采用双异质结结构纵向的两个端面是晶体的解理面，相互平行且垂直于结平面，一个端面镀反射膜，另一个端面输出，构成了激光器的FP谐振腔。采用条形结构，在垂直于结平面方向受到限制，在平行于结平面的水平方向也有波导效应，使光子及载流子局限在一个较窄及较薄的条形区域内，提高光子及载流子浓度。称为条形激光器，与光纤耦合效率较高。两种结构：增益导引条形和折射率导引条形。

P-I特性存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时，自发辐射发光；当注入电流超过Ith时，受激辐射发光；输出功率与注入电流基本保持线性关系。对温度很敏感：随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。需进行温度控制。有

LD组件内部结构☞光谱特性主要由其纵模决定峰值波长谱宽：功率等于大于峰值波长功率50%的所有波长范围线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一半的所有波长范围边模抑制比(SMSR)：主模功率与最强边模功率之比(SideModeSuppressionRatio)

半导体激光器的光谱

半导体激光器的发光谱线较为复杂，会随着工作条件的变化而发生变化。当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模。温度升高时激光器的发射谱的峰值波长向长波长方向移动

调制特性——LD模拟调制☞调制特性——LD数字调制☞半导体激光器会出现许多复杂动态性质，会对系统传输速率和通信质量带来影响。电光延迟张弛振荡码型效应

自脉动单纵模分裂为多纵模电光延迟和张弛振荡电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的时间延迟，一般为纳秒量级。张弛振荡：当电流脉冲注入后，输出光脉冲表现出的衰减式振荡。几百MHz～2Ghz的量级。与有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。

码型效应

电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响的效应两个连“1”时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度和宽度增大。消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应得到抑制。还可以采用在每一正脉冲后跟一负脉冲的双脉冲信号进行调制的方法，正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存储电子。单负脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结被反向击穿。

自脉动某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，输出光脉冲出现持续等幅的振荡，振荡的频率在几百MHz到2GHz激光器内部存在非线性增益而造成的

单纵模分裂为多纵模

直接调制使激光器的注入电流不断发生变化，有源区载流子浓度随之发生变化，导致折射率变化，谐振条件发生变化。随着调制频率的提高和调制深度的加大，会使主模的强度下降，邻近边模的强度增强，单纵模分裂为多纵模，而且线宽也增大，调制速率越高，调制深度越大，谱线展宽越多。

高速调制时激光器的输出谱线

动态单纵模激光器

为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可能窄，要求激光器工作在单纵模状态。

在高速调制下仍然可以工作在单纵模的半导体激光器称为动态单纵模激光器。实现动态单纵模的方法很多，应用最为广泛的是分布反馈式激光器。分布反馈式激光器 结构与F－P激光器不同，不靠解理面形成的谐振腔工作，而是依赖沿纵向分布的光栅工作。分类：分布反馈激光器(DFB-LD)分布布拉格反射激光器(DBR-LD)分布反馈激光器（DFB－LD）☞分布布拉格反射激光器（DBR－LD）☞LED与LD的比较LEDLD结构异质结、无谐振腔异质结、谐振腔发光自发辐射、荧光、功率低受激辐射、激光、功率高P-I特性线性好有阈值，线性差光谱特性谱宽较宽，单色性较差谱宽窄，单色性好温度特性影响小，不需温度控制影响大，需温度控制普通LDLD外形图四、数字光发射机光发射机的基本功能是将携带信息的电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤中。光发射机除了半导体光源及其驱动电路之外还包括使系统正常、可靠工作的一些辅助控制电路部分。

数字光发射机结构图

线路编码驱动电路保护光源温度控制功率控制电数字信号光信号输出接口部分驱动部分控制部分光源的驱动

光源的驱动就是根据输入的电信号产生相应的光信号的过程。采用的器件不同、调制方式的不同、输入信号类型的不同都有不同的驱动方式。

LED的模拟驱动☞LED的数字驱动☞LED的驱动

LD的驱动

与LED相比，LD的驱动要复杂的多。

增大直流预偏置电流使其逼近阈值，可以减小电光延迟时间，抑制张迟振荡；当激光器偏置在阈值附近，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲，可以大大减小码型效应；加大直流偏置电流使激光器在发“0”与发“1”时的光功率之比（即消光比）增大，影响接收机的灵敏度。因此，偏置电流的选择要兼顾电光延迟、张迟振荡、码型效应以及消光比等各种因素，根据器件的性能，系统的具体要求，适当选择。光源的自动温度控制（ATC）

随着温度的升高，半导体光源（特别是LD）的特性要发生劣化（发光功率降低、波长漂移、阈值增加等）。温度控制采用微型制冷器、热敏元件及控制电路组成。热敏元件监测激光器的结温，与设定的基准温度比较，根据温度差异的情况，驱动制冷器的控制电路，改变制冷效果，从而使激光器在恒定的温度下工作。微型制冷器多采用利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体制冷器。珀尔帖效应是当直流电流通过P型和N型两种半导体组成的电偶时，可以使一端吸热而使另一端放热的一种现象。

