第五章光無(wú)源器件與光放大器

1第5章 光無(wú)源器件與光放大器

2本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容無(wú)源光器件：光連接器、光衰減器、光耦合器/WDM、光隔離器等。光放大器本章重點(diǎn)無(wú)源光器件的功能及主要性能。EDFA的原理及應(yīng)用本章難點(diǎn)光放大機(jī)理第3章通信用光器件3學(xué)習(xí)本章目的和要求掌握無(wú)源光器件的功能及主要性能。掌握EDFA的原理及應(yīng)用。第3章通信用光器件4光器件概述作用:實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的連接、能量分路/合路、波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能量衰減、方向阻隔、光-電-光轉(zhuǎn)換、光信號(hào)放大、光信號(hào)調(diào)制等功能。是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的必備元件。光器件是具有上述一種功能的元器件的總稱。類(lèi)型：無(wú)源、有源包括：光連接器、光衰減器、光耦合器、光復(fù)用器、光隔離器、環(huán)行器、光濾波器、光解復(fù)用器、光調(diào)制器、光開(kāi)光、激光器、光檢測(cè)器、光放大器、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器等發(fā)展趨勢(shì)：集成化、全光纖化5ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products6

無(wú)源光器件是指不涉及光電能量轉(zhuǎn)換的器件，它們也是構(gòu)成光纖傳輸系統(tǒng)的重要部分。對(duì)于未來(lái)先進(jìn)靈活的光纖通信系統(tǒng)而言，光無(wú)源器件的使用將會(huì)越來(lái)越多。光無(wú)源器件可分為連接用的部件和功能性部件兩大類(lèi)：連接用的部件有各種光連接器，用做光纖和光纖、部件（設(shè)備）和光纖、或部件（設(shè)備）和部件（設(shè)備）的連接。功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰減器、光開(kāi)關(guān)和光隔離器等，用于光的分路、耦合、復(fù)用、衰減等方面。

光有源器件通常涉及光電之間的能量轉(zhuǎn)換，它包括光源、光檢測(cè)器、光放大器等器件，是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。

785.1.1

光纖連接器

光纖連接器，俗稱活接頭，ITU-T建議將其定義為“用以穩(wěn)定地，但并不是永久地連接兩根或多根光纖的無(wú)源組件”。光纖連接器主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與儀表、設(shè)備與光纖及光纖與光纖的非永久性固定連接等。（1）光纖連接器的基本構(gòu)成由三個(gè)部分組成的：兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管。兩個(gè)插頭裝進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。如圖所示。光纖活動(dòng)連接器基本結(jié)構(gòu)9

目前主要采用的光纖連接器多采用插針－套筒結(jié)構(gòu)，如圖。連接器主要由帶有微孔（Φ125μm）的插針體a、插針體b與用于套筒等幾部分構(gòu)成。需要連接的光纖去除涂覆層后插入插針中心微孔，并用環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)劑固定。將插針體a、b同時(shí)插入套筒中，利用插針和套筒之間通過(guò)精密公差配合保證兩根光纖的軸對(duì)準(zhǔn)，再采用彈簧等機(jī)械裝置緊固，實(shí)現(xiàn)光纖的活動(dòng)連接。10

光纖連接器的核心技術(shù)體現(xiàn)在陶瓷插針體的毛坯上，毛坯內(nèi)孔的精度體現(xiàn)了精密機(jī)械加工的技術(shù)水平。2002年以前，以TOTO為代表的日本三大公司的產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的80%以上。方法：利用精密陶瓷套筒準(zhǔn)直纖芯1112（2）光纖連接器的分類(lèi)型號(hào):FC/SC/ST/LC系列（螺紋/方銷(xiāo)/卡口/自鎖）多芯光纖活動(dòng)連接器（光纖陣列等）跳線:單芯/雙芯/模塊尾纖/束狀/帶狀1314損耗來(lái)源15（3）光纖連接器的損耗及影響因素

光纖連接時(shí)引起的損耗與多種因素

有關(guān)，諸如光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如纖芯直

徑、數(shù)值孔徑等）、光纖的相對(duì)位置

（如橫向位移、縱向間隙等）以及端面

狀態(tài)（如形狀、平行度等），如圖所示。5.1.1

光纖連接器dθ

z*纖芯直徑不同引起的連接損耗*數(shù)值孔徑不同引起的連接損耗16

*橫向錯(cuò)位引起的連接損耗*端面縱向間隙引起的連接損耗5.1.1

光纖連接器上述因素中哪些可作為設(shè)計(jì)可調(diào)光衰減器的理論基礎(chǔ)？175.1.1

光纖連接器（5）光纖連接器的關(guān)鍵參數(shù)

