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光纤通信光纤通信ppt第1页，共49页，编辑于2022年，星期四5.1 无源器件的几个常用性能参无源器件的几个常用性能参数数 1插入损耗 IL=2回波损耗 RL=3反射系数 R=第2页，共49页，编辑于2022年，星期四4工作波长范围 最小波长（最小波长（min）到最大波长（）到最大波长（max）的范围的范围5偏振相关损耗（PDL）对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值成的插入损耗的最大变化值6隔离度 第3页，共49页，编辑于2022年，星期四5.2 光纤和波导型无源光器件光纤和波导型无源光器件 5.2.1光连接器和光耦合器光连接器和光耦合器 1光连接器 光连接器的功能是将两根光纤连接起来光连接器的功能是将两根光纤连接起来影响光连接器的插入损耗的因素影响光连接器的插入损耗的因素:l被连接的两根光纤是否匹配被连接的两根光纤是否匹配l安装的精度安装的精度第4页，共49页，编辑于2022年，星期四2光耦合器（Couplers）光通信中经常需要把多个光信号耦合到一光通信中经常需要把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合起，或将光信号分到多根光纤中，光耦合器可以实现这些功能器可以实现这些功能简单的耦合器简单的耦合器常用的制造光耦合器的方法有研磨抛光法、常用的制造光耦合器的方法有研磨抛光法、熔融拉锥法和平面波导法熔融拉锥法和平面波导法第5页，共49页，编辑于2022年，星期四3波导耦合器 基本结构和基本原理与光耦合器类似基本结构和基本原理与光耦合器类似第6页，共49页，编辑于2022年，星期四5.2.2偏振控制器偏振控制器 1可转动光纤线圈型偏振控制器 第7页，共49页，编辑于2022年，星期四2挤压型偏振控制器 第8页，共49页，编辑于2022年，星期四5.2.3光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅 1光纤光栅滤波器 光纤中折射率周期性变化的结构光纤中折射率周期性变化的结构2啁啾光纤光栅 第9页，共49页，编辑于2022年，星期四5.2.4Mach-Zahnder滤波器滤波器 第10页，共49页，编辑于2022年，星期四M-Z滤波器由两个滤波器由两个3dB耦合器和两段长度不耦合器和两段长度不等的波导臂组成等的波导臂组成输入光功率输入光功率Pi经第一个经第一个3dB耦合器后等分为耦合器后等分为Pi1和和Pi2两部分两部分,光功率可以表示为光功率可以表示为第11页，共49页，编辑于2022年，星期四由于两波导的长度不同，传输时延不同，由于两波导的长度不同，传输时延不同，到达第二个到达第二个3dB耦合器时，两束光的电场耦合器时，两束光的电场强度可以表示为强度可以表示为第12页，共49页，编辑于2022年，星期四合成光波的电场强度和输出光功率可以表合成光波的电场强度和输出光功率可以表示为示为定义输出光功率与输入光功率的比值为透定义输出光功率与输入光功率的比值为透射率，透射率的表达式为射率，透射率的表达式为第13页，共49页，编辑于2022年，星期四5.2.55.2.5非线性环路镜非线性环路镜非线性环路镜非线性环路镜 非线性环路镜（非线性环路镜（Non-LinearOpticalLoopMirror，NOLM）是一个可以具有多种用途的快速开关器件，）是一个可以具有多种用途的快速开关器件，在消除脉冲序列的背景噪声、光时分复用（在消除脉冲序列的背景噪声、光时分复用（OTDM）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的应用系统和光逻辑器件的研究中有广泛的应用非线性环路镜的典型结构非线性环路镜的典型结构第14页，共49页，编辑于2022年，星期四输出光功率随输入功率的变化输出光功率随输入功率的变化非线性环路镜可以采用多种不同的结构，非线性环路镜可以采用多种不同的结构，实现不同的目的实现不同的目的,下图为改进的非线性环路下图为改进的非线性环路镜镜第15页，共49页，编辑于2022年，星期四非线性环路镜可以用于不同的系统中，实非线性环路镜可以用于不同的系统中，实现不同的目的现不同的目的下图为下图为NOLM可以作为一个光逻辑与门，可以作为一个光逻辑与门，在光时分复用（在光时分复用（OTDM）系统中实现解复）系统中实现解复用的功能用的功能第16页，共49页，编辑于2022年，星期四5.3 