第 5章 光网络器件
?光放大器
?无源器件
光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。
有源器件的内部存在着光电能量转换的过程，而没有该功能的则称为无
源器件。由于光纤系统网络化程度日益提高，本章所讨论的器件在光网
络中得到广泛的应用，所以本章所涉及的器件也称为光网络器件。
5.1 光放大器
光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。在第一章中，
我们已经对光放大器的作用和地位作了说明。下面对光放大器的类型、
工作原理及应用作进一步的讨论。
5.1.1 概述
1,增益系数
光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进
行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下
产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为
s a tPPT
gPg
/)(1
)(),(
2
2
2
0
0
???
?
??
?? （ 5.1.1）
式中 是由泵浦强度决定的增益峰值,为入射光信号频率,为
介质原子跃迁频率,称作偶极子弛豫时间,是信号光功率,是饱
和功率，它与介质特性有关。对于小信号放大有 <<1，则（ 5.1.1）
式变为
)(0 ?g ? 0?
2T P satP
satP
P
2
2
2
0
0
)(1
)()(
T
gg
??
??
???
设光放大器增益介质长度为 L，信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长
)()()( zPgdz zdP ??
])(e x p [)( LgPLPP inout ???
])(e x p [)( LgPPG
in
o u t ?? ??
dB)PPlg (10G
in
out?或者
由
可见，放大器增益是频率的函数。当时,为最大,也为最大。图
5.1.1画出了放大器增益曲线和其增益系数曲线。当 降至最大值一半
时，,记,则 。我们将
称作 的半最大值全宽 FWHM（ Full Width at Half Maximum），而
则是 的 FWHM。也称作光放大器的带宽。
0?? ?
0??? )(?g
)(?G
1)( 2220 ?? T?? og ??? ??? 2 2/2 Tg ?????? 2/gg ???
)(?g A??
)(?G
2
2
Tg ?? ??
2/1
2ln
2ln ?
?
?
??
?
???? Lg ogA ??
(2π )ΔνgT2
0.50
G(ω )
归
一
化
增
益
(ω－ ω0)T2
0.75
1.00
0.25
0.00
－ 4 － 2 0 2 4
g(ω )
经计算，得到 （ 5.1.6）
（ 5.1.7）
图 5.1.1 光放大器增益曲线和增益系数曲线
G
0G inP
Psat
Pin (dBm)
10
G0
增
益
(dB)
20
30
3dB
0－ 60
－ 50 － 30－ 40 － 20 － 10 0 10
2,增益饱和
当输入光功率比较小时,是一个常数，也就是说输出光功率与输入光
功率成正比，此时的增益用符号 表示，称为光放大器的小信号增益。但当 增
大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和，如图 5.1.2所
示。
图 5.1.2 增益 G与输入光功率的关系曲线
当光放大器的增益降至小信号增益 的一半，用分贝表示为下降 3dB
时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率。
产生增益饱和的原理可由（ 5.1.1）式解释。当 较大时，分母中
便不能省略。假设,则有
0G
P satPP/
0?? ?
sa tPP
gPg
/1
)(),( 0
??
??
??
?
??
? ???
sa t
o u t
GP
PGGG )1(e x p
0
])(e x p [ 00 LgG ??
outP
G
sa t
sa t
o u t PG
GP
2
2ln
0
0
??
将上式代入（ 5.1.3）式，并积分，就可以得到大信号增益
(5.1.9)
，由上式分析可知，随着 的增加，
值将下降。根据饱和输出光功率的定义，可求得它的表达式
(5.1.10)
（ 5.1.8）
式中
3,噪声系数
我们知道，光放大器是基于受激辐射或散射的机理工作。在这个过程
中，绝大多数受激粒子因受激辐射而被迫跃迁到较低的能带上，但也有一部分
是自发跃迁到较低能带上的，它们会自发地辐射光子。自发辐射光子的频率在
信号光的范围内，但相位和方向却是随机的。那些与信号光同方向的自发辐射
光子经过有源区时被放大，所以叫做放大的自发辐射。因为它们的相位时随机
的，对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声。
光放大器的主要噪声来源是放大的自发辐射 ASE (Amplified Spontaneous
Emission)。放大自发辐射功率等于 ?? ??? )1(2 GhnP
spA S E
?h G ?? spn
12
2
NN
Nn
sp ??
(5.1.11),式中
是光子能量,是放大器增益,是光带宽,是自发辐射因子，它的定义是
（ 5.1.12）
2N1N
1?spn spn
分别是受激高能级和低能级上的粒子数。当高能级上的粒子数远大于低
能级粒子数时，,自发辐射因子为最小值。但实际的 在 1.4到 4之间
自发辐射噪声是一种白噪声，叠加到信号光上，会劣化信噪比 SNR。信噪比的
劣化用噪声系数 表示，其定义
nF
out
in
n SN R
SN RF
)(
)(? (5.1.11)
inP
inRPI ?
22 )( inRPI ?
BIqs 22 ??
qB
RP
BRPq
RPS N R in
in
in
in 2)(2
)()( 2 ??
（ 1） 输入信噪比
光放大器输入端的信号功率 经光检测器转化为光电流为
式中,R为光检测器的响应度。
由于信号光的起伏，光放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声
为限制，它可以表示为
式中 q为电子电荷,B为光检测器的电带宽。由（ 5.1.12）式和（ 5.1.13）式
可以得到输入信噪比
（ 5.1.14）
（ 5.1.12）
则表示检测的电功率。
（ 5.1.13）
相应的光检测器电功率就是 。光放大器的输出噪声主要由两部分组
成，一是放大后的散粒噪声,二是由自发辐射与信号光产生的
差拍噪声。由于信号光和 ASE具有不同的光频，落在光检测器带宽的差拍噪
声功率为
（ 2） 输出信噪比
光放大器增益为 G，输入光功率
inP inGP
2)( inRGP
BRGPq in )(2
))((42 BRSRG P A S EinA S ES ???
ASES
)1(212))((4)(2
)()( 2
?????? Gn
G
qB
RP
BRSR G PBR G Pq
R G PS N R
sp
in
A S Einin
in
out
G
GnF sp
n
)1(21 ???
SPn nF 2?
经光放大器放大后的输出为
式中 为放大自发辐射的功率谱，由此可得输出信噪比
所以噪声系数
当光放大器的增益比较大时，噪声系数可用自发辐射因子表示
(5.1.18)
（ 5.1.15）
（ 5.1.16）
（ 5.1.17）
(a) 法布里－珀罗放大器
泵浦电流
反射面反射面
有源区输入光信
号
输出光信号
Z=0 Z=L
泵浦电流
增透膜增透膜
有源区输入光信
号 输出光信
号
Z=0 Z=L
(b) 行波放大器
5.1.2 半导体光放大器
半导体光放大器 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)分成法布里－珀罗腔
放大器 FPA(Fabry-Perot Amplifier)和行波放大器 TWA(Traveling-Wave Amplifier)
两大类。法布里－珀罗腔放大器两侧有部分反射镜面，它是由半导体晶体的解
理面形成的。其自然反射率达 32%。当信号光进入腔体后，在两个镜面间来回
反射并被放大，最后以较高的强度发射出去，见图 5.1.3(a)。行波放大器在两个
端面上有增透膜以大大降低端面的反射系数，或者有适当的切面角度，所以不
会发生内反射，入射光信号只要通过一次就会得到放大，见图 5.1.3(b)。它的光
带宽较宽，饱和功率高，偏振灵敏度低。所以用途比法布里－珀罗腔放大器更
广。
图 5.1.3半导体光放大器的结构和机理
)]//()[(s i n4)1(
)1()(
0
22
2
ncLRGRG
GRG
SS
S
F P A ??? ???
??
R SG L
n nc/
SG
G
ω0
增益
频率 ω0
GFPAmax
GFPAmin
R=0.3
R=0.03
R=0 (行波放大器增
益 )
1,光放大器的增益
法布里－珀罗放大器的增益可以表示为
式中 为反射面的反射系数,称为单程功率放大因子,为有源区长度，
为折射率。 即为光在有源区的速度。
是一个与频率有关的参量。假设它与频率关系为高斯型。由（ 5.1.19）
式可作出图 5.1.4。
图 5.1.4 SOA放大器的增益频谱
(5.1.19)
2
2m a x
)1(
)1(
S
S
F PA RG
GRG
?
??
2
2m in
)1(
)1(
S
S
FPA RG
GRG
?
??
L
N
N 2
2??? ?
n
c??
0??? 0?R
)(?STW A GG ?
])e x p [ ( LgG S ????
?
g
图中, 分别对应着（ 5.1.19）式分母中的正
弦项为 0和 1。由图可见，法布里－珀罗放大器的增益谱是一条振荡的曲线。峰
值频率
式中，
在 处，增益最大。随着反射系数的降低，增益振荡幅度逐渐减小，当
时，增益谱就为高斯型曲线，即成了行波放大器的增益曲线。我们将行波放大
器的增益写为
单程增益用光放大器的参数可表示为
式中,为限制系数，它反映了有源区波导结构对辐射光子的引导作用。
（ 5.1.20）
（ 5.1.21）
(5.1.22)
?
g
和 是有源区每单位长度的增益系数和损耗系数，单位是 1/m,L为激活
区长度。 SOA增益典型值为 20～ 30dB。需要说明的是 SOA的增益依赖于输
入信号的偏振状态，不同的极化模式具有不同的增益。造成增益对偏振依赖
的原因是由于有源区的矩形形状和晶体结构所致，使得增益系数
和限制系数 与偏振方向有关，由此造成的偏振增益差可达 5～ 7dB。
减小 SOA的偏振增益的差可采用几种方法，一种是使有源区的横截面成
正方形；另一种是通过串联或是并联两个 SOA来补偿增益差。这些方法的使
用可以使偏振增益差降至 0.5dB。
作为行波放大器的条件。行波放大器的带宽用下式进行估算
，通过改变泵浦电流可以改变有源区折射率，从而
改变其振荡特性，便能实现可调谐的滤波。
理想行波放大器的反射系数 R＝ 0。但实际上是很难做到的。一般用关系式
，而典型的 WDM网络带宽是 30nm，即 3.746THz，所以 FPA
是无法应用在这样的系统中的。 FPA常用在有源滤波器、构造光子开关、光波长转
换器和路由器等场合。以有源滤波器为例，由于 FPA的增益具有周期性特点，各振
荡峰间距
2,光放大器的带宽
法布里－珀罗放大器的带宽在图 5.1.4上为振荡主峰对应的频宽。根据光
放大器带宽的定义，由（ 5.1.19）式可知，增益减小到峰值一半时,2 )(
0???
)]2/()1[(s i n)/(2 1 SSF P A RGRGL ??? ???
83.517.0 ?? sRG
)( 2 ??? ??? c
nL
c
LN 2
2
2
2 ???? ???
17.0?RG S
RRGL c
S
T W A /)1(
2??? ?
nm
值就是带宽，由此求得
上式成立要满足条件：
通常 FPA的带宽值不超过 10GHz。对应 1550nm的工作波长，允许的信道宽度约
为 0.08nm
(5.1.25)
TWA的带宽大约是 40 。图 5.1.5画出了 FPA与 TWA的带宽比较。显然,FPA增
益较大，而带宽较小； TWA增益略小，带宽较大。
(5.1.23)
(5.1.24)
图 5.1.5 FPA与 TWA的带宽比较
G
ω0
增益
频率 ω0
GFPA
GTWA
ΔωTWA
ΔωPFA
spn
0NN
Nn
sp ?? ?
??g
))((2
0 ???
