第六章 无源与有源光器件—5
无源与有源光器件
有源光器件按其功能性质也可以分为两类：一类是具有光 电能量信号转换的功能，如光源(将电转换为光)、光检测器(将 光转换为电)；另一类则是具有控制光信号、从而可实现控制系 统行为的功能，如光开关、光放大器(放大光信号)、光调制器 (利用电光效应等实现调制控制等功能)、波长变换器等。上述 内容中有关光源和光检测器部分内容将在第9章光纤通信技术中 详细介绍。
光纤光学与光纤应用技术
第6章 无源与有源光器件
本章以光纤技术最有代表性、最大量的应用领域—光纤通信 为背景，介绍无源光器件和有源光器件。在一般的光纤通信系统 中，除了采用光发射机(含调制器、载波光源、信道耦合器)、传 输信道光纤光缆、中继器和光接收机(含检测器、放大器、信号 处理器)等基本设备外，还需要一系列配套的功能部件，以实现 系统各部分之间光路的连接转换、信道的互通、分路/合路、交 换、隔离、复用/解复用、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、 偏振选择控制以及光开关、光放大等功能。光纤通信中所用的上 述全部光器件可分为两大类：无源光器件(Passive Optical Device)和有源光器件(Active Optical Device)。两类光器件的 本质区别在于，在实现器件自身功能过程中，有源光器件一般需 从外部吸取能量(即需外界电源驱动)，并具有以不同方式改变信 号的功能；而无源光器件则无须外界电源驱动，且对信号的作用 总是相同的，即只是衰减、合并和分离信号。
光纤的连接分为两类，即永久性的(固定的)连接和可拆 装的(非固定的)连接。前者常用于光纤传输线路两光纤段之间 的永久性连接(例如长途光缆间的接头，室外光缆连接)，称之 为光纤的接续，通常采用熔接方法，这是一种光学的连接方法， 连接点称为“接头”。固定接头的方法有熔接法、V形槽法和 套管法。其优点是，具有低的损耗和良好的机械稳定性，但以 牺牲灵活性为代价。后者可用于光纤与光源尾纤或光电探测器 尾纤之间的连接，这是一种活动的机械式连接结构，称之为 “光纤连接器”。光纤连接器是为可变连接设计的，用于设备 间临时性连接，因而是可以插拔的。光纤通信系统的中继和终 端的端机(发射机与接收机)与光纤线路之间的连接和调度，
无源光网络与无源光器件
【doc】无源光网络与无源光器件无源光网络与无源光器件光纤与电缆及其应用技走OpticalFiber&ElectricCable1996生单6N06l996无源光网络与无源光器件KeywordsOptiea[fibercommunicationPassiveopticalnetwork1前言随着信息产业的不断发展,要求通信市场能提供通信业务灵活,又具有高度可靠性的网络.因此,急需将目前仅能满足窄带业务的铜缆通信网实现现代化,使网络具有极大的升级能力,将宽带业务扩大到所有的用户.人们普遍认为,通过无源光网络将光纤系统廉价地引入本地网络是切实可行的.无源光网络结构是能够提供窄带业务和宽带交互业务的巨大而又灵活的网络平台.这种网络也完全具备分配业务的能力.所谓光纤到路边,光纤到大楼以及光纤到家庭是逐步前进的过程,无论就其必要性和可能性而言,一步到位是不行的,是不现实的.此进步过程的快慢取决于光纤技术的进步和光纤与光器件成本能否有较大幅度的下降,当然,也取决于社会的不断进步和广大用*男,1942年出生,副总工程师,武汉邮电科学研究院固体器件所,武汉市洪山区邮科院路88号(430074)收稿日期:1996—07-26Passiveopticaldevice户的经济承受能力.因此,从经济观点考虑,光纤通信系统通过无源光网络与现有的铜缆通过网络连接,在现阶段被认为是成本低廉,可升级的本地环路结构.换言之,迅速发展光纤用户网,必然为无源光网络提供极好的应用前景.近年来.由于技术的进步,光纤和光器件的性能价格比不断提高,譬如光纤熔融拉锥技术已很成熟,由该技术制备的耦合器,波分复用器等无源光器件已完全达到了实用化的程度,性能优良,价格低廉,为建设无源光网络奠定了良好的基础.2无源光网络所谓无源光网络,就是由星形耦合器,波分复用器,连接器等无源光器件组成的网络,它不必借助任何有源电子设备.不言而喻,无源光网络在可靠性和成本方面均具有明显的优势.