光纤通信第05章
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光纤通信知识点归纳
第1章概述1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、1.31μm及1.55μm。
2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。
2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。
3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
特性参数：灵敏度4）一般地，大容量、长距离光纤传输 : 单模光纤+半导体激光器LD小容量、短距离光纤传输 : 多模光纤+半导体发光二极管LED5）光纤线路系统：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
组成：光纤、光纤接头和光纤连接器要求：较小的损耗和色散参数3、光纤通信的特点：优点：（1），传输频带宽，通信容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长：石英光纤损耗低达0.19 dB/km，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。
光纤通信第五版_第五章讲义02
GRIN光纤中的脉冲畸变
n12 GRIN光纤的模式展宽近似计算公式为： L 2c (5.19)
回忆 SI光纤的模式展宽公式：
n1 L c
GRIN光纤模式展宽减小的系数为：
n1 L SI c 2 n12 L 2 c GRIN
5.6.2 单模光纤中的脉冲畸变
单模光纤仅有色散（材料色散和波导色散），在0.8 0.9 mm 区间内，材料色散占主要地位。 下页将给出单模光纤的脉冲展宽图，图中的脉冲展宽由材 料色散造成
结论：
由于多模SI光纤的模式畸变占主导地位，色散与之相比
很小，光源线宽造成的色散展宽不是主要考虑因素，所以
用 LED还是LD区别不大。
2 0
单 位 长 度 脉 冲 展 宽 (ns/km)
LED
l = 0.7 mm 0.8 0.9
0.025 0.05 0.1 0.25 0.5
3-dB 带 宽 距 离 积 (GHz*km)
由于
L 在0.5到1ns/km左右 mod
5 2 1 0.2 0.1 1
1.4 ns/km
(4) 没有模式畸变
快速传输区域 a 0 a
轴向光纤
n1
0 高阶模光线
5.6 26
n(r)
5.6 25
GRIN光纤中的脉冲畸变
GRIN光纤中的脉冲畸变
轴向光线传输距离最小其传输速度为：
高阶模光纤传输的距离长，但是其中部分时间高阶模传输
区域的折射率小因此根据速度计算公式
v
c n1
回忆纤芯折射率分布为：
传输光纤
5.6 15 5.6 16
Prepared by John Mc Fadden
光纤通信基本知识ppt课件
VC-3
VC-4
复用段层网络 再生段层网络 物理层网络
27
电路层
低阶 高阶
通道层
SDH 传送层
段层 传输 媒质层
完整最新ppt
SDH的承载业务
L5~7
Application
L4
TCP/UDP
L3
IP
L2 ATM FR PPP/HDLC LAPS SDL
L1
SDH
L0
WDM
FR: Frame Relay
6
7
MSOH
8
9
23
9列
261列
完整最新ppt
SDH开销字节的分层
分支
分支
--分支组装
POH
--分支取出
POH插入 MSOH
MSOH
POH提取 MSOH
插入
提取
RSOH RSOH RSOH RSOH RSOH
插入
提取/插入
提取
载波
载波
光接口
光接口
光接口
物理线路
物理线路
终端
再生器
终端
通道层 复用层 再生层 物理层
21
完整最新ppt
SDH的比特率
等级 STM-1
速率（Mb/s） 155.520
STM-4
622.080
STM-16 2488.320
STM-64 9953.280
22
完整最新ppt
SDH的帧结构
STM-1的帧结构
125us 9x270=2430个字节
第1行
2
RSOH
3
4 AU PTR
5
净荷（含POH）
35
光纤通信第五章3用课件
27
（2）增益平坦控制技术
目前EDFA的增益平坦技术主要可分为两 大类：一是研究设计自身增益平坦EDFA， 如经过优化设计EDFA(粒子数强烈反转法、 增益互补法)，特种光纤等等；二是EDFA 外部采用各种增益均衡技术，如衰减法、 单独放大法、滤波法(插入各种无源光滤波 器，如M—z滤波器、声光可调滤波器、镀 介质膜的滤波器光纤环镜和光纤光栅)等
NF( f ) SNRin SNRout
NF (实际 E） N(等 F 效分立放 •ex大 1p(L 器 ) ）
39
4.多波长泵浦时的组合增益谱
（OFC2001）
设计宽带RAMAN放大器不仅要考虑信号和泵浦之间的受激 喇曼散射，还要考虑 ➢ 信号和信号之间的受激喇曼散射 ➢ 泵浦和泵浦之间的受激喇曼散射 ➢ 双径后向瑞利散射
（2）输出功率特性
15
（3）EDFA的增益变化曲线
信 号 增 (益d B )
40
EDFA的增益与泵浦功率、
35
输入功率和EDF的长度有关，
30
25
EDF存在最佳长度。
20
泵浦功率: 90mW
15
泵浦功率: 50mW 泵浦功率: 30mW
10
5
35
12
0
30
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 掺 铒 光 纤 长 度 (m)
8
5.5.3 掺铒光纤放大器
(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)
1．EDFA的工作原理
9
1、掺铒光纤放大器原理
a) 三能级跃迁
1μs
铒是镧系稀土元素,原子序数是68, 原子量为167.3, 利用其4f能级
（2）增益平坦控制技术