自动温度控制方框图

激光器制冷器热敏电阻控制电路光源的自动功率控制（APC）

LD的输出功率与温度变化有关，与器件的老化有关。随着老化，LD的阈值上升，输出光功率下降。采取自动功率控制稳定输出光功率。光源的保护和告警

光源特别是LD是易损器件，必须采取措施使不受外界因素的损害。包括：温度和电流。电流保护是要防止通过光源的电流过大。包括电流接通时的保护、工作过程中的过流保护以及反向冲击电流保护等。还应包括告警电路，在系统出现故障或工作不正常时的及时发送告警信号，提醒设备维护人员及时进行相应的处理。一般包括无光告警、寿命告警、温度告警等。

光源与光纤的耦合

耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。

影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。

光源与光纤的透镜耦合

柱透镜柱透镜

球面透镜

自聚焦透镜

第二部分

光检测器及光接收机

主要内容一、光检测器原理二、PIN三、APD四、数字光接收机光接收机组成框图把接收到的光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复原传输的信号。适用于数字系统也适用于模拟系统。

光检测器前置放大器主放大器均衡器滤波器光信号电信号光接收机光电转换原理示意图☞对光检测器的基本要求在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；具有良好的线性关系，保证信号转换过程中的不失真；具有较小的体积、较长的工作寿命等。半导体光检测器光纤通信用光检测器有PIN和APD。核心是结半导体PN以PN结的光电效应为基础PN结的光电效应当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。在耗尽区，电子在内建电场的作用下向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。截止波长当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即光电效应必须满足hv>Eg截止波长：产生光电效应的入射光的最大波长。lc=hc/EgSi为材料的光电二极管lc=1.06mmGe为材料的光电二极管lc=1.60mm利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但简单结构，无法减低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。

二、PIN光电二极管结构：PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。电极电极电场光增透膜INP在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。I层吸收系数很小，入射光可以很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，因而大幅提高了光电转换效率。。I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。PIN光电二极管结构及场强分布☞PIN光电二极管光电转换原理☞PIN光电二极管的特性响应波长响应度量子效率响应速度噪声特性响应波长波长响应范围：光检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换上限波长：即截止波长下限波长：当波长很短时，材料的吸收系数很大。光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。材料的吸收系数随波长的变化半导体的吸收作用随波长减小而迅速增强

总结检测某波长的光时要选择适当材料的光检测器。材料的带隙决定的截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si—PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1mm，Ge—PIN和InGaAs—PIN光电二极管的波长响应范围约为1—1.7mrn。

响应度描述光检测器能量转换效率的一个参量Pin为入射到光电二极管上的光功率，Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。

量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。

响应速度用响应时间（上升时间和下降时间）来表示

tt光脉冲检波输出RLhnhnRLRsRACACd输出输出影响响应速度的主要因素

完整的响应过程：从输入光信号开始到转换成的电信号被检测载流子漂移通过耗尽区的渡越时间：与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比与电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟检测器和它的负载的RC时间常数：对检测器来说，就要尽可能降低结电容

噪声特性除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。

散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。

量子噪声暗电流噪声漏电流噪声负载电阻的热噪声量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子空穴对形成的，是PIN的主要噪声源。暗电流的均方值可表示为表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁、表面积大小和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值可表示为任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，造成电阻的热噪声。均方热噪声电流为

三、雪崩光电二极管（APD）AvalanchePhotodiode当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子，重复着这一过程。经过多次后电离，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。结构

RAPD的结构☞RAPD管工作原理示意图☞RAM-APD的结构☞SAM-APD管的结构☞SAM-APD管的场分布☞特性包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等。除此之外，由于APD中存在雪崩倍增效应，APD的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。倍增因子g：APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值。随反向偏压、波长和温度而变化。现在g值已达到几十甚至上百。噪声特性：除了量子噪声、暗电流、漏电流噪声之外，还有附加的倍增噪声。雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，而且对噪声电流也有放大作用。雪崩效应产生的载流子也是随机的，会引入新的噪声成分。附加噪声因子F=gx描述雪崩效应的随机性能够引起的噪声增加的倍数。x：附加噪声指数，Si：x=0.3~0.5；Ge：x=0.6~1.0；InGaAsP：x=0.5~0.7。APD中表面漏电流不被倍增，热噪声与PIN的特性相同。量子噪声为暗电流噪声为

