第4章 線路器件與技術(shù)

1、第4章 線路器件與技術(shù)提綱n4.1線路器件4.1.1光隔離器4.1.2光環(huán)行器4.1.3光纖連接器4.1.4光耦合器4.1.6光纖光柵4.1.7光衰減器4.1.8光開關(guān)4.1.9光調(diào)制器n4.2線路技術(shù)4.2.1光復用技術(shù)4.2.2光放大技術(shù)4.2.3色散補償技術(shù)n光信號在光纖傳輸線路上傳送時，要解決由光纖損耗、色散及非線性引起的信號衰減和畸變等問題光信號的調(diào)制、信號的選路、線路的連接、光信號的分配與控制、雜散光噪聲的隔離等一系列工程實踐問題n需要通過具有特定功能的器件及技術(shù)來完成n具體包括：光隔離器、光環(huán)行器、光耦合器、光衰減器、光纖連接器、光開關(guān)、光調(diào)制器等線路器件光復用、光放大和色散補償

2、等線路技術(shù)4.1線路器件n分類：n無源器件：本身不發(fā)生光電或不進行電光轉(zhuǎn)換的傳輸器件，如光隔離器、光耦合器、光環(huán)行器等。n有源器件：本身會發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件，如激光器、光電檢測器、光放大器等。4.1.1光隔離器n有一個輸入端、一個輸出端的非互易光器件，只允許光信號單向傳輸端口1輸入，端口2可以獲得低損耗的傳輸信號端口2輸入，器件產(chǎn)生高損耗，光路被阻斷n通常放置在線路中激光器、光放大器等之后，用以防止光路中的后向傳輸光對光源、光放大器以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響端口1端口2n光隔離器的實現(xiàn)需要利用破壞光路可逆的一些特性，如磁光晶體的法拉第磁致旋光效應。n法拉第1845年觀察到不具有旋光性的材料

3、在磁場作用下會使通過該物質(zhì)的光的偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)n常用的磁光材料有釔鐵石榴石（YIG）、鉍鐵石榴石（SIC）等旋光材料B光方向光方向2n分類：偏振相關(guān)型：特性與輸入光信號的偏振態(tài)有關(guān)偏振無關(guān)型：特性與輸入光信號的偏振態(tài)無關(guān)n主要技術(shù)指標：插入損耗（IL）回波損耗（RL）隔離度偏振相關(guān)損耗（PDL）偏振模色散（PMD）n插入損耗：器件引入光路后正常使用情況下傳輸?shù)墓庑盘枺捎跇?gòu)成器件的材料各部分對光的吸收、散射等造成的對輸入信號的附加損耗希望其值越小越好n回波損耗：構(gòu)成器件的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射光造成的對入射光信號的衰減希望返回的光功率值盡可能的小，回波損耗的值越大越好n隔離度：

4、指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的損耗隔離度的值越大越好n偏振相關(guān)損耗（PDL）：指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量，是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標。n偏振模色散（PMD）：指通過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。4.1.2光環(huán)行器n一種有多個端口的只允許光信號單向傳輸?shù)姆腔ヒ坠馄骷光由端口1輸入時，光幾乎毫無損失地由端口2輸出，其它端口處幾乎沒有光輸出；n光由端口2輸入時，光幾乎毫無損失地由端口3輸出，其它端口處幾乎沒有光輸出；n以此類推端口1端口2端口3端口4n雙向通信中的重要器件，可以完成正反向傳輸光的分離，在光通信

5、中單纖雙向通信、上/下話路、合波/分波及色散補償?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應用。n光環(huán)行器用于單纖雙向通信123光纖213發(fā)送發(fā)送接收接收n指標包括插入損耗、隔離度、串音、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散及回波損耗等n光環(huán)行器的插入損耗、隔離度、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散的定義與光隔離器的基本相同，只不過對環(huán)行器而言，均指具體的兩個相鄰端口之間的指標。n串音指多端口的光環(huán)行器，兩個不相鄰端口之間理論上不能接收到光信號但實際中由于種種原因而接收到的功率以dB表示的相對值，如端口1輸入信號時在端口3接收到的功率相對于輸入功率的dB值。4.1.3光纖連接器n光纖的連接：將兩根光纖端面結(jié)合在一起，實現(xiàn)光信號的持續(xù)傳輸。活動