无源光网络一般被用作本地网的中心局和为用户服务的N个光网络单元之间的分配系统,它们已被推荐作为成本低廉,可升级的本地环路结构来代替铜缆电话设备.除此以外,采用无源光网络的光纤环路系统与渡光纤与电缆及其直用技术1996年第6期分复用,时分复用,副载波多址技术相结台,就可提供宽带业务,这是一种既经济又可靠的能解决宽带升级问题的有效方法.ss单星形图l具有无源光纤单星系统和双星系统的本地接入网图1所示是本地接入网的典型结构.为满足当前的光纤/同轴结构所承担的窄带业务以及便于未来能解决宽带升级,需要处理好无源光网络设计等方面的问题.2.1无源光纤单星系统与双星系统图l所示的本地接入网包含有无源光纤单星系统和双星系统,具有通信业务灵活和本征无限制光纤传输的性能.因为本地接入网是至用户的网络的最后部分,所以其结构取决于所提供的业务.在无源光纤单星拓朴结构中,专用光纤把用户与用户连接起来,它适用于点对点接入系统.在无源光纤双星拓朴结构中,中心局和无源光纤分路器之间用一根光纤连接,使各用户能共用这一条馈线光纤.这种拓朴结构适用于点对多点接入系统.如图2所示,对无源点至多点的双星系统而言,无源总线和无源树形拓朴结构也是可行的.在这些拓朴结构中,用同样的光器件和传输方法能够得到中心局和用户的网络终端设备的点至多点接入功能.J矿(c,cP为户住宅CO为-中心局图2无源点至多点接入xx结构.(a)无源取星形;(b)无源总线;(c)无源树形单星拓朴结构所需要的光纤和光器件的价格昂贵.但是,该拓朴结构简单可靠,维护方便.再者,它有利于未来的网络宽带升级.双星拓朴结构所需要的光缆纤芯和收发设备数量少,成本低廉.因为分配线路仅由一根光纤和一只无源光分路器组成,该拓朴结构的可靠性是很高的.2.2波分复用技术对于本地接入网中引入包含有无源光网络的光纤系统,其主要目的是进一步开发用于新增业务的光纤容量.扩大光纤容量的有效办法之一是采用波分复用技术.在一般情况下,波分复用技术将与无源光纤单星拓朴或无源光纤双星拓朴结构共同应用于本地接入网.在无源光网络中,采用波分复用技术将可获得几种特别的好处.1)在不影响现有用户的情况下增加业务xx等:无源光网络与无源光器件容量;2)每个复用波长的比特率,调制形式和载送的业务均是独立的;3)采用现有的光电技术便可获得更大的光纤容量i4)光复用元件是无源的,因此.在网络设计和执行中有更大的灵活性.早期的无源光网络系统一般可承担窄带业务或窄带数据业务,而且其工作波长为1310nm.在此窗VI上,根据目前波分复用器的技术条件,系统复用几个波长是可以实现的,如图3所示.因此,无源光网络系统的业图3包含有渡分复甩器的无源光网络系统.TPON为通信无源光网络;BPON为宽带无源光网络;APON为异步转移无源光网络务可数倍地增长,譬如增加传送电话和分配视频业务.图3所示的无源光网络系统中也有复用波长为1550nm的.对该网络系统进行适当的改进,就可承担语音,图像和数据等业务.无源光网络在1310rim窗VI上能早日实现升级,将对1550nm窗口上的开发具有深远意义.将来可开发复用度为0.1nm的超高密度波分复用系统以及在系统中应用掺铒光纤放大器,以实现更新,更重要,更有效的无源光网络系统.由于宽带业务的不断增加.开发高密度的波分复甩系统是势在必行.然而,高密度波分复用系统必将要求光源的渡长非常稳定和波长非常长.因此,系统的成本,操作和维护费用将显着提高,而且技术难度大.工艺条件苛刻.为减轻上述诸同题的严重压力,可在无源光网络结构内使用波长可调元件.一旦在无源光网络中装备渡长可调元器件,新增的功能可以考虑组建新的网络.在网络末梢上提供的波长灵活性可以用作点对点分配交换和广播业务.总而言之,波分复用是一项提供多路逻辑信道的有效技术.分割大的光带宽,把每通道的传输速率降低到电接口能处理的速率.波分复用无源星形网络一般建议采用的接入方法为每个节点提供了一个分离的波长信道,各自传递的信息是独立的.因此.系统组阿灵活,成本低廉.2.3时分复用和多址技术如2.2节所述,波分复用技术具有宽带业务处理的巨大潜力.但是.要采用高密度或甚高密度的波分复用.其技术难度是很大的,目前尚未达到实用化的程度,而且费用高昂,用户承受不了.为解决宽带业务不断增长和传输能力不足的矛盾,利用波分复用技ONU为光网络单元术结合时分复用和多址技术将是行之有效的办法.图4所示是采用时分复用和多址技术的光纤无源双星用户系统.