第五章光無源器件與光放大器

1第5章 光無源器件與光放大器

2本章內容、重點和難點本章內容無源光器件：光連接器、光衰減器、光耦合器/WDM、光隔離器等。光放大器本章重點無源光器件的功能及主要性能。EDFA的原理及應用本章難點光放大機理第3章通信用光器件3學習本章目的和要求掌握無源光器件的功能及主要性能。掌握EDFA的原理及應用。第3章通信用光器件4光器件概述作用:實現(xiàn)光信號的連接、能量分路/合路、波長復用/解復用、光路轉換、能量衰減、方向阻隔、光-電-光轉換、光信號放大、光信號調制等功能。是構成光纖通信系統(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。類型：無源、有源包括：光連接器、光衰減器、光耦合器、光復用器、光隔離器、環(huán)行器、光濾波器、光解復用器、光調制器、光開光、激光器、光檢測器、光放大器、光波長轉換器等發(fā)展趨勢：集成化、全光纖化5ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products6

無源光器件是指不涉及光電能量轉換的器件，它們也是構成光纖傳輸系統(tǒng)的重要部分。對于未來先進靈活的光纖通信系統(tǒng)而言，光無源器件的使用將會越來越多。光無源器件可分為連接用的部件和功能性部件兩大類：連接用的部件有各種光連接器，用做光纖和光纖、部件（設備）和光纖、或部件（設備）和部件（設備）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、光開關和光隔離器等，用于光的分路、耦合、復用、衰減等方面。

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

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源組件”。光纖連接器主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)中設備與設備、設備與儀表、設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成由三個部分組成的：兩個配合插頭和一個耦合管。兩個插頭裝進兩根光纖尾端；耦合管起對準套管的作用。如圖所示。光纖活動連接器基本結構9

目前主要采用的光纖連接器多采用插針－套筒結構，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)氧樹脂類粘結劑固定。將插針體a、b同時插入套筒中，利用插針和套筒之間通過精密公差配合保證兩根光纖的軸對準，再采用彈簧等機械裝置緊固，實現(xiàn)光纖的活動連接。10

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

光纖連接時引起的損耗與多種因素

有關，諸如光纖的結構參數(shù)（如纖芯直

徑、數(shù)值孔徑等）、光纖的相對位置

（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計可調光衰減器的理論基礎？175.1.1

光纖連接器（5）光纖連接器的關鍵參數(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方面：一個是器件本身存在的固有損耗，另一個是由于器件的接入在光纖線路連接點上產生的連接損耗插入損耗的波長響應(譜響應)：波長變化時插入損耗的變化：

L=f（λ）ComponentInputsignalsReflectedsignalsOutputsignals185.1.1

光纖連接器②回波損耗（或稱反射損耗、回損、回程損耗），是衡量從連接器反射回來并沿輸入通道返回的輸入功率分量的一個度量值，該值越大越好。其典型值應不小于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重復性，即每次插拔時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械磨損情況決定。一般大于10萬次。195.1.2

光纖耦合器

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

1．耦合器類型（1）T形耦合器（2）星形耦合器（3）定向耦合器（4）波分復用器/解復用器（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，用熔拉雙錐技術使熔融區(qū)光纖的包層合并成同一包層，纖芯變細、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為有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和波長的耦合系數(shù)。

1，221直通臂耦合臂225.1.2光纖耦合器

設特定波長為λ1和λ2，選擇光纖參數(shù)，調整有效作用長度，使

*當光纖a的輸出Pa(λ1)最大時，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；

*當Pa(λ2)=0時，Pb(λ2)最大。對于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長隔離度大于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來分析:輸入場強a1a2b1b2S11S22S21S12輸出場強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，輸出場強：a1a2b1b225263dBcoupler27285.1.2光纖耦合器

3．介質膜型濾波器WDM(微器件型)原理:基于多層介質薄膜的反射/透射原理，由光學厚度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構成，類似F-P標準具。1/21/41/41輸入123HLHLHHLHLH反射23透射1295.1.2光纖耦合器

8波長DWDM器件的結構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定向耦合器為例來說明。（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（用百分數(shù)表示）耦合比是指一個輸出端口（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應從端2和端3輸出，端4理論上應無光功率輸出。但實際上端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穩(wěn)定地、準確地減小信號光功率的無源光器件。光衰減器主要用于調整中繼段的線路衰減，測量光系統(tǒng)的靈敏度及校正光功率計等。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濾光片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)中的反射光對器件性能的影響甚至損傷，即只允許光單向傳輸。主要指標：低的插入損耗(對正向入射光，~1dB)高的隔離度(對反向反射光，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生的反射光再次進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。主要技術指標是插入損耗和隔離度。偏振器法拉弟旋轉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器楔形雙折射晶體自聚焦棒楔形雙折射晶體法拉第旋轉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

