光通信基本器件

光纤通信中的关键光电子器件第一部分基本光器件第二部分光调制器和检测器第三部分光放大器ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMfiltersFibergratingsCirculatorsMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsReceiversDetectors第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5光复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器

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、光放大器等第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.2光连接器—Connector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。重复性和互换性损耗来源活动连接器方法：利用精密陶瓷套筒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、LC其它：多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光纤连接器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。LC型：卡口式连接第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.3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技术指标：衰减量、精度、反射、插损固定光衰减器尾纤式衰减量调节旋钮第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.4光耦合器—Coupler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型功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。1321243工作原理PutthecorescloseenoughtogethertogetacouplingeffectAllnowdependsonthelengthofthecouplingsection22光纤耦合器P4P0输入功率P1直通功率P3串扰P2耦合功率L锥形区域L锥形区域Z耦合区域1、插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i到输出端口j的路径中的插入损耗为：2、附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值。3、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：4、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比技术指标：串扰＝P0P1P2P33dBcoupler第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.5复用器与滤波器—MultiplexerandFilter光滤波器与解复用器(光波长选择器件)

0滤波器解复用器WavelengthfilterWavelengthmultiplexer用途：波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用WavelengthDemultiplexer

0/

0滤波器中心波长,

信号波长.

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Iftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areinjectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!二、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第一部分基本光器件1.1光器件概述1.2光连接器Connector1.3光衰减器Attenuator1.4光耦合器Coupler1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter1.6光隔离器与环行器1.6光隔离器与环行器用途：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。与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer

Polarizer

Faradayrotator

Blocked

Reflectlight

SOPLightout

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IsolatorsIsolator/couplerhybrids复合型Coupler和Isolator）2.1光调制器2.2光检测器2.3光接收机第二部分光调制器和光检测器2.1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；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。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+DATA

Issues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulator

BiasBias+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(r

E

+R

E

2)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2.1光调制器2.2光检测器2.3光接收机第二部分光调制器和光检测器光电转换器件要求:高效率、低噪声、宽带原理：光吸收在半导体材料上，当入射光子能量h

超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：R—光电检测器的响应度（A/W）入射光半导体2.2光检测器PIN光电二极管(1)在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布雪崩光电二极管APDPIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)--------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。1、倍增系数

M=Ip

/I0

IP--平均输出电流，

I0--一次光生电流2、过剩噪声因子F

在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声。APD倍增系数与过剩噪声因子光检测器的比较APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。2.1光调制器2.2光检测器2.3光接收机第二部分光调制器和光检测器2.3光接收机光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比前端线性通道时钟提取与数据再生（CDR）对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。2.3.1光接收机的前端(1)前端：由光电二极管和前置放大器组成。作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号光信号光电变换前置放大2.3.1光接收机的前端(2)光检测器的选择：要视具体应用场合而定。PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小.2.2.2光接收机的线性通道对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。主放大器均衡滤波AGC电路2.2.3判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是“1”或是“0”，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输入一个“0”。为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。判决器时钟恢复输出判决、再生过程均衡器输出波形时钟再生后的信号判决电压最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可有眼图决定。光接收机的灵敏度接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。误码率（BER）：接收机判决电路错误确定一个比特的概率。噪声引起误码的图解说明第三部分光放大器第三部分光放大器3.1光放大器概述

3.2掺铒光纤放大器EDFA3.3半导体光放大器SOA3.4光纤拉曼放大器FRA3.1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光放大器（O-O）多波长放大、低成本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。光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、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3.2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掺铒光纤放大器优点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；所需的泵浦功率低。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三种泵浦方式的EDFA性能比较泵浦效率=输出功率/泵浦功率噪声同向泵浦61%同向泵浦式掺饵光纤放大器的噪声系数最小，反向泵浦式掺铒光纤放大器的噪声最大，双向介于中间反向泵浦77%双向泵浦76%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。RemotePumping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光纤长度，使放大器工作于最佳状态。二、放大器的噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。AmplifiedSpontaneousEmissionEDFA放大1540波长信号时产生的影响ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。宽谱光源三、

EDFA的多信道放大特性EDFA的增益对不同波长的信号的增益是有区别的，也就是说EDFA的增益是不平坦的。在系统应用中应予以控制—增益平坦技术EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应--瞬态特性。在系统应用中应予以控制--增益钳制。EDFA的级联特性信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同增益平坦增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重BER接收光功率光功率波长光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机

N

1

2

3光接收机光接收机光接收机光接收机EDFA

1

N

3

21.

滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