该系统在中心局将要送往各个用户的信号时分复用后变换成光信号,然后将时分复用光信号通过耦合器分路并送往各个光网络单元.在各个光网络单元将光信号变换成电信号,从时分复用信号中分离出本地的信号送给用户.另一方光纤与电缆及其应用技术1996年第6期面,来自各个用户的信号在光网络单元变换成时分复用脉冲串光信号,经由星形耦台器送往中心局.此时,各个光网络单元按照中心局的指令调整发送脉冲串光信号的标识时间,用以时分多址控制,以便在用光耦合器合流各脉冲串信号时不发生冲突.在每个波分复用系统的波长上采用时分复用可提供足够数量的独立逻辑信道.每个光网络单元分配有时隙,在此期间它可以在分配波长上发送.每个光节点均静止分配周期的时隙中发送给特定接收机的机会.虽然时分复用使渡分复用信道在每个光网络单元上可用的带宽受到限制,但是.光系统的带宽通常超过电子的能力以便维持连续传输.以无源光网络为主体,将光纤系统引入本地网络,其网络结构一般采用无源光纤单星拓朴,无源光纤双星拓朴,如有必要,还可以采用有源光纤双星拓朴.在网络拓朴结构中,一般都兼有采用波分复用,时分复用和多址技术.因此,系统组网灵活,成本低廉,能满足不断增长的宽带业务.3无源光器件以无源光网络为基础,将光纤系统引进本地接入网的信号流向,下行是从中央局经由远端节点(或光网络单元)到用户,上行是从用户经远端节点(或光网络单元)到中央局.因此,波分复用器,无源光分路器,无源光滤波器以及光纤活动连接器等等,是无源光网络不可缺少的元器件.3.1无源光分路器采用无源光网络的本地接入网,一般用于交互式和分配式通信业务,将需要大量的无源光分路器,譬如籀国DP通信公司建设的OPAL'94系统服务的用户为50万个家庭,需要无源光分路器1万只,其中有六成多是1 ×32路的树形分路器.不言而喻,无源光分路器在无源光阿络中占据着十分重要的地位.所谓无源光分路器是指被传输的光功率能实现分路/合路的器件,一般是对同一渡长的光功率进行分路或台路,涉及到不同波长的分波/台波问题,将在下节介绍.无源光分路器,就其工作机理而言,又可称为耦合器,因为该器件对光功率进行分路/合路是在一段特殊结构的光传输干线耦合区内实现的.耦合器从端口形式上划分,它包括x型(2×2)耦合器,Y型(1×2)耦合器,星型(N×N)耦合器和树型(1×N,N>2)耦台器等.一般习惯又把Y型耦合器和树型耦合器分别称作一分为二功分器和一分为N功分器,在无源光网络中更多的是应用这一类耦合器.在无源光网络中采用的无源光分路器,就其制作工艺而言,一般有光纤熔融拉锥型和介质波导型.前者以其卓越的产品性能,低廉的价格和便于大量生产而独占鳌头.目前,国内外专门从事无源光分路器制造的厂家都是生产这种型式的器件.但是,要求无源光分路器具备有多端输入和多端输出的条件下,用光纤熔融拉锥技术生产,既工艺复杂,又难于保证器件功分比的准确性,附加损耗也显着提高.因此,另一可行的办法是以介质渡导制备此类器件.用离子交换技术在玻璃上制备波导或用扩散技术在铌酸锂介质上扩钛的条波导均可制备无源光分路器.要制备实用化的介质渡导型无源光分路器尚有许多工艺问题有待进一步解决.然而可以预见,介质波导型无源光分路器具有巨大的潜在竞争能力.32波分复用器波分复用器是无源光分路器的一种特例,它是对不同波长进行分路/合路的,所以又将波分复用器称为分波/合波器或渡长复用/解复用器.在无源光网络中应用波分复用器的目的是要提高网络运载信息的容量.容量的提高是按器件复用的波长数以成倍的增长,复用波长数越多,信息量增长倍数越胡台光等:无源光同珞与无源光器件37大.根据技术的复杂性和可实现性,渡分复用器的制备视其复用波长数多少程度而采用不同的制备技术.渡分复用器复用波长数的多少程度又称复用度.复用度越高,剐备技术越复杂,难度越大.如果波分复用器复用波长只有两三个,或者说要求复用的波长可在光纤的不同传输窗口上,用普通的光纤熔融拉锥技术和多层介质薄膜滤波器技术就可实现.当我『『]要求复用更多的波长,就需要利用闪耀光栅的分光原理制备波分复用器.利用这种原理制备波分复用器,其复用波长可在光纤的单一传输窗口上,而且复用度也比较高.但是.利用这种技术制备的波分复用器是分立元件组合型器件,在需要复用度很高的条件下,制造工艺复杂,甚至达到不可实现的程度.利用渡导干涉技术制备波分复用器可获得很高的复用度,可实现信道间距0. Inm.