? g gNN NF n
3,噪声系数
在前面已经提到，噪声指数主要取决于自发辐射因子,对于 SOA，
,N是 SOA的载流子浓度,N0是透明载流子浓度。考虑到内部损耗
使得可用增益减小到,所以噪声系数可以表示为
SOA噪声系数的范围时从 6dB到 9dB，
（ 5.1.26）
)( 3trE
光隔离器 光隔离器波分复用器
输入光信号 输出光信号
滤波器
熔接点
掺铒光纤
EDFA
泵浦源
5.1.3 掺杂光纤放大器
掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土引起的增益机制实现光放大的。光
纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是工作波长为 1550nm的掺铒光纤放大器和工
作波长为 1300nm的掺镨光纤放大器。目前已商品化并获得大量应用的是 EDFA。
掺镨光纤放大器的工作波段在 1310nm，并与 G－ 652光纤的零色散点相吻合，
在已建立的 1310nm光纤通信系统中有着巨大的市场。但由于掺镨光纤的机械强度
较差，与常规光纤的熔接较为困难，故尚未获得广泛的应用。另一掺杂光纤放大
器 —— 掺铥放大器工作的波段为光传输开辟了新的波段资源。我们首先讨论掺铒
放大器的工作机制。
1,EDFA结构
掺铒光纤放大器 EDFA（ Erbium Doped Fiber Amplifier）是利用掺铒 光纤作
为增益介质、使用激光器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。图
5.1.6画出了掺铒光纤放大器的结构。
图 5.1.6 EDFA的典型结构
掺铒光纤是 EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺
入固体激光工作物质 —— 铒离子。在几米至几十米的掺铒光纤内，光与
物质相互作用而被放大、增强。
掺铒光纤的模场直径约为 3~6um，比常规光纤的 9~16um要小得多。这
是为了提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。
但掺铒光纤芯径的减小也使得它与常规光纤的模场不匹配，从而产生较
大的反射和连接损耗，解决的方法是在光纤中掺入少许氟元素，使折射
率降低，从而增大模场半径，达到与常规光纤可匹配的程度。另外，在
熔接时，通过使用过渡光纤、拉长常规光纤接头长度以减小芯径等方法
减小 MFD的不匹配。
为了实现更有效地放大，在制作掺铒光纤时，将大多数铒离子集中
在纤芯的中心区域，因为在光纤中，可认为信号光与泵浦光的光场近似
为高斯分布，在纤芯轴线上光强最强，铒离子在近轴区域，将使光与物
质充分作用，从而提高能量转换效率。根据掺铒光纤放大器的使用场合，
有多种型号的掺铒光纤供设计 EDFA时采用，如 EDF-PAX-01用于设计在线
放大器和前置放大器，其增益带宽具有平坦和宽的特性； EDF-LAX-01可
用于在线放大器，它的功率转换效率高且噪声系数低； EDF-BAX-01能提
供高的输出功率等。
表 5.1列出了一些掺铒光纤的技术指标
泵浦源是 EDFA的另一核心部件，它为光信号放大提供足够的能量，
是实现增益介质粒子数反转的必要条件，由于泵浦源直接决定着 EDFA的
性能，所以要求其输出功率高，稳定性好，寿命长。实用的 EDFA泵浦源
都是半导体激光二极管，其泵浦波长有 980nm和 1480nm两种，应用较多
的是 980nm泵浦源，其优点是噪声低，泵浦效率高，功率可高达数百毫
瓦。
泵浦光与信号同时进入光纤，在掺铒光纤入口处泵浦光最强，当它
沿光纤传输时，将能量逐渐转移给信号光，使得信号强度越来越大，自
己的强度逐渐变小，如图 1.2.15所示。
除了激光二极管 LD外，作为泵浦模块还包括监视 LD性能的光电二极管
PD和控制并稳定 LD温度的热电冷却器。
按泵浦源所在的位置可以分为三种泵浦方式，第一种如图 5.1.6所示，
称作同向泵浦，这种方式下，信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤，
这种方式具有较好的噪声性能；第二种方式为反向泵浦，信号光与泵浦
光从两个不同的方向进入掺铒光纤见图 5.1.7(a)，这种泵浦方式具有输出
信号功率高的特点；第三中方式为双向泵浦源，用两个泵浦源从掺铒光
纤两端进入光纤，见图 5.1.7(b)，由于使用双泵浦源，输出光信号功率比
单泵浦源要高，且放大特性与信号传输方向无关。
光隔离器 光隔离器波分复用 器
输入光信 号 输出光信 号
滤波器
EDFA
泵浦源熔接点
掺铒光纤
(a) 反向泵浦
光隔离器 光隔离器波分复用
器
输入光信 号 输出光信 号
滤波器
EDFA
泵浦源熔接点
掺铒光纤
(a) 双向泵浦
波分复用 器
泵浦源
图 5.1.7 EDFA的泵浦方式
泵浦光功
率
Fn
反向泵浦
双向泵浦
输
出
光
功
率
同向泵浦
输出光功
率
掺铒光纤长
度
双向泵浦
反向泵浦
同向泵浦
Fn
反向泵浦
同向泵浦
双向泵浦
(a)转换效率的比较
(b)噪声系数与放大器输出功率的关系
(c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系
图 5.1.8 不同泵浦方式下输出功率及噪声特性比较
其中图 (a)为输出光信号功率与泵浦光功率之间的关系，三种泵浦方式
的微分转换效率分别为 61%和 76%和 77%。图 (b)为噪声系数与放大器输出
功率的关系，随着输出功率的增加，粒子反转数将下降，结果是使噪声指数
增大。图 (c)为噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系，由图可见，不管掺铒
光纤的长度如何，同向泵浦方式的 EDFA噪声最小。
图 5.1.7中，波分复用器也称为合波器，它的功能是将 980/1550nm或
1480/1550nm波长的泵浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，对它的要求是
插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。
光隔离器的功用是使光的传输具有单向性，防止光反射回原器件，因
为这种反射会增加放大器的噪声并降低放大效率。
光滤波器的作用是滤掉工作带宽之外光放大器中的噪声，以提高系统
的信噪比。
2,EDFA工作原理
（ 1）能级与泵浦
EDFA的工作机理基于受激辐射。我们首先讨论激活介质掺铒石英的能级
图，图 5.1.9示出了掺铒石英的能级图，这里用三能级表示。铒离子从能级 2到能
级 1的跃迁产生的受激辐射光，其波长范围从 1500nm到 1600nm，这是 EDFA得到
广泛应用的原因。
为了实现受激辐射，需要产生能级 2与能级 1之间的粒子数反转，即需要
泵浦源将铒离子从能级 1激发到能级 2。有两种波长的泵浦源可以满足要求，一种
是 980nm波长的泵浦。
泵浦光 980
nm
能级 1
（ 0ev）
τsp=1μs
泵浦光 1480
nm
受激辐射信号光（ 1500～ 1600
nm）
自发辐射光（ 1500～ 1600 nm）
ASE
能级 2（ 0.80ev）
能级 3（ 1.27ev）
τsp=10ms
图 5.1.9 石英光纤中铒离子的能级
在这种情况下，铒离子受激不断地从能级 1转移到能级 3上，见图 5.1.9，在
能级 3上停留很短的时间（生存期），约 1us，然后无辐射地落到能级 2上。
由于铒离子在能级 2上的生存期约为 10ms，所以能级 2上的铒离子不断积累，
形成了能级 1,2之间的粒子数反转。在输入光子（信号光）的激励下，铒
离子从能级 2跃迁到能级 1上，这种受激跃迁将伴随着与输入光子具有相同
波长，方向和相位的受激辐射，使得信号光得到了有效的放大；另一方面，
也有少数粒子以自发辐射方式从能级 2跃迁到能级 1，产生自发辐射噪声，
并且在传输的过程中不断得到放大，成为放大的自发辐射。放大自发辐射
噪声的总功率由（ 5.1.11）式表示。
另一种是 1480nm波长的泵浦，它可以直接将铒离子从能级 1激发到
能级 2上去，实现粒子数反转。
（ 2）增益
EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪声功率是放大的自发
辐射产生的，记它为,则 EDFA的增益用分贝表示
(dB) (5.1.27)
式中,,分别是输出光信号和输入光信号功率。
EDFA的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光纤的长度、铒离子
浓度、泵浦功率等因素有关。泵浦光和信号光在通过掺铒光纤时，其光功率是变
化的，它们相互之间满足下式
（ 5.1.28a）
(5.1.28b)
式中,,分别表示信号光功率和泵浦光功率,,分别是泵浦频率、
信号频率处受激吸收和受激发射截面,,分别是掺铒光纤对信号光和泵浦
光的损耗,N2,N1分别是能级 2和能级 1的粒子数。由方式（ 5.1.28）可以知道
增益 GE与掺铒光纤长度 L与泵浦功率之间的关系。由于式 (5.1.28)是一个超越方
程，所以经常用数值解或图形来反映增益与泵浦功率或掺铒光纤长度的关系。见
图 5.1.10。
ASEP
in
A S Eout
E P
PPG ?? lg10
outP inP
SS
S PNN
dz
dP ?? ??? )(
12
PP
P PN
dz
dP '
1 ?? ??
SP PP S?S? P?
?'?
图 5.1.10 增益与掺铒光纤长度的关系
由图 5.1.10可以看出，随着掺铒光纤长度的增加，增益经历了从增加到减小的
过程，这是因为随着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率将下降，使得粒子反
转数降低，最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数，粒子数恢复
到正常的数值。由于掺铒光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于
受激辐射产生的光子，引起增益下降。由上面的讨论可知，对于某个确定的入
射泵浦功率，存在着一个掺铒光纤的最佳长度，使得增益 GE最大。图 5.1.10也
显示了不同泵浦功率下增益与掺铒光纤长度的关系。如，当泵浦功率为 5mW
时，铒纤长为 30m的放大器可以产生 35dB的增益。
经常用关系式
(5.1.29)
来估算增益，式中 和 分别表示泵浦波长和信号波长，而 和 则为
泵浦光和信号光的入射功率。单位为 mW。
图 5.1.11示出了 EDFA增益和噪声与输入光信号功率之间的关系。当输
入光信号功率增大到一定值后，增益开始下降，出现了增益饱和现象，与此同
时，噪声增加。
inS
inP
S
P
inS
outS
E P
P
P
PG
,
,
,
,1
?
????
P? S? inPP,inSP,
8GE
Fn
输入功率（ dBm）
Fn
(dB)
GE
(dB)
7
6
5
4
30
25
20
15
10
5
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
图 5.1.11 增益和噪声与输入光信号功率的关系
（ 3）噪声系数
噪声系数的计算关系用（ 5.1.17）式。实际上它也与掺铒光纤长度和泵浦
功率有关。理论分析还表明，噪声系数与泵浦源波长有关，使用 980nm
泵浦源的噪声特性优于 1480nm泵浦源。 EDFA噪声系统的变化范围在
3.5dB到 9dB之间。
3,EDFA增益平坦性
增益平坦性是指增益与波长的关系，很显然，我们所希望的 EDFA应该在
我们所需要的工作波长范围具有较为平坦的增益，特别是在 WDM系统中使用时，
要求对所有信道的波长都具有相同的放大倍数。但是作为 EDFA的核心部件 ——
掺铒光纤的增益平坦性却不理想，如图 5.1.12所示。
图 5.1.12 掺铒光纤增益系数与波长的关系
为了获得较为平坦的增益特性，增大 EDFA的带宽，有两种方法可以采用。一种
是采用新型宽谱带掺杂光纤，如在纤芯中再掺入铝离子；另一种方法是在掺铒光
纤链路上放置均衡滤波器。如图 5.1.13所示，该均衡滤波器的传输特性恰好补偿
掺铒光纤增益的不均匀。
10
增益系数 (dB/m)
8
6
4
2
波长 （ nm）
1480 1500 1520 1540 1560
波长
掺
铒
光
纤
增
益
波长
滤
波
器
特
性
波长
放
大
器
增
益
均衡滤波
器
掺铒光
纤
掺铒光
纤
图 5.1.13 EDFA中的均衡滤波器作用
4,EDFA的性能指标
这里我们给出三种型号（ 16通道）掺铒光纤放大器性能指标。见表 5,2
除了光通道技术指标外，还有表明工作电压及功耗的电气性能以及温度、
湿度的环境要求，在使用时都应注意。
5,掺镨光纤放大器
目前已铺设的光纤大都工作在 1310nm窗口，而 EDFA只能用于 1550nm的系统，
所以工作在 1310 nm波段上的掺镨光纤放大器 PDFA具有较大的实用价值。与
EDFA不同的是，掺镨光纤是在氟化物玻璃而不是石英玻璃中掺入镨离子 ()制作
的。目前已研制出的 PDFA模块所采用泵浦波长为 1017nm，在 1310nm波长处
放大器的增益可达 24dB，噪声系数为 6.6。在－ 3 dBm输入时放大波段为
1281nm－ 1381nm，放大带宽达 37nm。
图 5.1.14示出了 PDFA的增益和噪声与波长的关系曲线,图中取输入信号功率为
－ 30 dBm。
图 5.1.14 增益和噪声与波长的关系
波长 （ μm）
20
Fn(dB)增益(dB)
20
15
10
55
10
15
1.28 1.30 1.32 1.34
Fn
增益
6,掺铥光纤放大器
掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子 ()制作的，其工作波长范围为
1450nm－ 1480nm，增益可达 22dB，噪声指数在 6dB以下。主要与
EDFA配合应用在 DWDM系统中。
5.1.4 喇曼光纤放大器
回顾一下第 2章中光纤非线性效应的内容。基于受激喇曼散射机理，可以
制造出喇曼光纤放大器 RFA(Raman Fiber Amplifier)。
如果将频率为 的小功率信号光与一个频率为 的大功率泵浦
光同时注入光纤，并且它们的频差 (也称作频移 )落在喇曼增益谱带宽范围之
内，则信号光沿着光纤传输时将得到有效的放大。对于固定的泵浦光频率，
由于喇曼增益谱宽度很大，见图 2.3.7，所以利用 SRS效应可以在相当宽的波
长范围对信号光进行放大。由图可知，当 Ω=13.2THz时，喇曼增益达到最大。
该频差对应的信号光（ 1550nm）要比泵浦光的波长长 100nm。
S? SP ?? ???
1,增益
泵浦光与信号光之间的能量交换描述见公式 (2.3.40)。在小信号放大的情况下，
因为信号光强 比泵浦光强 小很多，所以可以忽略泵浦光因对信号光放大而
产生的衰减。在长为 L的光纤输出端，信号光功率可由 (2.3.42)式表示，重写如下
（ 2.3.42）
是信号光的输入功率。 是泵浦光的输出功率。 是喇曼增益系数。
是光纤对信号光的衰减系数。 和 分别为光纤有效面积和有效长度。
若没有喇曼放大，经光纤输出的信号为,故喇曼放大器的小
信号增益定义为
（ 5.1.30）
随着信号光的增强，泵浦光的减弱，增益会逐渐降低达到饱和。设
由 (2.3.40a) 式 和 (2.3.40b) 式可算得饱和增益
(5.1.31)
（ 5.1.32）
式中 为由（ 5.1.30）定义的小信号增益。
SI PI
?
?
?
?
?
?
?
?
?? LL
A
PgPLP
Se ff
e ff
P
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)0(e x p)0()(
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A effL
)e x p ()0( LP SS ???
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)(
e ff
e ffPR
SS
S
R A
LPg
LP
LPG ?
?
?
?
PS ?? ?
)]1(e x p [
1
00
0
0 rGr
rG
R
R ???
??
)0(
)0(
0
PS
SP
P
Pr
?
??
RG
1,带宽
光纤的 SRS增益与喇曼增益系数之间的关系是,
是泵浦光强度，因此有
（ 5.1.33）
它与喇曼增益系数的形状相似，图 5.1.15画出了泵浦功率分别为 100mw和 200mw
的 SRS增益，由喇曼增益谱曲线可见，在增益峰值附近的增益带宽约为
6THz~7THz。如果采用不同波长的多个泵浦源同时作用，则可获得更为平坦的，
带宽更宽的增益特性。目前喇曼放大器的带宽已达 132nm。
图 5.1.15 喇曼增益
PR Igg )()( ?? ?
PI
e ff
p
R A
Pgg )()( ?? ?
