华中科技大学
硕士学位论文
在线式双级光隔离器与EDFA中
光无源组合器件的研究
学位申请人： 万助军
指导教师：曹明翠 教授
学科专业：物理电子学
所在学院：激光研究院
答辩日期：2002年6月
摘要
近三十年来，光纤通信飞速发展，EDFA是使光纤通信成为可能的关键器件之一，在EDFA中需要用到波分复用器、光隔离器和分光耦合器等光无源器件，把这几种功能集成到一个组合器件中可以缩小体积和降低成本。发展高性能、低成本的功能集成光电子器件是现阶段的一个发展趋势，具有较大的市场潜力。
本文介绍了EDFA的特点、应用和结构，概述了波分复用器、光隔离器和分光耦合器的发展状况，对几种用于EDFA中的组合器件进行对比。提出了一种新型的波分复用器、光隔离器和分光耦合器组合器件方案，该组合器件可用于后向泵浦的EDFA中，具有体积小、成本低的特点。
适应DWDM系统对光隔离器的隔离度和带宽的要求，提出了一种新型的在线式双级光隔离器结构，对前后两级采用不同角度的楔角片，理论分析表明这种结构的双级光隔离器可以大大提高隔离度。该双级光隔离器结构可用于所设计的组合器件中。
为该组合器件设计了一个分光棱镜，可以将一束入射光分成一定间距、夹角和功率比的两束光，与双光纤准直器很好的耦合；从理论上分析了各种加工和装配误差对分光间距和夹角的影响。阐述了光纤准直器的设计过程，推导了两个光纤准直器耦合损耗计算公式，并由此对组合器件中的波分复用器进行设计和计算。
对在线式双级光隔离器进行了实验研究并实现批量生产，获得高隔离度，达到预期目的。对组合器件的实验样品进行了测试，结果表明该方案是可行的，如果能改善工艺和提高装配技能，有望达到预期指标。
关键词：光纤通信，掺铒光纤放大器，组合器件，波分复用器，隔离器
ABSTRACT
In the last thirty years, optical fiber communication has been developed quickly. EDFA is one of the key devices that enable optical fiber communication. In EDFA, optical passive components such as WDM, optical isolator and tap coupler are necessary. Integrating these functions in one hybrid device can reduce volume and cost. Developing function integrated optoelectronic devices of high performance and low cost is a trend in this period. It has potential market.
Characteristics, applications and structure of an EDFA are introduced in this thesis. Development of WDM, optical isolator and tap coupler is summarized. And several hybrid devices used in EDFA are compared. A novel scheme for WDM, optical isolator and tap coupler hybrid device is presented, which can be used in a back pumped EDFA. It is characterized by small size and low cost.
A novel structure for in-line dual stage optical isolator is presented to meet the request for isolation and bandwidth in DWDM system, which uses wedges of different angles in different stages. Theoretical analysis shows that the isolator of this structure can increase isolation enormously. Dual stage optical isolator of this structure can be used in the hybrid device.
A tap prism is designed for the hybrid device, which can divide one incident beam into two beams with expected interval, angle and power ratio. The two beams can be coupled into a dual fiber collimator. Influence of fabrication and assembly errors on beam interval and angle is analyzed. Design procedure of a fiber collimator is described and general formula for coupling loss of two collimators is deduced. WDM in the hybrid device is designed and calculated based on it.
Experimental research on the in-line dual stage optical isolator is carried out and mass production is realized. It achieves high isolation and reaches expectation. An experimental sample of the hybrid device is tested and the
results show that this scheme is feasible. After revision on the scheme and improvement on assembly procedure and skill, expected specifications are reachable.