甚至可达到004nm(5GHz).然而,技术复杂,工艺难度大,要使器件达到实用化程度,尚需突破许多技术难关.无源光网络应用最多的光无源器件是光纤活动连接器,它又是最普及的器件,在此不再赘述.无源光网络应用的其它光无源器件.譬如光滤波器和可调渡长装置等,因文章篇幅有限,在此不作一一介绍.4结束语纤系统将大量采用无源光网络,而它们又几乎是全部采用无源光器件构成,不必应用任何有源电子设备,无源光网络与无源光器件是息息相关的.现在,无源光器件正朝着宽带化,集成化,小型化方向发展.并能不断提高它们的性能价格比,勿庸置疑.无源光同络将获得更大的发展.有人预测,在1999年以前,全球光纤用户网的用户将达到1亿左右.到本世纪末.我国光纤cATv用户将超过l亿.由此可见,无源光网络和无源光器件将获得极好的发展机遇.本文介绍无源光网络设计的有关问题,因为文章还要阐述有关的无源光器件,使无源光网络的部分深层次问题,譬如碰撞和终端冲突等传输控制问题未能作深入的讨论有关有源光网络的问题也一字未提.其实,在某些条件下将无源光网络与有源光网络组合应用.会使光纤系统组网更灵活方便.本文在无源光网络部分有许多内容引自邮电部武汉邮电科学研究院情报所编辑的05年国外文献汇编(二)),该汇编不是正式出版物.所以未作文章的参考文献给予列出,特此告之,并对该研究所的有关同志表示致谢.光纤用户网,用户接入网及局域网等光参考文献PayneDBThepassiveopticalnetwork.ECOC.1992,2:801铃术修习.PDS光加^者工于厶NEC拉报,1993,46(3)}58,63(上接第32页J稳压电源供电;?通过光电隔离器将输入/输出信号与系统隔离;?利用8098内部监视定时器,构成软件"看门狗"i?对各种输入信号实行软硬件滤波,并对8255输出信号进行检测,判断是否正确,若有误,8098将采取相应措施.该系统已在铁路通信电缆自动充气设备上使用,效果良好.参考文献1铁路通信电缒充气设备刮式系列l及主要技术条件TB1776—86中华人民共和国铁道部标准,19862崔建积通信电缆气压监捌系统厦其改进光奸与电缆及其应用技术.1995.(1){21,223李舫等编MCS96系列8098单片璇型计算机北京:北京航空航天大学出版社.1990。
光有源&无源器件
Planar Waveguide Technology Technology
Devices are constructed on the surface of a flat piece of material such as silica or semiconductor crystal using the techniques of semiconductor chip manufacturing.
Difficulties
Need to control dimensions accurately to about .25 of a micron. When diagonal waveguides have regularly ccurring steps in their sides, you happen to chance on a resonant wavelength. Many complex devices can't be done in planar technology because a planar device is made from a uniform material. It is costly and difficult to connect these devices to fibres.
Fabrication of Planar Optical Devices
Diffusion of a dopant into a flat ubstrate. Deposition/etching techniques similar to those used in making semiconductors. Direct writing of waveguides using a powerful laser beam and photosensitive dopant in the material (such as germanium in silica glass).
