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1、宽带光接入技术 原荣 编著1第第 2 章章 光接入网用光纤和器件光接入网用光纤和器件光纤光纤光无源器件光无源器件光收发器件光收发器件光收发模块光收发模块宽带光接入技术 原荣 编著22.1 光纤和光缆光纤和光缆无源光网络运用的光缆可划分为馈线光缆、配线无源光网络运用的光缆可划分为馈线光缆、配线光缆和入户光缆三部分。光缆和入户光缆三部分。馈线光缆是指局端馈线光缆是指局端OLT设备至光缆分路器之间的设备至光缆分路器之间的光缆；光缆；配线光缆是指分路器至接入点的光缆；配线光缆是指分路器至接入点的光缆；入户线光缆则从用户接入点到每一个入户线光缆则从用户接入点到每一个ONU用户终用户终端。端。每一段光缆的
2、敷设环境、方式和工程施工方法都每一段光缆的敷设环境、方式和工程施工方法都不尽相同，都有其特殊的要求，因此针对这些不不尽相同，都有其特殊的要求，因此针对这些不同场景须要接受不同的类型的光纤和光缆。同场景须要接受不同的类型的光纤和光缆。宽带光接入技术 原荣 编著32.1.1 G.652光纤光纤接入网的传输距离较短，对带宽的要求也接入网的传输距离较短，对带宽的要求也不高，也没有信号再生的要求，在设计系不高，也没有信号再生的要求，在设计系统时可按线性、非色散受限光纤系统考虑。统时可按线性、非色散受限光纤系统考虑。因此，非线性效应、色散影响等问题均不因此，非线性效应、色散影响等问题均不予考虑。予考虑。综
3、合考虑速率、损耗和成本诸多因素，在综合考虑速率、损耗和成本诸多因素，在当前当前PON网络建设的初期，馈线和配线光网络建设的初期，馈线和配线光缆段应接受缆段应接受G.652C光纤光纤。宽带光接入技术 原荣 编著42.1.2 G.657光纤光纤在在FTTH建设中，与馈线和配线不同，入户光缆建设中，与馈线和配线不同，入户光缆和室内布线被安放在拥挤的管道中或者经过多次和室内布线被安放在拥挤的管道中或者经过多次弯曲后被固定在接线盒和插座的等狭小空间的线弯曲后被固定在接线盒和插座的等狭小空间的线路终端设备中，所以不行避开地面临较大程度的路终端设备中，所以不行避开地面临较大程度的弯曲。弯曲。在这种状况下要求
4、光纤具有抗弯曲的性能，即在在这种状况下要求光纤具有抗弯曲的性能，即在小弯曲半径的状况下仍旧具有损耗小的性能。为小弯曲半径的状况下仍旧具有损耗小的性能。为了规范抗弯曲单模光纤产品的性能，了规范抗弯曲单模光纤产品的性能，ITU-T于于2006年在日内瓦通过了一个新的光纤标准年在日内瓦通过了一个新的光纤标准ITU-T G.657标准，即接入网用弯曲不敏感单模标准，即接入网用弯曲不敏感单模光纤和光缆特性建议。光纤和光缆特性建议。宽带光接入技术 原荣 编著5G.657光纤光纤卓越的抗弯曲性能使卓越的抗弯曲性能使G.657光纤可以像铜缆一样，光纤可以像铜缆一样，沿着建筑物内很小的拐角安装。运营商可以运用沿
5、着建筑物内很小的拐角安装。运营商可以运用非娴熟技术工人来进行安装操作，进一步降低了非娴熟技术工人来进行安装操作，进一步降低了运营商的光纤网络安装成本。运营商的光纤网络安装成本。另外，可以使光纤接头盒的体积减小，这对于空另外，可以使光纤接头盒的体积减小，这对于空间狭小的场合是特别重要的。间狭小的场合是特别重要的。因此，在当前的因此，在当前的FTTH接入网建设中，在入户段接入网建设中，在入户段和用户室内布线段应尽可能接受和用户室内布线段应尽可能接受G.657A光纤，而光纤，而不要接受不要接受G.657B光纤，因为光纤，因为G.657B光纤的纤芯和光纤的纤芯和包层结构与包层结构与G.652光纤存在较
6、大差异，二者连接工光纤存在较大差异，二者连接工艺困难，弯曲导致的附加损耗较大艺困难，弯曲导致的附加损耗较大。宽带光接入技术 原荣 编著62.1.3 光缆光缆无源光网络运用的光缆依据运用环境的无源光网络运用的光缆依据运用环境的不同，可分为：不同，可分为：室内光缆；室内光缆；室外光缆；室外光缆；室内外两用光缆。室内外两用光缆。宽带光接入技术 原荣 编著7图图2.1.1 室外光缆的几种形式室外光缆的几种形式(a)中心束管式光缆中心束管式光缆 (b)层绞式光缆层绞式光缆 (c)骨架槽式光纤带光缆骨架槽式光纤带光缆宽带光接入技术 原荣 编著8图图2.1.2 室内光缆的几种形式室内光缆的几种形式(a)多芯