6、連接：活動連接器是活動連接的主要方法固定連接：熔接法是固定連接的主要方法n應用：活動連接：可以重復裝拆的活接頭。它常被用于光源到光纖、光纖到光纖以及光纖與深測器之間的連接固定連接：光纖之間形成永久性的連接，用于不需要拆卸或重復使用的場合，是光纖通信干線中光纖連接的主要方法n光纖活動連接器可以重復裝拆的活接頭可分為單芯型和多芯型可分為調(diào)心型和非調(diào)心型調(diào)心型：內(nèi)部裝有調(diào)整機構(gòu)，可調(diào)整光纖纖芯的位置，使兩根光纖之達到最佳耦合非調(diào)心型：內(nèi)部沒有調(diào)心機構(gòu)，依靠光纖活動連接器結(jié)構(gòu)組件之間的精密配合來達到最佳耦合，常用有套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V型槽結(jié)構(gòu)等，實際絕大多數(shù)都應用的是套管結(jié)構(gòu)。n插針套筒結(jié)構(gòu)套管插針

7、光纖光纖f 2.4990.0005f 0.1250.0014f 2.5f 3.2-0.002-0.007+0-0.020.0050.0001n主要性能指標：插入損耗：與光纖的橫向錯位、角度傾斜、端面間隙、端面形狀、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差異和光纖的橢圓度、偏心度等有關(guān)。(a)橫向錯位 (b)端面間隙纖芯纖芯纖芯纖芯纖芯纖芯纖芯纖芯(c)角度傾斜 (d)端面形狀 (e)纖芯直徑差異纖芯纖芯n回波損耗：界面處出現(xiàn)菲涅爾反射將原來的平面接觸更改為球面接觸、斜球面接觸等來降低回波損耗重復性：每次插拔后其損耗的變化范圍互換性：同一種連接器不同插針替換時損耗的變化范圍插拔次數(shù)：具有

8、上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔的次數(shù)工作溫度：在工作溫度范圍內(nèi)連接器的損耗變化量應在給定的范圍內(nèi)變化n光纖連接器類型多采用AA/BB的方式表示AA表示外部連接方式，即如何可靠的保持插針與套管之間的相對位置，不會在光纖受到拉扯等外力作用時發(fā)生分離造成信號功率的改變BB表示表示插針端面形狀，有FC、PC、UPC、APC等。n光纖固定連接n使一對光纖之間形成永久性的連接，用于不需要拆卸或重復使用的場合。n方法有：熔接法V型槽法毛細管法等n熔接法：應用最為普遍，利用電弧放電、氫焰或激光等方法加熱將光纖熔融結(jié)合在一起。n光纖熔接機構(gòu)成：由光纖的準直與夾持機構(gòu)、光纖對準機構(gòu)、電弧放電機構(gòu)以及控制機構(gòu)等四部分構(gòu)成光

9、纖夾持器控制中心監(jiān)測信號電弧電源顯微鏡頭電極n光纖熔接利用光纖剝皮鉗去除光纖外的套塑層利用光纖切割刀切割光纖端面將制備好端面的光纖放入準直與夾持機構(gòu)中固定，通過手動或自動裝置使纖芯在空間三個方向上移動，保證需要熔接的兩根光纖完全對準，消除纖芯的橫向錯位、角度偏差，并將端面之間的間距調(diào)整到預定大小。根據(jù)光纖的類型，選擇放電電流、放電時間，進行電弧放電，對端面加熱，實現(xiàn)熔接。熔接結(jié)束后加熱縮管對光纖熔接處進行保護。4.1.4光耦合器n一類能使傳輸中的光信號在特定結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行再分配的器件。n實際中，光耦合器通常指在耦合過程中，光信號功率發(fā)生改變而波譜成分沒有變化的器件，把信號波譜成分