光纤技术复习资料全
《光纤技术》复习资料第一章 绪论要求：1、了解光纤的基本结构和基本特性；2、充分认识光纤传感和光纤通信在现代工农业生产、军事、科研及日常生活中的作用和地位，明确学习目的；3、了解光纤技术的发展动向；4、知道本课程的学习方法。
具体：1、光纤的定义：光纤是“光导纤维”的简称，是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。
2、光纤的结构：主要由纤芯、包层和涂敷层构成。
其中纤芯的折射率比包层要高。
纤芯和包层的折射率差引起光在纤芯内发生全内反射，从而使光在纤芯内传播。
3、通信光纤的标准包层直径是125m μ，涂敷层的直径大约是250m μ。
4、常用的光纤材料有纯石英（2SiO ）、玻璃和塑料。
5、列举光纤相对于金属导线的优点（至少5点）：如容量大、抗电磁干扰、电绝缘、本质安全；灵敏度高；体积小、重量轻、可绕曲；测量对象广泛；对被测介质影响小；便于复用，便于成网；损耗低；防水、防火、耐腐蚀；成本低、储量丰富等。
6、光纤通信所占的波长范围大概是0817..m :。
7、1953年，在伦敦皇家科学技术学院开发出了用不同光学玻璃作纤芯和包层的包层纤维，由此导致光纤的诞生。
8、1966年，光纤之父高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因。
9、目前，F T T H （光纤到户）是宽带接入的一种理想模式，各国发展迅猛。
10、目前流行的“三网合一”指的是将现存三个网络：电信网、有线电视网和计算机网的信号在同一个光纤网络中传输。
11、光纤被喻为信息时代的神经。
第二章 光纤拉制及成缆要求：1、了解光纤的分类方法和光纤的种类，理解各种不同种类光纤之间的区别及每种光纤的特点；2、知道光纤的制作材料及要求；3、了解光纤预制棒的制造原理和工艺；4、知道各种光缆结构和材料的用途。
具体：1、 光纤的分类：按照光纤横截面折射率分布不同分为：阶跃光纤和渐变光纤（折射率在纤芯中保持恒定，在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤，折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。
光无源器件概述
类型：无源、有源
无源器件主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光 波分复用/解复用器、隔离器、环行器、滤波器、光调制器、 光开光等。
有源器件主要包括：激光器、光探测器、光放大器等。
3
光纤无源器件技术
4
无源器件功能
光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能 量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通 信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。
光纤无源及有源器件 技术及应用
1
主要内容：
光纤无源器件技术
光纤光栅、滤波器、调制器等
光纤放大器技术
掺铒光纤放大器、拉曼放大器等
光纤激光器技术
多波长光纤激光器、锁模光纤激光器、单频 光纤激光器等
2
光器件
用途:
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 调制等功能，是构成光纤通信系统的必备元件。
光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中 的关键部件。
25
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
P P1
P2
0
1 2
26
1 2 3
1+ 2+ 3
光纤
透镜
光栅
衍射光栅型波分复用器结构示意图
27
光纤
1 2 3
1+ 2+ 3
棒透镜 光栅
采用棒透镜的光栅型WDM
28
光波导
开角
(a)
波导型波分解复用器
1.3 mm
19
光纤耦合器的技术参数
(6) 工作波长范围
光有源器件和无源器件区别小结版
光器件：分为有源器件和无源器件，简单地讲就是需能（电）源的器件叫有源器件Active Device，无需能（电）源的器件就是无源器件Passive Device。
有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。
容、阻、感都是无源器件，IC、模块等都是有源器件。
（通俗的说就是需要电源才能显示其特性的就是有源元件，如三极管。
而不用电源就能显示其特性的就叫无源元件）无源器件的定义如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做无源器件。
从电路性质上看，无源器件有两个基本特点：（1）自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。
（2）只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。
有源器件的定义如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。
从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：（1）自身也消耗电能。
（2）除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。