目前EDFA的增益平坦技术主要可分为两 大类：一是研究设计自身增益平坦EDFA， 如经过优化设计EDFA(粒子数强烈反转法、 增益互补法)，特种光纤等等；二是EDFA 外部采用各种增益均衡技术，如衰减法、 单独放大法、滤波法(插入各种无源光滤波 器，如M—z滤波器、声光可调滤波器、镀 介质膜的滤波器光纤环镜和光纤光栅)等
NF( f ) SNRin SNRout
NF (实际 E） N(等 F 效分立放 •ex大 1p(L 器 ) ）
39
4.多波长泵浦时的组合增益谱
（OFC2001）
设计宽带RAMAN放大器不仅要考虑信号和泵浦之间的受激 喇曼散射，还要考虑 ➢ 信号和信号之间的受激喇曼散射 ➢ 泵浦和泵浦之间的受激喇曼散射 ➢ 双径后向瑞利散射
（2）输出功率特性
15
（3）EDFA的增益变化曲线
信 号 增 (益d B )
40
EDFA的增益与泵浦功率、
35
输入功率和EDF的长度有关，
30
25
EDF存在最佳长度。
20
泵浦功率: 90mW
15
泵浦功率: 50mW 泵浦功率: 30mW
10
5
35
12
0
30
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 掺 铒 光 纤 长 度 (m)
8
5.5.3 掺铒光纤放大器
(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)
1．EDFA的工作原理
9
1、掺铒光纤放大器原理
a) 三能级跃迁
1μs
铒是镧系稀土元素,原子序数是68, 原子量为167.3, 利用其4f能级
光纤通信课后答案
全书习题参考答案第1章概述1.1 填空题（1）光导纤维（2）掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用(WDM) 非零色散光纤(NIDSF) 光电集成(OEIC)（3）0.85µm 1.31µm 1.55µm 近红外（4）光发送机 光接收机 光纤链路（5）光纤 C=BW×log2(1+SNR) 信道带宽（6）大 大（7）带宽利用系数（8）可重构性可扩展性透明性兼容性完整性生存性1.2 解：利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。
即以光波为载频，以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。
1.3 解：（1）传输频带宽，通信容量大（2）传输距离长（3）抗电磁干扰能力强，无串音（4）抗腐蚀、耐酸碱（5）重量轻，安全，易敷设（6）保密性强(7) 原料资源丰富1.4 解：在光纤通信系统中，最基本的三个组成部分是光发送机、光接收机和光纤链路。
光发送机由电接口、驱动电路和光源组件组成。
其作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光接收机是由光检测器组件、放大电路和电接口组成。
其作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
光纤链路由光纤光缆、光纤光缆线路(接续)盒、光缆终端盒、光纤连接器和中继器等构成。
光纤光缆用于传输光波信息。
中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。
光缆线路盒：将光缆连接起来。
光缆终端盒：将光缆从户外引入到室内，将光缆中的光纤从光缆中分出来。
光纤连接器：连接光纤跳线与光缆中的光纤。
1.5解：“掺铒光纤放大器(EDFA)+波分复用(WDM)+非零色散光纤(NIDSF)+光电集成(OEIC)”正成为国际上光纤通信的主要发展方向。
1.6 解：第一阶段（1966~1976年），实现了短波长（0.85µm）、低速（45或34 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。
第二阶段（1976~1986年），光纤以多模发展到单模，工作波长以短波（0.85um）发展到长波长，实现了波长为1.31µm、传输速率为140~165Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50~100km。
光纤通信概论课件
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光纤放大技术
总结词
简化网络结构
详细描述
光纤放大技术简化了网络结构，减少了中继 站的数量，降低了网络的复杂性和成本。这 有助于提高网络的可靠性和可维护性，降低 运营和维护成本。
光纤放大技术
总结词
推动光网络发展
详细描述
光纤放大技术是推动光网络发展的重要支撑 技术之一。它促进了光网络的规模应用和发 展，使得光网络成为现代通信网络的主流技
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物或孔隙时，会绕过障碍物或孔隙继续传播的现象。 衍射是光波的波动性的另一重要表现，它也是光学仪器和光通信中常用的技术手 段。
光的全反射
• 光的全反射：当光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大 于某一临界角，光波将在界面上完全反射回光密介质，而不能 进入光疏介质的现象。全反射是光纤通信中的重要原理之一， 它使得光波能够在光纤中实现低损耗、长距离的传输。
光纤通信面临的挑战
技术成熟度
虽然光纤通信技术已经取得了长 足的进步，但在一些特殊环境和 应用场景中，技术成熟度仍需进
一步提高。
成本与投资
光纤通信系统的建设和维护成本较 高，需要大量的资金投入，同时也 需要探索更加有效的商业模式。
网络安全与隐私
随着光纤通信网络的普及，网络安 全和隐私保护问题也日益突出，需 要加强技术和管理措施，保障网络 的安全和用户的隐私。
军事领域
光纤通信在军事领域中具有保 密性好、抗电磁干扰等优点， 广泛应用于军事通信。
企业和校园网络
光纤通信也广泛应用于企业和 校园网络的建设，提供高速、 稳定的数据传输服务。
