光纤通信器件
光纤通信系统与光器件光器件
三、多层介质膜滤波器TFF
Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长
Thin-Film resonant Multicavity Filter (TFMF) 薄膜多共振腔滤波器
TFMF的传输特性： 腔越多滤波器顶越平
边缘越陡
Output 1 /2+L+ /2= L+ Output 2 /2+L- /2= L
L=2neff L /=k
k为奇数 k为偶数
Output 1 Output 2
五、体光栅滤波器
在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤 输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各 波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。
光衰减器—Attenuator
根据工作原理分类：
横向位移型光衰减器
位移型光衰减器
纵向位移型光衰减器
光衰 减器
直接镀膜型光衰减器 （吸收模或反射模型）
衰减片型光衰减器
液晶型光衰减器
光衰 减器
固定光 衰减器
可变光 衰减器
尾纤式固定光衰减器
转\变换器式 固定光衰减器
SC—FC型、 FC— ST型、 SC—ST型、
对输入信号 进行分路的 3dB耦合器
长度相差L的两根波 导，用来在两臂间产 生与波长有关的相移
在输出端将 信号复合的 3dB耦合器
通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组 的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出 端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。
Input 1
反射中 2neff 光栅
心波长
光纤通信-第五章-光纤线路技术与器件-光环形器
偏振相关型光隔离器
由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。
偏振无关型光隔离器
主要技术指标
插入损耗 回波损耗 隔离度
偏振相关损耗（PDL） 偏振模色散（PMD）
插入损耗(IL)
指在光隔离器通光方向上传输的光信号由 于引入光隔离器而产生的附加损耗。
无源器件和有源器件
无源器件(passive device)：本身不发生 光电或电光转换的器件。如光隔离器、 光耦合器、光环形器等实现连接光路、 分配光功率以及合波和分波等作用。
有源器件(active device)：本身会发生光 电或电光转换的器件，如激光器、光电 检测器、光放大器等。
光隔离器(isolator)
套管结构
由插针和套管组成，都是精密的机械结 构和光学结构
光纤固定在插针里，两个插针在套管中 对接并保证两根光纤的对准 套管 插针
光纤
光纤
插针
可用不锈钢、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作
陶瓷材料具有极好的温度稳定性，线膨胀系 数很小，且与石英光纤的线膨胀系数接近，
使用最多
f 2.499±0.0005 f 0.125±0.001
由端口2>端口3;
…… 若端口N输入的光可由
端口1输出，称为环行 器，若不可以，称为准 环行器
应用
双向通信中的重要器件，完成正反向传 输光的分离
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
第五章 光纤线路技术及器件
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
光纤通信器件问答题汇总
1、短周期光纤光栅
a)光纤布拉格光栅
b)闪耀光纤光栅
c)啁啾光纤光栅
2、长周期光纤光栅
如果进一步对光栅的折射率分布及调制深度进行分类，可以分为
超结构光纤光栅或者取样光纤光栅、
相移或者Moiré光纤光栅、
变迹或者切趾光纤光栅等
画图并说明相位掩模板、振幅掩模板、逐点曝光制作光纤光栅的方法。
OADM:
a)光纤光栅+环形器b)光纤光栅+M-Z干涉仪
c)薄膜滤波器+光开关d)波分复用器+光开关
OXC:a)光纤交叉连接(FXC)b)波长选择交叉连接(WSXC)c)波长交换交叉连接(WIXC)
怎样才能得到波长可调谐激光？怎样才能得到窄谱激光？说明理由。4P13
波长可调谐激光:
a)通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。
b)无需复杂的冷却装置，具有良好的热稳定性
c)很宽的泵浦波长范围
d)具有高可靠性
d)电光转换效率高
f)结构紧凑、牢固、不需精密的光学平台，能够适应恶劣的工作环境。
如何设计一种环形腔光纤激光器，给出设计方.案同说明工作原理。
掺稀土金属光纤放大器主要有哪些？
EDFA（掺铒光纤放大器）
PDFA（镨）
TDFA（铥）
自聚焦透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
节距： ，沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为一个截距P；
描述OTDR的工作原理，并理解曲线所包含的信息，OTDR主要有哪些性能参数？
光时域反射仪OTDR (Optical Time DomainReflectometer)，是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。
光纤器件及其在光纤通信中的应用解析
2光纤通信的发展和光纤器件的作用20世纪90年代中期以来,密集波分复用器(DWDM和掺饵光纤放大器(EDFA技术的发展和成熟以及因特网的社会需求热潮使世界光通信技术和产业迅猛发展。
但是,由于投资者对于光纤通信的过分偏爱和吹捧,以及网络热的迅速升温,导致1999年到2000年出现的光纤通信网络建设高潮和光纤器件产业的繁荣景象迅速瓦解。
目前,世界光纤器件市场面临的问题使人们对中国光纤器件产业的发展困惑不解。
其实,人类社会进人信息化和全球经济一体化后,信息交流已经成为社会发展的固有要求,作为信息交流基础之一的光纤通信在长途骨干网络建设高潮之后,城域网、局域网及接入网的建设高潮一定会到来。
本文试图从光纤器件在光纤通信中的作用说明光纤器件技术和产业发展的必然性,并概述光纤器件的现状和走向。