温度特性：当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得APD的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。四、数字光接收机包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。光信号再生码流光检测器前置放大器主放大器均衡器判决器AGC电路时钟提取前置放大器、主放大器前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。均衡、判决、再生均衡的目的是对经光纤传输、光／电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。数字光接收机的噪声源影响接收机灵敏度的主要因素是信号检测和放大系统中的各种噪声。各种噪声可分为散弹噪声和热噪声两大类。散弹噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；热噪声包括负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的噪声。方值形式类似于PIN噪声特性中的各种表示。光检测器放大器入射光子偏置电阻量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声~isidCPNRLiLCsiaRaCaea光检偏置前置主放均衡滤波测器电路放大器大器器器A1A2EF输出数字光接收机的噪声特性的分析方法噪声是一种随机过程，应采取随机过程的分析方法。用概率密度和概率分布函数来表示随机过程的统计特性。接收机可以等效为叠加有噪声的理想电路。根据输入（包括噪声）利用各部分的响应函数就可以获得系统的输出，获得系统输出由于各种噪声影响的统计平均特性。确定系统的噪声特性后，就可以进行灵敏度的计算。由于噪声的存在，使接收机可能出现误码，将“1”码误判为“0”码、“0”码误判为“1”码。“0”码误判为“1”码的概率为“1”码误判为“0”码的概率为总误码率BER为f0(x)、f1(x)：“1”码、“0”码取值的概率密度P(0)、P(1)：码流中“0”、“1”码出现的概率D：判决电平

数字光接收机的灵敏度灵敏度是指在给定误码率条件下，能够检测到的最小信号光功率，通常用dBm表示。表示接收机检测微弱信号的能力。是光接收机最重要的性能指标。影响光接收机的灵敏度的主要因素是光检测器和前置放大器的噪声特性。根据要达到的误码率，利用噪声特性，确定入射光功率，从而确定灵敏度。

“0”码“1”码f1(x)f0(x)E01E10V0

D

V1V前置放大器由于前置放大器的噪声特性是影响光接收机的灵敏度的主要因素之一，所以前置放大器必须有良好的噪声特性，同时还必须考虑带宽特性。分类：低阻抗前置放大器电路高阻抗前置放大器电路互阻抗前置放大器电路动态范围实际中，光接收机的输入光脉冲信号的功率由于中继距离的不同、线路衰减随温度的变化及发送光功率的变化等会发生不同程度的变化。光接收机要保证可以在不同输入条件下都可以正常工作。这种光接收机能适应的输入光功率的变化范围称为动态范围。用dB表示自动增益控制（AGC）接收机放大器输出的信号，还需要经过定时再生处理，要求光接收机在不同的输入光功率信号下，经过放大器自动增益控制，使输出信号幅度恒定不变，即大的光信号功率输入时，减小其放大器的增益，反之增大放大的增益，使输出达到恒定，以利于后续电路的处理。

光纤传输技术Fiber-OpticCommunicationTechnology第六章

光纤信息传输系统

一、数字光纤通信系统三、光电中继器与全光中继器二、线路码型四、模拟光纤通信系统五、同步数字网主要内容数字光纤通信系统系统的质量指标：误码性能、抖动性能光接口指标与测试：电接口指标和测试：光纤传输系统中继距离的确定：误码性能光纤数字传输系统的误码性能用误码率来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比。误码发生的形态主要有两类，一类是随机形态的误码，即误码主要是单个随机发生的，具有偶然性。另一类是突发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发生，而其它大部分时间无误码发生。误码性能的评定方法

评定误码性能的参数包括平均误码率误码秒严重误码秒劣化分平均误码率：在一段较长测试时间内内的平均误码结果，无法反映误码的随机性和突发性。误码秒：每个观测秒内，出现的误码数不为0。用ES表示。ITU-U建议该指标应达到在总观测时间中可用时间内累积的误码秒占可用时间秒数的时间百分数少于8%严重误码秒：每秒内的误码率劣于10-3这个阈值称为严重误码秒。用SES表示。ITU-U建议该指标应达到在总观测时间中可用时间内累积的严重误码秒个数占可用时间秒数的时间百分数少于0.2%。

劣化分：每分钟的误码率劣于10-6这个阈值称为劣化分。用DM表示。ITU-U建议该指标应达到在总观测时间内累积的劣化分个数占可用分钟数时间百分数少于10%。抖动性能数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象。即数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离。分为相位抖动和定时抖动。相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。发送信号接收信号抖动的大小或幅度通常可用时间、相位、或数字周期来表示。多用数字周期来表示，即“单位间隔”，用符号UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的时间间隔。34.363Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.363

103=29.10(ns)。抖动产生的原因数字再生中继器引起的抖动：由于再生中继器中的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累积导致了抖动的产生和累加。数字复接及分接器引起的抖动：在复接器的支路输入口，各支路数字信号附加上码速调整控制比特和祯定位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口，要将附加比特扣除，恢复原分支数字信号。这些将不可避免地引起抖动。噪声引起的抖动：由于数字信号处理电路引起的各种噪声。其它原因：由于环境温度的变化、传输线路的长短及环境条件等也会引起抖动。

抖动的类型随机性抖动：在再生中继器内与传输信号关系不大的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、器件老化及定时调谐回路失调引起的抖动系统性抖动：由于码间干扰，定时电路幅度——相位转换等因素引起的抖动。

光接口指标与测试

光端机与光纤的连接点称为光接口，是光纤通信系统特有的接口发射端有平均发送光功率和消光比接收端有接收机灵敏度和动态范围

发送接收电端机光端机光端机电端机发送接收接收发送接收发送光纤光纤中继中继平均发送光功率指光端机正常工作的情况下，由电端机输出223-1或215-1的伪随机码时，光发射机输出端测量到的平均光功率。用