上述喇曼光纤放大
器带光输出光监控，面
板为数字可控式，内置
集成化泵浦光与信号光
复用器，具有低噪声，
增益平坦性能好的特点。
它可应用在超长距离
DWDM、
40Gb/sDWDM等系统
中。
5.1.5 光放大器的应用
光放大器的类型很多，不同的使用场合对光放大器参数的要求是不一样的,这就要
求我们除了知道光放大器的一些基本特性外，还要对它的实际应用有所了解。根
据光放大器在光链路中所处位置的不同，将其应用分成三个类型。
1,在线放大 (in-line amplifier)
在单模光纤通信系统中，光纤的色散影响较小，限制传输距离的主要因素是光纤
的衰减，所以用光放大器可以补偿传输损耗。它适用于超长距离传输的系统。见
图 5.1.16(a)。
图 5.1.16 光放大器的几种应用
光放大器
光发射机
(a)
光接收机
光纤链路
光放大器
光发射机
(b)
光接收机
光纤链路
光放大器
光发射机
(c)
光接收机
光纤链路
每个在线放大器的增益必须恰好补偿前面一段光纤中的信号损耗。在设计光纤
系统时，还要考虑放大器噪声等因素的影响，使用多个在线放大器,光纤链路中
会积累 ASE噪声，它随着信号光一起传输，最终影响输出端的信噪比,造成信噪
比下降。当 k个放大器级联时，考虑 ASE噪声影响的噪声指数
(5.1.34)
式中 表示两个放大器之间的链路损耗,表示放大器的噪声指数和增
益。如果放大器之间链路长度相等，每个放大器的噪声指数和增益也相等，记
为 F,G，且每个放大器的增益恰好补偿与前一个放大器之间的链路损耗，即
（ 5.1.35）
可见噪声指数大大提高了，因而输出信噪比 劣化了。通过
放大器增益和级联数目的选择，可以得到总增益和 的最佳组合。
一般而言，选择在线放大器的输入信号标称范围从
增益大于 15dB。
kk
nknn
n LGGLGL
F
LGL
F
L
FF
?????? ?????????????? ? 12211211
2
1
1
iL?
iiGF
k F GLkFF nn ??
1
1
?
ninout FS N RS N R /)()( ?
outSNR )(
)125(9~)5.2(26 Wd B mWd B m ?? ??
3,功率放大（ power boaster）
功率放大指的是在光发射机后安装一个光放大器见图 5.1.16(c)所示，以提
高发射功率，一般可使传输距离增加 10km－ 100km。如果同时使用前置
放大，即可实现 200km－ 250km的无中继海底传输。由于功率放大器直接
放置于光发射机后，其输入功率较高，要求的泵浦功率也较大。其输入一
般要在－ 8dBm以上，具有的增益必须大于 5dB。
例 5.1.1用 EDFA做功率放大器，设其增益为 20dB，泵浦波长为 λ=980nm，
输入光信号的功率为 0dBm，波长为 1550nm，求所用的泵浦源功率为多
少？
解：入射功率 0dBm，即为 1mw。由功率放大器增益表达式
5.2 无源器件
光无源器件是能量消耗型光学器件。其种类繁多，功能各异。是一类实
用性很强的不可缺少的器件。其中主要的产品有耦合器、滤波器、隔离
器、衰减器、光开关和连接器等。它们的作用概括起来是连接光路，控
制光的传输方向，控制光功率的分配，控制光波导之间、器件之间以及
光波导与器件之间的光耦合、合波、分波。现将几种主要的光无源器件
分别介绍如下。
5.2.1 耦合器
1,耦合器类型
耦合器是对光信号实现分路、合路和分配的无源器件，是波分复用、光纤
局域网、光纤有线电视网以及某些测量仪表中不可缺少的光学器件。图
5.2.1展示了几种典型的光纤耦合器结构图。 (b) 4端口耦合器 4312分路器
合路器 (a) 3端口耦合器 (c) 星形耦合器 NMλ 1λ 1＋ λ 2λ 2λ 1＋ λ 2(d) 3
波分复用器 λ 2λ 1
图 5.2.1光纤耦合器结构图
(b) 4端口耦合器
4
3
1
2
分路器
合路器
(a) 3端口耦合器
(c) 星形耦合器
NM
λ 1λ 1＋ λ 2
λ 2
λ 1＋ λ 2
(d) 3波分复用器λ 2
λ 1
其中图 (b)也称为 2ⅹ2 耦合器，它用来完成光功率在不同端口间的分配，
是构成其它光学元件的基础。图 (c)有多个输入端口和多个输出端口，称
为星型耦合器，它通常完成将单个输入信号分配给多个输出信号的功能。
星型耦合器常用多个 2ⅹ2 耦合器级联而成。图 (d)除了涉及光功率的分配
外，还涉及到不同波长的分配，我们将它称为波分复用器。它可以看作
是一种特殊形式的光纤耦合器。光纤耦合器有熔锥型，研磨型。除用光
纤制成耦合器外，还可用集成光波导制作耦合器。
2,工作原理
2× 2耦合器是最简单的器件，我们以它为例来说明耦合器的工作原
理。图 5.2.2为熔锥型光纤耦合器结构示意图。
图 5.2.2 光纤耦合器结构和原理
将两根单模光纤扭绞在一起，然后加热并拉伸，使它在长为 W的距离内均匀熔
融以形成耦合器。在耦合区，纤芯直径变小，归一化频率下降，由 (2.3.10)
式可知,V值越小模场直径越大，也即模场超过光纤直径的部分越多。见图
(5.2.2)。这样，一个光模式的更多部分在耦合区的包层部分传播，然后被耦
合到另一根光纤的纤芯中。
从一根光纤耦合到另一根光纤的光功率取决于耦合区内两个纤芯之间的距离、
两个纤芯直径和工作波长，并与耦合区的长度有关。
图中 Pin是输入功率,P1称为直通功率,P2是耦合到第二根光纤中的功率,P3、
P4是由于耦合器弯曲和封装而产生的反射和散射功率。假设耦合器是无损耗的，
因为 P3,P4的比例很小，在此也忽略掉，则耦合功率和直通功率分别可表示为
（ 5.2.1）
（ 5.2.2）
式中 c为耦合系数
（ 5.2.3）
其中 d为两光纤耦合区中的纤芯距离,K0,K1为第二类零阶和一阶的贝塞尔函
数。
图 5.2.3示出了归一化功率与耦合区长度以及波长的关系。显然，当波长固定
时，可以通过改变 W等参数来制作不同性能的耦合器。
)(s in 22 czPP in?
)(c o s 221 czPPPP inin ???
)(
)(
2 21
0
22
2
1 WK
a
WdK
Va
U
nc ??? ?
?
图 5.2.3 耦合功率和直通功率与耦合区长度,波长的关系曲线
3,性能参数
表示光纤耦合器性能的主要参数有插入损耗，附加损耗，分光比与隔离度
(串音 )。在实际的耦合器中，信号通过它时，总会有一些损耗。两种基本类型
的损耗就是插入损耗和附加损耗。
（ 1）插入损耗
插入损耗是指光功率从特定的端口到另一端口路径的损耗。从输入端口 k到
输出端口 j的插入损耗可表示为
(5.2.4)
（ 2）附加损耗
附加损耗的定义是输入功率与总输出功率的比值
(5.2.5)
对于图 5.2.2所示的 2× 2耦合器有
（ 3）分光比
分光比是某一输出端口的光功率与所有输出端口光功率之比
(5.2.6)
它说明输出端口间光功率分配的百分比。对于 2× 2耦合器可以是
jout
kin
i P
PL
,
,lg10?
?
?
j
jout
in
e P
P
L
,
lg10
21
lo g10 PP PL ine ??
%1 0 0
21
2 ?
?? PP
PS
R
（ 4）隔离度
隔离度也称作为方向性或串扰，隔离度高意味着线路之间的串扰小。它
表示输入功率出现在不希望的输出端的多少。对于 2× 2耦合器，其数学
形式是
(5.2.8)
图 5.2.4为某一耦合器的实物照片。表 5.4为其性能指标，表中的均匀性
是在工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量。偏振相关损
耗（ Polarization Dependant Loss）是衡量耦合器对传输光信号偏振态
敏感程度的参量，它指的是传输光信号的偏振方向发生 3600的变化时，
耦合器输出端口输出光功率的最大变化量。
图 5.2.4 1× 2耦合器实物照片
in
c P
PL 3lg10?
5.2.2 滤波器
滤波器是一种波长选择器件，在光纤通信系统中有着重要的应用，
如上节光放大器中噪声的滤波。特别在 WDM光纤网络中每个接收机都必须
选择所需要的信道，滤波器成为必不可少的部分。
滤波器分成固定滤波器和可调谐滤波器两大类。前者是允许一个确
定波长的信号光通过，而后者是可以在一定光带宽范围内动态地选择波
长，见图 5.2.5所示。
(a)固定波长滤波器 (b)可调谐波段
图 5.2.5光滤波器功能和分类
光滤波器
λ k(固定 )
光滤波器
λ i(可调 )λ 1,λ 2,… λ n
Δλ
λ 1 λ 2 λ n
滤波器的特性如图 5.2.6所示。由该图我们了解一下固定波长滤波器的主
要参数，它们是中心波长 λ 0，带宽 Δλ，除它们以外，还有插入损耗和
隔离度等。对于可调谐滤波器，主要参数有调谐范围、带宽、可分辨信
道数、调谐速度、插入损耗、偏振相关损耗和分辨率等。其中可分辨信
道数是信道范围与最小信道间隔之比。调谐速度指的是滤波器调到指定
波长所需要的时间。分辨率是滤波器能检测的最小波长偏移。图 5.2.6
实际滤波器的传输特性
λ (nm)
传输
特性
（ dB）
λ 0
Δλ
0.5 dB
我们首先了解固定波长滤波器的工作原理。
1,固定波长滤波器
（ 1）薄膜干涉滤波器
这种滤波器采用多层不同材料的介质薄膜构成，一层为高折射率，一层为低折射
率，交叠而成。每层介质的等效光学厚度为 λ /4，利用各层的反射光与入射光的
干涉效应实现滤波。图 5.2.7示出了薄膜干涉滤波器的原理。当光由光疏介质入
射到光密介质时，反射光不产生相移；而当光由光密介质入射到光疏介质时，反
射光产生 1800相移。由于介质厚度为 λ /4，光经低折射率层内传输、反射、再传
输后的总相移为 3600，与经高折射率层的反射光同相叠加，这样，在中心波长附
近，各层的反射光叠加，在滤波器上端面形成很强的反射光，得到中心波长为具
有一定带宽的光信号。其它频率的光因不能满足相长干涉而不能被反射。
图 5.2.7 薄膜干涉滤波器结构
λ /4
空气
λ /4
λ /4
空气
高折射率
低折射率
低折射率
（ 2）法布里－珀罗固定波长滤波器
法布里－珀罗固定波长滤波器是由两片平行镜组成的谐振腔组成，
如图 5.2.8 所示。当入射光波长满足谐振条件时方能通过，式中 L为谐
振腔体的长度,N为整数。
该滤波器的传输特性可由下式表示
（ 5.2.9）
式中 是介质和平行镜吸收引起的插入损耗，为两平行镜的反射率,是
光在腔体中的速度，由（ 5.2.9）式可看出，传输特性是与 R密切相关的一个
周期函数，图 5.2.8(b)画出了传输特性曲线，我们将周期长度称为自由光谱
范围 FSR
（ 5.2.10）
F-P滤波器的带宽由下列公式给出
(5.2.11)
定义
（ 5.2.12）
为 F-P滤波器的精细度，它反映滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差。
]/)[(s i n4)1(
)1()(
022
2
?????
??
LRR
RT
mm
mF P F
???
??
nLcFSR 2?
R
R
nL
cf
PF ?
????
?
1
2
R
R
f
F SRF
PF ?
???
? 1
?
图 5.2.8 F-P滤波器原理
L
平行镜
入射光
平行镜
透射光
R1
FSR
Δ fP－ F
频率
R2
R1< R2
TFPF
1
0.5
2．可调谐滤波器
严格来说，可调谐滤波器属于有源器件，它可以通过控制电压或温度的
变化来改变滤波器的某些参数，从而达到波长动态选择的目的。
可调谐滤波器主要使用在 WDM系统中,WDM网络中所有波长都应从 ITU标准
中选取，如波长间隔约为 0.8nm(1550nm窗口 )，则对应信道频率间隔是
100GHz。所以可调谐滤波器的调谐范围、带宽应该根据要求来设计。我
们讨论以下几种滤波器
（ 1）光纤法布里－珀罗滤波器
图 5.2.9示出了一个光纤 F-P滤波器的结构示意图，工作原理与 F-P固定波
长滤波器相同，输入光纤和输出光纤的两个端面被抛光镀膜，两个光纤
端面之间的部分构成了法布里－珀罗腔，这两根光纤经过支架与压电陶
瓷相连，对压电陶瓷施加电压（ 300～ 500V）可使支架产生左右变化的位
移，如图，从而改变反射镜之间的长度，达到波长调谐的目的。
如果不是通过压电陶瓷改变 F-P腔长而是在两光纤端面之间填入介质液晶，
由于液晶的折射率随着施加电压的变化迅速改变,F-P腔的光子长度也随
之变化。这种填充液晶的滤波器调谐时间在 10内，调谐范围达 80nm，波
长分辨率 0.05~10nm，插入损耗为几个分贝。光纤压电陶瓷压电陶瓷光纤
反射镜支架
图 5.2.9 光纤 F-P滤波器结构示意图
光纤
压电陶瓷
压电陶瓷
光纤
反射镜 支架
（ 2）马赫－曾特干涉滤波器
马赫－曾特（ M-Z）干涉滤波器的机理是基于单色光经过不同长度光波导
传输后之间的干涉。在图 5.2.10中，两个波长和的光信号输入光纤，经
过方向耦合器使它们均匀地被分配到滤波器的两臂上，光信号经过两臂
时，获得的相位变化不等，也即产生了相位差，当它们以不同的相位到
达第二个方向耦合器时，如果相位差满足一定的条件，在输出光纤 1端，
波长“相长”干涉，波长“相消”干涉，所以输出波长为的光波。同理，
输出光纤 2端输出波长为的光波。图 5.2.10中，臂 2上放置了光电材料，
当臂上的电压改变时，该臂的折射率便发生变化，假设两臂的长度相等
为 L，臂 1的折射率为，臂长的折射率为，则在第二个耦合器输入端两个
臂中光波的相位差为
（ 5.2.13）
式中表示两个光波频率,c为光速。进一步用传输特性描述 M-Z滤波器，
它可表示为
(5.2.14)
c
nLf i ??? ?? 2
?
?
?
?
??
)2/(s in
)2/(c o s
2
2
?
?