10、發(fā)生改變的稱為波分復用器。n應用：光耦合器可以從傳輸線路中提取出一定的功率，實現(xiàn)對線路的監(jiān)控；也可用于光纖CATV、光纖用戶網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感等領(lǐng)域，實現(xiàn)信號的組合與分配。n從端口形式上劃分有X形（2 2）耦合器Y形（1 2）耦合器星形（N N，N2）耦合器樹形（1 N，N2）耦合器等n參數(shù)：分光比：各輸出端口的輸出功率的比值，如80:20、25:25:25:25等，或4:1、1:1:1:1等均勻性：輸出各端口之間的功率偏差程度方向性：輸入端主光纖傳輸方向與任一根非主光纖非傳輸方向上的功率比附加損耗：耦合器引入光路后所造成總的光功率衰減量EL = -10 lg (POUT/ PIN)插入

11、損耗：某一輸出端口的光功率相對總的輸入光功率的衰減量IL = -10 lg (POUTi/ PIN)minmaxlog10iiPPP inibPPSlog104.1.5光纖光柵n利用石英光纖的紫外光敏特性直接在光纖軸向上形成波導結(jié)構(gòu)的光纖器件可以做成濾波器、反射器、色散補償器等易于與光纖連接，對偏振不敏感，適應光纖中光信號偏振態(tài)的隨機變化，在光纖通信、光纖傳感中有著明顯的優(yōu)勢和廣泛的應用n光纖的光敏特性：光纖折射率在紫外光照射下，隨光強發(fā)生變化折射率變化具有穩(wěn)定性，可保持永久性不變改變折射率分布，形成特定的光波導結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)特定的功能，形成光纖型光波導器件n分類：n從結(jié)構(gòu)上可分為：周期性結(jié)構(gòu)：稱

12、為均勻光纖光柵制造簡單，其特性受到限制非周期性結(jié)構(gòu)：稱為非均勻光纖光柵，制造困難，其特性容易滿足各種要求n從功能上可分為：濾波型光柵色散補償型光柵：是非周期光柵，又稱為啁啾光柵n光纖光柵是通過波導與光波的相互作用，將在光纖中傳輸?shù)奶囟l率的光波，從原來前向傳輸?shù)南薅ㄔ诶w芯中的模式耦合到前向或后向傳輸?shù)南薅ㄔ诎鼘踊蚶w芯中的模式，從而得到特定的透射和反射光譜特性。n光場與光波導之間的相互作用可用耦合模理論來描述lB00.51波長（mm）反射率n應用：利用光纖光柵的反射特性，可以用來進行波長選擇，實現(xiàn)濾波、波長分插復用、色散補償、激光器選頻和光纖傳感等。n波長分插復用l1、l2lnl1、l2ln下話

13、路l1光纖光柵中心波長l1上話路l1l2ln環(huán)行器1環(huán)行器2112233n光纖激光器n分布反饋式(DBF)激光器激光二極管泵浦激光輸出光纖光柵反射器光纖激光輸出 激光二極管光纖光柵反射器光纖透鏡n光纖光柵傳感器波長鑒別器光電探測器寬帶光源G1 G2 G3 G4G1 G2 G3 G44.1.6光衰減器n用來穩(wěn)定、準確地減小信號光功率的無源器件n是光功率調(diào)節(jié)所不可缺少的器件降低輸入光信號的功率，可以防止光功率過大超出儀表的量程而造成儀表的損壞防止在光傳輸系統(tǒng)中短距離傳輸時的光功率超出接收機的允許最大輸入功率而造成傳輸質(zhì)量的下降用來模擬實際信道傳輸造成的信號衰減n工作機理主要有：耦合型、反射型、吸收