W或dBm表示对于一个实际的光纤通信系统，平均发送光功率并不是越大越好，虽然从理论上讲，发送光功率越大，通信距离越长，但光功率越大会使光纤工作在非线性状态，这种非线性状态会对光纤产生不良影响。

平均发送光功率的测试方法

误码仪码型发生器误码检测光端机发送接收光纤测试线光功率计消光比消光比是指光端机的电接口输入为全“1”码和全“0”码时的平均发送光功率之比，用EXT表示：接收机灵敏度

指在满足给定误码率条件下，光接收机能够接收到的最小平均光功率。

W或dBm。表示了光端机接收微弱信号的能力。与系统要求的误码率、码速、接收端光电检测器的性能有关。误码仪码型发生器误码检测光端机发送接收光可变衰减器光功率计动态范围

在满足给定误码率的条件下，光接收机能接收到的最大光功率与最小光功率之差（dB）电接口指标输入口比特率及容差反射损耗允许衰减抗干扰能力抖动容限输出口比特率及容差反射损耗脉冲波形无输入抖动时的输出抖动容限衰减限制下的中继距离的确定

L为中继段长度km，PT为入纤光功率dBm，Pmin为接收机灵敏度dBm，

c为一个光纤接头的损耗dB，n为光纤系统中的接头数，

为光纤每公里衰减系数dB/km。M系统富余度6~8dB色散限制下的中继距离的确定LD为传输距离km，B为线路码速率Mb/s，D为色散系数ps/km

nm

由光源类型来决定，多纵模激光器取

为0.115；单纵模激光器和半导体发光二极管

为0.306线路码型

光通信系统，主要采用光强度调制方式，即发光的“有”或“无”相对应的两种状态，为单极性码。电脉冲一般采用双极性码（如HDB3），无法直接驱动光源发光光缆线路系统对传输码型的要求能对中继器进行不中断业务的误码检测。减少码流中长连“0”或长连“1”的码字，以利于端机和中继设备的定时提取，便于信号再生判决。能传输监控、公务和区间信号。能实现比特序列独立性，即不论传输的信息信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息信号而进行正确的传输。编解码电路、误码检测电路简单等。

扰码

系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列进行变换，使其接近随机序列。根据一定的规则将信号码流进行扰码，使线路码流中的“0”“1”出现概率相等，从而改善了码流的特性。缺点：（1）不能完全控制长连“1”和长连“0”的出现。（2）没有引入冗余，不能进行在线误码检测（3）信号频谱中接近于直流的分量较大。

分组码（字母型平衡码）mBnB码，把输入码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特。n

m为正整数，一般n=m+1。输入码字共有2m种，输出码字可能组成2n种，使变换后的码流有了“富余”（冗余）。有了它，在码流中除了可以传原来的信息外，还可以传与误码检测等有关的信息。经过适当的编码之后，可以改善定时信号的提取和直流分量的起伏等问题。有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B等3B4B码型的一种方案

正模式中“1”的多，负模式中“1”的少，正、负码交替使用，可保持码流中“0”“1”出现的总概率相等。对于“0”“1”出现概率悬殊的码组不予选用，以保持信码流分量的稳定。把这种不使用的码字称为禁字。接收端一旦收到，必定是在传输中出现了误码。即可以用这种编码方式对系统进行误码监测。码速提高率为插入比特码将码流中每m比特划分为一组，然后在这组的末尾一位之后插入1个比特码。插入的比特码的功能不同，可分为mB1P、mB1C、mB1H三种形式。mB1P检查每组m比特中传号（即“1”码）的奇偶性，根据校验的结果，在m比特之后插入一比特奇偶校正位（1P）。若mB中的传号为奇数个，则1P为传号（“1”）；若mB中的传号为偶数个，则1P为空号（“0”）。例如：8个码元为一组的码组为11011001编为8B1P码时的码组为110110011mB1C将码流每m比特分为一组，在其末位之后再插入一个反码（又称补码）即C码。C码的作用是：如果第m位码为“1”码，则反码为“0”；反之则为“1”。例：8个码元为一组的码组11011001编为8B1C码时的码组为110110010

mB1H将信码流中每m比特码分为一组，然后在其末位之后插入一个混合码，称为H码。这种码型具有多种功能，除可完成mB1P和mB1C码的功能外，还可同时用来做区间通信、公务联络、数据传输以及误码监测等功能。