光有源器件是光通信系统中需要外加能源驱动工作的可以将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的光电子器件，是光传输系统的心脏。
光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），正在研究并很有应用前景的是拉曼光放大器。
无源器件：电路器件：蜂鸣器（Buzzer）、电容（Capacitor）、理想二极管（Diode）、电阻器（Resistor）、电感（Inductor）、按键（Key）、无源滤波器（Passive Filter）、排阻（Resistor Arrays）、继电器（Relay）、变压器（Transformer）、扬声器（Speaker）、开关（Switch）等。
连接器件：连接器（Connector）、电线电缆（Wire）、光纤（Optical Fiber）、印刷电路板（PCB）、插座（Socket）等。
有源器件：分立器件：LED二极管（LED）、三极管（Transistor）、场效应管（Field Effective Transistor，FET）、可控硅（SCR）等。
光纤通信第四版课后答案张德民胡庆
光纤通信课后答案第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么?答:当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即O<V<2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响?答:在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离;光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散?解释其含义。
答: (1）模式色散:在多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。
(2）材料色散:由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。
(3）波导色散:统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响?答:光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。
6、单模光纤有哪几类?答:单模光纤分为四类:非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。
7、光缆由哪几部分组成?答:加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点:巨大带宽(200THz)、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗:光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素:本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散:由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素:光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类:模式色散(同波长不同模式)、材料色散(折射率)、波导色散(同模式，相位常数)。
第六章 无源与有源光器件—1
除了上述由光束发散所引起的损耗外，发射光纤与接收 光纤两端面的菲涅耳反射损失约为0.08，所对应的总反射损 耗为0.35dB。
图6.7 横向偏移产生的损耗
图6.8 端面间隙损耗
图6.9给出了数值孔径为 0.15的单模光纤在不考虑反 射损耗条件下，其端面轴向 分离间隔b与损耗的对应关 系曲线；同时还对比给出了 芯径为50μ m、NA分别为0.4 和0.2的渐变多模光纤的损 耗曲线。
第6章 无源与有源光器件
本章以光纤技术最有代表性、最大量的应用领域—光纤通信 为背景，介绍无源光器件和有源光器件。在一般的光纤通信系统 中，除了采用光发射机(含调制器、载波光源、信道耦合器)、传 输信道光纤光缆、中继器和光接收机(含检测器、放大器、信号 处理器)等基本设备外，还需要一系列配套的功能部件，以实现 系统各部分之间光路的连接转换、信道的互通、分路/合路、交 换、隔离、复用/解复用、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、 偏振选择控制以及光开关、光放大等功能。光纤通信中所用的上 述全部光器件可分为两大类：无源光器件(Passive Optical Device)和有源光器件(Active Optical Device)。两类光器件的 本质区别在于，在实现器件自身功能过程中，有源光器件一般需 从外部吸取能量(即需外界电源驱动)，并具有以不同方式改变信 号的功能；而无源光器件则无须外界电源驱动，且对信号的作用 总是相同的，即只是衰减、合并和分离信号。
图6.12 光纤连接器的主要类型