02
光纤通信系统组成
光源和光发送机
光源
光纤通信基础知识ppt课件
应用场景
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光纤通信原理全套讲解课件
如果今后采用非石英光纤，并工作在 超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可 以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信 的中继距离可达数千，甚至数万公里。
3. 抗电磁干扰能力强
我们知道，电话线和电缆一般是不能 跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁 化路附近铺设。
4. 保密性能好
对通信系统的重要要求之一是保密性好。 然而，随着科学技术的发展，电通信方式 很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近 (甚至几公里以外)设置一个特别的接收装 置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。 更不用去说无线通信方式。
2.1 光纤的结构与类型 2.2 光纤的射线理论分析 2.3 均匀光纤的波动理论分析 2.4 光 缆
2.1 光纤的结构与类型
2.1.1 光纤的结构
光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导 光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是 由多层透明介质构成的，一般可以分为三 部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的 包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。
第一章 概 述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性 1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
到了1880年，贝尔发明了第一个光电 话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通 信的开端。
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在 话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱 变化的反射光束，这个过程就是调制。
反射定律：反射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，反射光线和入射光 线处于法线的两侧，并且反射角等于入射
角，即：θ1′＝θ1。
折射定律 ：折射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，折射光线和入射光 线位于法线的两侧，且满足：
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波长转换器
双向WDM光纤通信系统的组成
5.6.4 波分复用系统的管理技术
光监控信道（OSC）可以减少系统故障几率、故障修复 时间，增强网络生存性，降低运行、维护和管理成本。
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； （2）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1310nm波长的业务； （4）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3R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，而且还可附加上新的监控信号；
相位差为 2 l n
当相位差为2的整数倍时，所有的透射波同
相相长，形成强的输出光束，对应的透射波
长为
T
2nl cos
m
m 1, 2,3,
5.3.6 光栅
光栅形状
基本的光栅方程可以表示为
k b(sinin sind )
k = 1，2，3，…
角色散本领和色分辨本领是角色散元件的主 要性能指标 。 角色散本领是相距为单位波长的光波散开角 度，其表达式为 D
第五章 无源光器件和WDM技术
5.1 无源器件的几个常用性能参数 5.2 光纤和波导型无源光器件 5.3 光学无源器件 5.4 波分复用、解复用器件 5.5 光 开 关 5.6 WDM光纤传输系统
5.1 无源器件的几个常用性能参数
1．插入损耗
IL
=
10 log( p1 ) p0
2．回波损耗
RL
（2）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；
（3）节省光纤和光中继器，便于对已建成的系 统进行扩容；
（4）可提供波长选路，使建立透明、灵活、具 有高度生存性的WDM光通信网成为可能。
5.6.2 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 单向WDM系统的组成
（6）只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许OSC在 双方向传输，以防一旦一根光纤被切断后，监控信息仍 然能被线路终端接收到。
由于波分复用系统的容量很大，且常用于网 络生存性要求较高的干线网和城域网中，其 安全性能特别重要，需要进行点到点线路保 护。
点到点线路保护主要有两种保护方式 ：
基于单个波长，即在通道层实施的1+1或 1:N的保护
三维MEMS光开关
5.5.3 热光开关
基本结构有两种：Y型分路器结构
Much－Zahnder（MZI）干涉仪型结构