①插入損耗，該值越小越好。光纖連接器的典型值0.2dB。輸出光功率相對(duì)于輸入光功率的減小

IL(dB)=－10lg(Pout/Pin)

系統(tǒng)中器件的插入損耗包括兩個(gè)方面：一個(gè)是器件本身存在的固有損耗，另一個(gè)是由于器件的接入在光纖線路連接點(diǎn)上產(chǎn)生的連接損耗插入損耗的波長(zhǎng)響應(yīng)(譜響應(yīng))：波長(zhǎng)變化時(shí)插入損耗的變化：

L=f（λ）ComponentInputsignalsReflectedsignalsOutputsignals185.1.1

光纖連接器②回波損耗（或稱反射損耗、回?fù)p、回程損耗），是衡量從連接器反射回來(lái)并沿輸入通道返回的輸入功率分量的一個(gè)度量值，該值越大越好。其典型值應(yīng)不小于40dB。

RL(dB)=－10lg(Pref/Pin)③互換性，每次互換后，其連接損耗變化量越小越好。④重復(fù)性，即每次插拔時(shí)連接損耗變化量要小。⑤插拔壽命（最大可插拔次數(shù)），光纖連接器的插拔壽命一般由元件的機(jī)械磨損情況決定。一般大于10萬(wàn)次。195.1.2

光纖耦合器

光纖耦合器是分路和耦合光信號(hào)的器件。功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出（分路），或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出（耦合）。

1．耦合器類(lèi)型（1）T形耦合器（2）星形耦合器（3）定向耦合器（4）波分復(fù)用器/解復(fù)用器（也稱合波器/分波器）205.1.2光纖耦合器常用耦合器的類(lèi)型215.1.2光纖耦合器

2．熔錐型光纖耦合器的工作原理

把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)使熔融區(qū)光纖的包層合并成同一包層，纖芯變細(xì)、靠近，制作各種器件（例分波器）光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到：Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)L為有效作用長(zhǎng)度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。

1，221直通臂耦合臂225.1.2光纖耦合器

設(shè)特定波長(zhǎng)為λ1和λ2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長(zhǎng)度，使

*當(dāng)光纖a的輸出Pa(λ1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；

*當(dāng)Pa(λ2)=0時(shí)，Pb(λ2)最大。對(duì)于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長(zhǎng)隔離度大于20dB。12P0P1P223散射矩陣表示法以22耦合器為例,用散射矩陣(傳播矩陣)S來(lái)分析:輸入場(chǎng)強(qiáng)a1a2b1b2S11S22S21S12輸出場(chǎng)強(qiáng)b＝Sa假如從端口a1輸入的光功率中有比例為(1－)的部分出現(xiàn)在輸出端口b1，剩余的部分出現(xiàn)在端口b2。散射矩陣：24令Ein,2=0，則有Eout,1=(1/2)Ein,1和Eout,2=(j/2)Ein,1

，輸出功率為：

Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P03dB耦合器，＝0.5，輸出場(chǎng)強(qiáng)：a1a2b1b225263dBcoupler27285.1.2光纖耦合器

3．介質(zhì)膜型濾波器WDM(微器件型)原理:基于多層介質(zhì)薄膜的反射/透射原理，由光學(xué)厚度λ1/4的兩組高反膜系H（LH）P-1和（HL）P-1中間夾著一層間隔層LL構(gòu)成，類(lèi)似F-P標(biāo)準(zhǔn)具。1/21/41/41輸入123HLHLHHLHLH反射23透射1295.1.2光纖耦合器

8波長(zhǎng)DWDM器件的結(jié)構(gòu)7<0.004nm/oC輸入1~8

1358642自聚焦棒30

4．主要特性表示光纖耦合器性能指標(biāo)的參數(shù)有：插入損耗、附加損耗、耦合比、串音等。下面以2×2定向耦合器為例來(lái)說(shuō)明。（1）插入損耗Li

插入損耗Li它表示了定向耦合器損耗的大小。插入損耗等于輸出光功率之和與輸入光功率之比的分貝值，用Li表示為一般情況下，要求小于0.5dB

。5.1.2光纖耦合器315.1.2光纖耦合器

（2）耦合比CR（用百分?jǐn)?shù)表示）耦合比是指一個(gè)輸出端口（3口）的光功率P03與全部輸出端口輸出光功率之比，如圖端3耦合比：

一般情況下，定向耦合器的分光比為1︰1～1︰10。（3）串音LC

由端1輸入的光功率P1應(yīng)從端2和端3輸出，端4理論上應(yīng)無(wú)光功率輸出。但實(shí)際上端4還是有少量光功率輸出（P4），其大小就表示了1、4兩個(gè)端口的串音程度，用Lc表示為一般情況下，串音為325.1.3