从设计原理与耦合机理上分析，光纤连接器有对接耦合 式(或称精密套管对接式)与透镜耦合式(或称透镜扩束式)两 类；从结构形式看，光纤连接器常采用螺丝卡口、卡销固定、 推拉式三种结构。这三种结构都包括单通道连接器和既可应 用于光缆对光缆，也可用于光缆对线路卡连接的多通道连接 器。这些连接器利用的基本耦合机理既可以是对接类型，也 可以是透镜扩展光束类型。以下进行具体分析。 1.对接耦合式(精密套管对接式)光纤连接器 这类光纤连接器是依靠连接器高精度的几何设计来确保两 光纤的准确对接的。类似于光纤的固定连接技术，光纤活动连 接器的制备同样包括光纤端面制备、光纤对准调节、光纤接头 固定三个基本环节。其中，光纤端面制备一般都是采用研磨抛 光方法；光纤对准调节一般采用无源或有源二次对准技术；而 光纤接头固定结构则随着固定光纤并使之对准的方式以及连接 器的锁定装置而形式各异。
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图6.47
光双向单纤传输
3.光多路复用分插传输 如图6.48所示，在发射端将来自独立发射机的8个不同波长的光 信号，经复用器复合后通过单纤传输；在中间站分插复用器将波长 λ 4信号路由到本地接收机下载，与此同时上载中间站本地发射机发 射的另一波长信号记为λ 4*，并通过分插复用器与其他λ 1，λ 2， λ 3，λ 5，λ 6，λ 7，λ 8信号会合，经单纤传输进入解复用器；解 复用器将8个信号分离，并路由到8个独立的接收机上，每个接收机 接收一个波长信号。这种多波长复用分插的传输方式还可有多个中 间站点分插。总之，位于系统中间的分插复用器，既可以在中间点 下载已有信道，也可以上载携带WDM信号的新信道到光纤中，上载的 信号可以代替下载的信号。
图6.49 光波复用频段划分
另外，在WDM技术中，一般定义信道间隔≤200GHz、波长 间隔为1~10nm的波分复用为密集波分复用(DWDM），已实用化 的密集波分复用标准信道间隔有200 、100和50GHz；而对间 隔很宽的、波分间隔为10~100nm(例如1000GHz)的系统则定义 为宽(粗)波分复用(WWDM）。实际系统中20~25nm的宽信道间 隔在一些系统中得到应用。图6.50给出了在C带铒光纤放大器 的1530~1565 nm范围内，密集波分复用紧密间隔系统(40信道， 每信道100 GHz)与粗波分复用宽间隔系统(4信道，每信道 1000GHz)两种WDM系统的示意图，后者的信道间隔约为8nm。 显然，信道间隔越宽，复用器与解复用器的制作及成本就越 简单低廉。
熔融光纤型波分复用器本质上即是熔融型光纤耦合器应 用于WDM功能的实现。图6.55所示为由两根光纤熔融形成的 四端口X形定向耦合器，用于分离两个波长光信号。两根单 模光纤的纤芯在耦合区并未相连，但由一根光纤端口(Al)入 射的光(λ 1，λ 2)在通过耦合区段时，利用包层厚度的作用 能将一部分光(λ 2)耦合到另一根光纤中去。
50GHz，甚至25GHz。这样，根据信道间隔的大小可以概略划分光复 用技术中的频分复用(FDM)技术与波分复用WDM)技术；而在WDM中可 以进一步地划分：密集波分复用(DWDM)与宽(粗)波分复用(WWDM)。 光频分复用(Frequency Division Multiplexing， FDM)技术 与光波分复用技术在概念本质上是一回事，但光频分复用比光波分 复用的信道间隔要窄很多。FDM是以频率的单位GHz来描述间隔的， 而WDM是以波长的单位nm来描述间隔的。一般认为，当波长间隔大 于1nm时的复用技术称为光波分复用技术(WDM)；而把波长间隔小于 1nm极窄信道间隔的复用技术称为光频分复用技术(FDM)，其对应的 频率波长关系参见图6.49。
图6.52 光波分复用器的分类
棱镜型复用器和解复用 器结构简单，容易制造， 但材料色散系数(即偏 折程度)较小，插入损 耗较大，难以达到所需 要的特性要求，因此不 图6.53 棱镜光波分复用器结构示意图 常应用。
2.衍射光栅型波分复用器 所谓光栅是指在一块能够透射或反射的平面上刻划多条平 行且等距的槽痕，形成许多具有相同间隔的狭缝。当一束含有 多波长的复色光信号入射衍射光栅时，将产生衍射。由于不同 波长具有不同的衍射角，因而不同波长成分的光信号将以不同 的角度出射，从而实现不同波长的光信号分离。因此，该器件 与棱镜的作用一样，均纤技术最有代表性、最大量的应用领域—光纤通信 为背景，介绍无源光器件和有源光器件。在一般的光纤通信系统 中，除了采用光发射机(含调制器、载波光源、信道耦合器)、传 输信道光纤光缆、中继器和光接收机(含检测器、放大器、信号 处理器)等基本设备外，还需要一系列配套的功能部件，以实现 系统各部分之间光路的连接转换、信道的互通、分路/合路、交 换、隔离、复用/解复用、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、 偏振选择控制以及光开关、光放大等功能。光纤通信中所用的上 述全部光器件可分为两大类：无源光器件(Passive Optical Device)和有源光器件(Active Optical Device)。两类光器件的 本质区别在于，在实现器件自身功能过程中，有源光器件一般需 从外部吸取能量(即需外界电源驱动)，并具有以不同方式改变信 号的功能；而无源光器件则无须外界电源驱动，且对信号的作用 总是相同的，即只是衰减、合并和分离信号。
图6.1 光纤通信线路中的部分无源光器件的布局
本章将依次概要介绍上述各类重要的无源光器件以及光开 关、光放大器、光调制器等有源光器件的工作原理与结构特性， 为学习光纤通信与光纤传感系统等应用奠定必要的器件基础。
6.6 光波分复用器
6.6.1 光波分复用技术
