光通信基本器件docx.docx
- 文档编号:24584004
- 上传时间:2023-05-29
- 格式:DOCX
- 页数:48
- 大小:2.50MB
光通信基本器件docx.docx
《光通信基本器件docx.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光通信基本器件docx.docx(48页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
光通信基本器件docx
光纤通信中的关键光电子器件
第一部分基本光器件
第二部分光调制器和检测器第三部分光放大器
ComponentsandModulesinDWDMNetworks
第一部分基本光器件
4,光器件概述
1.2光连接器Connector
1.3光衰减器Attenuator
1-4光耦合器Coupler
1.5光复用器与滤波器Mtiltiplexorand
Filter
1.6光隔离器与环行器
光器件概述
•作用:
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。
光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型:
无源、有源
包括:
光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光、激光器、光检测器、光放大器等
4・2光连接器Connector
1.3光衰减器Attenuator
1-4光耦合器Coupler
1.5复用器与滤波器Multiplexerand
Filter
1-6光隔离器与环行器
丄1.2光连接器一Connector
■技术指标:
■插入损耗:
光信号通过连接器之后,其输出光
功率相对输入光功率的比率的分贝数。
■回波损耗:
反射损耗,光纤连接处后向反射
光相对输入光的比率的分贝数O
•活动连接器
■方法:
利用精密陶瓷套筒准直纤芯
■插入损耗目前水平<0.2dB
■减低反射技术:
ARC
类型:
FCvSCvSTvLC
其它:
多芯光缆连接器、保偏光纤连接器、密封型光
纤连接器
AnglePC型
Jorr>tnnat:
$ons
sc
ST型:
采用带键的卡口式锁紧机构,确保连接时准确对中。
SC型:
外壳采用工程塑料,矩形结构,便于密集安装,不用螺纹连接,可以直接插拔。
FC型:
螺纹连接。
外部材料为金属
、LC型:
卡口式连接
[第一部分基本光器件
1.1光器件概述
1.2光连接器Connector4・3光衰减器Attonn&tor
1-4光耦合器Coupler
1.5复用器与滤波器Multiplexerand
Filter
1-6光隔离器与环行器
技术指标:
衰减量、精度、反射、插损
图367连续可调衰减器的工作原理图
图3-68连续可调衰减器的结构
ReflectiveStyleVariableAnenuator
PMorSMFiberPigtailed
InlineVariableAnenuator
•0.6dBto80dBAttenuationRange
•Upto2WPower,FlatWavelengthResponse
•<0.01dBPDL.MeetsTelcordiaSpecifications
LJ
PlugTypeFixedAnenuator
•50dBv60dBBackreflectionfor1300/1550nmSinglemodeFiber
•-1dBto-30dBAttenuation,for1300nm&1550nmWavelengths
•LowCost,RuggedandCompactSize
•Multimode(62.5/125.50/125)FiberVersions
AreAvailable
5-s:
.
■3
•0.01dBResolution,FastResponseTime
•0.6dBto60dBAttenuationRange
土第一部分基本光器件
1.1光器件概述
1.2光连接器Connector
1.3光衰减器AtWnuator
*1・4光耦合器Coimlor
1.5复用器与滤波器Multiplexerand
Filter
1-6光隔离器与环行器
1.4光耦合器一Coupler
■定义:
对同一波长的光功率进行分路或合路
■类型:
■Y型、X型2x2耦合器、4xN型、MxN型
■功能:
光信号的分配、合成、提取、监控等。
工作原理
CladdingGlass
F
CouplingLength
Putthecorescloseenoughtogethertogetacouplingeffect
Allnowdependsonthelengthofthecouplingsection
输入功率
2x2光纤耦合器
输入功率
。
二°。
串扰
耦合区域
锥形区域
waist
zores
FusedTaper
Cladding
直通功率
直通功率
耦合功率
耦合功率
锥形区域
oo
Polished□-Section
TwinCore
Fibre
刁.•技术指标:
』8入损耗:
特定的端口到另一端口路径的损耗。
如从输入端口i到输出端口/的路径中的插入损耗为:
2、附加损耗:
输入功率对总的输出功率的比值。
A-y=ioig
—
P2
、
£
[dB]
3、串扰:
一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。
以2x2光纤耦合器为例:
乓=10坦三尹
S丿
串扰=1°仗
[dB]
4、分光比或耦合比:
输出端口间光功率分配的百分比
Sr
Pi
xlOO%
3dBcouple
usualsymbolfor
3dBcoupler
94
8-waysplitterusing3-dBcouplers
8equalidenticalmtpLits
1.1光器件概述
1.2光连接器Connector
1.3光衰减器Attenuator
1-4光耦合器Coupler
4・5复用器与滤波器MidtliiloxoFand
FII伽
1.6光隔离器与环行器
j十5复用器与浹波器一MultiplexerandFilter*■光滤波器与解复用器(光波长选择器件)
滤波器解复用器
•用途:
•波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用
■
“滤波器中心波长山信号波长.