MZT
可调谐滤波器的类型还有光栅滤波器，声光滤波器。光栅滤波器是通过
施加压力或者加热光栅改变光栅的周期长度，从而达到调谐的目的。声
光滤波器结构类似于 M-Z滤波器。其中的两臂被刻蚀在 LiNbO3双折射半导
体中，进入的光被输入偏振器分成 TE波和 TM波，见图 5.2.11，一个换能
器产生表面声波，在 LiNbO3中引起折射率的周期性波动，这种波动等效
为动态的布拉格光栅，由于光栅相互作用，满足谐振条件（对应某一波
长）的 TE模光能被转化成 TM模，而 TM模的光能转换 TE模，然后经输出偏
振器输出，波长不满足谐振条件的信号将从另一个端口输出。
图 5.2.11声光可调性滤波器的结构
λ 1 λ 2λ 3
换能器 λ
1（选择）
λ 2λ 3（拒绝）
TE
电压
输入偏振 输出偏振TM TE (λ
1)
TM (λ 1)
5.2.3 隔离器
隔离器是一种只允许光单方向传输的器件。光纤通信系统中的很多光器件
如激光器，光放大器对来自连接器，熔接点，滤波器的反射光非常敏感，
反射光将导致它们的性能恶化，例如半导体激光器的线宽受反射光的影响
会展宽或压缩，甚至可达几个数量级。因此要在靠近这种光器件的输出端
放置隔离器，阻止反射光的影响。
隔离器由三个功能部件组成，输入偏振器（起偏器），法拉第旋转器和输
出偏振器（检偏器），如图 5.2.12所示。输入和输出偏振器的作用是将光
变成固定偏振方向的线偏振光。法拉第旋转器是使入射光的偏振方向发生
旋转变化，旋转的角度由下式决定：
（ 5.2.16）
式中 L是法拉第旋转器的长度,H是法拉第旋转器沿光束传播上所加的磁场
强度，单位为 A/m（安培 /米，对石英光纤,（弧度 /安培）。
隔离器的工作过程如下：入射光经过输入偏振器后变成垂直偏振光，见图
5.2.12。经过法拉第旋转器，垂直偏振光的偏振方向旋转了 450，输出偏振
器的方向设计成 450，所以允许其通过；另一方面，在隔离器的反方向上，
反射光经输出偏振器变成 450的线偏振光，经法拉第旋转器又一次旋转 450
后，变成了水平偏振，由于输入偏振器只允许垂直偏振光通过，所以反射
光便无法到达隔离器输入端。
HL?? ?
Ar /1086.4 6????
隔离器的主要性能指标有工作波长，典型插入损耗（参考值,0.4dB），
最大插入损耗（参考值,0.6dB），典型峰值隔离度，最小隔离度（参考
值,40dB），最大偏振灵敏度（参考值,0.05dB），回波损耗（参考值：
输入 /输出 60/60dB）等。
输出偏振器
450
入射光 （ 非偏振光 ）
H
输入偏振器 法拉第旋转器
出射光 （ 偏振光 ）
反射光 （ 非偏振光 ）
图 5.2.12 隔离器的工作原理
5.2.4 环形器
第 2章在讨论色散补偿时提到了环形器。环形器有 3,4和 6端口之分，它
是只允许某端口的入射光从确定端口输出的器件，如图 5.2.13所示，对
于 3端口环形器，端口 1的输入光信号只能从端口 2输出，而端口 2的输入
光信号只能从端口 3输出。环形器的主要功能部件为双折射分离元件、法
拉第旋转器和相位旋转器。双折射分离元件不仅能使入射光分离成相互
正交的偏振光，而且两者具有一定的分裂度，即在空间上可以分离开来。
如图 5.2.14所示。
图 5.2.14 环形器的工作原理
（ a）
反射棱镜
①
双折射率分离元件
②
1 2
3
2
偏振分束立方体透镜
法拉第旋转 器 相位旋转器
（ b）
光束由端口 1到端口 2传播的工作过程如下，入射光经过双折射分离元件
①后，被分离成两束，上束为垂直偏振光（也称 E光），下束为水平偏振
光（也称为 O光），经过法拉第旋转器和相位旋转器分别再旋转 450后，
上束变为水平偏振光，下束变为垂直偏振光，由于水平偏振光通过双折
射分离元件②时其偏振方向不变，且不发生折射，而垂直偏振光通过时
发生折射，过程与分离元件①相反，所以光束在端口 2处被合成后输出。
光束由端口 2到端口 3传播的工作过程是图 5.2.14（ b）所示，经过双折射
率分离元件的两次分离后，它们已经偏离了端口 1的轴，两束光线分别通
过反射棱镜和偏振分束立方体透镜重新组合，并从端口 3输出。
我们以某环形器产品说明其性能指标，它们是中心波长 (1310或 1550nm)，
波长范围 (20nm)，典型插入损耗 (0.7dB)，最大插入损耗 (0.8dB)，隔离
度 (45dB)，串扰 (50dB)，回波损耗 (55dB)，偏振相关损耗 (0.1dB)，偏振
模式色散 (0.1ps)，最大承载功率 (300mW)，最大承担拉力 (5N)，光纤类
型 corning SMF28)，工作温度 (-5~+700C)，环境温度 (-40~+850C)，封装
尺寸 (5.5× 5.5× 54mm)等。
5.2.5 衰减器
衰减器的功能是对光功率进行预定量的衰减。在光纤通信系统中，
许多场合都需要减少光信号的功率。例如，光接收机对光功率的过载非常敏
感，必须将输入功率控制在接收机的动态范围内，防止其饱和；光放大器前
的不同信道输入功率间的平衡，防止某个或某些信道的输入功率过大，引起
光放大器增益饱和等。另外，在光系统的评估、研究和调整、校正等方面也
大量使用衰减器。
衰减器的工作机理有以下几种：
1,耦合型
它是通过输入、输出两根光纤纤芯的偏移来改变光耦合的大小，从而达到改
变衰减量的目的，见图 5.2.15(a) 。耦合型衰减器有横向位移动型和轴向位
移两种，衰减器与位移、横场直径、纤态和两端面介质的折射率等因素有关。
2,反射型
如图 5.2.15（ b）所示，通过改变反射镜的角度，控制透射光的大小。
衰减器可分成固定式、步进可变式和连续可变式三种类型。固定衰减器引入
一个预定的损耗，例如 5dB,10dB等。步进衰减器常表示成诸如 10dB× 5的形
式，也即 5步进式的，每步为 10dB。连续可变式是指衰减量在一个范围内连
续可调，如 0~60dB。
根据使用场合的不同，又可将衰减器分为在线型衰减器、适配器型固定衰减
器、插头式衰减器、光纤端口终止器等。
技术参数主要有中心波长、带宽、衰减器、衰减精度、最小回波损耗、最大
偏振灵敏度等，其中的衰减精度是指能被精细调节衰减的准确性。
(a)
Pin Pout
反射镜
PoutPin
透射光
光吸收材 料 P
outPin
(b)
(c)
图 5.2.15 衰减器的工作原理
5.2.6 连接器
光纤的连接常采用两种办法，一种是要求两根光纤（缆）的连接固定、
永久。在光缆施工中，因为一盘光缆的长度一般在 2km以内，所以两根光
缆的接续要采用熔接机将它们熔融相连。另一种是光纤与光发射机（附
带尾纤）、光接收机或仪表之间的连接，或者是与另一根光纤暂时性的
连接，就要用到连接器。连接器是易出故障的器件，也是用途最广泛的
无源器件，我们有必要对其结构性能等有所了解。
1．连接器结构
连接器的基本功能部件有：插针件，闭锁装置，后壳，压接套管和保护
套，图 5.2.16（ a）是一与光接收机相连的连接器示意图。 (b)光缆紧固
件缓冲管裸光纤
图 5.2.16 连接器的结构
图 5.2.16（ b）是准备连接的光缆示意图。准备工作包括剥离光缆外层护
套，揭开紧固件，除去缓冲管，将光纤裸露出来，这种准备好的光缆插
进连接器时，插针才能护住裸露的光纤。
图 5.2.16示出的结构称为套管结构，是采用得最为广泛的一种形式。除
此之外还有双锥结构,V形槽结构，球面空心结构和透镜耦合结构，如图
5.2.17所示。
(b)
光缆 紧固件 缓冲管 裸光纤
图 5.2.16 连接器的结构
2．连接损耗
连接损耗产生的原因可归为两类：一类是光纤公差引起的固有损耗，如
芯径、折射率指数等的失配，如图 5.2.18（ a）所示。另一类是连接器加
工装配引起的外部损耗，如图 5.2.18（ b）所示。外部损耗往往是主要的，
其中间隙和横向偏移造成的损耗占有较大的比例。
光纤
(a) 双锥结构
锥形插针双锥套管
(b) V形槽结构
光纤·
V形槽
压盖
插针
（ c） 球面定心结构 （ d） 透镜耦合结构
图 5.2.17 连接器的几种形式
3．连接器型号和参数
常用的连接器型号有 FC/PC,FC/APC,SC/PC,SC/APC和 ST/PC型，其中分子部分
表示外部加强件的材料、固定方式,FC是金属套筒，卡口螺旋式； SC是插拔式，
外壳为矩形； ST是弹簧带锁卡口结构。分母部分表示内部光纤端面的处理形式：
PC是端面做成凸球面形,APC是端面处理成斜面。值得说明的是,APC连接器端面
的倾斜面为 80，这是为了保证光传输到两光纤端面产生部分反射时，反射光不致
反射传播回去，而是近距离消失。因为标准单模光纤的数值孔径是 0.13，这相当
于 7.50（ NA=sinθ 0），所以 80的倾斜角使反射光角度大于接收角，见图 5.2.19。
除了单芯活动连接器外，已经有大量双芯和多芯连接器问世，它们在光纤用户接
入网中得到广泛应用。
连接器的规格型号繁多，各种型号的连接器都有自己的特点和用途。例如 FC/PC
型接连器，插入损耗小，适用于长距离干线网。 APC型连接器回波段损耗大，可
用于高速率数字系统或模数视频系统。
连接器的主要性能指标有：插入损耗，一般在 0.5dB以下；重复性，即每插拔一
次或数次之后，其损耗的变化情况，一般应小于 0.1dB；互换性，是指同一种连
接器不同插针替换时损耗的变化量，它应小于 0.1dB；寿命，即在保证连接器具
有上述损耗参数范围内插拔资料的多少，一般应在千次以上；温度性能是指在一
定温度范围内连接器损耗的变化量，一般是在 -250~+700C范围内，损耗变化应小
于或等于 0.2dB。此外还有反射损耗（一般应小于－ 35dB）、抗拉强度以及振动
试验等性能。
芯径失配 纤芯不同心折射率分布失配
横向偏移轴向倾角 端面粗糙
（ a）
（ b）
图 5.2.18 连接损耗机理
5.2.7 光开关
光开关是光交换的关键器件，它具有一个或多个可选择的传输端口，可
对光传输线路中的光信号进行相互转换或实行逻辑运算，在光纤网络系
统中有着广泛的应用。
光开关可分成机械式和非机械式两大类。机械式光开关依靠光纤或者光
学元件的移动，使光路发生转换。非机械式光开关依靠电光、声光、热
光等效应来改变波导的折射率，使光路发生变化，下面对这两类光开关
的结构、工作原理作一介绍。
1,机械式光开关
新型机械式光开关有微光机电系统光开关和金属薄膜光开关两类。
微光机电系统光开关 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)在半导体
衬底材料上制造出可以作微小移动和旋转的微反射镜阵列，微反射镜的尺
寸非常小，约 140μ m× 150μ m，它在驱动力的作用下，将输入光信号切换
到不同的输出光纤中。加在微反射镜上的驱动力是利用热力效应、磁力效
应或静电效应产生的。图 5.2.20示出了 MEMS光开关的结构。当微反射镜为
取向 1时，输入光经输出波导 1输出；当微反射镜为取向 2时，输入光经输出
波导 2输出。微反射镜的旋转由控制电压（ 100～ 200V）完成。这种器件的
特点是体积小，消光比（光开关处于通状态时的输出光功率与断状态时的
输出光功率之比）大，对偏振不敏感，成本低，开关速度适中，插入损耗
小于 1dB。
入射光
出射光
出射光
控制信号 V
波导 2
波导 1
取向 1 取向 2
微反射
镜
金属薄膜关开关的结构如图 5.2.21所示。波导芯层下面是底包层，上面
则是金属薄膜,金属薄膜与波导之间为空气。通过施加在金属薄膜与衬
底之间的电压，使金属薄膜获得静电力，在它的作用下，金属薄膜向下
移动与波导接触在一起，使波导的折射率发生改变，从而改变了通过波
导光信号的相移。图 5.2.22为金属薄膜 M-Z型光开关结构示意图。如果不
加电压，金属薄膜跷起,M-Z干涉仪两个臂的相移相同，此时光信号从端
口 2输出；如果加电压，金属薄膜与波导接触，引起该臂 π 的相移，光信
号从端口 1输出。
金属薄膜
衬垫
波导芯层
底包层
衬底
空气
(a) 未加电压时
金属薄膜
衬垫
波导芯层
底包层
衬底
(b) 加电压时
入射光 波导
4 1
3 2
3dB耦合3dB耦合
金属薄膜
2,非机械式光开关
非机械式光开关的类型有液晶光开关、电光效应光开关、热光效应光开关、
半导体光放大器光开关等。
液晶光开关是在半导体材料上制作出偏振光束分支波导，在波导交叉点上
刻蚀具有一定角度的槽，槽内注入液晶，槽下安置电热器。不对槽加热时，
光束直通；加热后，液晶内产生气泡，经它的全反射，光改变方向，输出
到要求的波导中。
电光效应、热光效应等是利用材料的折射率随电压和温度的变化而改变，
从而实现光开、关的器件。
半导体光放大器关开关利用改变放大器的偏置电压实现开关功能。
光开关的参数主要有波长范围、插入损耗、光路回波损耗、串扰、光路输
入功率、偏振相关损耗、重复性、开关速度和寿命等。
光放大器和光无源器件的重要性随着光纤通信应用范围的不断扩大
而日益显著，它们的性能也直接影响到信号传输的各种指标。对于光
放大器，应掌握增益系数、增益饱和和噪声系数的意义，各类放大器
的基本工作原理、参数和应用。 EDFA已经得到了普遍的使用，读者
对它应有足够的了解。光无源器件的种类很多，读者除了理解其基本
工作原理外，更应注重它们的参数和应用，并且应学会在网上搜索有
关产品的性能指标。
本章小结
?光放大器
?无源器件
光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。
有源器件的内部存在着光电能量转换的过程，而没有该功能的则称为无
源器件。由于光纤系统网络化程度日益提高，本章所讨论的器件在光网
络中得到广泛的应用，所以本章所涉及的器件也称为光网络器件。
5.1 光放大器
光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。在第一章中，
我们已经对光放大器的作用和地位作了说明。下面对光放大器的类型、
工作原理及应用作进一步的讨论。
5.1.1 概述
1,增益系数
光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进
行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下
产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为
s a tPPT
gPg
/)(1
)(),(
2
2
2
0
0
???