光学无源器件光学无源器件 5.3.1偏振分束器偏振分束器 双折射棱镜型偏振分束器双折射棱镜型偏振分束器第17页，共49页，编辑于2022年，星期四5.3.2光隔离器光隔离器 光隔离器结构和原理的示意图光隔离器结构和原理的示意图第18页，共49页，编辑于2022年，星期四5.3.2光隔离器光隔离器 光环行器是在光通信中应用广泛的微光学光环行器是在光通信中应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是器件，它具有多个端口，最常用的是3端口端口和和4端口器件端口器件第19页，共49页，编辑于2022年，星期四光环行器可以有不同的结构，可以使用不光环行器可以有不同的结构，可以使用不同的器件构成，但其最基本的原理是利用同的器件构成，但其最基本的原理是利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输3端口光环行器的结构以及端口端口光环行器的结构以及端口1到端口到端口2的的光路图光路图第20页，共49页，编辑于2022年，星期四5.3.4自聚焦透镜自聚焦透镜 自聚焦透镜（自聚焦透镜（GRIN）是应用广泛的无源光）是应用广泛的无源光器件，主要作用是准直光束器件，主要作用是准直光束自聚焦光纤的折射率分布近似为自聚焦光纤的折射率分布近似为自聚焦透镜中光线的轨迹自聚焦透镜中光线的轨迹第21页，共49页，编辑于2022年，星期四在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹r（z）及其导数为及其导数为在自聚焦透镜中，入射光线的轨迹是一条在自聚焦透镜中，入射光线的轨迹是一条正弦曲线，而且所有的入射光线都有相同正弦曲线，而且所有的入射光线都有相同的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示为为Ln第22页，共49页，编辑于2022年，星期四5.3.5F-P腔滤波器腔滤波器 第23页，共49页，编辑于2022年，星期四两束透射波两束透射波A1和和A2的路程差为的路程差为相位差为相位差为当相位差为当相位差为2 的整数倍时，所有的透射波的整数倍时，所有的透射波同相相长，形成强的输出光束，对应的透同相相长，形成强的输出光束，对应的透射波长为射波长为m=1，2，3，第24页，共49页，编辑于2022年，星期四5.3.6光栅光栅 光栅形状光栅形状基本的光栅方程可以表示为基本的光栅方程可以表示为k=1，2，3，第25页，共49页，编辑于2022年，星期四角色散本领和色分辨本领是角色散元件的角色散本领和色分辨本领是角色散元件的主要性能指标主要性能指标角色散本领是相距为单位波长的光波散开角色散本领是相距为单位波长的光波散开角度，其表达式为角度，其表达式为色分辨本领定义为色分辨本领定义为光栅的角色散本领为光栅的角色散本领为色分辨本领为色分辨本领为第26页，共49页，编辑于2022年，星期四5.4 波分复用、解复用器件波分复用、解复用器件 对波分复用器件的主要要求是：对波分复用器件的主要要求是：插入损耗小，隔离度大，串扰小；插入损耗小，隔离度大，串扰小；带内平坦，带外插入损耗变化陡峭；带内平坦，带外插入损耗变化陡峭；温度稳定性好，工作稳定、可靠；温度稳定性好，工作稳定、可靠；复用通路数多，各路插入损耗相差不大，复用通路数多，各路插入损耗相差不大，尺寸小尺寸小第27页，共49页，编辑于2022年，星期四波分复用、解复用器件的性能参数波分复用、解复用器件的性能参数l插入损耗插入损耗l回波损耗回波损耗l反射系数反射系数l偏振相关损耗偏振相关损耗l中心波长和通带特性中心波长和通带特性中心波长是指各信道的中心波长中心波长是指各信道的中心波长通带特性是指波分复用器的各个信道的滤波特性，可以用通带特性是指波分复用器的各个信道的滤波特性，可以用0.5dB带宽、带宽、3dB带宽和带宽和20dB带宽来表示带宽来表示l信道隔离度和串扰信道隔离度和串扰信道隔离度定义信道隔离度定义隔离度和串扰是一对相关联的参数，其绝对值相等，符号相反隔离度和串扰是一对相关联的参数，其绝对值相等，符号相反第28页，共49页，编辑于2022年，星期四5.4.1光栅型复用、解复用器光栅型复用、解复用器 光栅型解复用器的三种结构光栅型解复用器的三种结构第29页，共49页，编辑于2022年，星期四光栅型解复用器是一种并行器件，它可以光栅型解复用器是一种并行器件，它可以同时分开多路不同波长的信号，使各路的同时分开多路不同波长的信号，使各路的插入损耗都一样，具有解复用路数多，分插入损耗都一样，具有解复用路数多，分辨率较高等优点，目前被广泛应用于辨率较高等优点，目前被广泛应用于DWDM系统中系统中第30页，共49页，编辑于2022年，星期四5.4.2干干涉涉膜膜滤滤波波器器型型复复用用、解解复用器件复用器件 