Keywords: Optical Fiber Communication, EDFA, Hybrid Device, WDM, Isolator
目 录
摘要.....................................（I）Abstract .....................................（II）1绪言
1.1 前言 (1)
1.2 EDFA的特点及应用 (2)
1.3 EDFA的结构 (3)
1.4 EDFA中的光无源器件 (5)
1.5 光无源器件的功能集成 (9)
1.6 本课题研究的目的和意义 (11)
2总体方案设计
2.1 在线式双级光隔离器方案设计 (12)
2.2 组合器件方案设计 (14)
2.5 本章小结 (21)
3 波分复用器
3.1 单光纤准直器的设计和耦合分析 (22)
3.2 双光纤准直器的设计和计算 (29)
3.3 波分复用器的参数计算和损耗分析 (30)
4 光隔离器芯
4.1 单级光隔离器芯的指标分析 (33)
4.2 双级光隔离器芯的指标分析 (42)
4.3 本章小结 (52)
5 分光棱镜
5.1 分光棱镜的设计 (53)
5.2 分光棱镜的误差分析 (54)
5.3 分光棱镜的特点 (56)
6 实验研究
6.1 在线式双级光隔离器的实验研究 (57)
6.2 组合器件的实验研究 (61)
6.3 本章小结 (68)
7 全文总结 (69)
致 谢 (70)
参考文献 (72)
附录1 攻读学位期间发表论文及申请专利目录 (78)
附录2 单光纤准直器计算过程 (79)
附录3 准直器耦合损耗计算过程 (81)
附录4 双光纤准直器计算过程 (82)
附录5 隔离器芯计算过程 (83)
附录6 术语 (86)
1 绪言
1.1 前言
近三十年来，光纤通信取得了长足进展，光纤以其损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，已经在传送网领域取代了电缆[1～5]，而在接入网领域，随着光纤到路边（Fiber to the Curb，FTTC）、光纤到楼（Fiber to the Building，FTTB）和光纤到家（Fiber to the Home，FTTH）工程的实施，光纤也逐步成为主要传输媒质[6～11]。在得到了低损耗的通信光纤之后，使光纤通信，特别是密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）光纤通信成为可能的关键器件是半导体激光器（Laser Diode，LD）和掺铒光纤放大器（Erbium－Doped Fiber Amplifier，EDFA），前者提供了窄线宽、高功率的信号光源，而后者解决了传输中的功率衰耗问题[12]。单个波长信道的电时分复用（Time Division Multiplexing，TDM），加上DWDM+EDFA技术，使光纤通信容量迅速提高，目前已经达到了太比特量级。
EDFA在光纤通信中扮演着至关重要的角色，而EDFA中又必需波分复用器、光隔离器和分光耦合器等光无源器件，如果能够把这几种器件的功能集成在一个组合器件中，则可以大大缩小体积和降低成本。高性能、低成本的功能集成光电子器件是现阶段的一个发展趋势，具有较大的市场潜力和竞争力。本文适应这一趋势，提出了一种用于后向泵浦EDFA中的波分复用器、光隔离器和分光耦合器组合器件方案，并进行了理论分析和实验研究。
在光纤通信系统中，为了防止反向光对半导体激光器的干扰，需要采用大量的光隔离器；而大容量高速率的DWDM光纤通信系统对光隔离器的隔离度和带宽要求越来越高，单级光隔离器已经不能适应这种要求，人们诉诸于双级光隔离器。本文适应这一要求，在理论分析的基础上，提出了一种新型的在线式双级光隔离器结构并实现批量生产，获得了很好的技术指标和经济效益。
1.2 EDFA的特点及其应用
1.2.1 几种光放大器的比较
光放大器大体可分为光纤放大器和半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）两种类型，而光纤放大器根据其放大机理不同又可以分为两类，即掺稀土元素光纤放大器和非线性光纤放大器。SOA体积小、易于驱动，而且可以与其他光电子器件混合集成；但是其噪声系数较大，增益与入射光偏振态相关，与光纤的耦合损耗大，而且不能满足DWDM 系统的带宽要求，目前很少用于光放大，但可用作高速光开关。非线性光纤放大器，包括光纤拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA）和光纤布里渊放大器（Fiber Brillouin Amplifier，FBA），是利用光纤中的非线性光学效应（受激拉曼散射效应和受激布里渊散射效应）产生的增益机制对光信号进行放大。其中FRA是当前研究的热点并有商用化产品，其优点是传输线路与放大线路同为一体—光纤，因此放大器与传输线路的耦合损耗很小、噪声系数较小，增益稳定性也较好，缺点是需要很高的泵浦光功率和很长的光纤；但光纤拉曼放大器是目前唯一能在1260～1675nm波长范围内进行放大的光放大器，发展前景看好[13～17]。
