第五章光纤无源与有源器件
光纤技术复习资料
《光纤技术》复习资料第一章 绪论要求：1、了解光纤的基本结构和基本特性；2、充分认识光纤传感和光纤通信在现代工农业生产、军事、科研及日常生活中的作用和地位，明确学习目的；3、了解光纤技术的发展动向；4、知道本课程的学习方法。
具体：1、光纤的定义：光纤是“光导纤维”的简称，是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。
2、光纤的结构：主要由纤芯、包层和涂敷层构成。
其中纤芯的折射率比包层要高。
纤芯和包层的折射率差引起光在纤芯内发生全内反射，从而使光在纤芯内传播。
3、通信光纤的标准包层直径是125m μ，涂敷层的直径大约是250m μ。
4、常用的光纤材料有纯石英（2SiO ）、玻璃和塑料。
5、列举光纤相对于金属导线的优点（至少5点）：如容量大、抗电磁干扰、电绝缘、本质安全；灵敏度高；体积小、重量轻、可绕曲；测量对象广泛；对被测介质影响小；便于复用，便于成网；损耗低；防水、防火、耐腐蚀；成本低、储量丰富等。
6、光纤通信所占的波长范围大概是0817..m μ。
7、1953年，在伦敦皇家科学技术学院开发出了用不同光学玻璃作纤芯和包层的包层纤维，由此导致光纤的诞生。
8、1966年，光纤之父高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因。
9、目前，F T T H （光纤到户）是宽带接入的一种理想模式，各国发展迅猛。
10、目前流行的“三网合一”指的是将现存三个网络：电信网、有线电视网和计算机网的信号在同一个光纤网络中传输。
11、光纤被喻为信息时代的神经。
第二章 光纤拉制及成缆要求：1、了解光纤的分类方法和光纤的种类，理解各种不同种类光纤之间的区别及每种光纤的特点；2、知道光纤的制作材料及要求；3、了解光纤预制棒的制造原理和工艺；4、知道各种光缆结构和材料的用途。
具体：1、光纤的分类：按照光纤横截面折射率分布不同分为：阶跃光纤和渐变光纤（折射率在纤芯中保持恒定，在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤，折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。
浅谈光纤通信有源器件与无源器件
浅谈光纤通信有源器件与无源器件任课教师学院班级姓名学号日期2016年05月18日目录1 引言 (1)2光有源器件 (1)2.1 光有源器件简介 (1)2.2 光纤激光器 (1)2.3光纤放大器 (3)2.4 全光波长变换器 (4)2.5光检测器 (4)3 光无源器件 (5)3.1 光无源器件简介 (5)3.2 光纤活动连接器 (6)3.3 跳线 (6)3.4 转换器 (7)3.5 变换器 (8)3.6光纤活动连接器的表征指标 (9)3.6.1插入损耗 (9)3.6.2回波损耗 (9)3.6.3重复性 (10)3.6.4互换性 (10)3.7光分路器 (10)3.8光衰减器 (12)3.9光隔离器 (14)3.10光开关 (15)3.11波分复用器 (15)3.12光接头盒、光配线箱、光终端盒 (15)结语 (16)参考文献 (16)1引言在光纤通讯行业，光纤系统中所用到的各种器件称为光器件。
而光器件简单来说分为有源光器件与无源光器件两种。
有源光器件也称光有源器件，无源光器件也称光无源器件。
光有源和无源器件都有如下产品：●有源光器件：定义是在光通信系统中能产生或接收光信号的器件。
可以简单的认为有源光器件是需要接上电源才能工作的。
比如：光纤收发器（"纤亿通"自主生产），光接收机，光源，光端机，光功率计等。
●无源光器件：定义是在光通信系统中不能产生或接收光信号的器件。
可以简单的认为无源光器件是不需要接上电源就能够工作的。
比如：光纤连接器，光纤适配器，光纤衰减器，光纤终结器，密集波分复用器（DWDM），粗波分复用器（CWDM），光纤耦合器，光开光，光纤准直器，光隔离器,平面波导光分路器（PLCS）等等。
2光有源器件2.1光有源器件简介光有源器件是光纤通信重要的核心器件之一，受到人们普遍的重视和关注。
目前光纤通信领域应用的光有源器件主要有光源(量子阱激光器(QWLD)，垂直腔面发射激光器(VCSEI.),量子点激光器(QDI,D)、多波长激光器等)，光探测器(光电子二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)等)，光调制器(妮酸锉(LiNb03)调制器等。
第5章 光纤接入网技术
（2）光波分多址(OWDMA)方式
· 光波分多址(OWDMA)方式是每个 ONU使用不同的工作波长，OLT接收端通 过分波器来区分来自不同ONU的信号。
· OWDMA方式的原理如图5-18所示。
（3）光码分多址(OCDMA)