基本的干涉膜滤波器型解复用器件的结构基本的干涉膜滤波器型解复用器件的结构第31页，共49页，编辑于2022年，星期四5.4.3阵阵列列波波导导光光栅栅型型复复用用、解复用器解复用器 阵列波导光栅型（阵列波导光栅型（ArrayedWavequideGrating，AWG）复用、解复用器的原理结构和复用、解复用器的原理结构和输出特性输出特性第32页，共49页，编辑于2022年，星期四随着复用波长数的不断增加，一种称为波随着复用波长数的不断增加，一种称为波长交织器的复用、解复用器问世长交织器的复用、解复用器问世这种器件是一种梳状滤波器，可以对信号这种器件是一种梳状滤波器，可以对信号的频谱进行梳理和交织，也称为光数字波的频谱进行梳理和交织，也称为光数字波分复用器分复用器第33页，共49页，编辑于2022年，星期四5.5 光光 开开 关关 光开关是构成光网络中光交叉连接光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC）和光分插复用（）和光分插复用（OADM）设备的）设备的核心器件，也是光网络实现保护倒换的必核心器件，也是光网络实现保护倒换的必需器件，其主要性能除了插入损耗、隔离需器件，其主要性能除了插入损耗、隔离度、开关速度和偏振敏感性等外，还有消度、开关速度和偏振敏感性等外，还有消光比和阻塞性质光比和阻塞性质消光比是指开关消光比是指开关on和和off时输出功率之比时输出功率之比（常用（常用dB表示），阻塞性质是指任一输入表示），阻塞性质是指任一输入端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的性质端的性质第34页，共49页，编辑于2022年，星期四5.5.1机械光开关机械光开关 机械光开关可以分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动机械光开关可以分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器等多种类型反光镜、移动棱镜和移动耦合器等多种类型图示为三种采用不同技术的开关结构：移动光纤、移动棱镜和转图示为三种采用不同技术的开关结构：移动光纤、移动棱镜和转动反射镜动反射镜第35页，共49页，编辑于2022年，星期四5.5.2微机械光开关微机械光开关 MEMS器件基本原理是通过静电的作用使器件基本原理是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变输可以活动的微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。入光的传播方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有体低偏振敏感性和高消光比的优点，又有体积小、易于大规模集成等优点，非常适合积小、易于大规模集成等优点，非常适合于骨干网或大型交换业务的应用场合。于骨干网或大型交换业务的应用场合。分为二维结构和三维结构分为二维结构和三维结构第36页，共49页，编辑于2022年，星期四自由空间自由空间MEMS光开关原理图光开关原理图第37页，共49页，编辑于2022年，星期四三维三维MEMS光开关光开关第38页，共49页，编辑于2022年，星期四5.5.3热光开关热光开关 基本结构有两种：一种是基本结构有两种：一种是Y型分路器结构型分路器结构另一种是另一种是MuchZahnder（MZI）干涉仪）干涉仪型结构型结构第39页，共49页，编辑于2022年，星期四5.5.4其它类型的光开关其它类型的光开关 1LiNbO3波导型电光开关 利用电光效应达到改变波导材料的折射率利用电光效应达到改变波导材料的折射率来实现的光开关来实现的光开关开关速度快、集成方便，是未来光交换技开关速度快、集成方便，是未来光交换技术中需要的高速器件术中需要的高速器件2半导体光放大器门型开关 第40页，共49页，编辑于2022年，星期四3喷墨气泡光开关 第41页，共49页，编辑于2022年，星期四5.6 WDM光纤传输系统光纤传输系统 