?
??
?? （ 5.1.1）
式中 是由泵浦强度决定的增益峰值,为入射光信号频率,为
介质原子跃迁频率,称作偶极子弛豫时间,是信号光功率,是饱
和功率，它与介质特性有关。对于小信号放大有 <<1，则（ 5.1.1）
式变为
)(0 ?g ? 0?
2T P satP
satP
P
2
2
2
0
0
)(1
)()(
T
gg
??
??
???
设光放大器增益介质长度为 L，信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长
)()()( zPgdz zdP ??
])(e x p [)( LgPLPP inout ???
])(e x p [)( LgPPG
in
o u t ?? ??
dB)PPlg (10G
in
out?或者
由
可见，放大器增益是频率的函数。当时,为最大,也为最大。图
5.1.1画出了放大器增益曲线和其增益系数曲线。当 降至最大值一半
时，,记,则 。我们将
称作 的半最大值全宽 FWHM（ Full Width at Half Maximum），而
则是 的 FWHM。也称作光放大器的带宽。
0?? ?
0??? )(?g
)(?G
1)( 2220 ?? T?? og ??? ??? 2 2/2 Tg ?????? 2/gg ???
)(?g A??
)(?G
2
2
Tg ?? ??
2/1
2ln
2ln ?
?
?
??
?
???? Lg ogA ??
(2π )ΔνgT2
0.50
G(ω )
归
一
化
增
益
(ω－ ω0)T2
0.75
1.00
0.25
0.00
－ 4 － 2 0 2 4
g(ω )
经计算，得到 （ 5.1.6）
（ 5.1.7）
图 5.1.1 光放大器增益曲线和增益系数曲线
G
0G inP
Psat
Pin (dBm)
10
G0
增
益
(dB)
20
30
3dB
0－ 60
－ 50 － 30－ 40 － 20 － 10 0 10
2,增益饱和
当输入光功率比较小时,是一个常数，也就是说输出光功率与输入光
功率成正比，此时的增益用符号 表示，称为光放大器的小信号增益。但当 增
大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和，如图 5.1.2所
示。
图 5.1.2 增益 G与输入光功率的关系曲线
当光放大器的增益降至小信号增益 的一半，用分贝表示为下降 3dB
时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率。
产生增益饱和的原理可由（ 5.1.1）式解释。当 较大时，分母中
便不能省略。假设,则有
0G
P satPP/
0?? ?
sa tPP
gPg
/1
)(),( 0
??
??
??
?
??
? ???
sa t
o u t
GP
PGGG )1(e x p
0
])(e x p [ 00 LgG ??
outP
G
sa t
sa t
o u t PG
GP
2
2ln
0
0
??
将上式代入（ 5.1.3）式，并积分，就可以得到大信号增益
(5.1.9)
，由上式分析可知，随着 的增加，
值将下降。根据饱和输出光功率的定义，可求得它的表达式
(5.1.10)
（ 5.1.8）
式中
3,噪声系数
我们知道，光放大器是基于受激辐射或散射的机理工作。在这个过程
中，绝大多数受激粒子因受激辐射而被迫跃迁到较低的能带上，但也有一部分
是自发跃迁到较低能带上的，它们会自发地辐射光子。自发辐射光子的频率在
信号光的范围内，但相位和方向却是随机的。那些与信号光同方向的自发辐射
光子经过有源区时被放大，所以叫做放大的自发辐射。因为它们的相位时随机
的，对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声。
光放大器的主要噪声来源是放大的自发辐射 ASE (Amplified Spontaneous
Emission)。放大自发辐射功率等于 ?? ??? )1(2 GhnP
spA S E
?h G ?? spn
12
2
NN
Nn
sp ??
(5.1.11),式中
是光子能量,是放大器增益,是光带宽,是自发辐射因子，它的定义是
（ 5.1.12）
2N1N
1?spn spn
分别是受激高能级和低能级上的粒子数。当高能级上的粒子数远大于低
能级粒子数时，,自发辐射因子为最小值。但实际的 在 1.4到 4之间
自发辐射噪声是一种白噪声，叠加到信号光上，会劣化信噪比 SNR。信噪比的
劣化用噪声系数 表示，其定义
nF
out
in
n SN R
SN RF
)(
)(? (5.1.11)
inP
inRPI ?
22 )( inRPI ?
BIqs 22 ??
qB
RP
BRPq
RPS N R in
in
in
in 2)(2
)()( 2 ??
（ 1） 输入信噪比
光放大器输入端的信号功率 经光检测器转化为光电流为
式中,R为光检测器的响应度。
由于信号光的起伏，光放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声
为限制，它可以表示为
式中 q为电子电荷,B为光检测器的电带宽。由（ 5.1.12）式和（ 5.1.13）式
可以得到输入信噪比
（ 5.1.14）
（ 5.1.12）
则表示检测的电功率。
（ 5.1.13）
相应的光检测器电功率就是 。光放大器的输出噪声主要由两部分组
成，一是放大后的散粒噪声,二是由自发辐射与信号光产生的
差拍噪声。由于信号光和 ASE具有不同的光频，落在光检测器带宽的差拍噪
声功率为
（ 2） 输出信噪比
光放大器增益为 G，输入光功率
inP inGP
2)( inRGP
BRGPq in )(2
))((42 BRSRG P A S EinA S ES ???
ASES
)1(212))((4)(2
)()( 2
?????? Gn
G
qB
RP
BRSR G PBR G Pq
R G PS N R
sp
in
A S Einin
in
out
G
GnF sp
n
)1(21 ???
SPn nF 2?
经光放大器放大后的输出为
式中 为放大自发辐射的功率谱，由此可得输出信噪比
所以噪声系数
当光放大器的增益比较大时，噪声系数可用自发辐射因子表示
(5.1.18)
（ 5.1.15）
（ 5.1.16）
（ 5.1.17）
(a) 法布里－珀罗放大器
泵浦电流
反射面反射面
有源区输入光信
号
输出光信号
Z=0 Z=L
泵浦电流
增透膜增透膜
有源区输入光信
号 输出光信
号
Z=0 Z=L
(b) 行波放大器
5.1.2 半导体光放大器
半导体光放大器 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)分成法布里－珀罗腔
放大器 FPA(Fabry-Perot Amplifier)和行波放大器 TWA(Traveling-Wave Amplifier)
两大类。法布里－珀罗腔放大器两侧有部分反射镜面，它是由半导体晶体的解
理面形成的。其自然反射率达 32%。当信号光进入腔体后，在两个镜面间来回
反射并被放大，最后以较高的强度发射出去，见图 5.1.3(a)。行波放大器在两个
端面上有增透膜以大大降低端面的反射系数，或者有适当的切面角度，所以不
会发生内反射，入射光信号只要通过一次就会得到放大，见图 5.1.3(b)。它的光
带宽较宽，饱和功率高，偏振灵敏度低。所以用途比法布里－珀罗腔放大器更
广。
图 5.1.3半导体光放大器的结构和机理
)]//()[(s i n4)1(
)1()(
0
22
2
ncLRGRG
GRG
SS
S
F P A ??? ???
??
R SG L
n nc/
SG
G
ω0
增益
频率 ω0
GFPAmax
GFPAmin
R=0.3
R=0.03
R=0 (行波放大器增
益 )
1,光放大器的增益
法布里－珀罗放大器的增益可以表示为
式中 为反射面的反射系数,称为单程功率放大因子,为有源区长度，
为折射率。 即为光在有源区的速度。
是一个与频率有关的参量。假设它与频率关系为高斯型。由（ 5.1.19）
式可作出图 5.1.4。
图 5.1.4 SOA放大器的增益频谱
(5.1.19)
2
2m a x
)1(
)1(
S
S
F PA RG
GRG
?
??
2
2m in
)1(
)1(
S
S
FPA RG
GRG
?
??
L
N
N 2
2??? ?
n
c??
0??? 0?R
)(?STW A GG ?
])e x p [ ( LgG S ????
?
g
图中, 分别对应着（ 5.1.19）式分母中的正
弦项为 0和 1。由图可见，法布里－珀罗放大器的增益谱是一条振荡的曲线。峰
值频率
式中，
在 处，增益最大。随着反射系数的降低，增益振荡幅度逐渐减小，当
时，增益谱就为高斯型曲线，即成了行波放大器的增益曲线。我们将行波放大
器的增益写为
单程增益用光放大器的参数可表示为
式中,为限制系数，它反映了有源区波导结构对辐射光子的引导作用。
（ 5.1.20）
（ 5.1.21）
(5.1.22)
?
g
和 是有源区每单位长度的增益系数和损耗系数，单位是 1/m,L为激活
区长度。 SOA增益典型值为 20～ 30dB。需要说明的是 SOA的增益依赖于输
入信号的偏振状态，不同的极化模式具有不同的增益。造成增益对偏振依赖
的原因是由于有源区的矩形形状和晶体结构所致，使得增益系数
和限制系数 与偏振方向有关，由此造成的偏振增益差可达 5～ 7dB。
减小 SOA的偏振增益的差可采用几种方法，一种是使有源区的横截面成
正方形；另一种是通过串联或是并联两个 SOA来补偿增益差。这些方法的使
用可以使偏振增益差降至 0.5dB。
作为行波放大器的条件。行波放大器的带宽用下式进行估算
，通过改变泵浦电流可以改变有源区折射率，从而
改变其振荡特性，便能实现可调谐的滤波。
理想行波放大器的反射系数 R＝ 0。但实际上是很难做到的。一般用关系式
，而典型的 WDM网络带宽是 30nm，即 3.746THz，所以 FPA
是无法应用在这样的系统中的。 FPA常用在有源滤波器、构造光子开关、光波长转
换器和路由器等场合。以有源滤波器为例，由于 FPA的增益具有周期性特点，各振
荡峰间距
2,光放大器的带宽
法布里－珀罗放大器的带宽在图 5.1.4上为振荡主峰对应的频宽。根据光
放大器带宽的定义，由（ 5.1.19）式可知，增益减小到峰值一半时,2 )(
0???
)]2/()1[(s i n)/(2 1 SSF P A RGRGL ??? ???
83.517.0 ?? sRG
)( 2 ??? ??? c
nL
c
LN 2
2
2
2 ???? ???
17.0?RG S
RRGL c
S
T W A /)1(
2??? ?
nm
值就是带宽，由此求得
上式成立要满足条件：
通常 FPA的带宽值不超过 10GHz。对应 1550nm的工作波长，允许的信道宽度约
为 0.08nm
(5.1.25)
TWA的带宽大约是 40 。图 5.1.5画出了 FPA与 TWA的带宽比较。显然,FPA增
益较大，而带宽较小； TWA增益略小，带宽较大。
(5.1.23)
(5.1.24)
图 5.1.5 FPA与 TWA的带宽比较
G
ω0
增益
频率 ω0
GFPA
GTWA
ΔωTWA
ΔωPFA
spn
0NN
Nn
sp ?? ?
??g
))((2
0 ???