· 光码分多址(CDMA)方式是给每个 ONU分配一个唯一的多址码，将各ONU的 上行信号码元与自己的多址码进行模二加， 再调制相同波长的激光器，在OLT用各 ONU的多址码恢复各ONU的信号。
2、EPON的设备功能
（1）光线路终端（OLT）
· OLT的具体功能为： ①提供EPON与服务提供商核心网的
数据、视频和话音网络的接口，具有复用/ 节复用功能；
②光/电转换、电/光转换。
③分配和控制信道的连接，并有实时监 控、管理及维护功能；
④具有以太网交换机或路由器的功能。
· OLT布放位置一般有3种方式： ● OLT放置于局端中心机房(交换机房、 数据机房等) ● OLT放置于远端中心机房 ● 户外机房或小区机房
（3）总线形结构
· 总线形结构的光纤接入网如图5-8所示。
2、有源光网络（AON）的拓扑结构
· 有源光网络（AON）的拓扑结构一般 采用双星形、链形和环形结构。
（1）有源双星形结构
· 有源双星形结构如图5-9示所示。
（2）链形结构
· 当涉及通信的所有点串联起来并使首 末两个点开放时就形成了链形结构（线形 结构），如图5-10所示。
· 根据采用的技术不同，无源光网络 （PON）又可以分为以下几类。
● APON——基于ATM的无源光网络（在 PON中采用ATM技术），后更名为宽带PON （BPON）；
第5讲+光纤无源器件
制作工艺
熔融拉锥法：将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式 靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双 锥体形式的特殊波导结构 是实现传输光功率耦合的 种方法 锥体形式的特殊波导结构，是实现传输光功率耦合的一种方法。
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中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
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中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
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光纤连接器
(2) 双锥结构 利用锥面定位，此结构由AT&T创立和采用。
2、光纤耦合器
定义：简称耦合器，是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种
器件。简单地讲，光耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结 构耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。
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SG 13 /GII presentation
3
磨抛法制备单模光纤定向耦合器
石英基座上开槽，光纤以确定曲率半径放入槽内，连同光纤和 基座一起打磨，磨去部分包层，使两光纤的磨抛面重合，这时两纤 芯附近倏逝场重叠而在两光纤之间产生耦合。
(5)透镜耦合结构 (4)球面定心结构
光纤连接器
两根插针插入基座，球面与锥面接合将纤芯对准，并保证纤芯之间的间 距控制在要求的范围内，设计巧妙，但零件形状复杂，实现难度大。
又称远场耦合，结构分球透耦合结构和自聚焦透镜耦合结构两种，降低 了加工的精度要求，容易实现。但结构复杂、体积大、元件多、损耗大
5
[1] 固定连接器
1、光纤连接器
光纤连接器的结构与种类
光纤通信5-1概要
1.半导体光放大器 SOA
半导体放大器分为
反射面 输入光信号
泵浦电流
法布里-珀罗放大器（FPA）
和行波放大器（TWA）
z=0
图A—FPA放大器 图B—TWA放大器
增透膜 输入光信号
A
泵浦电流
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z=0
B
反射面 有源区
输出光信号 z=L
增透膜 有源区 输出光信号 z=L
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5.1 光放大器
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5.1 光放大器
∵ 光放大器是放大微弱光信号的;
∴ 对于小信号 P/Psat<<1,则该项可以忽略,于是上式可 以书为
g
(
)
1
g0 () ( 0 )
2
T22
单位：1/m