CMI一种电接口码型，139264kb/s光纤传输系统的光线路码型，可直接调制光源，不需线路码型的变换和反变换设备。缺点：码速率提高率（等于100%）太大以及传送辅助信息的性能较差。输入码字模式1模式20010110011光纤通信系统的中继中继器的功能：1）补偿衰减的光信号：光纤损耗限制了光信号的传输距离2）对失真的信号波形进行整形：色散特性限制了光信号的传输距离、传输容量中继类型：光电中继、全光中继光电中继中继器的结构形式：有的是设在机房中，有的是箱式或罐式，直埋在地下或架空光缆中架在杆上。光中继器的公务监控方式1）一种是与主信道分开，另设传输信道。2）一种是将这些信号插入到主信道信号中和主信号一起传输，到中继器再分开。 二者各有优缺点。目前主要采用第二种方式。这一过程主要由光中继器中的插、分电路来完成。全光中继器光发射机光接收机光纤光纤光放大器色散补偿模拟光纤通信系统如视频信号的短距离传输、CATV系统等主要采用三种调制技术：基带直接强度调制、脉冲频率调制、光波副载波调制方式。

CATV系统采用副载波复用技术。所谓副载波是指射频电磁波，以区别于光调制时的光载波。传输体制为了提高信道利用率，进行复用。时分复用，不同的信号在同一个信道上占用不同的时隙。为了进行帧同步、误码检测、系统监测等功能，需要在每一帧中附加帧开销（FOH）时隙。

有PDH、SDHPDHPlesiochronousDigitalHierarchy，准同步数字体系。ITU-TG.702建议基群速率有两种，即PCM30/32路系统和PCM24路系统。PDH可以很好地适应传统的点对点通信，但这种数字系列主要是为话音设计的，除了低次群采用同步复接外，高次群均采用异步复接，通过增加额外比特使各支路信号与复接设备同步，虽然各支路的数字信号流标称值相同，但它们的主时钟是彼此独立的。随着信息化社会的到来，这样的结构已远不能适应现代通信网对信号宽带化、多样化的要求。PDH主要存在以下缺点：PDH主要存在以下缺点：我国和欧洲、北美、日本各自有不同的PDH数字体系，这些体系互不兼容，造成国际互通的困难。PDH的高次群是异步复接，每次复接就进行一次码速调整，因而无法直接从高次群中提取支路信息，每次插入/取出一个低次群信号（上下话路）都要逐次群的复用解复用，使得复用结构相当复杂，缺乏灵活性。没有统一的光接口。PDH数字体系仅仅规范了电接口的技术标准，各厂家开发的光接口不兼容，光路互通要先转换为电接口，因此限制了联网应用的灵活性，增加了网络的复杂性。

PDH预留的插入比特较少，使得网络的运行、管理和维护（OAM）较困难，无法适应新一代网络的要求。

PDH体系建立在点对点传输的基础上，网络结构较为简单，无法提供最佳的路由选择，使得设备利用率较低。同步数字体系SDHSynchronousDigitalHierarchyPDH的缺陷导致了一种新的数字体系——同步光网络SONET（SynchronousOpticalNetwork）的产生。美国贝尔通信研究所最初提出。于1986年成为美国新的数字体系标准。1988年，CCITT接受了SONET的概念并重新命名为同步数字体系SDH。SDH经过修改和完善，成为涉及比特率、网络节点接口、复用结构、复用设备、网络管理、线路系统、光接口、信息模型、网络结构等的一系列标准，不仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输的通信技术体制。SDH的主要特点SDH有一套标准的信息等级结构，称之为同步传送模块STM-N，其中第一级为STM-1，速率为155.520Mb/s。PDH互不兼容的三套体系可以在SDH的STM-1上进行兼容，实现了高速数字传输的世界统一标准。

SDH的帧结构是矩形块状结构，低速率支路的分布规律性极强，可以利用指针（PTR）指出其位置，一次性地直接从高速信号中取出，而不必逐级分接，这使得上下话路变得极为简单。(3)SDH帧结构中拥有丰富的开销比特，使得网络的运行、管理、维护（OAM）能力大大增强。预留的备用字节可以进一步满足智能化网络发展的需要。(4)SDH具有统一的网络节点接口，不同厂家的设备，只要应用类别相同，就可以实现光路上的互通。(5)SDH采用同步和灵活的复用方式，大大简化了数字交叉连接（DXC）设备和分插复用器（ADM）的实现，增强了网络的自愈功能，并可根据用户的要求进行动态组网，便于网络调度。(6)SDH不但实现了PDH向SDH的过渡，还支持异步转移模式（ATM）和宽带综合业务数字网（ISDN）业务。ATM的信元可以装入到STM-1中，用基于SDH的网进行传送。B-SDN的UNI物理层的速率与STM-1和STM-4的速率完全一致，因而SDH能很好地支持ISDN。SDH的不足SDH的频带利用率比起PDH有所下降；SDH网络采用指针调整技术来完成不同SDH网之间的同步，使得设备复杂，同时字节调整所带来的输出抖动也大于PDH；软件控制并支配了网络中的交叉连接和复用设备，一旦出现软件操作错误或病毒，容易造成网络全面故障。

光纤传输技术Fiber-OpticCommunicationTechnology

第三章无源器件技术主要内容一、光隔离器和光环形器六、波分复用器件二、光纤的连接三、光纤衰减和光开关四、光纤耦合器五、光纤光栅无源器件无源器件：本身不发生光电或电光转换的器件。