光隔離器開發(fā)設計：方案分析、光學指標分解、理論計算、元件設計選型、仿真驗證、樣品試制、工藝設計等*理論計算舉例:

1)光路計算（射線法）光線軌跡的射線分析，關鍵參數(shù)值獲?。悍聪騩、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相關參數(shù)的研究（與θ0、晶片距離的關系）2）IL相關參數(shù)的研究（θ0、偏振器楔角、準直器的關系）405.1.4

光隔離器*元件的設計選取舉例1）起偏器、檢偏器的設計2）磁環(huán)的設計3）法拉第旋光器的選取4）準直器的設計415.1.4

光隔離器*制造工藝設計舉例光隔離器的制造將光準直器、Core組件、連接橋、外殼進行組裝，并對參數(shù)進行優(yōu)化。具體包括：

1）光準直器1與Core組件膠接固化配膠工藝、器件固化

2）調節(jié)耦合裝配組件與準直器2對中，

調節(jié)IL、ISO最優(yōu)后注膠

3）焊接：用焊錫固定連接橋和準直器

4）冷卻調校參數(shù)

5）老化

6）參數(shù)二次調校

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。裝置復雜、耗能多、不能同時放大多個波長信道，在WDM系統(tǒng)中復雜性和成本倍增，可實現(xiàn)1R、2R、3R中繼光放大器（O-O）多波長放大、低成本，只能實現(xiàn)1R中繼45光放大器的原理光放大器的功能：提供光信號增益，以補償光信號在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。在泵浦能量（電或光）的作用下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實現(xiàn)對入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件。其機制與激光器完全相同。實際上，光放大器在結構上是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。4610.1.1光放大器的分類按工作原理分類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)

摻銣光纖放大器(NDFA)等非線性效應光纖放大器

拉曼光纖放大(RFA)

布里淵光纖放大(BFA)等半導體光放大(SOA)按應用分類功率放大器、預放大器、線路放大器47幾種光放大器的比較放大器類型原理激勵方式工作長度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉光數(shù)米到數(shù)十米好容易無好半導體光放大器粒子數(shù)反轉電100m~1mm差很難大差光纖(喇曼)放大器光學非線性(喇曼)效應光數(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，在泵浦光作用下產生粒子數(shù)反轉，在信號光誘導下實現(xiàn)受激輻射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信號光與波長較其為短的光波(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，并可通過能級間的受激發(fā)射轉移為信號光的能量。信號光沿光纖長度得到放大，泵浦光沿光纖長度不斷衰減。49摻鉺光纖放大器的基本結構摻鉺光纖：當一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時，Er3+從低能級被激發(fā)到高能級上，由于在高能級上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級上，并在該能級和低能級間形成粒子數(shù)反轉分布。半導體泵浦二極管：為信號放大提供足夠的能量，使物質達到粒子數(shù)反轉。波分復用耦合器：將信號光和泵浦光合路進入摻鉺光纖中。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+能級結構泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡化能級示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產生噪聲自發(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是描述光放大器對信號放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號有很復雜的關系。輸出信號光功率輸入信號光功率2）EDFA工作特性52小信號增益G＝30dB時，增益對輸入光功率的典型依存關系輸入光功率較小時，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光放大器的小信號增益。G0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號增益一半時的輸出功率。3dBPout,sat當PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域53增益G與輸入光波長的關系增益譜G()：增益G與信號光波長的關系。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)和輸入信號光有關

1）小信號增益隨泵浦功率而變的曲線：對給定的EDF長度，增益先隨泵浦功率指數(shù)增加，達到一定值后變緩，并趨于恒定。

2）小信號增益隨鉺纖長度而變的曲線：當泵浦功率一定時，放大器在EDF某一最佳長度時獲得最大增益，過點后不能得到增益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時即為飽和輸出光功率

因此，在EDFA設計中，需要在選定摻鉺光纖結構參數(shù)的基礎上，考慮應用場景的要求，選擇合適的泵浦功率和鉺纖長度，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數(shù)值工作帶寬：增益特性下降到3dB時的全寬度噪聲系數(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：光放大器在放大過程中會把自發(fā)輻射（或散射，ASE噪聲）疊加在信號光上，導致被放大信號的信噪比下降。

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

3.5dB。EDFA級聯(lián)時噪聲

指數(shù)的有累積效應，這限

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

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

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

信噪比下降4dB（1）增益均衡技術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，動態(tài)調節(jié)泵浦源的光功率。10.2摻鉺光纖放大器603）EDFA結構與設計

EDFA包括光路結構和輔助電路兩大部分