5.5.4 其它类型的光开关
1．LiNbO3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 来实现的光开关 。 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。
E1
A ei (tL1 / v) il 2
E2
A ei(tL2 / v) il 2
合成光波的电场强度和输出光功率可以表
示为 E E1 E2
A [ei (tL1 / v) ei(tL2 / v) ]il 2
p0
E
E*
A2 2
[1
cos (L1
v
作业： P.209 4，9
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 称为光复用段共享保护（OMSP）
5.6.5 大容量WDM实验系统的示例
10.92Tbit/s三波段、超密集WDM实验系统
小结
无源器件
光纤和波导型无源器件 光学无源器件
波分复用、解复用器件 光开关 WDM光纤传输系统
2．半导体光放大器门型开关
5.6 WDM光纤传输系统
5.6.1 WDM、DWDM和OFDM
光纤传输系统的目的： 提高传输速率和扩大传输容量
相同：本质上都是光波长分割复用（或光频 率分割复用）
不同：复用信道波长间隔不同
目前WDM系统主要指密集波分复用系统，它的 主要优点为：
（1）充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光 纤的传输容量，降低成本；
消光比是指开关on和off时输出功率之比（常 用dB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性质 。
5.5.1 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 棱镜和转动反射镜
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。
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 分复用器 。
5.5 光 开 关
光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC） 和光分插复用（OADM）设备的核心器件， 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、隔离度、开关速度和 偏振敏感性等外，还有消光比和阻塞性质 。
5.3.4 自聚焦透镜
自聚焦透镜（GRIN）是应用广泛的无源光 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
n(r
)
n0
(1
1 2
2r
2
)
2
a
自聚焦透镜中光线的轨迹
在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹r（z）
及其导数为
r(z)
r0
cos
z
r0
sin
z
r(z)' r0 sinz r0' cosz
r0
dr dz
z0 ,
Ln
2
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
的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示
为Ln 。
5.3.5 F-P腔滤波器
两束透射波A1和A2的路程差为
l AB BC l l cos 2 2l cos cos cos
5.2.4 Mach-Zahnder滤波器
M-Z滤波器由两个3dB耦合器和两段长度 不等的波导臂组成
输入光功率Pi经第一个3dB耦合器后等分为 Pi1和Pi2两部分,光功率可以表示为
pi Ei Ei
Ei Aeit il
pi1
pi2
Ei2 2
A2 2
由于两波导的长度不同，传输时延不同， 到达第二个3dB耦合器时，两束光的电场 强度可以表示为
非线性环路镜的典型结构
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，实 现不同的目的,下图为改进的非线性放大环 路镜
非线性环路镜可以用于不同的系统中，实现 不同的目的
NOLM可以作为一个光逻辑与门，在光时分 复用（OTDM）系统中实现解复用的功能
5.3 光学无源器件
5.3.1 偏振分束器
5.2 光纤和波导型无源光器件
5.2.1 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 影响光连接器的插入损耗的因素 : 被连接的两根光纤是否匹配 安装的精度
2．光耦合器（Couplers）
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 器可以实现这些功能
5.5.2 微机械光开关
微电机械（MEMS）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， 从而改变输入光的传播方向。
MEMS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 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。
二维MEMS光开关
色分辨本领定义为
min
光栅的角色散本领为 D k
2d cos
光栅的色分辨本领为 Nk
5.4 波分复用、解复用器件
波分复用(WDM): 是指将两种或多种各自携带有大量信
息的不同波长的光载波信号，在发射端经 复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中 进行传输，在接收端通过解复用器对各种 波长的光载波信号进行分离，然后由光接 收机做进一步的处理，使原始信号复原。
双折射棱镜型偏振分束器
5.3.2 光隔离器
法拉第电磁旋转效应
5.3.2 光环行