光隔离器

光耦合器

光环形器 实现连接光路、分配光功率以及合波和分波等作用。光隔离器(isolator)光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件作用：防止光路中的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响例如：半导体激光器、光纤放大器应用：光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统等分类：偏振相关型和偏振无关型两类法拉第旋光效应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年首先观察到的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q=VBL(B磁场强度，L材料长度，V维尔德常数为材料的特性常数)。偏振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。磁光材料有钇铁石榴石（YIG）、铋铁石榴石（SIC）等。光隔离器的工作原理☞☞偏振相关型光隔离器由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。偏振无关型光隔离器主要技术指标插入损耗回波损耗隔离度偏振相关损耗(PDL)偏振模色散(PMD)插入损耗(IL)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。Pi：输入的光信号功率，Po：经过光隔离器后的功率，显然，IL值越小越好。光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉第旋转器等各部分的插入损耗。PiPo回波损耗(RL)回波损耗：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。Pi：正向输入光隔离器的光信号功率Pr：返回输入端口的光功率

PiPr隔离度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

Pi’：反向输入光隔离器的光信号功率Po’：返回输入端口的光功率值越大越好偏振相关损耗和偏振模色散

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。

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差。光环形器(circulator)

多端口非互易N（N>2）个端口光由端口1->端口2； 由端口2->端口3;……若端口N输入的光可由端口1输出，称为环行器，若不可以，称为准环行器应用双向通信中的重要器件，完成正反向传输光的分离单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等结构光纤准直器分束合束镜偏振旋转镜光束变换器光

纤准直器偏振旋转镜分束合束镜端口13端口24xyz123456分束/合束镜

将任意状态的输入光变成分解成两束偏振方向垂直的偏振分量双折射平行平板、楔形双折射晶体偏振旋转镜90度非互易旋转器端口13端口24xyz123456技术指标

插入损耗 回波损耗 隔离度 串音 偏振相关损耗 偏振模色散

串音指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

光纤的连接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。根据连接方式的不同，可分为活动连接和固定连接。利用活动连接器是实现活动连接的主要方法熔接法是固定连接的主要方法活动连接器连接两根光纤或光缆使其成为光通路的可以重复装拆的活接头用于光源到光纤、光纤到光纤、光纤与深测器、器件之间等的连接必须具备损耗低、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优点。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、装拆时防止杂质污染的保护措施。

分类可分为单芯型和多芯型可分为多模和单模单芯型按结构可分为调心型和非调心型：非调心型内部没有调心机构,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的非调心型结构有以下几种：套管结构、双锥结构、V型槽结构、微透镜结构以及自聚焦透镜结构等按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式套管结构由插针和套管组成，都是精密的机械结构和光学结构光纤固定在插针里，两个插针在套管中对接并保证两根光纤的对准套管插针光纤光纤插针可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作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，使用最多f2.499±0.0005f0.125±0.0014套管常用开口套管，选用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜、氧化锆陶瓷制作f2.5f3.2-0.002-0.007+0-0.020.005±0.0001双锥结构利用锥面定位锥型插针双锥套筒光纤光纤V型槽结构压盖光纤V形槽插针主要性能指标插入损耗：一般在0.5dB以下。回波损耗：一般应大于45dB。重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般应小于0.1dB。互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损耗的变化范围，一般应小于0.1dB。插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插拔的次数，一般应在千次以上。工作温度：在工作温度范围内（-25～＋70℃范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范围内变化。影响插入损耗的因素光纤连接时，产生的损耗主要来自制造技术和光纤本身的不完善。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、偏心度等都会影响连接质量。☞改进回波损耗的办法光纤连接器存在回波损耗是由于光线在遇到折射率不同的界面时会出现菲涅尔反射

如果两光纤对接处存在端面间隙或者光纤端面存在高折射率的变质层或者光纤端面存在划痕、凹坑、污物都会引起光线在对接处产生菲涅尔反射从而造成了光纤连接器的回波损耗将原来的平面接触更改为球面接触、斜球面接触等球面接触斜球面接触连接器的表示

/

：表示外部连接方式，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等

：表示插针端面形状，有FC、PC、UPC、APC等常用术语连接器插头(plugconnetor)光缆跳线(jumpercable)转换器:(adaptor)插座、法兰盘变换器(converter)裸光纤转接器FC连接器ST连接器SC连接器SMA连接器Opt-Jack

连接器FDDI

连接器MT-RJ

MPO

连接器MU

连接器LC

连接器E2000连接器D4

连接器Biconic连接器

适配器转换器裸光纤转接器抛光器实际器件指标光纤的固定连接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。有熔接法、V型槽法、毛细管法等。熔接法在实际中应用最为普遍，是光纤通信干线中光纤连接的主要方法，它是利用电弧放电、氢焰或激光等方法加热从而将光纤熔融结合在一起。电弧放电是熔接法中应用最广的方法。利用电弧放电进行光纤熔接的设备称为光纤熔接机。光纤熔接机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

☞熔接步骤制备光纤: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，达到端面平整，并使端面与光纤轴线垂直，偏差小于1º。对准光纤: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。