? g gNN NF n
3,噪声系数
在前面已经提到，噪声指数主要取决于自发辐射因子,对于 SOA，
,N是 SOA的载流子浓度,N0是透明载流子浓度。考虑到内部损耗
使得可用增益减小到,所以噪声系数可以表示为
SOA噪声系数的范围时从 6dB到 9dB，
（ 5.1.26）
)( 3trE
光隔离器 光隔离器波分复用器
输入光信号 输出光信号
滤波器
熔接点
掺铒光纤
EDFA
泵浦源
5.1.3 掺杂光纤放大器
掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土引起的增益机制实现光放大的。光
纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是工作波长为 1550nm的掺铒光纤放大器和工
作波长为 1300nm的掺镨光纤放大器。目前已商品化并获得大量应用的是 EDFA。
掺镨光纤放大器的工作波段在 1310nm，并与 G－ 652光纤的零色散点相吻合，
在已建立的 1310nm光纤通信系统中有着巨大的市场。但由于掺镨光纤的机械强度
较差，与常规光纤的熔接较为困难，故尚未获得广泛的应用。另一掺杂光纤放大
器 —— 掺铥放大器工作的波段为光传输开辟了新的波段资源。我们首先讨论掺铒
放大器的工作机制。
1,EDFA结构
掺铒光纤放大器 EDFA（ Erbium Doped Fiber Amplifier）是利用掺铒 光纤作
为增益介质、使用激光器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。图
5.1.6画出了掺铒光纤放大器的结构。
图 5.1.6 EDFA的典型结构
掺铒光纤是 EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺
入固体激光工作物质 —— 铒离子。在几米至几十米的掺铒光纤内，光与
物质相互作用而被放大、增强。
掺铒光纤的模场直径约为 3~6um，比常规光纤的 9~16um要小得多。这
是为了提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。
但掺铒光纤芯径的减小也使得它与常规光纤的模场不匹配，从而产生较
大的反射和连接损耗，解决的方法是在光纤中掺入少许氟元素，使折射
率降低，从而增大模场半径，达到与常规光纤可匹配的程度。另外，在
熔接时，通过使用过渡光纤、拉长常规光纤接头长度以减小芯径等方法
减小 MFD的不匹配。
为了实现更有效地放大，在制作掺铒光纤时，将大多数铒离子集中
在纤芯的中心区域，因为在光纤中，可认为信号光与泵浦光的光场近似
为高斯分布，在纤芯轴线上光强最强，铒离子在近轴区域，将使光与物
质充分作用，从而提高能量转换效率。根据掺铒光纤放大器的使用场合，
有多种型号的掺铒光纤供设计 EDFA时采用，如 EDF-PAX-01用于设计在线
放大器和前置放大器，其增益带宽具有平坦和宽的特性； EDF-LAX-01可
用于在线放大器，它的功率转换效率高且噪声系数低； EDF-BAX-01能提
供高的输出功率等。
表 5.1列出了一些掺铒光纤的技术指标
泵浦源是 EDFA的另一核心部件，它为光信号放大提供足够的能量，
是实现增益介质粒子数反转的必要条件，由于泵浦源直接决定着 EDFA的
性能，所以要求其输出功率高，稳定性好，寿命长。实用的 EDFA泵浦源
都是半导体激光二极管，其泵浦波长有 980nm和 1480nm两种，应用较多
的是 980nm泵浦源，其优点是噪声低，泵浦效率高，功率可高达数百毫
瓦。
泵浦光与信号同时进入光纤，在掺铒光纤入口处泵浦光最强，当它
沿光纤传输时，将能量逐渐转移给信号光，使得信号强度越来越大，自
己的强度逐渐变小，如图 1.2.15所示。
除了激光二极管 LD外，作为泵浦模块还包括监视 LD性能的光电二极管
PD和控制并稳定 LD温度的热电冷却器。
按泵浦源所在的位置可以分为三种泵浦方式，第一种如图 5.1.6所示，
称作同向泵浦，这种方式下，信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤，
这种方式具有较好的噪声性能；第二种方式为反向泵浦，信号光与泵浦
光从两个不同的方向进入掺铒光纤见图 5.1.7(a)，这种泵浦方式具有输出
信号功率高的特点；第三中方式为双向泵浦源，用两个泵浦源从掺铒光
纤两端进入光纤，见图 5.1.7(b)，由于使用双泵浦源，输出光信号功率比
单泵浦源要高，且放大特性与信号传输方向无关。
光隔离器 光隔离器波分复用 器
输入光信 号 输出光信 号
滤波器
EDFA
泵浦源熔接点
掺铒光纤
(a) 反向泵浦
光隔离器 光隔离器波分复用
器
输入光信 号 输出光信 号
滤波器
EDFA
泵浦源熔接点
掺铒光纤
(a) 双向泵浦
波分复用 器
泵浦源
图 5.1.7 EDFA的泵浦方式
泵浦光功
率
Fn
反向泵浦
双向泵浦
输
出
光
功
率
同向泵浦
输出光功
率
掺铒光纤长
度
双向泵浦
反向泵浦
同向泵浦
Fn
反向泵浦
同向泵浦
双向泵浦
(a)转换效率的比较
(b)噪声系数与放大器输出功率的关系
(c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系
图 5.1.8 不同泵浦方式下输出功率及噪声特性比较
其中图 (a)为输出光信号功率与泵浦光功率之间的关系，三种泵浦方式
的微分转换效率分别为 61%和 76%和 77%。图 (b)为噪声系数与放大器输出
功率的关系，随着输出功率的增加，粒子反转数将下降，结果是使噪声指数
增大。图 (c)为噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系，由图可见，不管掺铒
光纤的长度如何，同向泵浦方式的 EDFA噪声最小。
图 5.1.7中，波分复用器也称为合波器，它的功能是将 980/1550nm或
1480/1550nm波长的泵浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，对它的要求是
插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。
光隔离器的功用是使光的传输具有单向性，防止光反射回原器件，因
为这种反射会增加放大器的噪声并降低放大效率。
光滤波器的作用是滤掉工作带宽之外光放大器中的噪声，以提高系统
的信噪比。
2,EDFA工作原理
（ 1）能级与泵浦
EDFA的工作机理基于受激辐射。我们首先讨论激活介质掺铒石英的能级
图，图 5.1.9示出了掺铒石英的能级图，这里用三能级表示。铒离子从能级 2到能
级 1的跃迁产生的受激辐射光，其波长范围从 1500nm到 1600nm，这是 EDFA得到
广泛应用的原因。
为了实现受激辐射，需要产生能级 2与能级 1之间的粒子数反转，即需要
泵浦源将铒离子从能级 1激发到能级 2。有两种波长的泵浦源可以满足要求，一种
是 980nm波长的泵浦。
泵浦光 980
nm
能级 1
（ 0ev）
τsp=1μs
泵浦光 1480
nm
受激辐射信号光（ 1500～ 1600
nm）
自发辐射光（ 1500～ 1600 nm）
ASE
能级 2（ 0.80ev）
能级 3（ 1.27ev）
τsp=10ms
图 5.1.9 石英光纤中铒离子的能级
在这种情况下，铒离子受激不断地从能级 1转移到能级 3上，见图 5.1.9，在
能级 3上停留很短的时间（生存期），约 1us，然后无辐射地落到能级 2上。
由于铒离子在能级 2上的生存期约为 10ms，所以能级 2上的铒离子不断积累，
形成了能级 1,2之间的粒子数反转。在输入光子（信号光）的激励下，铒
离子从能级 2跃迁到能级 1上，这种受激跃迁将伴随着与输入光子具有相同
波长，方向和相位的受激辐射，使得信号光得到了有效的放大；另一方面，
也有少数粒子以自发辐射方式从能级 2跃迁到能级 1，产生自发辐射噪声，
并且在传输的过程中不断得到放大，成为放大的自发辐射。放大自发辐射
噪声的总功率由（ 5.1.11）式表示。
另一种是 1480nm波长的泵浦，它可以直接将铒离子从能级 1激发到
能级 2上去，实现粒子数反转。
（ 2）增益
EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪声功率是放大的自发
辐射产生的，记它为,则 EDFA的增益用分贝表示
(dB) (5.1.27)
式中,,分别是输出光信号和输入光信号功率。
EDFA的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光纤的长度、铒离子
浓度、泵浦功率等因素有关。泵浦光和信号光在通过掺铒光纤时，其光功率是变
化的，它们相互之间满足下式
（ 5.1.28a）
(5.1.28b)
式中,,分别表示信号光功率和泵浦光功率,,分别是泵浦频率、
信号频率处受激吸收和受激发射截面,,分别是掺铒光纤对信号光和泵浦
光的损耗,N2,N1分别是能级 2和能级 1的粒子数。由方式（ 5.1.28）可以知道
增益 GE与掺铒光纤长度 L与泵浦功率之间的关系。由于式 (5.1.28)是一个超越方
程，所以经常用数值解或图形来反映增益与泵浦功率或掺铒光纤长度的关系。见
图 5.1.10。
ASEP
in
A S Eout
E P
PPG ?? lg10
outP inP
SS
S PNN
dz
dP ?? ??? )(
12
PP
P PN
dz
dP '
1 ?? ??
SP PP S?S? P?
?'?
图 5.1.10 增益与掺铒光纤长度的关系
由图 5.1.10可以看出，随着掺铒光纤长度的增加，增益经历了从增加到减小的
过程，这是因为随着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率将下降，使得粒子反
转数降低，最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数，粒子数恢复
到正常的数值。由于掺铒光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于
受激辐射产生的光子，引起增益下降。由上面的讨论可知，对于某个确定的入
射泵浦功率，存在着一个掺铒光纤的最佳长度，使得增益 GE最大。图 5.1.10也
显示了不同泵浦功率下增益与掺铒光纤长度的关系。如，当泵浦功率为 5mW
时，铒纤长为 30m的放大器可以产生 35dB的增益。
经常用关系式
(5.1.29)
来估算增益，式中 和 分别表示泵浦波长和信号波长，而 和 则为
泵浦光和信号光的入射功率。单位为 mW。
图 5.1.11示出了 EDFA增益和噪声与输入光信号功率之间的关系。当输
入光信号功率增大到一定值后，增益开始下降，出现了增益饱和现象，与此同
时，噪声增加。
inS
inP
S
P
inS
outS
E P
P
P
PG
,
,
,
,1
?
????
P? S? inPP,inSP,
8GE
Fn
输入功率（ dBm）
Fn
(dB)
GE
(dB)
7
6
5
4
30
25
20
15
10
5
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
图 5.1.11 增益和噪声与输入光信号功率的关系
（ 3）噪声系数
噪声系数的计算关系用（ 5.1.17）式。实际上它也与掺铒光纤长度和泵浦
功率有关。理论分析还表明，噪声系数与泵浦源波长有关，使用 980nm
泵浦源的噪声特性优于 1480nm泵浦源。 EDFA噪声系统的变化范围在
3.5dB到 9dB之间。
3,EDFA增益平坦性
增益平坦性是指增益与波长的关系，很显然，我们所希望的 EDFA应该在
我们所需要的工作波长范围具有较为平坦的增益，特别是在 WDM系统中使用时，
要求对所有信道的波长都具有相同的放大倍数。但是作为 EDFA的核心部件 ——
掺铒光纤的增益平坦性却不理想，如图 5.1.12所示。
图 5.1.12 掺铒光纤增益系数与波长的关系
为了获得较为平坦的增益特性，增大 EDFA的带宽，有两种方法可以采用。一种
是采用新型宽谱带掺杂光纤，如在纤芯中再掺入铝离子；另一种方法是在掺铒光
纤链路上放置均衡滤波器。如图 5.1.13所示，该均衡滤波器的传输特性恰好补偿
掺铒光纤增益的不均匀。
10
增益系数 (dB/m)
8
6
4
2
波长 （ nm）
1480 1500 1520 1540 1560
波长
掺
铒
光
纤
增
益
波长
滤
波
器
特
性
波长
放
大
器
增
益
均衡滤波
器
掺铒光
纤
掺铒光
纤
图 5.1.13 EDFA中的均衡滤波器作用
4,EDFA的性能指标
这里我们给出三种型号（ 16通道）掺铒光纤放大器性能指标。见表 5,2
除了光通道技术指标外，还有表明工作电压及功耗的电气性能以及温度、
湿度的环境要求，在使用时都应注意。
5,掺镨光纤放大器
目前已铺设的光纤大都工作在 1310nm窗口，而 EDFA只能用于 1550nm的系统，
所以工作在 1310 nm波段上的掺镨光纤放大器 PDFA具有较大的实用价值。与
EDFA不同的是，掺镨光纤是在氟化物玻璃而不是石英玻璃中掺入镨离子 ()制作
的。目前已研制出的 PDFA模块所采用泵浦波长为 1017nm，在 1310nm波长处
放大器的增益可达 24dB，噪声系数为 6.6。在－ 3 dBm输入时放大波段为
1281nm－ 1381nm，放大带宽达 37nm。
图 5.1.14示出了 PDFA的增益和噪声与波长的关系曲线,图中取输入信号功率为
－ 30 dBm。
图 5.1.14 增益和噪声与波长的关系
波长 （ μm）
20
Fn(dB)增益(dB)
20
15
10
55
10
15
1.28 1.30 1.32 1.34
Fn
增益
6,掺铥光纤放大器
掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子 ()制作的，其工作波长范围为
1450nm－ 1480nm，增益可达 22dB，噪声指数在 6dB以下。主要与
EDFA配合应用在 DWDM系统中。
5.1.4 喇曼光纤放大器
回顾一下第 2章中光纤非线性效应的内容。基于受激喇曼散射机理，可以
制造出喇曼光纤放大器 RFA(Raman Fiber Amplifier)。
如果将频率为 的小功率信号光与一个频率为 的大功率泵浦
光同时注入光纤，并且它们的频差 (也称作频移 )落在喇曼增益谱带宽范围之
内，则信号光沿着光纤传输时将得到有效的放大。对于固定的泵浦光频率，
由于喇曼增益谱宽度很大，见图 2.3.7，所以利用 SRS效应可以在相当宽的波
长范围对信号光进行放大。由图可知，当 Ω=13.2THz时，喇曼增益达到最大。
该频差对应的信号光（ 1550nm）要比泵浦光的波长长 100nm。
S? SP ?? ???
1,增益
泵浦光与信号光之间的能量交换描述见公式 (2.3.40)。在小信号放大的情况下，
因为信号光强 比泵浦光强 小很多，所以可以忽略泵浦光因对信号光放大而
产生的衰减。在长为 L的光纤输出端，信号光功率可由 (2.3.42)式表示，重写如下
（ 2.3.42）
是信号光的输入功率。 是泵浦光的输出功率。 是喇曼增益系数。
是光纤对信号光的衰减系数。 和 分别为光纤有效面积和有效长度。
若没有喇曼放大，经光纤输出的信号为,故喇曼放大器的小
信号增益定义为
（ 5.1.30）
随着信号光的增强，泵浦光的减弱，增益会逐渐降低达到饱和。设
由 (2.3.40a) 式 和 (2.3.40b) 式可算得饱和增益
(5.1.31)
（ 5.1.32）
式中 为由（ 5.1.30）定义的小信号增益。
SI PI
?
?
?
?
?
?
?
?
?? LL
A
PgPLP
Se ff
e ff
P
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)(
e ff
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SS
S
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LPg
LP
LPG ?
?
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1
00
0
0 rGr
rG
R
R ???
??
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)0(
0
PS
SP
P
Pr
?
??
RG
1,带宽
光纤的 SRS增益与喇曼增益系数之间的关系是,
是泵浦光强度，因此有
（ 5.1.33）
它与喇曼增益系数的形状相似，图 5.1.15画出了泵浦功率分别为 100mw和 200mw
的 SRS增益，由喇曼增益谱曲线可见，在增益峰值附近的增益带宽约为
6THz~7THz。如果采用不同波长的多个泵浦源同时作用，则可获得更为平坦的，
带宽更宽的增益特性。目前喇曼放大器的带宽已达 132nm。
图 5.1.15 喇曼增益
PR Igg )()( ?? ?
PI
e ff
p
R A
Pgg )()( ?? ?