5.6.1波波分分复复用用（WDM）、密密集集波波分分复复用用（DWDM）和和光光频频分分复用（复用（OFDM）本质上都是光波长分割复用（或光频率分本质上都是光波长分割复用（或光频率分割复用），所不同的是复用信道波长间隔割复用），所不同的是复用信道波长间隔不同不同第42页，共49页，编辑于2022年，星期四目前目前WDM系统主要指密集波分复用系统，它的主系统主要指密集波分复用系统，它的主要优点为：要优点为：（1）充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传）充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本；输容量，降低成本；（2）对各信道传输的信号的速率、格式具有透明性，有）对各信道传输的信号的速率、格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容；利于数字信号和模拟信号的兼容；（3）节省光纤和光中继器，便于对已建成的系统进行扩）节省光纤和光中继器，便于对已建成的系统进行扩容；容；（4）可提供波长选路，使建立透明、灵活、具有）可提供波长选路，使建立透明、灵活、具有高度生存性的高度生存性的WDM光通信网成为可能光通信网成为可能第43页，共49页，编辑于2022年，星期四5.6.2波分复用系统的构成波分复用系统的构成 WDM系统可以分为单向传输方式和双向传输方式系统可以分为单向传输方式和双向传输方式单向单向WDM系统的组成系统的组成第44页，共49页，编辑于2022年，星期四双向双向WDM光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成第45页，共49页，编辑于2022年，星期四5.6.3WDM系统的标称波长系统的标称波长 ITU-T已建议已建议193.1THz（即（即1552.52nm）值作为）值作为WDM的参考频率，从而为的参考频率，从而为WDM光信号提供较高的频率精光信号提供较高的频率精度和频率稳定度。度和频率稳定度。WDM的通道间隔是指相邻通路间的标称频率差，的通道间隔是指相邻通路间的标称频率差，可以是均匀间隔，也可以是非均匀间隔的，适当设可以是均匀间隔，也可以是非均匀间隔的，适当设计的非均匀间隔可以用来抑制计的非均匀间隔可以用来抑制G.653光纤中的四波光纤中的四波混频效应（混频效应（FWM），减小非线性串扰。），减小非线性串扰。中心频率偏移定义为标称中心频率与实际中心频率中心频率偏移定义为标称中心频率与实际中心频率之差。之差。第46页，共49页，编辑于2022年，星期四5.6.4波分复用系统的管理技术波分复用系统的管理技术 根据我国国标的规定，光监控信道应满足以下条件：根据我国国标的规定，光监控信道应满足以下条件：（1）监控通路不限制光放大器的泵浦波长；）监控通路不限制光放大器的泵浦波长；（2）监控通路不应限制两线路放大器之间的距离；）监控通路不应限制两线路放大器之间的距离；（3）监控通路不能限制未来在）监控通路不能限制未来在1310nm波长的业务；波长的业务；（4）线路放大器失效时监控通路仍然可用；）线路放大器失效时监控通路仍然可用；（5）OSC传输应该是分段的且具有传输应该是分段的且具有3R功能和双向传输功能，在功能和双向传输功能，在每个光放大器中继站上，信息能被正确的接收下来，而且还可附加每个光放大器中继站上，信息能被正确的接收下来，而且还可附加上新的监控信号；上新的监控信号；（6）只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许）只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许OSC在双在双方向传输，以防一旦一根光纤被切断后，监控信息仍然能被线方向传输，以防一旦一根光纤被切断后，监控信息仍然能被线路终端接收到。路终端接收到。第47页，共49页，编辑于2022年，星期四点到点线路保护主要有两种保护方式点到点线路保护主要有两种保护方式：l基于单个波长，即在通道层实施的基于单个波长，即在通道层实施的1+1或或1:N的保护的保护l基于光复用段上保护，即在光路上，同时基于光复用段上保护，即在光路上，同时对多波长信号进行保护，这种保护也称为对多波长信号进行保护，这种保护也称为光复用段共享保护（光复用段共享保护（OMSP）第48页，共49页，编辑于2022年，星期四5.6.55.6.5大容量大容量大容量大容量WDMWDM实验系统的示例实验系统的示例实验系统的示例实验系统的示例 10.92Tbit/s三波段、超密集三波段、超密集WDM实验系统实验系统第49页，共49页，编辑于2022年，星期四