熔接光纤:根据光纤的类型，选择合适的放电电流、放电时间，进行电弧放电，对端面加热，实现光纤的熔接。接点的保护:熔接结束后加热缩管对光纤熔接处进行保护。

熔接步骤同时观察X轴和Y轴方向光纤

5英寸LCD大屏幕显示，四种语言可选

内置照明灯，方便夜晚放置方纤

内置温度、湿度、气压传感器，适应环境的变化

自动检测光纤端面，自动校准熔接位置

自动选择最佳熔接程序，自动推算接续损耗

体积小重量轻，携带方便交直流两用，适合各种场合

屏幕菜单提示，操作简单方便

深凹式防风盖，在15m/s的强风下能进行工作光衰减器（opticalattenuator）用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源器件。它是光功率调节所不可缺少的器件。按衰减光功率的工作机理分有：

耦合型光衰减器

反射型光衰减器

吸收型光衰减器耦合型光衰减器通过输入、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。

反射型光衰减器是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。吸收型光衰减器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，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，从而可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得较小。

光衰减器按其衰减量的变化情况可分为三种类型：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，如5步进式的，每步为10dB，即10dB×5连续可变式衰减器，如0～60dB。主要技术指标插入损耗衰减量变化范围精度温度的影响

光开关（opticalswitch）一种光路控制器件，可实现光路通断的控制、光路选择、光交换如：主备光路切换；光纤、光器件的测试等；实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。

光开关的主要性能参数

交换矩阵：大小反映了光开关的交换能力。交换速度：损耗：包括插入损耗、回波损耗等。产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。损耗特性影响到了光开关的级联，限制了光开关的扩容能力。消光比：描述光开关导通与非导通状态通光能力差别的主要指标，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。分为三类：波长交换波长组交换光纤交换。升级能力：增加光开关的容量。可靠性：要求具有良好的稳定性和可靠性光开关类型 常用的光开关有：MEMS光开关、喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、液体光栅光开关、SOA光开关等。依据原理机械光开关热光开关电光开关声光开关依据交换介质自由空间交换光开关波导交换光开关基于磁光效应光开关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，解决的办法是相对移动光纤或相对移动光学元件。

液晶光开关液晶是一种介于固态和液态之间的物质，它具有光学各向异性晶体所特有的双折射性。液晶分子有较强的电偶极矩，在外电场作用下易于极化，其分子间的作用力比固体弱，容易呈现各种状态，而且多数在介电常数、折射率、磁化等方面显示出较大的各向异性。因此，通过微小的外部能量——电、磁、热等就能实现分子状态间的转变，从而引起它的电、光、磁的物理性质发生变化。液晶材料用于光开关，利用了它的光学特性随电场改变的特性，称液晶的电光效应。根据用外电场控制液晶分子的取向，对偏振进行控制而实现开关功能的。气泡式光开关安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出的二维光交叉连接系统。又称为“光子交换平台”。由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液。缺省条件下，入射光可沿着波导无交换传输。当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全反射至输出波导，实现光路的选择、转换。微机械式光开关（MEMS）

Micro-Electro-MechanicalSystems一般称作微机电系统技术，其含义是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。MEMS的应用MEMS在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。目前，MEMS的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境；正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化；还在萌芽的有：家用/安全、化学/配药和食品加工。微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个，成本大大降低生产。集成化：可以把不同种类传感器或执行器集成于一体，形成微传感器阵列、微执行器阵列。多学科交叉：涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等学科。1

NMEMSSwitch微反射镜光纤耦合器(Opticalfibercoupler)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。在耦合的过程中，信号的波谱成分没有发生变化，变化的只是信号的光功率。从端口形式上分：X形(2

2)、Y形(1

2)、星形(N

N，N>2)、树形(1

N，N>2)等。

可以实现对线路的监控；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。原理：光学分束原理、消逝场耦合原理微透镜耦合型自聚焦棒耦合型融锥型波导型应力型主要参数分光比：定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，具体应用中常用相对输出总功率的百分比来表示，如50:50、80:20、25:25:25:25等，或用各端口之间输出功率之比表示，如1:1、4:1、1:1:1:1等。

插入损耗：(M

N)均匀性: 表示耦合器输出各端口的功率与功率平均值最大偏差。偏差越小，则光功率分配越均匀。

方向性:(隔离度) 表示在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。

其中，Pin为输入端第i根光纤的输入光功率，Pib为输入端除第i根光纤之外任何一根光纤的后向传输光功率。

光纤光栅（FiberBragggrating）利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。可以作成滤波器、反射器、色散补偿器等易于与光纤连接，对偏振不敏感发展：

1978年Hill发现光敏特性并成功制作FBG 1989年Meltz提出的横向写入制造方法

1993年Hill等人提出的相位掩膜制造法 光纤光栅器件逐步走向实用化

光敏特性光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化的特性。光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，可保持永久性不变。利用紫外光就可以将一些特定的光波导结构写入光纤中，形成光纤型光波导器件。光纤光敏特性的动力学机理现在尚未完全研究清楚。较为普遍的观点：由于诱导光（紫外光）的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现折射率的变化；另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放诱导应力以及构形的畸变等也导致了折射率的变化。这种光折变效应主要发生在近紫外波段