光衰減器光衰減器是用來(lái)穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號(hào)光功率的無(wú)源光器件。光衰減器主要用于調(diào)整中繼段的線路衰減，測(cè)量光系統(tǒng)的靈敏度及校正光功率計(jì)等。分固定衰減器和可變衰減器兩種：位移型橫向位移型-----偏離對(duì)中縱向位移型-----增加間隙直接鍍膜型蒸鍍金屬膜Al+SiO2衰減片型有色玻璃或?yàn)V光片3334光隔離器與環(huán)行器Isolators&Circulators非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系統(tǒng)中的反射光對(duì)器件性能的影響甚至損傷，即只允許光單向傳輸。主要指標(biāo)：低的插入損耗(對(duì)正向入射光，~1dB)高的隔離度(對(duì)反向反射光，40~50dB)原理：一般由起偏器、檢偏器和旋光器組成。355.1.4

光隔離器

1．光隔離器光隔離器是保證光波只能正向傳輸，避免線路中由于各種因素而產(chǎn)生的反射光再次進(jìn)入激光器而影響激光器的工作穩(wěn)定性。

光隔離器主要用在激光器或光放大器的后面。主要技術(shù)指標(biāo)是插入損耗和隔離度。偏振器法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光365.1.4

光隔離器自聚焦棒楔形雙折射晶體法拉第旋轉(zhuǎn)器楔形雙折射晶體自聚焦棒楔形雙折射晶體法拉第旋轉(zhuǎn)器楔形雙折射晶體反向光出射正向光入射37光環(huán)形器基本原理：工作原理等同于隔離器，光傳送順序：1234

（三端口，四端口，多端口）主要特性：

插入損耗隔離度價(jià)格三端口光環(huán)行器四端口光環(huán)行器385.1.4

光隔離器

光隔離器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)：方案分析、光學(xué)指標(biāo)分解、理論計(jì)算、元件設(shè)計(jì)選型、仿真驗(yàn)證、樣品試制、工藝設(shè)計(jì)等*理論計(jì)算舉例:

1)光路計(jì)算（射線法）光線軌跡的射線分析，關(guān)鍵參數(shù)值獲取：反向o、e光的張角，光斑中心偏移量，各元器件的工作尺寸、PMD、工作距離等.395.1.4

光隔離器3）ISO相關(guān)參數(shù)的研究（與θ0、晶片距離的關(guān)系）2）IL相關(guān)參數(shù)的研究（θ0、偏振器楔角、準(zhǔn)直器的關(guān)系）405.1.4

光隔離器*元件的設(shè)計(jì)選取舉例1）起偏器、檢偏器的設(shè)計(jì)2）磁環(huán)的設(shè)計(jì)3）法拉第旋光器的選取4）準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)415.1.4

光隔離器*制造工藝設(shè)計(jì)舉例光隔離器的制造將光準(zhǔn)直器、Core組件、連接橋、外殼進(jìn)行組裝，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體包括：

1）光準(zhǔn)直器1與Core組件膠接固化配膠工藝、器件固化

2）調(diào)節(jié)耦合裝配組件與準(zhǔn)直器2對(duì)中，

調(diào)節(jié)IL、ISO最優(yōu)后注膠

3）焊接：用焊錫固定連接橋和準(zhǔn)直器

4）冷卻調(diào)校參數(shù)

5）老化

6）參數(shù)二次調(diào)校

7）加外殼（殼體和端蓋）42434410.1光放大器概述光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式。裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)信道，在WDM系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增，可實(shí)現(xiàn)1R、2R、3R中繼光放大器（O-O）多波長(zhǎng)放大、低成本，只能實(shí)現(xiàn)1R中繼45光放大器的原理光放大器的功能：提供光信號(hào)增益，以補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無(wú)中繼傳輸距離。在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒(méi)有反饋或反饋較小的激光器。4610.1.1光放大器的分類(lèi)按工作原理分類(lèi)摻稀土元素光纖放大器

摻鉺光纖放大器(EDFA)

摻鐠光纖放大器(PDFA,1310nm波長(zhǎng))

摻銣光纖放大器(NDFA)等非線性效應(yīng)光纖放大器

拉曼光纖放大(RFA)