7、分支光缆多芯分支光缆 (b)扁平光纤带光缆扁平光纤带光缆 (c)多芯束状光缆多芯束状光缆 (d)单芯光缆单芯光缆 (e)两芯光缆两芯光缆宽带光接入技术 原荣 编著93.室内外两用光缆室内外两用光缆在无源光网络中会存在光缆引入由室外向室内过在无源光网络中会存在光缆引入由室外向室内过渡的状况，通常要求光缆兼顾有室外光缆良好的渡的状况，通常要求光缆兼顾有室外光缆良好的机械、防雷性能，又要具备室内光缆的阻燃性能，机械、防雷性能，又要具备室内光缆的阻燃性能，同时要求有比较好的柔韧性。同时要求有比较好的柔韧性。目前大芯数室内外两用光缆，可以有效削减光缆目前大芯数室内外两用光缆，可以有效削减光缆的交接次数，
8、降低光缆的接续、敷设成本，适用的交接次数，降低光缆的接续、敷设成本，适用于国内大多数楼型。于国内大多数楼型。而对于别墅，通常可接受单芯或双芯的一体化光而对于别墅，通常可接受单芯或双芯的一体化光缆引入。缆引入。宽带光接入技术 原荣 编著104.入户线光缆入户线光缆对于对于FTTH的应用，光缆干脆铺设至用户家的应用，光缆干脆铺设至用户家中，安装时须要像电缆一样穿墙掏接，并中，安装时须要像电缆一样穿墙掏接，并且由于用户一般不具备光纤维护的学问和且由于用户一般不具备光纤维护的学问和技能，因此入户线光缆在柔韧度、抗拉性、技能，因此入户线光缆在柔韧度、抗拉性、耐久性方面比一般的布线光缆有更高的要耐久性方面
9、比一般的布线光缆有更高的要求，甚至要求防水、抗鼠咬等。求，甚至要求防水、抗鼠咬等。基于以上考虑，入户线光缆通常运用的类基于以上考虑，入户线光缆通常运用的类型有皮线光缆和铠装光缆。型有皮线光缆和铠装光缆。宽带光接入技术 原荣 编著112.2 光无源器件光无源器件本节介绍接入网常用的器件：本节介绍接入网常用的器件：光连接器光连接器光分路器光分路器光耦合器光耦合器阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWG）AWG可用作波分复用可用作波分复用/解复用器、波长路由解复用器、波长路由选择、多频激光器和无色光源。选择、多频激光器和无色光源。宽带光接入技术 原荣 编著122.2.1 光连接器光连接器光纤连接可以接受活
10、动连接和固定连接两种方式光纤连接可以接受活动连接和固定连接两种方式宽带光接入技术 原荣 编著13光纤固定连接光纤固定连接固定连接可以接受两种技术：光纤熔接和机械式固定连接可以接受两种技术：光纤熔接和机械式光纤接续。光纤接续。光纤熔接，通过光纤熔接机的电极放电使光纤呈熔光纤熔接，通过光纤熔接机的电极放电使光纤呈熔融状态，然后经过纤芯对准完成光纤的连接。融状态，然后经过纤芯对准完成光纤的连接。机械式光纤接续，俗称光纤冷接，机械光纤接续子机械式光纤接续，俗称光纤冷接，机械光纤接续子（又称冷接子）利用闭合设计的高精度（又称冷接子）利用闭合设计的高精度V型槽结型槽结构和低反射光纤匹配液，接受简洁的压接工
11、具，构和低反射光纤匹配液，接受简洁的压接工具，在很短的时间内就可以实现损耗低于在很短的时间内就可以实现损耗低于0.1 dB的牢的牢靠而稳定的光纤固定式接续。靠而稳定的光纤固定式接续。宽带光接入技术 原荣 编著142.2.2 光分路器光分路器对于对于PON来说，除光纤外，作为连接来说，除光纤外，作为连接OLT和和ONU的光分路器就是室外的主要器件。分路器就是光的光分路器就是室外的主要器件。分路器就是光耦合器，它是个可逆器件，在下行方向进行分光，耦合器，它是个可逆器件，在下行方向进行分光，在上行方向实现合光。对于利用在上行方向实现合光。对于利用WDM实现方向复实现方向复用的用的PON而言，分路器必
12、需是波长无关的，它们而言，分路器必需是波长无关的，它们在在1.3 m或或1.5 m都应有同等的表现。都应有同等的表现。常用的光分路器依据制作工艺不同，可分为熔融常用的光分路器依据制作工艺不同，可分为熔融拉锥式光纤分路器和平面光波导（拉锥式光纤分路器和平面光波导（PLC）分路器）分路器两种。两种。宽带光接入技术 原荣 编著15图图2.2.2 光分路器结构光分路器结构熔融拉锥耦合器的制造方法是先将很多光纤放在一起熔融，然后再拉伸熔融熔融拉锥耦合器的制造方法是先将很多光纤放在一起熔融，然后再拉伸熔融了的部分。这个拉长过程会减小光纤的直径，并在光纤的电磁场间产生互耦了的部分。这个拉长过程会减小光纤的直