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3端口 和4端口器件
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法拉第电 磁旋转效应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ现光的单向传输。
3端口光环行器的结构以及端口1到端口2的光路图
=
10 log( pr ) p0
3．反射系数
R = 10log( pr )
p0
4．工作波长范围
最小波长（min）到最大波长（max）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 成的插入损耗的最大变化值
6．隔离度
IS log( pblock / p0 )
L2 )]
A2
cos2[
v
(L1
L2 )]
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
T
Po
/
pi
cos2[
v
(L1
L2 )]
5.2.5 非线性环路镜
非线性环路镜（Non-Linear Optical Loop Mirror， NOLM）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 （OTDM）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的 应用
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； 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； 复用通路数多，各路插入损耗相差不大， 尺寸小
双向WDM光纤通信系统的组成
5.6.4 波分复用系统的管理技术
光监控信道（OSC）可以减少系统故障几率、故障修复 时间，增强网络生存性，降低运行、维护和管理成本。
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； （2）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1310nm波长的业务； （4）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3R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，而且还可附加上新的监控信号；
相位差为 2 l n
当相位差为2的整数倍时，所有的透射波同
相相长，形成强的输出光束，对应的透射波
长为
T
2nl cos
m
m 1, 2,3,
5.3.6 光栅
光栅形状
基本的光栅方程可以表示为
k b(sinin sind )
k = 1，2，3，…
角色散本领和色分辨本领是角色散元件的主 要性能指标 。 角色散本领是相距为单位波长的光波散开角 度，其表达式为 D
第五章 无源光器件和WDM技术
5.1 无源器件的几个常用性能参数 5.2 光纤和波导型无源光器件 5.3 光学无源器件 5.4 波分复用、解复用器件 5.5 光 开 关 5.6 WDM光纤传输系统
5.1 无源器件的几个常用性能参数
1．插入损耗
IL
=
10 log( p1 ) p0
2．回波损耗
RL
（2）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；
（3）节省光纤和光中继器，便于对已建成的系 统进行扩容；
（4）可提供波长选路，使建立透明、灵活、具 有高度生存性的WDM光通信网成为可能。
5.6.2 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 单向WDM系统的组成
（6）只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许OSC在 双方向传输，以防一旦一根光纤被切断后，监控信息仍 然能被线路终端接收到。
由于波分复用系统的容量很大，且常用于网 络生存性要求较高的干线网和城域网中，其 安全性能特别重要，需要进行点到点线路保 护。
点到点线路保护主要有两种保护方式 ：
基于单个波长，即在通道层实施的1+1或 1:N的保护
三维MEMS光开关
5.5.3 热光开关
基本结构有两种：Y型分路器结构
Much－Zahnder（MZI）干涉仪型结构
5.5.4 其它类型的光开关
1．LiNbO3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 来实现的光开关 。 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。
E1
A ei (tL1 / v) il 2
E2
A ei(tL2 / v) il 2
合成光波的电场强度和输出光功率可以表
示为 E E1 E2
A [ei (tL1 / v) ei(tL2 / v) ]il 2
p0
E
E*
A2 2
[1
cos (L1
v
作业： P.209 4，9
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 称为光复用段共享保护（OMSP）
5.6.5 大容量WDM实验系统的示例
10.92Tbit/s三波段、超密集WDM实验系统
小结
无源器件
光纤和波导型无源器件 光学无源器件
波分复用、解复用器件 光开关 WDM光纤传输系统
2．半导体光放大器门型开关
5.6 WDM光纤传输系统
5.6.1 WDM、DWDM和OFDM
光纤传输系统的目的： 提高传输速率和扩大传输容量
相同：本质上都是光波长分割复用（或光频 率分割复用）
不同：复用信道波长间隔不同
目前WDM系统主要指密集波分复用系统，它的 主要优点为：
（1）充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光 纤的传输容量，降低成本；