14、型n耦合型光衰減器：控制輸入、輸出光束對準的橫向或縱向位移來改變光耦合量/衰減量的大小dsn反射型光衰減器：通過控制反射膜的反射率的大小來改變光信號功率的大小，改變衰減量。n吸收型光衰減器：通過采用光學吸收材料制成衰減片，對光的作用主要是吸收和透射。RLRLMMLALn光衰減器按衰減量的變化情況可分為：固定式衰減器，即衰減量一定步進可變式衰減器，即階躍式可變連續(xù)可變式衰減器n主要技術(shù)指標有：插入損耗、衰減量變化范圍、精度以及溫度的影響。4.1.7光開關(guān)n一種可實現(xiàn)光路通斷的控制、光路選擇的光路控制器件n應用：主備光路切換、光器件的測試實現(xiàn)光交換，完成全光層次的路由選擇、波長選擇、光交叉連接、自

15、愈保護等構(gòu)建新一代全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件n主要性能參數(shù)：交換矩陣：反映光開關(guān)的交換能力交換速度：衡量開關(guān)性能的重要指標。不同的應用場合對交換速度的要求不同消光比：描述光開關(guān)導通與非導通狀態(tài)通光能力差別的指標，即兩個端口處于導通和非導通狀態(tài)的插入損耗之差交換粒度：反映了光開關(guān)交換業(yè)務(wù)的靈活性，可分三類：波長交換、波長組交換和光纖交換可靠性：要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性n實現(xiàn)光開關(guān)的方法n依據(jù)不同的光開關(guān)原理，光開關(guān)可分為：機械光開關(guān)電光開關(guān)磁光開關(guān)聲光開關(guān)等n依據(jù)光開關(guān)的交換介質(zhì)來分，光開關(guān)可分為：自由空間交換光開關(guān)波導交換光開關(guān)。n機械式光開關(guān)n微機械（MEMS）光開關(guān)ABC機械驅(qū)動S17S78S

16、53X1X8Y1Y8n噴墨氣泡光開關(guān)溝道波導襯底氣泡4.1.8光調(diào)制器n內(nèi)調(diào)制：直接改變半導體激光器的注入電流實現(xiàn)對光載波的調(diào)制，受電子瓶頸的限制，不適應于高調(diào)制速率系統(tǒng)。n外調(diào)制：利用特定介質(zhì)的電光效應、磁光效應、聲光效應、電致吸收效應等，通過攜帶了信息的電、磁、聲等信號作用于相應介質(zhì)上，影響介質(zhì)的光學特性進而影響通過介質(zhì)的光的特性，實現(xiàn)對光載波的調(diào)制。n外調(diào)制類型：電光調(diào)制器電吸收調(diào)制器工作物質(zhì)LD調(diào)制信號調(diào)制光信號n電光調(diào)制器：KDP、LiNbO3、GaAs等電光晶體的電光效應折射率將隨著電場發(fā)生變化激光束通過電光晶體時，相位、幅度或強度會產(chǎn)生相應變化，得到相位、強度調(diào)制的信號光泡科爾效

17、應：折射率變化量正比于外加電場強度克爾效應：折射率變化量正比于外加電場強度的二次方電光波導調(diào)制器的工作機理基于泡科爾效應n半導體電吸收光調(diào)制器：電吸收效應：半導體量子阱材料對入射光的吸收系數(shù)隨外加電場不同而產(chǎn)生變化。易與激光器集成，驅(qū)動電壓低。與LiNbO3電光調(diào)制器相比，消光比不高、頻率啁啾較大，不適合超長距離和超高速率系統(tǒng)波長00V1V2V吸收系數(shù)4.2線路技術(shù)n4.2.1光復用技術(shù)n4.2.2光放大技術(shù)n4.2.3色散補償技術(shù)4.2.1光復用技術(shù)n傳輸系統(tǒng)所能提供的帶寬要遠遠大于單一用戶的帶寬需求，要采用復用技術(shù)同時傳輸多個用戶的信息最大限度的利用傳輸系統(tǒng)的帶寬。n復用技術(shù)：在發(fā)送端將多

