第5章 无源光器件和WDM技术
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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 下图为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
2．半导体光放大器门型开关
3．喷墨气泡光开关
5.6 WDM光纤传输系统
5.6.1 波分复用（WDM）、密
集波分复用（DWDM）和光频分 复用（OFDM）
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 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； （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
r ( z)' r0 sin z r0' cos z
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
dr r0 dz
z 0 ,
Ln
2
5.3.5 F-P腔滤波器
两束透射波A1和A2的路程差为
2．回波损耗
10log( pr ) p0
3．反射系数
pr 10log( ) 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 )
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 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
简单的耦合器
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
3．波导耦合器
基本结构和基本原理与光耦合器类似
5.2.2 偏振控制器
1．可转动光纤线圈型偏振控制器
2．挤压型偏振控制器
5.2.3 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
2．啁啾光纤光栅
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
色分辨本领定义为 光栅的角色散本领为 色分辨本领为
min
k D 2d cos
Nk
5.4 波分复用、解复用器件
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
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
1 2 2 n(r ) n0 (1 r ) 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 r0 r ( z ) r0 cos z sin z
5.6.4 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： （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； （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。
波分复用、解复用器件的性能参数 插入损耗 回波损耗 反射系数 偏振相关损耗 中心波长和通带特性
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−0.5dB带宽、−3dB带宽和−20dB带宽来表示
信道隔离度和串扰
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
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
1．插入损耗来自百度文库
IL = RL = R=
参数
p1 ) p0
10log(
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
i t Ei Ae i l
A2 pi1 pi2 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
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
Pi (i ) I ji 10lg (dB) Pj (i )
5.4.1 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 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 DWDM系统中
5.4.2 干涉膜滤波器型复用、
l cos 2 l AB BC l 2l cos cos cos
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 2nl cos
T
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(sin in sin d ) k = 1，2，3，…
双折射棱镜型偏振分束器
5.3.2 光隔离器
光隔离器结构和原理的示意图
5.3.2 光隔离器
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实现光的单向传输 3端口光环行器的结构以及端口1到端口2的 光路图
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
双向WDM光纤通信系统的组成
5.6.3 WDM系统的标称波长
ITU-T已建议193.1THz（即1552.52nm）值作为 WDM的参考频率，从而为WDM光信号提供较 高的频率精度和频率稳定度。 WDM的通道间隔是指相邻通路间的标称频率差， 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G.653光纤中的 四波混频效应（FWM），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 率之差。
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 cos [ ( L1 L2 )] v
2
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
A i (t L1 / v ) E1 e il 2
A i (t L2 / v ) E2 e il 2
合成光波的电场强度和输出光功率可以表 示为 A
2 * A2 ( L1 L2 ) p0 E E [1 cos ] A2 cos2 [ ( L1 L2 )] 2 v v E E1 E2 [ei (t L1 / v) ei (t L2 / v) ]il
解复用器件
基本的干涉膜滤波器型解复用器件的结构
5.4.3 阵列
波导光栅型复
用、解复用器
阵列波导光栅型（Arrayed Wavequide Grating， AWG）复用、解复用器的 原理结构和输出特性
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
5.5.1 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
5.5.2 微机械光开关
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。 分为二维结构和三维结构
自由空间MEMS光开关原理图
三维MEMS光开关
5.5.3 热光开关
基本结构有两种：一种是Y型分路器结构
另一种是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
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 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
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 下图为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
2．半导体光放大器门型开关
3．喷墨气泡光开关
5.6 WDM光纤传输系统
5.6.1 波分复用（WDM）、密
集波分复用（DWDM）和光频分 复用（OFDM）
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 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； （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
r ( z)' r0 sin z r0' cos z
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
dr r0 dz
z 0 ,
Ln
2
5.3.5 F-P腔滤波器
两束透射波A1和A2的路程差为
2．回波损耗
10log( pr ) p0
3．反射系数
pr 10log( ) 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 )
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 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
简单的耦合器
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
3．波导耦合器
基本结构和基本原理与光耦合器类似
5.2.2 偏振控制器
1．可转动光纤线圈型偏振控制器
2．挤压型偏振控制器
5.2.3 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
2．啁啾光纤光栅
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
色分辨本领定义为 光栅的角色散本领为 色分辨本领为
min
k D 2d cos
Nk
5.4 波分复用、解复用器件
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
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
1 2 2 n(r ) n0 (1 r ) 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 r0 r ( z ) r0 cos z sin z
5.6.4 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： （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； （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。
波分复用、解复用器件的性能参数 插入损耗 回波损耗 反射系数 偏振相关损耗 中心波长和通带特性
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−0.5dB带宽、−3dB带宽和−20dB带宽来表示
信道隔离度和串扰
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
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
1．插入损耗来自百度文库
IL = RL = R=
参数
p1 ) p0
10log(
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
i t Ei Ae i l
A2 pi1 pi2 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
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
Pi (i ) I ji 10lg (dB) Pj (i )
5.4.1 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 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 DWDM系统中
5.4.2 干涉膜滤波器型复用、
l cos 2 l AB BC l 2l cos cos cos
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 2nl cos
T
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(sin in sin d ) k = 1，2，3，…
双折射棱镜型偏振分束器
5.3.2 光隔离器
光隔离器结构和原理的示意图
5.3.2 光隔离器
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实现光的单向传输 3端口光环行器的结构以及端口1到端口2的 光路图
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
双向WDM光纤通信系统的组成
5.6.3 WDM系统的标称波长
ITU-T已建议193.1THz（即1552.52nm）值作为 WDM的参考频率，从而为WDM光信号提供较 高的频率精度和频率稳定度。 WDM的通道间隔是指相邻通路间的标称频率差， 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G.653光纤中的 四波混频效应（FWM），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 率之差。
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 cos [ ( L1 L2 )] v
2
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
A i (t L1 / v ) E1 e il 2
A i (t L2 / v ) E2 e il 2
合成光波的电场强度和输出光功率可以表 示为 A
2 * A2 ( L1 L2 ) p0 E E [1 cos ] A2 cos2 [ ( L1 L2 )] 2 v v E E1 E2 [ei (t L1 / v) ei (t L2 / v) ]il
解复用器件
基本的干涉膜滤波器型解复用器件的结构
5.4.3 阵列
波导光栅型复
用、解复用器
阵列波导光栅型（Arrayed Wavequide Grating， AWG）复用、解复用器的 原理结构和输出特性
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
5.5.1 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
5.5.2 微机械光开关
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。 分为二维结构和三维结构
自由空间MEMS光开关原理图
三维MEMS光开关
5.5.3 热光开关
基本结构有两种：一种是Y型分路器结构
另一种是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
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 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