r熔锥光纤滤波器
•利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。
设计熔融区的锥度,控制拉锥速度。
•特点:
插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度低、复用波长数少(两波)•应用:
波长间隔较宽,常用于4300iimM550iiin、
980nm/1550nmv1480nm/1550nm%^tfy
\'Vavegui(
el
BAA
4・
r
Iftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areiiyectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!
m多层介质牍滤波器TFF
■MultilayerDielectricThln-FllmFilter
■多层介质膜:
通过某一波长,阻止其它波长
边缘越陡
Lens
第_部分基本光器件
1.1光器件概述
1-2光连接器Comioctor1-3光衰减器Attemiator
1-4光耦合器Coupler
1.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter
1.6光隔离器与环行器
冃途:
放置于激光器及光放大器前面,防止系统
中的反射光对器件性能的影响甚至损伤,即只允
许光单向传输。
•主要指标:
•低的插入损耗(对正向入射光,MdB)•高的隔离度(对反向反射光,40*50dB)•原理:
一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。
起偏器与检偏器的透光轴成45。
角,旋光器使通过的光发生45。
旋转。
当垂直偏振光入射时,全部通过起偏器。
经旋光器后,光轴旋转45。
,恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。
如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光,经旋光器被旋转45。
变成水平线偏振光,正好与起偏器透光轴垂直,所以光隔离器能阻止反射光的通过。
Blocked
与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理
光环形器
基本原理:
工作原理等同于隔离器,光传送顺序:
;t2t3t4(三端口,
主要特性:
•插入损耗•隔离度
•价格
2.1光调制器Modulators
调制器:
实现从电信号到光信号的转换
■光调制的分类:
•从光源调制角度看,有两种方法实现光调制,其一,将调制信号直接注入激光器(调制激光器驱动电流),而实现激光输出光强度等参数的调制■内调制或直接
调制;其二,将调制信号控制激光器后接的外调制器,利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强
度等参数随信号而变■外调制。
•按被调制光波的参数分:
强度调制、相位调制、偏振调制等。
DirectModulationofLaserDiode
Bias+DATA
Issues-ComplexDynamicsYield
ExternalModulationofLaserDiode
Bias+DATA
制器上。
■外调制技术分类:
■电光调制
■电致吸收
■磁光调制
ElectroopticEffectsElectro-AbsorptionEffectsMagnetoopticEffects
■声光调制
AcousticModulators
其中电光调制和电致吸收最为常用O
电光效应光调制器
■电光效应:
电压施加于某些电光晶体(如LiNbOs).导致晶体折射率发生变化,引起通过该晶体的光波特性发生变化。
■折射率变化A甬外加电场6有着复杂的关系,可近
似地认为A肪与(E同*剣同©成正比。
■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
普科尔(Pocket)效应:
晶体折射率与外加电场
幅度成线形变化
克^(Kerr)效应:
晶
体折射率与外加电场幅
度的平方成比例变化
电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应■[
第二部分光调制器和光检测器
2.1光调制器
2・2光检测器
2.3光接收机
2.2光检测器
电转换器件
■原理:
光吸收
■在半导体材料上,当入射光子能量力闹过带隙能量时,每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子一空穴对。
在外
加电压建立的电场作用下,电子和空穴就在半导体中渡越
并形成电流流动,称为光电流,其电流大小“与入射光功率Pi.成比例:
In=RP“R—光电检测器的响应度(A/W)
Z.X1/fU
PIN光电二极管
(1)
■在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料,
以增大耗尽区宽度纽提高响应度的要求。
由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体
(Intrinsic),因此这种结构称为PIN光电二极管。
®崩光电二极管APD
个光子最多产生一对电子■空穴对■无增益
•員PD:
利用电离碰撞■4个光子产生多对电子■空穴对■有增益•工作过程:
外电场加速
厶吸收亠」■亠亠
入射光一一对电子■空穴对(一次光生电流)
与晶格碰撞电离多对电子■空穴对(二次光生电流)
APD倍增系数与过剩噪声因子
4、倍增系数M^lp/l0〃-平均输出电流,b—次光生电流
2、过剩噪声因子戸
在APD中,每个光生载流子不会经历相同的倍
增过程,具有随机性,这将导致倍增增益的波动,这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。
通常用
过剩噪声因子月蒋表征这种倍增噪声O
光检测器的比校
■APD检测器与PIN检测器相比,具有载流
子倍增效应,其探测灵敏度特别高,但需
要较高的偏置电压和温度补偿电路。
要视
具体应用场合而选定。
第二部分光调制器和光检测器
2.1光调制器
2.2光检测器
2・3光接收机
2.3光接收机
光信号
光电
变换
刖置
寢大
主放
大器
均衡
前端
」AGC电路♦
线性通道
时钟提取与数据再生
(CDR)
性能指标:
接收灵敏度、
误码率或信噪比
对信号进行高增益放大与整形,
提高信噪比,减少误码率。
2.3.1光接收机的前端⑴
光信号光电1「前置
电信号
1变换「放大
■前端:
由光电二极管和前置放大器组成。
■作用:
将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流,然后进行预放大(电流一电压转换),以便后级作进一步处理。
是光接收机的核心。
■要求:
低噪声、高灵敏度、足够的带宽
■PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度,不需要
高的工作电压,响应速度快。
■員PD最大的优点是它具有载流子倍增效应,其探测灵敏度特别高,但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。
■从简化接收机电路考虑,一般情况下多喜欢采用PIN
光电二极管作光探测器。
■前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小.