13、径，并在光纤的电磁场间产生互耦效应，从而使一根输入光纤的光信号耦合到多根输出光纤中去。效应，从而使一根输入光纤的光信号耦合到多根输出光纤中去。1 2耦合器的损耗大约是耦合器的损耗大约是3.5 dB，其中，其中3 dB是固有损耗，是固有损耗，0.5 dB是额外损耗。是额外损耗。宽带光接入技术 原荣 编著16图图2.2.3 接受硅平面波导技术制成接受硅平面波导技术制成的多端星形耦合器的多端星形耦合器这种耦合这种耦合器制作在器制作在光波导材光波导材料的衬底料的衬底上，可接上，可接受不同的受不同的机理制作，机理制作，例如例如Y分分支耦合或支耦合或多模干涉多模干涉（MMI）耦合分光。耦合分光。宽带光接入
14、技术 原荣 编著172.2.3 阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWG）路由器（路由器（WGR）AWG由由N个输入波导、个输入波导、N个输出波导、两个如图所示的具有相同结构个输出波导、两个如图所示的具有相同结构的的N N平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，宽带光接入技术 原荣 编著18AWG工作原理工作原理输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自由空间耦合区）模式场发散，把光功率几乎平均地安排到波由空间耦合区）模式场发散，把光功率几乎平均地安排到波导阵列输入端中的每一个波导，
15、由阵列波导光栅的输入孔阑导阵列输入端中的每一个波导，由阵列波导光栅的输入孔阑捕获。捕获。由于阵列波导中的波导长度不等，由上式可知，不同波长的由于阵列波导中的波导长度不等，由上式可知，不同波长的输入信号产生的相位延迟也不等。随后，光场在输出平板波输入信号产生的相位延迟也不等。随后，光场在输出平板波导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，通过合理的设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。通过合理的设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。此处设计接受对称结构，依据互易性，同样也能实现合波的此处设计接受对称结构，依据互易性，同样也能实现合
16、波的功能。功能。这这种光种光栅栅相相邻邻波波导间导间具有恒定的路径具有恒定的路径长长度差度差 L相相邻邻波波导间导间的相位差的相位差为为：是路径是路径长长度差，通常度差，通常为为几十微米，几十微米，为为信道波道的有效折射率。信道波道的有效折射率。宽带光接入技术 原荣 编著192.2.4 光耦合器光耦合器单纤系统须要接受双向收发器分别上行和下行业务，这就单纤系统须要接受双向收发器分别上行和下行业务，这就须要一个光耦合器，把一根光纤中传输的上行和下行信号须要一个光耦合器，把一根光纤中传输的上行和下行信号分开。分开。(a)1 2耦合器耦合器 (b)2 2双向耦合器双向耦合器 (c)与波长有关的与波长
17、有关的WDM耦合器耦合器 宽带光接入技术 原荣 编著20好用好用2 2双向耦合器双向耦合器 宽带光接入技术 原荣 编著212.3 光收发器件光收发器件在光接入网中，将电信号转变为光信号是在光接入网中，将电信号转变为光信号是由光放射机来完成的。由光放射机来完成的。光放射机的关键器件是光源，最常用的光光放射机的关键器件是光源，最常用的光源是半导体激光器（源是半导体激光器（LD）和发光二极管）和发光二极管（LED）。）。宽带光接入技术 原荣 编著222.3.1 垂直腔表面放射激光器（垂直腔表面放射激光器（VCSEL）电介质镜就对波长产生很强的选择性，从界面上反射的部分透射光相电介质镜就对波长产生很强
18、的选择性，从界面上反射的部分透射光相长干涉，使反射光增加，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，长干涉，使反射光增加，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到而反射系数将达到 1。宽带光接入技术 原荣 编著23 VCSEL的优点的优点（1）发光效率高，以）发光效率高，以850 nm波长的波长的VCSEL为例，在为例，在10 mA电流驱动下可以获得高达电流驱动下可以获得高达1.5 mW的输出光功率。这就降的输出光功率。这就降低了对接收机灵敏度的要求，使其设计变得比较简洁。低了对接收机灵敏度的要求，使其设计变得比较简洁。（2）工作阈值极低，从）工作阈值极低，从1 A到到1 mA均