布里淵光纖放大(BFA)等半導(dǎo)體光放大(SOA)按應(yīng)用分類(lèi)功率放大器、預(yù)放大器、線路放大器47幾種光放大器的比較放大器類(lèi)型原理激勵(lì)方式工作長(zhǎng)度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關(guān)系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米好容易無(wú)好半導(dǎo)體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m~1mm差很難大差光纖(喇曼)放大器光學(xué)非線性(喇曼)效應(yīng)光數(shù)千米好容易大好4810.2摻鉺光纖放大器1）EDFA工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信號(hào)光與波長(zhǎng)較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過(guò)能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長(zhǎng)度得到放大，泵浦光沿光纖長(zhǎng)度不斷衰減。49摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖：當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，Er3+從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)上，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級(jí)上，并在該能級(jí)和低能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號(hào)放大提供足夠的能量，使物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波分復(fù)用耦合器：將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。光隔離器：使光傳輸具有單向性，放大器不受發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。50EDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)泵浦波長(zhǎng)可以是520、650、800、980、1480nm波長(zhǎng)短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡(jiǎn)化能級(jí)示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm51增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號(hào)有很復(fù)雜的關(guān)系。輸出信號(hào)光功率輸入信號(hào)光功率2）EDFA工作特性52小信號(hào)增益G＝30dB時(shí)，增益對(duì)輸入光功率的典型依存關(guān)系輸入光功率較小時(shí)，G是一常數(shù)，即輸出光功率PS,OUT與輸入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信號(hào)增益。G0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。3dBPout,sat當(dāng)PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開(kāi)始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域53增益G與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長(zhǎng)的關(guān)系。光放大器的增益譜不平坦。54增益特性G：與泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入信號(hào)光有關(guān)

1）小信號(hào)增益隨泵浦功率而變的曲線：對(duì)給定的EDF長(zhǎng)度，增益先隨泵浦功率指數(shù)增加，達(dá)到一定值后變緩，并趨于恒定。

2）小信號(hào)增益隨鉺纖長(zhǎng)度而變的曲線：當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，放大器在EDF某一最佳長(zhǎng)度時(shí)獲得最大增益，過(guò)點(diǎn)后不能得到增益55

3）不同泵浦功率條件下增益隨輸出功率的變化：增益下降到3dB時(shí)即為飽和輸出光功率

因此，在EDFA設(shè)計(jì)中，需要在選定摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮應(yīng)用場(chǎng)景的要求，選擇合適的泵浦功率和鉺纖長(zhǎng)度，使放大器工作處于最佳狀態(tài)。10.2摻鉺光纖放大器56包括光增益、飽和輸出功率、工作帶寬、噪聲系數(shù)、增益平坦度光增益：輸出功率與輸入功率之比的對(duì)數(shù)值工作帶寬：增益特性下降到3dB時(shí)的全寬度噪聲系數(shù)：由于自發(fā)輻射等原因引起的光信噪比的劣化值，即輸入口光信噪比與輸出口光信噪比的比增益平坦度：通道等輸入后增益的最大值與最小值之差放大器的主要參數(shù)57噪聲指數(shù)Fn：光放大器在放大過(guò)程中會(huì)把自發(fā)輻射（或散射，ASE噪聲）疊加在信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比下降。

Fn的極限是3dB，即理想光放大器被放大信號(hào)的SNR下降了兩倍。一般商用產(chǎn)品在大于

3.5dB。EDFA級(jí)聯(lián)時(shí)噪聲

指數(shù)的有累積效應(yīng)，這限

制多跨距段的級(jí)聯(lián)數(shù)量。10.2摻鉺光纖放大器58增益平坦

同一能帶內(nèi)不同能級(jí)的鉺離子受激輻射的幾率大小不同；級(jí)聯(lián)使用時(shí)，增益起伏呈線性累加的趨勢(shì)

051015202530150015201540156015801600-5-4-3-2-101550152015401560158016000510152025150015201540156015801600波長(zhǎng)(nm)增益(dB)增益(dB)波長(zhǎng)(nm)衰減(dB)×=波長(zhǎng)(nm)增益7.5dB，

信噪比下降4dB（1）增益均衡技術(shù)10.2摻鉺光纖放大器59（2）泵浦源功率控制采用1480nm和980nm泵浦源的混合泵浦，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)泵浦源的光功率。10.2摻鉺光纖放大器603）EDFA結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

EDFA包括光路結(jié)構(gòu)和輔助電路兩大部分