光波分复用(Wavelength Division Multiplexer， WDM)的概 念是指在一根光纤中能同时传输多波长的光信号。其基本原理是 在发射端复用器将不同波长的光信号组合起来(复用)，并通过一 根光纤传输，在接收端解复用器又将组合的光信号分离开(解复用) 并送入不同的终端。因此，称此项技术为光波长分割复用，简称 光波分复用(WDM)技术。其中，复用器合并光信道；解复用器分离 光信道。 光WDM技术对充分挖掘光纤带宽潜力，网络的扩容升级，发展 宽带新业务(如CATV ，HDTV和BIP-ISDN等)，实现超高速通信等具 有十分重要的意义。尤其是WDM加上EDFA对现代光通信技术的发展 更是具有强大的推动力。
光波分复用(分离与复合不同波长的光信号)技术的几种典型 应用包括：光多路复用单纤传输、光双向单纤传输、光多路复用 分插传输、掺铒光纤放大器中泵浦光与放大信号光的分离等。具 体功能实现的光路如下。 1.光多路复用单纤传输
如图6.46所示，在发射端将载有各种信息的、具有不同波 长的已调制光信号λ 1， λ 2， „ ， λ n通过复用器(M)组合在 一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同光波 长携带的，所以彼此之间不会混淆；在接收端通过解复用器(D) 将不同光波长的信号分离，完成多路信号传输的任务。
图6.50 WDM系统中的两种信道间 隔对比
图6.51 反射一个信道并透过其他信 道的分插复用器
6.6.2 光波分复用器
光波分复用器(Wavelength division multiplexer)是一 种用来合成不同波长光信号或分离不同波长光信号的无源器 件，前者称为“复用器”，后者称为“解复用器”。光波分 复用器属于波长选择性耦合器，其主要性能指标如下：
图6.54 衍射光栅型波分复用器结构示意图
图6.54(b)给出了一个具有梯度折射率(GRIN)棒透镜的衍 射光栅解复用器的原理结构，光路中以梯度折射率棒透镜取代 图6.54(a)中的体透镜。 衍射光栅型解复用器对分离几个间隔很大的波长效果很好， 但它不能对紧密间隔的波长提供高的信道隔离度。另外，衍射 光栅这种展开连续光谱的方式对测量类仪器很适用。 3.熔融光纤型波分复用器
有关波分复用(WDM)技术应该说明的几个重要问题是：
①光WDM技术充分利用光纤的低损耗波段及其较宽的波长带 宽，在一根光纤中同时传输多个不同波长光源(信道)的光信号， 从而大大提高了光纤和光通信系统的传输容量与通信效率；并将 其应用领域大大扩展，例如实现了多媒体信号(音频、视频、数 据、文字、图像等)的混合传输，扩展了网络应用的形式，并对 已建成的光纤通信系统的扩容带来了很大的方便。WDM(DWDM) 技术经过近十年的发展和不断完善，如今在光通信系统中获得了 大量而广泛的应用，已经高度实用化。
图6.46
光多路复用单纤传输
2.光双向单纤传输 如图6.47所示，在一根光纤中实现两个方向、两种不同波 长信号的同时传输，如终端Ⅰ向终端Ⅱ发送信号，由λ 1携带； 终端Ⅱ向终端Ⅰ发送信号，由λ 2携带，实现彼此双向的通信联 络，这种结构也称为单纤全双工通信系统。光纤制导中下行的 观测信号与上行指令控制信号的单纤双向传输，即是这种典型 的传输方式。
有源光器件按其功能性质也可以分为两类：一类是具有光 电能量信号转换的功能，如光源(将电转换为光)、光检测器(将 光转换为电)；另一类则是具有控制光信号、从而可实现控制系 统行为的功能，如光开关、光放大器(放大光信号)、光调制器 (利用电光效应等实现调制控制等功能)、波长变换器等。上述 内容中有关光源和光检测器部分内容将在第9章光纤通信技术中 详细介绍。 无源光器件是光通信系统中一类重要的基础性光器件，其 功能有许多是和相应的电子器件类似的。若按功能分类，比较 重要的无源光器件包括：光纤连接器、光纤耦合器(光分路/合 路器)、波分复用/解复用器、光滤波器、光衰减器、光隔离器、 光环行器、光偏振选择控制器等。图6.1表示了部分无源光器 件在光纤通信线路中的功能与作用。当前，无源光器件门类齐 全，性能得到很大提高，标准口益完善，新型器件不断出现。
进一步的研究表明，两个熔融光纤之间光能量转换的程 度取决于耦合区的长度(该长度用波长来衡量)和两纤芯相互 靠近的程度。只要调整控制适当，则经过一段耦合长度后， 信号光能量可以从一根光纤完全转移到另一根光纤中。图 6.55中，从A1端口入射的λ 1（980nm)和λ 2（1550nm)两个不 同波长的光信号，经过耦合区到F点时，将从B1端口输出λ 1信 号，从B2端口输出λ 2信号，从而实现了解复用的功能。这表 明，熔融型光纤耦合器可以将光定向到不同的端口来分离波 长。图中上方给出了两种波长光的能量随耦合长度变化而在 光纤1和光纤2之间波动转移的过程曲线，在F点实现完全转移。
②在应用光WDM技术的系统中，实现预期功能与质量最核心 的关键器件就是光波分复用器与解复用器。复用器和解复用器 可以视为同一装置的镜像，从原理上说两者是互易的(双向可 逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复 用器。因此，复用器和解复用器可以认为原则上是相同的。然 而，两者的要求仍是有差别的，各有侧重：复用器必须有低插 入损耗且要避免任何散射光返回发射机；而解复用器则必须可 靠地分离光信道并要求从一个信道向相邻信道的泄漏要低，即 要求低串扰高隔离度(隔离度应达到20~40dB)。 ③信道密度是WDM系统中的重要变量。光器件的结构与机理 为光信道提供了均匀分布的间隔(尽管这些间隔不一定会全部使 用)，这些间隔的分布决定了信道密度。国际电信联盟定义了一 组间隔为100GHz的标准中心频率，这一频率间隔大约对应于掺 铒光纤放大器带宽中的0.8nm。另外，也有入在研究信道间隔为