收稿日期:2003一03一04光纤器件伴随着光纤通信的兴起和发展已经走过几十年的历程。
光纤器件不仅成为光纤网络建设的基石,而且,光纤器件技术的发展促成光纤通信容量的爆炸性增长及光纤通信技术和产业的迅猛发展。
光纤器件技术的进一步发展和成熟还将会掀起光纤通信技术和产业发展的新高潮。
22.1光纤器件是光纤通信网络建设的基石光纤器件经过多年的发展,各种功能的光纤器件都应光纤线路或网络系统的需要而相继出现,门类和品种越来越繁杂。
各种功能不同、特性各异的光纤器件在不断满足网络系统需求的同时也渐渐成熟起来。
网络发展的高层次需求的不断出现又不时向光纤器件提供更新的要求,促使光纤器件在功能和性能上不断发展。
光纤器件在不断满足光纤通信在不同发展阶段的不同需求的同时也成为光纤通信网络建设不可缺少的基本构件,成为光纤网络建设的基石。
2.2光纤通信技术和产业迅猛发展从20世纪90年代中期以来,DWDM和EDFA技术迅速发展并成熟起来。
DWDM带来光纤通信容量的爆炸性增长,单根光纤的传输容量成倍、成十倍、成百倍地增长。
EDFA不仅延长了光纤通信的距离,而且大大降低了通信的成本。
光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用
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知识点回顾
光纤光栅：
用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光 纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间 分布，形成光栅结构，并且能精确控制谐振波长。
光纤光栅的的主要制作方法：
1. 纵向驻波写入技术(内部写入技术)
2. 横向全息写入技术 3. 相位掩模写入技术 4. 逐点曝光写入技术 5. 振幅掩模写入技术
1. 电磁调谐
将光纤光栅固定在磁致伸缩棒上，连同该磁致 伸缩棒置于均匀磁场中，磁致伸缩棒将磁力转化为 应力作用于光栅上，从而完成光纤光栅波长的连续 均匀调谐。103mT的磁场产生1.1nm的漂移量。
15.02.2021
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
如何产生光纤光栅波长的非均匀调谐，即调谐 后为啁啾光纤光栅？
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光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
二、掺杂光纤的光敏性
1. 掺杂光纤光敏性机理
➢掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 ➢外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂 形成色心
➢标准光纤：GeO2 ➢其它掺杂：Erbium（铒）, Europium（铕）, Cerium（铈） 2. 影响光纤光敏性的因素
15.02.2021
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
2. 热调谐法 热调谐法是基于折射率与温度的依赖关系，实
验证明：光纤布拉格光栅波长的温度灵敏度为0.011 nm/oC（或者0.015nm/oC ）。热调谐的方法可以使 光纤光栅波长的调谐量达到30nm，但是调谐温度不 易控制，容易受应力的交叉影响，而且热传递速度 缓慢决定调谐过程缓慢，以至于适用价值不是很大。
光纤通信基本知识-无源器件X
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无源器件
耦合器
以图1形表示
1
2
4
3
图1
16
4.2
耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线 路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声 耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复 用器/解复用器。
BICONIC Type
D4 Type
SMA 905 Type
SMA 906 Type
MINI BNC Type
6
连接头端面类型
Ferrule + Flange
Insertion Loss(插入损耗) <0.3dB Return Loss(回波损耗)
PC>40dB SPC>45dB
UPC>50dB APC>60dB
1. 耦合器类型 p94 图2给出常用耦合器的类型，它们各具不同的功能和用途。 T形耦合器这是一种2×2的3端耦合器，其功能是把一根 光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光 纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。
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…
…
T形
星形
(a)
(b )
1
2
1
2
1＋2＋N
…
4
3
N
定向
波分
(c)
式中，L为耦合器有效作用长度，Cλ为取决于光纤参数和 光波长的耦合系数。
设特定波长为λ1和λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度， 使得当光纤a的输出Pa(λ1)最大时，光纤b的输出Pb(λ1)=0；当 Pa(λ2)=0时，Pb(λ2)最大。对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55μm的 光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度大 于20 dB。
光纤通信用光器件介绍
光纤通信用光器件介绍光纤通信是利用光纤传输光信号进行通信的技术，其核心是通过光器件来发射、接收和调制光信号。
光器件是光纤通信系统中非常重要的组成部分，能够直接影响到通信系统的性能和稳定性。
在这篇文章中，我将介绍几种常见的光器件，并介绍它们的工作原理和应用。
第一种光器件是光纤激光器。
光纤激光器是一种能够发射强聚焦、单一波长、狭谱宽的光信号的器件。
