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1、第2章 光无源及有源器件p 概述 p 无源器件 光连接器及光衰减器 光耦合器与光复用器 光滤波器与光解复用器 光隔离器与环行器 光调制器与光开光 p 有源器件 激光器 光检测器 光放大器 光波长转换器 光转发模块光发射机与光接收机光纤通信技术本章的学习目的 了解光纤通信系统的基本构成，所涉及的各种光器件！ 了解每种器件的基本结构、工作原理和用途； 了解光器件性能对系统性能的影响。光纤通信技术光纤通信技术Communications Markets通信市场Recall数字光纤通信系统的组成光纤光纤中继器中继器中继系统中继系统光发射机光发射机光接收机光接收机输入接口输入接口电发射端机电发射端机用户
2、用户信号复接信号复接 PCMPCM编码编码码型变换码型变换光纤光纤备用系统备用系统辅助设备辅助设备输入接口输入接口电发射端机电发射端机用户用户光纤通信技术光纤通信系统中的器件与模块波分复用薄膜滤波器 光纤光栅 波导器件 环路器 间插复用器 复用/解复用模块放大隔离器 耦合器 泵浦激光器 增益均衡器 衰减器 光放大器光开关 上下话路 器 交叉互连 器上下路由信号发射光源 调制器 锁波器 接收器 探测器 发射和接收模块分组交换信号接收波分解复用光纤通信技术概 述 p 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
3、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。p 类型 无源 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 有源 激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等p 发展趋势 集成化、全光纤化光纤通信技术1、光连接器及衰减器一、技术指标1、连接损耗2、反射（或回波损耗）光纤通信技术二、连接损耗 光纤端面的反射; 光纤之间的横向错位; 光纤之间的角度倾斜; 光纤之间的端面间隙; 光纤端面的形状畸变; 以及光纤之间的参数（芯径 、数值孔径、折射率分布） 不匹配。光纤通信技术三、光纤的固定连接熔接法、V形槽法和套管法光纤
4、通信技术p 光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把 光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地 耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最 小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光 传输系统的可靠性和各项性能。部分单模光纤连接器的主要特性举例： FC型（即圆柱套筒型） 连接器的基本结构 FC/PCSC/PCST/PC光纤通信技术 光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多 模连接器，还有其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器； 按连接头结构型式可分为：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、
5、MU 、MT等等各种型式；其中，ST连接器通常用于布线设备端，如光 纤配线架、光纤模块等；SC和MT连接器用于网络设备端较多。 按光纤端面形状分有FC、PC（包括SPC或UPC）和APC型；按 光纤芯数分还有单芯、多芯（如MT-RJ）型光纤连接器之分。 光 纤连接器应用极广，品种繁多。 u 光纤连接器还需适配器（俗称法兰盘）来定位：分为FC和SC型法兰盘 。对于CATV，主要采用FC/APC和SC/APC接头。光纤连接器接头损 耗一般在0.2-0.4dB。FC、SC型的光纤连接器光纤直径一般为3mm ，所用光纤为G.652光纤，长度一般为5-100m。使用光纤连接器应注意事项：光纤连接器插针针
6、体要保持清洁，不使用时一定戴好护帽。光纤连接器的纤缆部分禁止直角和锐角弯折，严禁受重物挤压，纤体 有折痕、压痕、破损的连接器不能使用，纤体的盘绕半径需要大于30 mm。一端已与光设备连接的光纤连接器端面通常不要用眼直视，否则会对 视力造成伤害。在光纤连接时一定要注意光纤连接头的匹配。光纤连接器在与法兰盘对接时，定位销一定要对准法兰盘凹槽。光纤通信技术五、光衰减器 实现方法：光纤接头错位、准直光束的偏离、光阑、镀膜或玻璃体的吸收等。 技术指标：衰减量、精度、反射、插损 类型：固定式、分级可变式、连续可调式光纤通信技术光纤通信技术2、光耦合器与光复用器类型： Y型、X型22耦合器、1N型、MN型
7、宽带、窄带 全光纤型、微光元件型、集成光波导型 功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。 原理： 多模光纤：传输模包层模传输模； 单模光纤：消失场耦合对同一波长的光功率进行分路或合路C-耦合系数光纤通信技术光纤通信技术宽带型耦合器：两光纤的波长范围为：13001550nm光纤通信技术光耦合器与光复用器光纤通信技术光耦合器与光复用器u 微光元件型光纤通信技术光耦合器与光复用器u 集成光波导型光纤通信技术3、光滤波器与光解复用器光滤波器 与解复用器(光波长选择器件)0滤波器解复用器光纤通信技术光滤波器与光解复用器u 用途：波长选择、光放大器的噪声滤除/增益均衡、 光复用/解复用光纤通信技术光滤波器
8、与光解复用器u 技术参数： 中心波长（固定、可调） 带宽（ 1dB带宽、3dB带宽、20dB带宽） 调谐范围 插损（与无波长选择性的耦合器不同） 隔离度（串音） 偏振相关性（PDL） 温度敏感系数光纤通信技术光滤波器与光解复用器u 种类 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、 声光可调谐滤波器光纤通信技术光滤波器与光解复用器u 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、