消光比是指开关on和off时输出功率之比（常 用dB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性质 。
5.5.1 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 棱镜和转动反射镜
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。
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 分复用器 。
5.5 光 开 关
光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC） 和光分插复用（OADM）设备的核心器件， 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、隔离度、开关速度和 偏振敏感性等外，还有消光比和阻塞性质 。
5.3.4 自聚焦透镜
自聚焦透镜（GRIN）是应用广泛的无源光 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
n(r
)
n0
(1
1 2
2r
2
)
2
a
自聚焦透镜中光线的轨迹
在自聚焦透镜中，近轴光线的轨迹r（z）
及其导数为
r(z)
r0
cos
z
r0
sin
z
r(z)' r0 sinz r0' cosz
r0
dr dz
z0 ,
Ln
2
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
的周期，称之为自聚焦透镜的节距，表示
为Ln 。
5.3.5 F-P腔滤波器
两束透射波A1和A2的路程差为
l AB BC l l cos 2 2l cos cos cos
5.2.4 Mach-Zahnder滤波器
M-Z滤波器由两个3dB耦合器和两段长度 不等的波导臂组成
输入光功率Pi经第一个3dB耦合器后等分为 Pi1和Pi2两部分,光功率可以表示为
pi Ei Ei
Ei Aeit il
pi1
pi2
Ei2 2
A2 2
由于两波导的长度不同，传输时延不同， 到达第二个3dB耦合器时，两束光的电场 强度可以表示为
非线性环路镜的典型结构
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，实 现不同的目的,下图为改进的非线性放大环 路镜
非线性环路镜可以用于不同的系统中，实现 不同的目的
NOLM可以作为一个光逻辑与门，在光时分 复用（OTDM）系统中实现解复用的功能
5.3 光学无源器件
5.3.1 偏振分束器
5.2 光纤和波导型无源光器件
5.2.1 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 影响光连接器的插入损耗的因素 : 被连接的两根光纤是否匹配 安装的精度
2．光耦合器（Couplers）
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 器可以实现这些功能
5.5.2 微机械光开关
微电机械（MEMS）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， 从而改变输入光的传播方向。
MEMS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 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。
二维MEMS光开关
色分辨本领定义为
min
光栅的角色散本领为 D k
2d cos
光栅的色分辨本领为 Nk
5.4 波分复用、解复用器件
波分复用(WDM): 是指将两种或多种各自携带有大量信
息的不同波长的光载波信号，在发射端经 复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中 进行传输，在接收端通过解复用器对各种 波长的光载波信号进行分离，然后由光接 收机做进一步的处理，使原始信号复原。
双折射棱镜型偏振分束器
5.3.2 光隔离器
法拉第电磁旋转效应
5.3.2 光环行
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3端口 和4端口器件
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法拉第电 磁旋转效应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ现光的单向传输。
3端口光环行器的结构以及端口1到端口2的光路图
=
10 log( pr ) p0
3．反射系数
R = 10log( pr )
p0
4．工作波长范围
最小波长（min）到最大波长（max）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 成的插入损耗的最大变化值
6．隔离度
IS log( pblock / p0 )
L2 )]
A2
cos2[
v
(L1
L2 )]
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
T
Po
/
pi
cos2[
v
(L1
L2 )]
5.2.5 非线性环路镜
非线性环路镜（Non-Linear Optical Loop Mirror， NOLM）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 （OTDM）系统和光逻辑器件的研究中有广泛的 应用
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； 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； 复用通路数多，各路插入损耗相差不大， 尺寸小