最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发现，具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有时根据需要为了加大折射率的变化程度，就会选用高掺杂的光纤。

折射率的永久性改变与掺杂锗的浓度基本上成正比关系，与所用的紫外光源类型及照射到材料上的能量密度有关对光纤材料进行高压低温H2扩散，可以极大地提高光纤材料的光敏性；B/Ge双掺杂材料具有较高的光敏性；各种光纤材料光敏特性光纤纤芯掺杂类型

最大光致折射率

掺Ge光纤10-3~10-2普通通信光纤~10-3B/Ge光纤10-3~10-2掺P光纤10-3硫化物光纤10-4（可见光）光纤光栅的制作

基于光纤的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中根据波导结构构造相应的光场分布制作方法：

纵向写入法（早期）横向写入法（主要）双光束干涉法逐点写入法…L=l0/(2sinq)缺陷是对光源的相干性要求较高，对制造环境要求极严，重复性差

双光束干涉法Ll0l0q相位掩膜法产生的光纤光栅周期为掩膜光栅周期的一半，与入射光无关，因此对光源的相干性要求不高，并且稳定、易于准直，重复性好，可以简化光纤光栅的制作系统。

缺点是掩膜制作复杂，每种掩膜通常只能制造一种光栅。

逐点写入法一种非相干写入技术利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而形成光栅，每写一个条纹，光栅移动一定距离，需用精密机构控制光纤运动位移。通过控制光纤的移动，可以方便的控制光栅的周期。一般用于制造长周期光栅

类型从结构上可分为周期性结构和非周期性结构两类，分别称为均匀、非均匀光纤光栅。周期结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期结构制造困难，其特性容易满足各种要求。从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅。光纤光栅工作原理

光纤光栅从本质上讲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。光纤光栅中，光场与光波导之间的相互作用可用耦合模理论来描述。

均匀光纤光栅

最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光栅，其折射率可以表示为

前向和后向两种模式间的耦合波方程为Db=b

b

2p/L，b

、b

为入射波和反射波的传播常数，耦合系数K=pdn/lB。lB=2neffL为布拉格波长A+(0)=1、A-(L)=0

解耦合方程可得光纤光栅的反射率为

典型的光纤光栅的反射谱lB01波长（mm）反射率反射谱线的主峰两侧有一系列的边带，这些边带会在传输中产生串扰，影响传输质量。为了抑制边带谱线，采用一种称之为变迹的方法，即对折射率进行幅度调制，使耦合系数随光栅长度变化。常用的变迹函数有Gauss函数、Hamming函数和Blackman函数等。通过改变其耦合系数达到改变反射谱的目的。

线性啁啾光纤光栅

光栅周期沿光栅长度变化，称为啁啾光纤光栅光栅周期沿轴向线性变化时为线性啁啾光栅，其折射率可以表示为

耦合模方程一般情况下，方程没有解析解，只有利用数值法对啁啾光栅的特性进行研究。相移光栅指两相邻区之间的光栅相位的变化是不连续的，即折射率分布不连续。可在反射谱阻带中打开线宽极窄的一个或多个透射窗口,使得光栅对某一波长或多个波长有更高得选择度窗口位置、通过率及线宽可以随相移点、相移量而变化。10lB反射率一般均匀周期光纤光栅的周期均为零点几个mm，长周期光纤光栅的光栅周期远远大于一般的光纤光栅，可以达到几百mm。将导波中某频段的光耦合到包层中去而损失掉，具有一些特殊的性能。应用主要集中于EDFA的增益平坦和光纤传感方面。光纤光栅的应用

滤波器

色散补偿

EDFA的增益平坦分插复用器

光纤激光器

光纤光栅传感器滤波器1.5545lB1.555500.51波长（mm）反射率色散补偿在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频率的光的反射位置不同，短的波长ls在近端反射，长的波长ll在远端反射，从而有不同的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来使用就可以改变色散的符号。长波长ll

短波长lsL光栅周期增大初始脉冲光纤色散展宽脉冲压缩脉冲啁啾光纤光栅光发射机环形器波长分插复用器(OADM)

上下话路复用器，实现在其他波长信道信号不变的前提下，在波分复用网络的节点上直接提取或添加一个或几个波长信道的信号，避免将所有波长信号全部分解开来进而再复接在一起。

EDFA的增益平坦EDFA的增益谱线有很大的不平坦性，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。利用长周期光纤光栅来进行增益平坦。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至包层而迅速损耗掉，而且不存在反射，较好的用于EDFA的增益平坦。

光纤激光器光纤光栅传感器波分复用器件(WDM)波分复用技术是在一根光纤中传输多个波长信号从而提高传输容量的一种技术。波分复用器件包含光分波器和光合波器，它的作用是将多个波长不一的信号光融