9、温度稳定性高、隔离度低、复用波长数少（两波）应用（粗波分复用）波长间隔较宽，常用于 1300nm/1550nm、 980nm/1550nm、 1480nm/1550nm 波长的 分离光纤通信技术光滤波器与光解复用器u Fabry-Perot滤波器原理：传输函数：光滤波器与光解复用器u 多层介质膜滤波器多层介质膜：通过某一波 长，阻止其它波长薄膜多共振腔滤波器光纤通信技术光滤波器与光解复用器特点： 通带特性好（平顶、 隔离度高25dB） 温度敏感性小（ 0.0005nm/OC 不需稳控 ） 插损57dB（16波） 波长数16CH 波长间隔0.8nm 价格较高 PDL小(0.2dB)多层介质膜复用
10、解复用器是16波长WDM系统中主要选用的器件！光纤通信技术光滤波器与光解复用器u 马赫-曾德干涉滤波器光纤通信技术光滤波器与光解复用器u 体光栅滤波器单模光纤光波导InP材料光栅光纤通信技术光滤波器与光解复用器u 阵列波导光栅（AWG array-waveguide-grating）光纤通信技术光滤波器与光解复用器特点： 信道间隔（1.6 0.8 0.4nm） 端口（18 116 132 164) 需要温控（0.01nm/0C) 插损不随通道数增加(67dB) 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损） 隔离度22dB PDLN1。 这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分 布。 粒子
11、数反转分布状态是使物质产生光放大的必要 条件。 将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质 或激活物质。 80激光器的基本组成 激光振荡器必须包括以下三个部分： 能够产生激光的工作物质， 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激 励源， 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。81光学谐振腔 光学谐振腔的结构。 在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜 M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振 腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜 是球面镜，则称为球面腔。 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1 的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反 射系数 r10dB光纤通信
12、技术光发射机与光接收机 实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因 此偏置电流不正好偏置在阈值处 由于激光器的串联阻抗很小，因此激光器的偏置电路应是高阻 恒流源 调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够 的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些 区域有自脉动现象发生，则Im的选择应避开自脉动发生的区域三、直接调制电路 要求：快的开关速度、良好的电流脉冲波形光纤通信技术光发射机与光接收机四、外调制 外调制器以EA、LN为主 高速驱动模块 EA：驱动电压峰-峰值2V、偏置电压-1V LN：驱动电压峰-峰值5V、偏置电压23V光纤通信技术光发射机与光接
13、收机偏置点控制电路高速驱动器LiNbO3外调制器光纤通信技术光发射机与光接收机五、激光器控制电路 1、系统对光源的要求 波长稳定性要求 WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求 波长的漂移将导致信道之间的串扰光纤通信技术光发射机与光接收机功率稳定性要求 某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且 通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能 通常要求：输出平均光功率: 0 -3dBm; 不稳定度: 0.5dB(模块表面温度 0-50C)消光比: 10dB眼图: 符合 G.957模版 影响发射功率的因素 管芯温度:温度增加-功率下降 器件老化:功率下降光纤通信技术光发射机与光接收机温度控
14、制和功率控制作用，就是消除温度变化和器件老化影响, 稳定发射机性能，采取的稳定方法有：温度控制；自动功率控 制窄线宽 DFB 激光器EA调制器精密 温度控制恒定 电流控制10Gb/s 电压驱动器10Gb/s NRZ码 光发射机结构框图光纤通信技术光发射机与光接收机温度控制：DFB-LD组件温控电路通常由比例放大、PID（ 比例-积分-微分）电路、 电流放大 组成 控制精度可到0.01C 波长稳定性可达200MHz/24小时 目前N2.5Gb/s系统中，主要采用 这一技术激光器导热制冷器热敏电阻温度控制电路PDR1=10k，T1=298K，B=3887+/-34K光纤通信技术光发射机与光接收机波
15、长控制工作原理：将激光器输出波长与一标准波长（参考波长）进行比较， 测得波长漂移信息，反馈控制管芯温度，由此控制激光器的输出波长WDM signalWavelength Reference.Temperature ControllerPin-PDLog Amp.Error signal波长稳定性：100MHz/12小时光纤通信技术光发射机与光接收机自动功率控制（APC）DFB-LD组件激光器导热制冷器热敏电阻温度控制电路PD自动功率控制（APC）电路偏置电流峰值功率控制：偏置电流控制调制电流幅值控制 平均功率控制：偏置电流控制光纤通信技术光发射机与光接收机其它控制电路： 光源慢启动保护电路 激光器反向冲击电流保护电路 激光器过流保护电路 激光器关断电路光纤通信技术光发射机与光接收机光接收机的构成光信号光电 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）光纤通信技术光发射机