2.2.3判决珥生与时钟提取
任务:
把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号
为确定是或是
“0笃需要对某时隙
的码元作出判决。
若
判决结果为则
为了精确地确定“判决时刻",需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定,以保证与发送端一致。
•判决、珥生过程
判决电压
时钟jwifnwuir
Illi1111
再生后
——一L―
11
11
:
厂
的信号
t1
11
11
-L1
最佳取样时间相应于“俨和“(F信号电
平相差最大的位置,可有眼图决定。
光接收机的灵敏度
彳*接收灵敏度:
接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。
灵敏度是光接收机的重要指标,描述了其准确检测光信号的能力。
■误码率(BER):
接收机判决电路错误确定一个比特的概率。
发射估苦’光懣採测E噪声到收倩号
°厶•>「CD°丄°
炭射信号耳⑴,
丄和.
噪声引起误码
〔的南轍明J
y;V©V:
專T.T,TfTtT.TtT,判决吋间在到岐瀏权测钊的带有嗓声的信号»{)
0]0tG^0[0
T^LTk^TL
第三部分光放大器
3.2掺弭光纤放大器EDFA
3.3半导体光放大器SOA
3.4光纤拉曼放大器FRA
3.1光放大器概述
>
■TJ
■光放大器的出现,可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。
光一电一光(O・E・O)变换方式o
■装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信
道'在WDM系统中复杂性和成本倍增光放大
器(0-0)
■多波长放大、低成本
■光放大器的功能:
提供光信号增益,以补偿光信号在通路中的传输衰减,增大系统的无中继传输距离。
■在泵浦能量(电或光)的作用下,实现粒子数
激辐射实现对入射光的放大。
■光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现
入射光信号放大的一种器件。
其机制与激光器
完全相同。
■利用稀土掺杂的光纤放大器(EDFA、
PDKA)
■利用半导体制作的半导体光放大器(SOA)
■利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器(FRAvFBA)
几种光放大器的比较
放大器类型
原理
激励方式
工作长度
噪声特性
与光纤耦合
稳定性
掺稀土光纤放大器
粒子数反转
光
数米到数十米
好
容易
无
好
半导体光放大器
粒子数反转
电
100pm*1mm
差
很难
大
差
光纤(喇曼)放大器
光学非线性伸曼)效应
光
数千米
好
容易
大
好
:
线路放大(||1・恤・):
周:
[期性补偿各段光纤损耗:
:
功率放大(Boost):
増加:
:
入纤功率,延长传输距离:
前置预放大(Pr«-Ampliffy):
:
提高接收灵敏度
3.2掺弭光纤放大器EDFA
■掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作
为增益介质,在泵浦光的激发下实现光信号的放大,放大器的特性主要由掺杂元素决定。
■工作波长为1550nm的弭(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)
■工作波长为1300nm的错(P"掺杂光纤放大器(PDFA)
■工作波长为1400nm的铉(Tm)掺杂光纤放大器(TDKA)
■目前,EDKAM为成熟,是光纤通信系统必备器件。
掺弭光歼放大器给光奸通信领域带来的革侖
■EDFA解决了系统容量提高的最大的限制一光损耗
■补偿了光纤本身的损耗,使长距离传输成为可能■大大增加了功率预算的冗余,系统中引入各种新型光器件成为可能
■支持了最有效的增加光通信容量的方式・WDM
搀笹光纤放大器优点
■工作频带正处于光纤损耗最低处(佃25■佃65nm);■频带宽,可以对多路信号同时放大■波分复用;
■对数据率/格式透明,系统升级成本低;
■增益高(>40dB)v输出功率大(~30dBm)v噪声低
(4~5dB);
■全光纤结构,与光纤系统兼容;
■所需的泵浦功率低。
Amplifiedoutputsignal
EDFA的工作原理
■EDFA采用掺弭离子单模光纤为增益介质,在泵浦光作用下产生粒子数反转,在信号光诱导下实现受激辐射放大。
Inputsignal
1530nm-1570nm
980nmorU1480nmPowerlaser
(Pump)
信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输,泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级,并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。