18、路信號進行組合，在物理信道上實現(xiàn)傳輸，接收端再將復合信號分離開來。n有時分復用、波（頻）分復用、碼分復用等n目前波分復用技術(shù)在應用中占據(jù)主導地位。n波分復用（WDM）n在一根光纖中傳輸多個波長信號從而提高系統(tǒng)傳輸容量的一種技術(shù)。光分波器光合波器光分/合波器光分/合波器n發(fā)射端：光合波器（復用器）將不同發(fā)射機輸出的波長不一的信號光融入同一根光纖傳輸；n接收端：光分波器（解復用器）將同一根光纖中的波長不一的信號光分開，分別送給不同的光接收機接收恢復原始信息。n一般情況下，光合波器和光分波器是互易器件n光合波器和光分波器統(tǒng)稱為光波分復用器。利用光波分復用器的互易性，就可以實現(xiàn)在一根光纖上實現(xiàn)雙向通信

19、。n根據(jù)復用的波長間隔的大小，分為三種：1310nm/1550nm復用：最初的復用方式l密集波分復用（DWDM）：波長間隔nm量級lITU-T G.692定義載波間隔為100GHz和50GHzl中心波長為152.52nm（頻率193.1THz）l工作波長覆蓋14801620nm波段，其中S波段（14801530nm）、C波段（15301560nm）和L波段（15601620nm）。在C波段可容納40個間隔100GHz的波長信道，擴容效果明顯。粗波分復用（CWDM）lITU-T的G.694.2中定義了工作波長覆蓋12701610nm波段、波長間隔20nm的16個信道的粗波分復用。l波長間隔較大，

20、可降低半導體激光器的波長穩(wěn)定性和線寬的要求，系統(tǒng)成本較低，適用于容量要求不是很大的城域網(wǎng)、局域網(wǎng)以及接入網(wǎng)。n性能指標主要：信道數(shù)信道中心波長信道間隔波長隔離度：也叫信道隔離度，指某一信道的信號光耦合到另一個信道的大小插入損耗11212212lg10,lg10NPANPAWDMP1(l1)+P2(l2)P1(l1)+N2(l2)N1(l1)+P2(l2)n空分復用（SDM）：利用空間分割，根據(jù)需要構(gòu)成不同的信道進行光信號復用的技術(shù)。光纜中不同的光纖多芯光纖（MCF）：在超高容量長距離傳輸中得到驗證。需要優(yōu)化纖芯距、纖芯和溝道的尺寸以及折射率，解決芯間串擾；實現(xiàn)大有效模場面積，避免非線性效應引起

21、的信號畸變。溝道纖芯溝道纖芯n時分復用（TDM）將通信時間分成相等的間隔，某一固定信道占用某一固定間隔，各信道按照一定的時間順序進行傳輸。光時分復用在光域內(nèi)對光脈沖進行時間上的復用，突破了電子瓶頸限制，可以產(chǎn)生更高的比特流。超短光脈沖的產(chǎn)生和傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)尚未成熟，光時分復用尚未實用。n偏振復用（PDM）n又稱極化波復用技術(shù)，利用光波的偏振特性n在同一波長信道中，通過光的兩個相互正交偏振態(tài)同時傳輸兩路獨立數(shù)據(jù)信息以加倍系統(tǒng)總?cè)萘俊⑻嵘到y(tǒng)頻譜利用率。TX1TX2PBCRX1RX2PBS光纖n模式復用（MDM）n利用多模光纖中獨立且相互正交的不同模式作為獨立信道分別傳輸信號，用以提高系統(tǒng)容量、增