它的工作原理是通过激光材料受到光电势驱动而产生的受激辐射来产生光信号。
光纤激光器具有很高的光输出功率和较窄的光谱特性，使其在长距离传输和高速通信中具有很大的优势。
第二种光器件是光纤调制器。
光纤调制器是一种能够改变光信号的特征以传输信息的器件。
它的工作原理是通过改变光的相位、幅度或频率，来调制光信号传递的信息。
光纤调制器在光纤通信中广泛应用于多种信号调制技术，如振幅调制、频率调制和相移键控等。
第三种光器件是光纤增益器。
光纤增益器是一种能够增强光信号的器件。
它通过将光信号输入到光纤中，通过光放大的原理来增强信号的强度。
光纤增益器在光纤通信系统中被广泛应用于信号放大和信号传输的中继，使得信号能够在长距离的传输中保持高强度和低损耗。
第四种光器件是光纤光栅。
光纤光栅是一种能够选择性反射或散射特定波长的光信号的器件。
它的工作原理是通过将光纤中的折射率周期性改变，产生布拉格衍射，从而实现对特定波长的光信号选择性反射或散射。
光纤光栅在光纤通信中被广泛应用于波长选择多路复用和分光分集等技术中。
第五种光器件是光纤检测器。
光纤检测器是一种能够接收光信号并转换为电信号的器件。
它的工作原理是通过光电效应将光信号转化为电信号。
光纤检测器在光纤通信系统中被广泛应用于光信号的接收和调制等过程中。
除了上述介绍的几种光器件外，还有许多其他类型的光器件，在光纤通信系统中起到了各种不同的作用。
例如，光纤散射器用于分配光信号，光纤滤波器用于调制光信号波长，光纤耦合器用于将多个光纤连接在一起等等。
这些光器件为光纤通信提供了更多的灵活性和多样性，使得通信系统能够更好地适应不同的需求和环境。
光纤的光模块作用
光纤的光模块作用
光纤的光模块的作用是进行光电转换，使得电信号能够转换为光信号进行传输，在接收端再将光信号转换成电信号。
具体来说，光模块是用于光纤通信的关键元件，由光电子器件、功能电路和光接口等组成。
光纤光模块是用于光纤通信的关键元件，其作用是在发送端将电信号转换为光信号，在接收端将光信号转换为电信号。
光模块主要由光电子器件、功能电路和光接口等组成。
光电子器件是光模块的核心部分，包括激光二极管（LD）和发光二极管（LED）等。
激光二极管能够产生单色光，并且光束的方向性
较好，因此常用于长距离传输。
发光二极管产生的光为宽带光，方向性较差，但价格较便宜，因此常用于短距离传输。
功能电路包括驱动电路、接收电路、调制解调电路等。
驱动电路和接收电路是将电信号进行光电转换的电路，调制解调电路则是用于将模拟信号转换为数字信号或在接收端进行数字信号恢复的电路。
光接口包括光纤连接器、透镜等，用于将光信号传输到光纤中或从光纤中接收光信号。
光纤连接器是将光模块与光纤进行连接的装置，透镜则是用于将光信号聚焦或发散的装置。
总之，光纤光模块是实现光纤通信的重要元件，其作用是将电信号转换为光信号进行传输，并在接收端将光信号转换为电信号。
光纤通信用光器件介绍
• FP: Fabry-Perot, 法布里-珀罗激光二极管
• DFB: Distributed Feedback Laser, 分布反馈式激光二极管
• VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 垂直腔面发射激光器
• PIN: Positive Intrinsic Negative, 同质PN结光电二极管
器
• 光开关 • 光插分复用
器
• 光交叉联接 器
• 波长变换器 • 可调滤波器 • 可调激光器
•光性能监控 管理摸块
•色散补偿器 •偏振模色散 管理摸块
2011-3-27
4
通信网络：
这些器件用在哪？
2011-3-27
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缩略语
• TOSA: Transmitting Optical Sub-Assembly, 光发射组件
1 234
DUT 待测器件
Computer/GPIB 带GPIB计算机
Optical Spectrum Analyzer 光谱分析仪
Operator switch
manually 操作员手动切
换
Optical Head 光头及适配器
2011-3-27
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TOSA分类
应用
SDH/SONET GBE
工作速率
155M 622M 1.244G 2.488G
1.0625G
FC
1.0625/2.125G
CWDM DWDM
155M~2.67G 155M~2.67G
10G (SDH, Ethernet,
FC shared)
9.953~10.709G
• LD驱动特性
光通信原理及光器件介绍
1400
光波长（nm）
全波光纤
1600
1800
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光纤通讯系统知识介绍－光纤结构
光纤
光纤的结构
涂敷层
包层 纤芯
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光纤结构
光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量 主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机 械保护作用。
突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径 都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。
13
横截 面
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统 最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
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光纤传输优点