19、可以工作，所以它的均可以工作，所以它的工作电流也不高，一般工作电流也不高，一般510 mA。（3）不仅可以单纵模工作，也可以多纵模工作，从而削减）不仅可以单纵模工作，也可以多纵模工作，从而削减了多模光纤应用时的模式噪声。了多模光纤应用时的模式噪声。（4）温度稳定性好。）温度稳定性好。（5）工作速率高，）工作速率高，1 GHz以上的频率测试时其光脉冲的上升以上的频率测试时其光脉冲的上升和下降时间的典型值为和下降时间的典型值为100 ps。（6）工作寿命长。）工作寿命长。（7）与不同芯径的光纤模式匹配好。）与不同芯径的光纤模式匹配好。（8）接受不同的材料可制造出从紫外光到）接受不同的材料可制造出从
20、紫外光到1.55 m波长的光波长的光源。源。宽带光接入技术 原荣 编著242.3.2 LED 频谱分割多波长光源频谱分割多波长光源运用运用AWG对对LED的宽谱光进行分割，就可以得到一种低成本多波长的宽谱光进行分割，就可以得到一种低成本多波长光源，以便用于光源，以便用于WDM-PON。基本想法是，首先用信号调制基本想法是，首先用信号调制LED的输出光，然后将其输出连接到运的输出光，然后将其输出连接到运用用AWG的波长路由器（的波长路由器（WGR）的输入端，此时）的输入端，此时LED的宽光谱就被分的宽光谱就被分成很多波长的信号，在成很多波长的信号，在WGR的每个端口输出。的每个端口输出。其结果是
21、将调制后的信号以不同的波长安排到很多用户，这些不同的其结果是将调制后的信号以不同的波长安排到很多用户，这些不同的波长是由波长是由AWG的特性确定的。的特性确定的。宽带光接入技术 原荣 编著252.3.3 波导探测器（波导探测器（WG-PD）波导探测器是将波导探测器是将PIN光电接收二极管干脆制作在波导上；光电接收二极管干脆制作在波导上；光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸取，光强渐渐减弱，同时中传播，传播过程中光不断被吸取，光强渐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了激发价带电子
22、跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了对光信号的探测。对光信号的探测。宽带光接入技术 原荣 编著262.4 光收发模块光收发模块10 G以太网光接口的功能完全由一个光模块来实现，以太网光接口的功能完全由一个光模块来实现，包括光包括光/电转换、时钟提取和同步、复用电转换、时钟提取和同步、复用/解复用、解复用、64B/66B编解码、编解码、WIS和和8B/10B编解码等功能。编解码等功能。图图2.4.1 双纤以太网点到点双纤以太网点到点10 G收发机收发机 宽带光接入技术 原荣 编著27图图2.4.2 单纤双向模块构成单纤双向模块构成(a)1 2耦合器双向模块原理图耦合器双向模块原理图 (b)自由
23、空间分光自由空间分光/合光双向模块合光双向模块 (c)WDM PLC双向模块双向模块宽带光接入技术 原荣 编著2810 Gb/s TDMA PON 突发模式收发机突发模式收发机10 Gb/s ONU突发模式放射机接受阻抗可限制的直流耦合突发模式放射机接受阻抗可限制的直流耦合突发模式突发模式LD驱动电路，工作波长为驱动电路，工作波长为1 2601280 nm，开关，开关时间为时间为6 ns，放射光功率为，放射光功率为3.3 dBm，消光比为，消光比为8.0 dB，工，工作温度范围作温度范围070 oC。更具体的介绍见。更具体的介绍见8.2.7节。节。在欧洲正在开发的光子集成超长城域在欧洲正在开发
24、的光子集成超长城域/接入网络接入网络（PIEMAN）中，接受）中，接受DWDM/TDMA无源光网络技术，无源光网络技术，已设计和开发出用于该网络的已设计和开发出用于该网络的10 Gb/s 突发模式光接收机。突发模式光接收机。接受直流耦合，具有自动复位功能，接收机灵敏度为接受直流耦合，具有自动复位功能，接收机灵敏度为12.54 dBm，其强，其强/弱功率之比为弱功率之比为11.5 dB。可应用于运用。可应用于运用EDFA的的DWDM/TDMA 超长距离超长距离PON。该突发模式接收。该突发模式接收机所用的器件已单片集成。机所用的器件已单片集成。日本日本NTT也设计和开发出用于也设计和开发出用于10 Gb/s PON系统的直流耦系统的直流耦合突发模式合突发模式3R接收机。主要技术指标为接收机灵敏度接收机。主要技术指标为接收机灵敏度18 dBm，动态范围，动态范围16.5 dB，响应时间，响应时间75 ns，也已单片集成。，也已单片集成。更具体的介绍见更具体的介绍见8.3.2节节