信号光沿光纤长度得到放大,泵浦光沿光纤长度不断衰减。
EDFA中6&Er3+M级结构
浦波长可以jOio、650v800v980v1480nm
■波长短于980nm的泵浦效率低,因而通常采用980和
掺铝光纤放大器的基本结构
Er-DOPEDFIBERAMPLIFIER
掺弭光纤:
当一定的泵浦光注入到掺弭光纤中时,Er^从低能级被激发到高能级上,由于在高能级上的寿命很短,很快以非辐射跃迁形式到较低能级上,并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。
半导体泵浦二极管:
为信号放大提供足够的能量,使物质达到粒子数反转。
波分复用耦合器:
将信号光和泵浦光合路进入掺弭光纤中。
光隔离器:
使光传输具有单向性,放大器不受发射光影响,保证稳定工作。
三种泵浦方式的EDFA
WDMAPC
殳UMEDFLD2*
out
APC
虬~Q竺
APCWDM1
WDM2
同向泵浦(前向泵浦)型:
好的噪声性能
反向泵浦備向泵浦)
型:
输出信号功率高
双向泵浦型:
输出信号功率比单泵浦源高3dB9且放大特性与信号传输方向无关
三种泵浦方式的EDFA性能比较
泵浦效率=输出
功率/泵浦功率
同向泵浦61%
反向泵浦77%
双向泵浦76%
噪声
同向泵浦式掺饵光纤放
大器的噪声系数最小,反向泵浦式掺钩光纤放
大器的噪声最大,双向介于中间
WDM
WDM
RemoteAmplifier
由于光纤对1480iwn的光损耗较小,所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。
一.光放大器的增益
■增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。
定义为:
■G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号
有很复杂的关系。
输入光功率较小时,G是一常数,即输出光功率PS,OUT与输入光功率Ps,IN成正比例。
Go光放大器的小信号增益。
35
30
25
3dB
P
■outzsat
饱和区域
"4
III
饱和输出功率:
放大器增益降至小信号増益一半时的输出功率。
当Ps,IN増大到一定值后,光放大器的増益G开始
下降。
増益饱和现象。
增益G与输入光波长的关系
增益谱G(九“增益G与信号光波长九的关系。
光放大器的增益谱不平坦。
14
15381542I546I54915521554I558
信号光波长(nm)
对于给定的放大器长度(EDF长度),增益随泵浦功率在开始时按指数增加,当泵浦功率超过一定值时,增益增加变缓,并趋于一恒定值。
0
to
20304050
L/m
oooO
4321
当泵浦功率一定时,放大器在某一最佳长度时获得最大增益,如果放大器长度超过此值,由于泵浦的消耗,最佳点后的掺弭光纤不能受到足够泵浦,而且要吸收已放大的信号能量,导致增益很快下降。
因此,在EDFA设计中,需要在掺餌光纤结构参数的基础上,选择合适的泵浦功率和光纤长度,使放大器工作于最佳状态。
二.放大器的噪声
■所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射(或
散射)叠加到信号光上'导致被放大信号的信噪
比(SNR)下降,其降低程度通常用噪声指数来表示,其定义为:
厂(SNR)in
n=(SNR)out
■主要噪声源:
放大的自发辐射噪声(ASE),它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。
自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景o
AmplifiedSpontaneousEmission
1.481.501.521.541.561.58
波长(“m)
ASE噪声叠加在信号上,导致信噪比下降。
宽谱光源
沿着光纤的帧
1234567
跨度距离中的放大器数目
■EDFA的增益对不同波长的信号的增益是有
区别的,也就是说EDFA的增益是不平坦的。
在系统应用中应予以控制一增益平坦技术
■EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化(较低速变化)能产生响应-瞬态特性。
在系统应用中应予以控制-增益钳制。
》EDFA的级联特性
SystemResponseaftermanyamplfierstages-
信道间增益竞争,多级级连使用导致詹尖峰效应”
增益平坦
固有的增益不平坦,增益差随级联放大而积累增大
各信道的信噪比差别增大
各信道的接收灵敏度不同
增益谱的形状随信号功率而变,在有信道上、下的动态情况下,失衡情况更加严重
1.滤波器均衡:
JU
采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦■如:
薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光通信 基本 器件 docx