1、通信容量大 从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000 亿个话路 2、中继距离长 3、保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因 此其保密性能极好 4、适应能力强 适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强 5、体积小、重量轻、便于施工维护 光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空 6、原材料来源丰富，潜在价格低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中 几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的
DFB LD module
Dual-baalog)
DFB LD module
1x4 Splitter
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1. 光纤熔接
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2. 连接器
• V型槽机械连接 • 弹性管连接
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待连 接的光 纤
在此 处使用 环氧 化物 将光纤 端面 粘贴 在一起 或将 光纤 夹紧以 定位
V型 槽 基 底
• 在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的光纤端面 紧靠在一起，如图所示。然后将两根光纤使用粘合剂 连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通道既可 以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成 槽状。这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤 的尺寸 ( 外尺寸和纤芯直径 ) 变化和偏心度 ( 纤芯相对于 光纤中心的位置)。 28
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4．雪崩倍增因子G
• 雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参 量—雪崩倍增因子。 • 在忽略暗电流影响条件下，它定义为
Io G IP
• 一般APD的倍增因子G在40～100之间。PIN光电管因 无雪崩倍增作用，所以G=1。
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5．倍增噪声和过剩噪声系数F （ G）
• 从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具 有随机性的。 • 这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍 增噪声。 • 倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描述为
2
3.2.1 半导体的光电效应
• 半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光 照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大， 则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量， 从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电 子，在价带中出现光空穴，即光电子—空穴对，
3
3.2.1 半导体的光电效应
• 半导体材料的光电效应
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1．响应度R0和量子效率η
• 响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理 量。
•
Ip / e I p hf 每秒光生电子－空穴对 ＝ ＝ ＝ 每秒入射光子数 P0 / hf P0 e R0 R0 Ip P0 e hf
A/W A/W
• 光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率、材料的特性 及器件的结构有关。
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2．响应时间
• 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射 光信号变化快慢的状态。 • • 一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短
• 上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域
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3．暗电流ID
• 理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应 无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙 射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光 电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 • 严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。 • 由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声
g g F (G) 2 2 g G
2 2
g 是每个初始电子-空穴对因雪崩效应产生二次电子空穴对的随机数
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3.3 无源光器件
3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光开关 3.3.5 光滤波器 3.3.6 波长转换器 3.3.7波分复用器 3.3.8 光纤光栅 3.3.9 光调制器