22、加頻譜利用率。下一代骨干傳送網(wǎng)的候選技術(shù)之一。TX-1TX-2TX-M模式轉(zhuǎn)換高階模1基模模式轉(zhuǎn)換高階模M-1基模模式復用器模式解復用器高階模1高階模M-1模式轉(zhuǎn)換模式轉(zhuǎn)換基?；X-1RX-2RX-M基模多模光纖基模n正交頻分復用（OFDM）將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)并對不同的載波進行調(diào)制。并行傳輸體制降低了信號的速率，擴展了符號的脈沖寬度，降低了色散對信號的影響程度，改善了傳輸信號的質(zhì)量。為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊但這些頻譜在整個符號周期內(nèi)滿足正交性，從而保證不同信道之間的互不影響。采用數(shù)字信號處理技術(shù)，由數(shù)字信號處理算法完成各子載波的產(chǎn)生和接收，極大

23、簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。串/并IFFTQAM調(diào)制并/串IQ調(diào)制激光器MZM串/并FFTQAM解調(diào)并/串IQ解調(diào)光纖光電檢測二進制輸出二進制輸入4.2.2光放大技術(shù)n傳統(tǒng)的中繼器：“光電光”的轉(zhuǎn)換方式n設(shè)備復雜、成本高且可靠性不高、使用不便。O/E/OO/E/OO/E/O1 n1 n 1 2n WDMWDM1 2n n“光光”放大的光放大器利用光的各種受激放大機理由放大工作介質(zhì)、泵浦源組成n分類：摻稀土元素光纖放大器非線性光學光纖放大器半導體光放大器工作介質(zhì)泵浦源輸出信號光輸入信號光n摻稀土元素光纖放大器：摻鑭系元素（如鉺、釹、鐠）光纖為工作介質(zhì)半導體激光器為泵浦源，受激放大原理1.55m EDFA，

24、1.33m PDFAn非線性光學光纖放大器：以常規(guī)石英光纖為工作介質(zhì)以高功率的連續(xù)或脈沖固體激光器為泵浦源利用非線性光學效應對信號光進行放大拉曼光纖放大器（RA）n半導體光放大器（SOA）：以半導體材料為工作介質(zhì)以電源為泵浦源，利用受激輻射實現(xiàn)光放大n光放大器的性能參數(shù)有：光放大器的增益G與飽和輸出功率PsatG = 10 lg(Pout/Pin)輸入功率Pin輸出功率PoutPsat 輸出功率Pout3dB增益G小信號增益信號光波長(m)3dB噪聲指數(shù) 光放大器的噪聲指數(shù)NF定義為輸入信噪比(S/N)in和輸出信噪比(S/N)out的商的分貝數(shù)不同種類光放大器的噪聲指數(shù)NF的大小不同，EDF

25、A的NF較小，已接近量子極限3dB。outinNSNSNF)/()/(lg10n光放大器的應用EDFA：高增益、寬帶寬、低噪聲，是技術(shù)最為成熟、應用最為廣泛的光放大器RA：高增益、低噪聲、全頻段放大，已開始商用并成為光放大器的研究熱點SO A：與光纖耦合效率很低，在光纖通信系統(tǒng)中應用很少。用以全光信號處理，如全光波長變換、脈沖整形、光邏輯控制等，也可以用于制作光開關(guān)。n作為線路中繼器對信號類型透明。對信號速率透明。對信號波長透明（增益譜范圍內(nèi)）n作為接收機前置放大器置于光電檢測器前，大幅提高接收機的靈敏度n作為光發(fā)射機的后置放大放在光發(fā)射機之后可使入纖功率大幅增加，使傳輸距離增長4.2.3色散補償技術(shù)n通過在光纖傳輸線路中加入適當?shù)纳⒃?，使色散元件的色散和光纖線路色散符號相反、大小相等或相近，降低信號的整體色散，解決因光纖色散而引起的波形失真。n色散補償?shù)姆椒ǎ汗饫w型色散補償技術(shù)光纖光柵型色散補償技術(shù)光濾波器色散補償技術(shù)相位共軛型色散補償技術(shù)光源預啁啾色散補償技術(shù)n光纖型色散補