上述喇曼光纤放大
器带光输出光监控，面
板为数字可控式，内置
集成化泵浦光与信号光
复用器，具有低噪声，
增益平坦性能好的特点。
它可应用在超长距离
DWDM、
40Gb/sDWDM等系统
中。
5.1.5 光放大器的应用
光放大器的类型很多，不同的使用场合对光放大器参数的要求是不一样的,这就要
求我们除了知道光放大器的一些基本特性外，还要对它的实际应用有所了解。根
据光放大器在光链路中所处位置的不同，将其应用分成三个类型。
1,在线放大 (in-line amplifier)
在单模光纤通信系统中，光纤的色散影响较小，限制传输距离的主要因素是光纤
的衰减，所以用光放大器可以补偿传输损耗。它适用于超长距离传输的系统。见
图 5.1.16(a)。
图 5.1.16 光放大器的几种应用
光放大器
光发射机
(a)
光接收机
光纤链路
光放大器
光发射机
(b)
光接收机
光纤链路
光放大器
光发射机
(c)
光接收机
光纤链路
每个在线放大器的增益必须恰好补偿前面一段光纤中的信号损耗。在设计光纤
系统时，还要考虑放大器噪声等因素的影响，使用多个在线放大器,光纤链路中
会积累 ASE噪声，它随着信号光一起传输，最终影响输出端的信噪比,造成信噪
比下降。当 k个放大器级联时，考虑 ASE噪声影响的噪声指数
(5.1.34)
式中 表示两个放大器之间的链路损耗,表示放大器的噪声指数和增
益。如果放大器之间链路长度相等，每个放大器的噪声指数和增益也相等，记
为 F,G，且每个放大器的增益恰好补偿与前一个放大器之间的链路损耗，即
（ 5.1.35）
可见噪声指数大大提高了，因而输出信噪比 劣化了。通过
放大器增益和级联数目的选择，可以得到总增益和 的最佳组合。
一般而言，选择在线放大器的输入信号标称范围从
增益大于 15dB。
kk
nknn
n LGGLGL
F
LGL
F
L
FF
?????? ?????????????? ? 12211211
2
1
1
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1
1
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outSNR )(
)125(9~)5.2(26 Wd B mWd B m ?? ??
3,功率放大（ power boaster）
功率放大指的是在光发射机后安装一个光放大器见图 5.1.16(c)所示，以提
高发射功率，一般可使传输距离增加 10km－ 100km。如果同时使用前置
放大，即可实现 200km－ 250km的无中继海底传输。由于功率放大器直接
放置于光发射机后，其输入功率较高，要求的泵浦功率也较大。其输入一
般要在－ 8dBm以上，具有的增益必须大于 5dB。
例 5.1.1用 EDFA做功率放大器，设其增益为 20dB，泵浦波长为 λ=980nm，
输入光信号的功率为 0dBm，波长为 1550nm，求所用的泵浦源功率为多
少？
解：入射功率 0dBm，即为 1mw。由功率放大器增益表达式
5.2 无源器件
光无源器件是能量消耗型光学器件。其种类繁多，功能各异。是一类实
用性很强的不可缺少的器件。其中主要的产品有耦合器、滤波器、隔离
器、衰减器、光开关和连接器等。它们的作用概括起来是连接光路，控
制光的传输方向，控制光功率的分配，控制光波导之间、器件之间以及
光波导与器件之间的光耦合、合波、分波。现将几种主要的光无源器件
分别介绍如下。
5.2.1 耦合器
1,耦合器类型
耦合器是对光信号实现分路、合路和分配的无源器件，是波分复用、光纤
局域网、光纤有线电视网以及某些测量仪表中不可缺少的光学器件。图
5.2.1展示了几种典型的光纤耦合器结构图。 (b) 4端口耦合器 4312分路器
合路器 (a) 3端口耦合器 (c) 星形耦合器 NMλ 1λ 1＋ λ 2λ 2λ 1＋ λ 2(d) 3
波分复用器 λ 2λ 1
图 5.2.1光纤耦合器结构图
(b) 4端口耦合器
4
3
1
2
分路器
合路器
(a) 3端口耦合器
(c) 星形耦合器
NM
λ 1λ 1＋ λ 2
λ 2
λ 1＋ λ 2
(d) 3波分复用器λ 2
λ 1
其中图 (b)也称为 2ⅹ2 耦合器，它用来完成光功率在不同端口间的分配，
是构成其它光学元件的基础。图 (c)有多个输入端口和多个输出端口，称
为星型耦合器，它通常完成将单个输入信号分配给多个输出信号的功能。
星型耦合器常用多个 2ⅹ2 耦合器级联而成。图 (d)除了涉及光功率的分配
外，还涉及到不同波长的分配，我们将它称为波分复用器。它可以看作
是一种特殊形式的光纤耦合器。光纤耦合器有熔锥型，研磨型。除用光
纤制成耦合器外，还可用集成光波导制作耦合器。
2,工作原理
2× 2耦合器是最简单的器件，我们以它为例来说明耦合器的工作原
理。图 5.2.2为熔锥型光纤耦合器结构示意图。
图 5.2.2 光纤耦合器结构和原理
将两根单模光纤扭绞在一起，然后加热并拉伸，使它在长为 W的距离内均匀熔
融以形成耦合器。在耦合区，纤芯直径变小，归一化频率下降，由 (2.3.10)
式可知,V值越小模场直径越大，也即模场超过光纤直径的部分越多。见图
(5.2.2)。这样，一个光模式的更多部分在耦合区的包层部分传播，然后被耦
合到另一根光纤的纤芯中。
从一根光纤耦合到另一根光纤的光功率取决于耦合区内两个纤芯之间的距离、
两个纤芯直径和工作波长，并与耦合区的长度有关。
图中 Pin是输入功率,P1称为直通功率,P2是耦合到第二根光纤中的功率,P3、
P4是由于耦合器弯曲和封装而产生的反射和散射功率。假设耦合器是无损耗的，
因为 P3,P4的比例很小，在此也忽略掉，则耦合功率和直通功率分别可表示为
（ 5.2.1）
（ 5.2.2）
式中 c为耦合系数
（ 5.2.3）
其中 d为两光纤耦合区中的纤芯距离,K0,K1为第二类零阶和一阶的贝塞尔函
数。
图 5.2.3示出了归一化功率与耦合区长度以及波长的关系。显然，当波长固定
时，可以通过改变 W等参数来制作不同性能的耦合器。
)(s in 22 czPP in?
)(c o s 221 czPPPP inin ???
)(
)(
2 21
0
22
2
1 WK
a
WdK
Va
U
nc ??? ?
?
图 5.2.3 耦合功率和直通功率与耦合区长度,波长的关系曲线
3,性能参数
表示光纤耦合器性能的主要参数有插入损耗，附加损耗，分光比与隔离度
(串音 )。在实际的耦合器中，信号通过它时，总会有一些损耗。两种基本类型
的损耗就是插入损耗和附加损耗。
（ 1）插入损耗
插入损耗是指光功率从特定的端口到另一端口路径的损耗。从输入端口 k到
输出端口 j的插入损耗可表示为
(5.2.4)
（ 2）附加损耗
附加损耗的定义是输入功率与总输出功率的比值
(5.2.5)
对于图 5.2.2所示的 2× 2耦合器有
（ 3）分光比
分光比是某一输出端口的光功率与所有输出端口光功率之比
(5.2.6)
它说明输出端口间光功率分配的百分比。对于 2× 2耦合器可以是
jout
kin
i P
PL
,
,lg10?
?
?
j
jout
in
e P
P
L
,
lg10
21
lo g10 PP PL ine ??
%1 0 0
21
2 ?
?? PP
PS
R
（ 4）隔离度
隔离度也称作为方向性或串扰，隔离度高意味着线路之间的串扰小。它
表示输入功率出现在不希望的输出端的多少。对于 2× 2耦合器，其数学
形式是
(5.2.8)
图 5.2.4为某一耦合器的实物照片。表 5.4为其性能指标，表中的均匀性
是在工作带宽范围内，各输出端口输出功率的最大变化量。偏振相关损
耗（ Polarization Dependant Loss）是衡量耦合器对传输光信号偏振态
敏感程度的参量，它指的是传输光信号的偏振方向发生 3600的变化时，
耦合器输出端口输出光功率的最大变化量。
图 5.2.4 1× 2耦合器实物照片
in
c P
PL 3lg10?
5.2.2 滤波器
滤波器是一种波长选择器件，在光纤通信系统中有着重要的应用，
如上节光放大器中噪声的滤波。特别在 WDM光纤网络中每个接收机都必须
选择所需要的信道，滤波器成为必不可少的部分。
滤波器分成固定滤波器和可调谐滤波器两大类。前者是允许一个确
定波长的信号光通过，而后者是可以在一定光带宽范围内动态地选择波
长，见图 5.2.5所示。
(a)固定波长滤波器 (b)可调谐波段
图 5.2.5光滤波器功能和分类
光滤波器
λ k(固定 )
光滤波器
λ i(可调 )λ 1,λ 2,… λ n
Δλ
λ 1 λ 2 λ n
滤波器的特性如图 5.2.6所示。由该图我们了解一下固定波长滤波器的主
要参数，它们是中心波长 λ 0，带宽 Δλ，除它们以外，还有插入损耗和
隔离度等。对于可调谐滤波器，主要参数有调谐范围、带宽、可分辨信
道数、调谐速度、插入损耗、偏振相关损耗和分辨率等。其中可分辨信
道数是信道范围与最小信道间隔之比。调谐速度指的是滤波器调到指定
波长所需要的时间。分辨率是滤波器能检测的最小波长偏移。图 5.2.6
实际滤波器的传输特性
λ (nm)
传输
特性
（ dB）
λ 0
Δλ
0.5 dB
我们首先了解固定波长滤波器的工作原理。
1,固定波长滤波器
（ 1）薄膜干涉滤波器
这种滤波器采用多层不同材料的介质薄膜构成，一层为高折射率，一层为低折射
率，交叠而成。每层介质的等效光学厚度为 λ /4，利用各层的反射光与入射光的
干涉效应实现滤波。图 5.2.7示出了薄膜干涉滤波器的原理。当光由光疏介质入
射到光密介质时，反射光不产生相移；而当光由光密介质入射到光疏介质时，反
射光产生 1800相移。由于介质厚度为 λ /4，光经低折射率层内传输、反射、再传
输后的总相移为 3600，与经高折射率层的反射光同相叠加，这样，在中心波长附
近，各层的反射光叠加，在滤波器上端面形成很强的反射光，得到中心波长为具
有一定带宽的光信号。其它频率的光因不能满足相长干涉而不能被反射。
图 5.2.7 薄膜干涉滤波器结构
λ /4
空气
λ /4
λ /4
空气
高折射率
低折射率
低折射率
（ 2）法布里－珀罗固定波长滤波器
法布里－珀罗固定波长滤波器是由两片平行镜组成的谐振腔组成，
如图 5.2.8 所示。当入射光波长满足谐振条件时方能通过，式中 L为谐
振腔体的长度,N为整数。
该滤波器的传输特性可由下式表示
（ 5.2.9）
式中 是介质和平行镜吸收引起的插入损耗，为两平行镜的反射率,是
光在腔体中的速度，由（ 5.2.9）式可看出，传输特性是与 R密切相关的一个
周期函数，图 5.2.8(b)画出了传输特性曲线，我们将周期长度称为自由光谱
范围 FSR
（ 5.2.10）
F-P滤波器的带宽由下列公式给出
(5.2.11)
定义
（ 5.2.12）
为 F-P滤波器的精细度，它反映滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差。
]/)[(s i n4)1(
)1()(
022
2
?????
??
LRR
RT
mm
mF P F
???
??
nLcFSR 2?
R
R
nL
cf
PF ?
????
?
1
2
R
R
f
F SRF
PF ?
???
? 1
?
图 5.2.8 F-P滤波器原理
L
平行镜
入射光
平行镜
透射光
R1
FSR
Δ fP－ F
频率
R2
R1< R2
TFPF
1
0.5
2．可调谐滤波器
严格来说，可调谐滤波器属于有源器件，它可以通过控制电压或温度的
变化来改变滤波器的某些参数，从而达到波长动态选择的目的。
可调谐滤波器主要使用在 WDM系统中,WDM网络中所有波长都应从 ITU标准
中选取，如波长间隔约为 0.8nm(1550nm窗口 )，则对应信道频率间隔是
100GHz。所以可调谐滤波器的调谐范围、带宽应该根据要求来设计。我
们讨论以下几种滤波器
（ 1）光纤法布里－珀罗滤波器
图 5.2.9示出了一个光纤 F-P滤波器的结构示意图，工作原理与 F-P固定波
长滤波器相同，输入光纤和输出光纤的两个端面被抛光镀膜，两个光纤
端面之间的部分构成了法布里－珀罗腔，这两根光纤经过支架与压电陶
瓷相连，对压电陶瓷施加电压（ 300～ 500V）可使支架产生左右变化的位
移，如图，从而改变反射镜之间的长度，达到波长调谐的目的。
如果不是通过压电陶瓷改变 F-P腔长而是在两光纤端面之间填入介质液晶，
由于液晶的折射率随着施加电压的变化迅速改变,F-P腔的光子长度也随
之变化。这种填充液晶的滤波器调谐时间在 10内，调谐范围达 80nm，波
长分辨率 0.05~10nm，插入损耗为几个分贝。光纤压电陶瓷压电陶瓷光纤
反射镜支架
图 5.2.9 光纤 F-P滤波器结构示意图
光纤
压电陶瓷
压电陶瓷
光纤
反射镜 支架
（ 2）马赫－曾特干涉滤波器
马赫－曾特（ M-Z）干涉滤波器的机理是基于单色光经过不同长度光波导
传输后之间的干涉。在图 5.2.10中，两个波长和的光信号输入光纤，经
过方向耦合器使它们均匀地被分配到滤波器的两臂上，光信号经过两臂
时，获得的相位变化不等，也即产生了相位差，当它们以不同的相位到
达第二个方向耦合器时，如果相位差满足一定的条件，在输出光纤 1端，
波长“相长”干涉，波长“相消”干涉，所以输出波长为的光波。同理，
输出光纤 2端输出波长为的光波。图 5.2.10中，臂 2上放置了光电材料，
当臂上的电压改变时，该臂的折射率便发生变化，假设两臂的长度相等
为 L，臂 1的折射率为，臂长的折射率为，则在第二个耦合器输入端两个
臂中光波的相位差为
（ 5.2.13）
式中表示两个光波频率,c为光速。进一步用传输特性描述 M-Z滤波器，
它可表示为
(5.2.14)
c
nLf i ??? ?? 2
?
?
?
?
??
)2/(s in
)2/(c o s
2
2
?
?