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1．PIN光电二极管
• PIN光电二极管能带图
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PIN光电二极管工作原理
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PIN光电二极管结构
• PIN光电二极管结构示意图
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2．APD雪崩光电二极管
• 如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二 极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型 的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称APD （Avalanche Photo Diode • 它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大 作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍
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• 1、作用 • 2、工作原理及结构 • 3、性能参数
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3.3.1 连接器和接头
• 光纤连接方法包括光纤熔接法、V型槽机械连接和弹性 管连接。第一种方法可产生永久性的连接，而后两种 连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。 • 光纤熔接 • 作用：实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要 用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。 • 连接器 • 作用：实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件， 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之 间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。
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2．APD雪崩光电二极管
（1 （2 • 目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管 结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。 • 雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种： Si—APD（工作在短波长区）；Ge—APD， InGaAs—APD等（工作在长波长区）。
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（1）雪崩光电二极管的雪崩倍 增效应
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APD雪崩光电二极管结构
• 雪崩光电二极管的结构和能带示意图
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雪崩光电二极管RAM-APD的场 分布
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（2）雪崩光电二极管的结构及 其工作原理
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3.2.3 光电检测器的特性
1．响应度R0和量子效率η 2．响应时间 3．暗电流ID 4．雪崩倍增因子G 5．倍增噪声和过剩噪声系数F（G）
3.2 半导体光电检测器
• 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第 一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换 为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电
• 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检 测器有两种： • （1）PIN光电二极管 • （2）APD雪崩光电二极管
1
3.2 半导体光电检测器
3.2.1 半导体的光电效应 3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器 3.2.3 光电检测器的特性
4
3.2.1 半导体的光电效应
• 当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时， 若有光电子—空穴对产生，显然必须满足如下关系， 即 Eg fc h hc c Eg
• λc称为截止波长，fc称为截止频率。
5
3.2.2 光纤通信中常用的半导体 光电检测器 1．PIN光电二极管 2．APD雪崩光电二极管
毛细 管尺寸 小于 光纤半 径 插入 光纤 锥型 开口
弹ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 材料 插入 光纤 轴向 对准
• 上图为弹性管连接装置的剖面图。这是一种可以自动进 行横向、纵向、角度对准的独特器件。使用它连接多模 光纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗， 但它所需要的设备和技巧却要少得多。这种连接器件基 本上就是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺 寸稍小于待连接的光纤。在孔的两端做成圆锥形以便于 光纤插入。当插入光纤时，光纤使孔膨胀，于是塑料材 料对光纤施加均匀的力。 29