此式说明：ω=ω0（入射光频等于原子跃迁频率）时, g(ω)最大,如下页画面的图示,属于洛伦兹分布曲线。
g()下降到最大值一半时，g() / g0 () 1/ 2, （ 0）2T22 1
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5.1 光放大器
当把归一化增益降到一半时，g(ω)与G(ω)两条谱线 光频的半功率全宽FWHM分别为
单位增益带宽： g
1
T2
全增益带宽：
A
g
ln 2 g0L l ln G0
A
g
ln 2
ln
G0
/
1/ 2
2
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5.1 光放大器
增透膜R1
注入电流
输入光信号
增透膜R2 有源区
SOA 半导体光放大器
输出光信号
光纤技术及应用复习题1~5
《光纤技术及应用》复习题第一章1、写出电场强度和磁场强度在两种介质界面所满足的边界条件方程。
（并会证明）2、TE波、TM波分别指的是什么？3、平面光波发生全反射的条件。
当入射角大于临界角时，入射光能量将全部反射4、古斯-哈恩斯位移指的是什么？其物理本质是什么？证明实际光的反射点离入射点有一段距离，称为古斯-哈恩斯位移。
（相隔约半个波长）实质：光的传播不能简单视为平面光波的行为，必须考虑光是以光束的形式传播，即时空间里的一条极细的光束也是由若干更加细的光线组成的5、写出光线方程，并证明在各向同性介质中光为直线传播。
对于均匀波导，n为常数，光线以直线形式传播第二章1、平板波导的结构，分类。
结构：一般由三层构成：折射率n1中间波导芯层，折射率n2下层介质为衬底，折射率n3上层为覆盖层；n1>n2 , n1>n3。
且一般情况下有n1>n2> n32、均匀平面光波在平板波导中存在的模式有：导模、衬底辐射模、波导辐射模（各有什么特点）。
（入射角与临界角之间的关系以及各种模式相对应的传播常数所满足的条件）P12。
P17-18图满足全反射的光线并不是都能形成导模，还必须满足一定的相位条件。
P13（导模的传输条件）3、在平板波导中TE0模为基模，因为TE0模的截止波长是所有导模中最长的。
P144、非均匀平面光波在平板波导中的模式有：泄露模、消失模5、平板波导中的简正模式具有：稳定性、有序性、叠加性、和正交性。
6、模式的完备性指的是?P24在平板波导中，导模和辐射模构成了一个正交、完备的简正模系，平板波导中的任意光场分布都可以看成这组正交模的线性组合。
7、波导间的模式耦合指的是？P31当两个波导相距很远时，各自均以其模式独立地传播，无相互影响；当两个波导相距很近时，由于包层中场尾部的重叠，将会发生两个波导间的能量交换，称之为波导间的模式耦合。
作业题：2-7、2-8第三章1、什么是光纤？光纤的结构，分类，并画出相应的折射率分布。
光有源&无源器件
Planar Waveguide Technology Technology
Devices are constructed on the surface of a flat piece of material such as silica or semiconductor crystal using the techniques of semiconductor chip manufacturing.
Difficulties
Need to control dimensions accurately to about .25 of a micron. When diagonal waveguides have regularly ccurring steps in their sides, you happen to chance on a resonant wavelength. Many complex devices can't be done in planar technology because a planar device is made from a uniform material. It is costly and difficult to connect these devices to fibres.
Fabrication of Planar Optical Devices
Diffusion of a dopant into a flat ubstrate. Deposition/etching techniques similar to those used in making semiconductors. Direct writing of waveguides using a powerful laser beam and photosensitive dopant in the material (such as germanium in silica glass).