MZT
可调谐滤波器的类型还有光栅滤波器，声光滤波器。光栅滤波器是通过
施加压力或者加热光栅改变光栅的周期长度，从而达到调谐的目的。声
光滤波器结构类似于 M-Z滤波器。其中的两臂被刻蚀在 LiNbO3双折射半导
体中，进入的光被输入偏振器分成 TE波和 TM波，见图 5.2.11，一个换能
器产生表面声波，在 LiNbO3中引起折射率的周期性波动，这种波动等效
为动态的布拉格光栅，由于光栅相互作用，满足谐振条件（对应某一波
长）的 TE模光能被转化成 TM模，而 TM模的光能转换 TE模，然后经输出偏
振器输出，波长不满足谐振条件的信号将从另一个端口输出。
图 5.2.11声光可调性滤波器的结构
λ 1 λ 2λ 3
换能器 λ
1（选择）
λ 2λ 3（拒绝）
TE
电压
输入偏振 输出偏振TM TE (λ
1)
TM (λ 1)
5.2.3 隔离器
隔离器是一种只允许光单方向传输的器件。光纤通信系统中的很多光器件
如激光器，光放大器对来自连接器，熔接点，滤波器的反射光非常敏感，
反射光将导致它们的性能恶化，例如半导体激光器的线宽受反射光的影响
会展宽或压缩，甚至可达几个数量级。因此要在靠近这种光器件的输出端
放置隔离器，阻止反射光的影响。
隔离器由三个功能部件组成，输入偏振器（起偏器），法拉第旋转器和输
出偏振器（检偏器），如图 5.2.12所示。输入和输出偏振器的作用是将光
变成固定偏振方向的线偏振光。法拉第旋转器是使入射光的偏振方向发生
旋转变化，旋转的角度由下式决定：
（ 5.2.16）
式中 L是法拉第旋转器的长度,H是法拉第旋转器沿光束传播上所加的磁场
强度，单位为 A/m（安培 /米，对石英光纤,（弧度 /安培）。
隔离器的工作过程如下：入射光经过输入偏振器后变成垂直偏振光，见图
5.2.12。经过法拉第旋转器，垂直偏振光的偏振方向旋转了 450，输出偏振
器的方向设计成 450，所以允许其通过；另一方面，在隔离器的反方向上，
反射光经输出偏振器变成 450的线偏振光，经法拉第旋转器又一次旋转 450
后，变成了水平偏振，由于输入偏振器只允许垂直偏振光通过，所以反射
光便无法到达隔离器输入端。
HL?? ?
Ar /1086.4 6????
隔离器的主要性能指标有工作波长，典型插入损耗（参考值,0.4dB），
最大插入损耗（参考值,0.6dB），典型峰值隔离度，最小隔离度（参考
值,40dB），最大偏振灵敏度（参考值,0.05dB），回波损耗（参考值：
输入 /输出 60/60dB）等。
输出偏振器
450
入射光 （ 非偏振光 ）
H
输入偏振器 法拉第旋转器
出射光 （ 偏振光 ）
反射光 （ 非偏振光 ）
图 5.2.12 隔离器的工作原理
5.2.4 环形器
第 2章在讨论色散补偿时提到了环形器。环形器有 3,4和 6端口之分，它
是只允许某端口的入射光从确定端口输出的器件，如图 5.2.13所示，对
于 3端口环形器，端口 1的输入光信号只能从端口 2输出，而端口 2的输入
光信号只能从端口 3输出。环形器的主要功能部件为双折射分离元件、法
拉第旋转器和相位旋转器。双折射分离元件不仅能使入射光分离成相互
正交的偏振光，而且两者具有一定的分裂度，即在空间上可以分离开来。
如图 5.2.14所示。
图 5.2.14 环形器的工作原理
（ a）
反射棱镜
①
双折射率分离元件
②
1 2
3
2
偏振分束立方体透镜
法拉第旋转 器 相位旋转器
（ b）
光束由端口 1到端口 2传播的工作过程如下，入射光经过双折射分离元件
①后，被分离成两束，上束为垂直偏振光（也称 E光），下束为水平偏振
光（也称为 O光），经过法拉第旋转器和相位旋转器分别再旋转 450后，
上束变为水平偏振光，下束变为垂直偏振光，由于水平偏振光通过双折
射分离元件②时其偏振方向不变，且不发生折射，而垂直偏振光通过时
发生折射，过程与分离元件①相反，所以光束在端口 2处被合成后输出。
光束由端口 2到端口 3传播的工作过程是图 5.2.14（ b）所示，经过双折射
率分离元件的两次分离后，它们已经偏离了端口 1的轴，两束光线分别通
过反射棱镜和偏振分束立方体透镜重新组合，并从端口 3输出。
我们以某环形器产品说明其性能指标，它们是中心波长 (1310或 1550nm)，
波长范围 (20nm)，典型插入损耗 (0.7dB)，最大插入损耗 (0.8dB)，隔离
度 (45dB)，串扰 (50dB)，回波损耗 (55dB)，偏振相关损耗 (0.1dB)，偏振
模式色散 (0.1ps)，最大承载功率 (300mW)，最大承担拉力 (5N)，光纤类
型 corning SMF28)，工作温度 (-5~+700C)，环境温度 (-40~+850C)，封装
尺寸 (5.5× 5.5× 54mm)等。
5.2.5 衰减器
衰减器的功能是对光功率进行预定量的衰减。在光纤通信系统中，
许多场合都需要减少光信号的功率。例如，光接收机对光功率的过载非常敏
感，必须将输入功率控制在接收机的动态范围内，防止其饱和；光放大器前
的不同信道输入功率间的平衡，防止某个或某些信道的输入功率过大，引起
光放大器增益饱和等。另外，在光系统的评估、研究和调整、校正等方面也
大量使用衰减器。
衰减器的工作机理有以下几种：
1,耦合型
它是通过输入、输出两根光纤纤芯的偏移来改变光耦合的大小，从而达到改
变衰减量的目的，见图 5.2.15(a) 。耦合型衰减器有横向位移动型和轴向位
移两种，衰减器与位移、横场直径、纤态和两端面介质的折射率等因素有关。
2,反射型
如图 5.2.15（ b）所示，通过改变反射镜的角度，控制透射光的大小。
衰减器可分成固定式、步进可变式和连续可变式三种类型。固定衰减器引入
一个预定的损耗，例如 5dB,10dB等。步进衰减器常表示成诸如 10dB× 5的形
式，也即 5步进式的，每步为 10dB。连续可变式是指衰减量在一个范围内连
续可调，如 0~60dB。
根据使用场合的不同，又可将衰减器分为在线型衰减器、适配器型固定衰减
器、插头式衰减器、光纤端口终止器等。
技术参数主要有中心波长、带宽、衰减器、衰减精度、最小回波损耗、最大
偏振灵敏度等，其中的衰减精度是指能被精细调节衰减的准确性。
(a)
Pin Pout
反射镜
PoutPin
透射光
光吸收材 料 P
outPin
(b)
(c)
图 5.2.15 衰减器的工作原理
5.2.6 连接器
光纤的连接常采用两种办法，一种是要求两根光纤（缆）的连接固定、
永久。在光缆施工中，因为一盘光缆的长度一般在 2km以内，所以两根光
缆的接续要采用熔接机将它们熔融相连。另一种是光纤与光发射机（附
带尾纤）、光接收机或仪表之间的连接，或者是与另一根光纤暂时性的
连接，就要用到连接器。连接器是易出故障的器件，也是用途最广泛的
无源器件，我们有必要对其结构性能等有所了解。
1．连接器结构
连接器的基本功能部件有：插针件，闭锁装置，后壳，压接套管和保护
套，图 5.2.16（ a）是一与光接收机相连的连接器示意图。 (b)光缆紧固
件缓冲管裸光纤
图 5.2.16 连接器的结构
图 5.2.16（ b）是准备连接的光缆示意图。准备工作包括剥离光缆外层护
套，揭开紧固件，除去缓冲管，将光纤裸露出来，这种准备好的光缆插
进连接器时，插针才能护住裸露的光纤。
图 5.2.16示出的结构称为套管结构，是采用得最为广泛的一种形式。除
此之外还有双锥结构,V形槽结构，球面空心结构和透镜耦合结构，如图
5.2.17所示。
(b)
光缆 紧固件 缓冲管 裸光纤
图 5.2.16 连接器的结构
2．连接损耗
连接损耗产生的原因可归为两类：一类是光纤公差引起的固有损耗，如
芯径、折射率指数等的失配，如图 5.2.18（ a）所示。另一类是连接器加
工装配引起的外部损耗，如图 5.2.18（ b）所示。外部损耗往往是主要的，
其中间隙和横向偏移造成的损耗占有较大的比例。
光纤
(a) 双锥结构
锥形插针双锥套管
(b) V形槽结构
光纤·
V形槽
压盖
插针
（ c） 球面定心结构 （ d） 透镜耦合结构
图 5.2.17 连接器的几种形式
3．连接器型号和参数
常用的连接器型号有 FC/PC,FC/APC,SC/PC,SC/APC和 ST/PC型，其中分子部分
表示外部加强件的材料、固定方式,FC是金属套筒，卡口螺旋式； SC是插拔式，
外壳为矩形； ST是弹簧带锁卡口结构。分母部分表示内部光纤端面的处理形式：
PC是端面做成凸球面形,APC是端面处理成斜面。值得说明的是,APC连接器端面
的倾斜面为 80，这是为了保证光传输到两光纤端面产生部分反射时，反射光不致
反射传播回去，而是近距离消失。因为标准单模光纤的数值孔径是 0.13，这相当
于 7.50（ NA=sinθ 0），所以 80的倾斜角使反射光角度大于接收角，见图 5.2.19。
除了单芯活动连接器外，已经有大量双芯和多芯连接器问世，它们在光纤用户接
入网中得到广泛应用。
连接器的规格型号繁多，各种型号的连接器都有自己的特点和用途。例如 FC/PC
型接连器，插入损耗小，适用于长距离干线网。 APC型连接器回波段损耗大，可
用于高速率数字系统或模数视频系统。
连接器的主要性能指标有：插入损耗，一般在 0.5dB以下；重复性，即每插拔一
次或数次之后，其损耗的变化情况，一般应小于 0.1dB；互换性，是指同一种连
接器不同插针替换时损耗的变化量，它应小于 0.1dB；寿命，即在保证连接器具
有上述损耗参数范围内插拔资料的多少，一般应在千次以上；温度性能是指在一
定温度范围内连接器损耗的变化量，一般是在 -250~+700C范围内，损耗变化应小
于或等于 0.2dB。此外还有反射损耗（一般应小于－ 35dB）、抗拉强度以及振动
试验等性能。
芯径失配 纤芯不同心折射率分布失配
横向偏移轴向倾角 端面粗糙
（ a）
（ b）
图 5.2.18 连接损耗机理
5.2.7 光开关
光开关是光交换的关键器件，它具有一个或多个可选择的传输端口，可
对光传输线路中的光信号进行相互转换或实行逻辑运算，在光纤网络系
统中有着广泛的应用。
光开关可分成机械式和非机械式两大类。机械式光开关依靠光纤或者光
学元件的移动，使光路发生转换。非机械式光开关依靠电光、声光、热
光等效应来改变波导的折射率，使光路发生变化，下面对这两类光开关
的结构、工作原理作一介绍。
1,机械式光开关
新型机械式光开关有微光机电系统光开关和金属薄膜光开关两类。
微光机电系统光开关 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)在半导体
衬底材料上制造出可以作微小移动和旋转的微反射镜阵列，微反射镜的尺
寸非常小，约 140μ m× 150μ m，它在驱动力的作用下，将输入光信号切换
到不同的输出光纤中。加在微反射镜上的驱动力是利用热力效应、磁力效
应或静电效应产生的。图 5.2.20示出了 MEMS光开关的结构。当微反射镜为
取向 1时，输入光经输出波导 1输出；当微反射镜为取向 2时，输入光经输出
波导 2输出。微反射镜的旋转由控制电压（ 100～ 200V）完成。这种器件的
特点是体积小，消光比（光开关处于通状态时的输出光功率与断状态时的
输出光功率之比）大，对偏振不敏感，成本低，开关速度适中，插入损耗
小于 1dB。
入射光
出射光
出射光
控制信号 V
波导 2
波导 1
取向 1 取向 2
微反射
镜
金属薄膜关开关的结构如图 5.2.21所示。波导芯层下面是底包层，上面
则是金属薄膜,金属薄膜与波导之间为空气。通过施加在金属薄膜与衬
底之间的电压，使金属薄膜获得静电力，在它的作用下，金属薄膜向下
移动与波导接触在一起，使波导的折射率发生改变，从而改变了通过波
导光信号的相移。图 5.2.22为金属薄膜 M-Z型光开关结构示意图。如果不
加电压，金属薄膜跷起,M-Z干涉仪两个臂的相移相同，此时光信号从端
口 2输出；如果加电压，金属薄膜与波导接触，引起该臂 π 的相移，光信
号从端口 1输出。
金属薄膜
衬垫
波导芯层
底包层
衬底
空气
(a) 未加电压时
金属薄膜
衬垫
波导芯层
底包层
衬底
(b) 加电压时
入射光 波导
4 1
3 2
3dB耦合3dB耦合
金属薄膜
2,非机械式光开关
非机械式光开关的类型有液晶光开关、电光效应光开关、热光效应光开关、
半导体光放大器光开关等。
液晶光开关是在半导体材料上制作出偏振光束分支波导，在波导交叉点上
刻蚀具有一定角度的槽，槽内注入液晶，槽下安置电热器。不对槽加热时，
光束直通；加热后，液晶内产生气泡，经它的全反射，光改变方向，输出
到要求的波导中。
电光效应、热光效应等是利用材料的折射率随电压和温度的变化而改变，
从而实现光开、关的器件。
半导体光放大器关开关利用改变放大器的偏置电压实现开关功能。
光开关的参数主要有波长范围、插入损耗、光路回波损耗、串扰、光路输
入功率、偏振相关损耗、重复性、开关速度和寿命等。
光放大器和光无源器件的重要性随着光纤通信应用范围的不断扩大
而日益显著，它们的性能也直接影响到信号传输的各种指标。对于光
放大器，应掌握增益系数、增益饱和和噪声系数的意义，各类放大器
的基本工作原理、参数和应用。 EDFA已经得到了普遍的使用，读者
对它应有足够的了解。光无源器件的种类很多，读者除了理解其基本
工作原理外，更应注重它们的参数和应用，并且应学会在网上搜索有
关产品的性能指标。
本章小结