光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件光环形器
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
第五章 光纤线路技术及器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
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
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
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
端 x口
1 23 4 5 6
端 口
1
2
3
4
z
y
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
(dB )
Pi：输入的光信号功率，
Pi
Po
Po ：经过光隔离器后的功率，
显然， IL值越小越好。
光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
回波损耗(RL)
回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件
作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响
例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、光
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(c)
(d)
图 5.2 常用耦合器的类型
5.1.3 光耦合器（按用途分）
输入光光Βιβλιοθήκη a1光强度2
输出光
1
5
9
4
光纤b
3
2
6
10
(a)
3
7
11
4
8
12
(c) (b)
图 5.3 光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 8×8星形耦合器； (c) 由12个2×2耦合器组成的8×8 星形耦合器
5.1.3 光耦合器（按用途分）
第五章 光纤无源及有源器件
5.1 光纤无源器件 5.2 光纤有源器件 5.3
5.1 光纤无源器件
光无源器件：能量消耗型器件，对信号或能 量进行连接、合成、转换及有目的衰减。要 求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围 宽、性能稳定、寿命长、 体积小、价格便宜、 便于集成等。
5.1.1 各种无源器件在光纤通信系统链路上的位置和作用
光隔离器 光连接器 光耦合器（波分复用/解复用器） 光衰减器
光开关
自聚焦光纤
光滤波器
5.1.2 连接器和接头
连接器是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。
光纤类型不匹配
从芯径为62.5um耦合到50um，损耗2dB 多模光纤到单模光纤，损耗17dB
光栅
5.1.3 光耦合器（按结构分）
l1 l2 l3
l1 l2 l3
光纤
棒透镜
采用棒透镜的光栅型WDM
光栅
5.1.3 光耦合器（按结构分）
波导型 在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导 的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。
光波导
开角
(a)
P
P1
P2
0
l1 l2
图5.4 熔锥光纤型波分复用器结构和特性
5.1.3 光耦合器（按结构分）
光纤型 把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。 图5.3(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。 如图5.4，光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb， 根据耦合理论得到
5.1.3 光耦合器（主要特性）
表5.2 耦合器的一般特性
Pa=cos2(CλL) Pb=sin2(CλL) 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。
插入损耗Lt 是一个指定输入端的光功率Pit和一个指定输出端的光功率Poc的比 值，用分贝表示
Lt
10 lg
pic poc
方向性DIR(隔离度) 是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率 Pr的比值，用分贝表示
DIR 10 lg pic pr
一致性U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等 同性。
l1
滤光片 (c)
图5.5 微器件型耦合器
光纤 l1 ll23
l1＋l2＋l3
(b) 自聚焦透镜 硅光栅
(d)
(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复用器
5.1.3 光耦合器（按结构分）
l1 l2 l3
l1+ l2+ l3
光纤
透镜
衍射光栅型波分复用器结构示意图
连接损耗 光纤几何特性与波导特性差异
两光纤连接相对错位
横向偏移 轴向分离
轴向倾斜错位
端面不平整
5.1.2 连接器和接头
对接耦合式 结构类型
ST型 直插型 BC型 双锥型 PC型 物理接触型 FC型 面接触型 SC型 直联型
准直聚焦透镜 透镜耦合式
自聚焦棒透镜
5.1.2 连接器和接头
项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
CR
POC POt
Poc
N
Pon
n 1
5.1.3 光耦合器（主要特性）
附加损耗Le 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率 总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示
N
Le
10 lg
Pit pot
10 lg
Pin
n1
N
Pon
n1
图5.7 光耦合器主要特性的说明
1.3 m
1.3 m 1.5 5m
(b) 多 模 波导
多 层 膜滤 光 片 单 模 波导
1.5 5m
(c)
图5.6 波导型耦合器
(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解复用器；
5.1.3 光耦合器（主要特性）
说明耦合器参数的模型如图5.7所示， 主要参数定义如下。
耦合比CR 是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot 的比值，用%表示
图 5.1 精密套管结构连接器简图
5.1.2 连接器和接头
5.1.2 连接器和接头
固定接头用的光纤熔接机
5.1.2 连接器和接头
固定接头用的光纤熔接机
5.1.3 光耦合器（分类）
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。
定向耦合器 （分路器和合路器）
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
表5.1 光纤连接器一般性能
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
性能 0.2~0.3
0.1
0.1
35~40 40~50
103 104
-20~+70 -40~+80
5.1.2 连接器和接头
连接器的分类： 单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。
光纤
套管
插针 粘结剂
按用途分
光耦合器
非定向耦合器 波长选择耦合器（波分复用/解复用器）
分立元件型（体光学器件型）
按器件、材料、制造、结构分
微光学器件型
平面波导型 多模光纤耦合器
全光纤型 单模光纤耦合器 保偏光纤耦合器
5.1.3 光耦合器（按用途分）
…
…
T形
星形
(a)
(b)
1
2
l1 l2
l1＋l2＋lN
…
4
3
lN
定向
波分
5.1.3 光耦合器（按结构分）
微器件型 用自聚焦透镜和分光片(光部分透射， 部分反射)、滤光片(一个波长的光透射， 另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图 5.5所示。
光纤
自 聚 焦透 镜
光纤 1
自 聚 焦透 镜分 光 片 4
3
2
光纤 l1、l2
l2
(a) 自 聚 焦透 镜