掺稀土元素光纤放大器是在光纤中掺入稀土元素离子作为增益物质，在泵浦光的作用下发生粒子数反转，从而对信号光产生增益；其中的掺镨（P r3+）和掺钕（N d3+）光纤放大器工作在1310nm通信窗口，掺铒（E r3+）光纤放大器工作在1550nm通信窗口，目前研究得比较成熟，已经大量商用化[13][18]。
EDFA的主要优点如下[13～15][19～22]：
高效率：信号光相对于泵浦光的能量转换效率高；
高增益：增益通常为15～40dB，最高输出信号功率一般为8～15dBm； 频带宽：单个EDFA增益谱宽可达40nm，采用C波段与L波段并联可达80nm；
低噪声：噪声系数一般为3～5dB，采用980nm激光泵浦的小信号放大器，其噪声系数可接近量子极限3dB；
易于与光纤耦合：与光纤的融接损耗小于0.5dB，增益与入射光偏振
态无关。
1.2.2 EDFA的应用
由于EDFA具有以上许多优点，使它在光纤通信中获得了广泛的应用。主要用途如下[13][14][18][23～27]：
在远距离光纤传输中，用来延长中继距离或者取代电中继器。可作为光发射机的功率放大器，接收机的前置放大器和在线光中继器，特别适用于长途越洋通信。
在光纤接入网和光纤有线电视网（CATV）中使用，补偿功率分配损耗。
光纤接入网和光纤CATV网多采用星形和树形结构，采用EDFA则可实现信号无损耗分配。
用于光波分复用系统中。EDFA的宽带放大，加上密集波分复用，可以充分利用光纤的带宽容量和降低系统成本。
使用EDFA可放大短至皮秒的超短脉冲而无畸变，可在未来的光孤子通信系统中使用。
用在测试仪器和光纤传感器中，以提高灵敏度。
1.3 EDFA的结构
EDFA的基本结构如图1.1所示，其关键部件是掺铒光纤（Erbium Doped Fiber，EDF）、高功率泵浦激光器（LD）、监控用的光探测器（Photon Detector，PD）、作为信号光与泵浦光复用的波分复用器（WDM）、防止反馈和系统噪声的光隔离器（Isolator，ISO）、取出部分信号光用于监测的分
光耦合器（TAP）、以及控制电路[18]。
掺铒光纤是EDFA 的核心部件，其主要参数有铒离子浓度、光纤长度和芯径等，而这些参数又需要结合泵浦光功率优化考虑，使掺铒光纤充分吸收泵浦光，而又不会因为太长而增加损耗。对于泵浦源的基本要求是高功率和长寿命，可以采用980nm 半导体激光器，也可以用1480nm 半导体激光器，前者可以获得更低的噪声系数，而后者可以获得更高的增益，为了优化噪声系数和增益，还可以采用两种波长的激光器混合泵浦[18][28
～31]
。
泵浦光注入到掺铒光纤中的方式称为泵浦方式，有前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种，如图1.2所示。前向泵浦的泵浦光与信号光在掺铒光纤中的传播方向相同，因此也叫同向泵浦；后向泵浦的泵浦光与信号光传播方向相反，因此也叫反向泵浦；双向泵浦则是采用传播方向与信号光相同和相反的两路光源进行泵浦[13][31][32]。前向泵浦比后向泵浦噪声系数小，而后向泵浦比前向泵浦输出功率大，双向泵浦的输出功率比前向和后向泵浦都大[33]。
光探测器的作用是从放大前和放大后的信号光中取出一部分进行监测，反馈到控制电路，控制电路据此调整泵浦激光器的驱动电流，从而控制增益。
波分复用器、光隔离器和分光耦合器属于光无源器件，其中波分复用器的作用是将信号光和泵浦光一起耦合到掺铒光纤中，对它的要
求是附加损耗小，信号光与泵浦光的隔离度高。光隔离器的作用是抑制光路中的反射光返回光源侧，从而使系统工作稳定，降低噪声，对它的要求是插入损耗（Insertion Loss，IL）小，反向隔离度（Isolation，ISO）高。分光耦合器的作用是从放大前和放大后的信号光中分出一小部分，送到光探测
器中，对它的要求是附加损耗小。
1.4 EDFA 中的光无源器件
在1.2中提到，EDFA 中需要波分复用器、光隔离器和分光耦合器等光无源器件，下面对这三种器件的发展状况分别介绍。 1.4.1 分光耦合器
制作分光耦合器的方法主要有三种：光纤研磨法、光纤熔融拉锥法和采用TAP 片。 1.4.1.1 光纤研磨法
光纤研磨法就是首先在两个石英块上分别加工沟槽，插入光纤并用粘接剂固定；再从石英块表面向纤芯研磨，直到纤芯附近为止；最后将两块磨制的石英块对准紧贴在一起，两根光纤中的光功率在此部分由于泄漏模而发生耦合，确认达到预定耦合比后，用胶固定，如图1.3所示[34][35]。
1.4.1.2 光纤熔融拉锥法
熔融拉锥法制作光纤耦合器，就是将两根光纤靠近夹持在一起，下面用火焰将光纤加热至熔融状态，让二者熔在一起，同时两端的夹具缓慢
拉
石英块
伸光纤，使熔融部分成为双锥形；为了使锥形区更加平缓，让火焰来回匀速移动；与此同时，从一个输入端注入测量光，在两个输出端监测，当达到预计分光比时即停止拉锥，如图1.4所示[36][37]。
对于光功率在锥形区的耦合情况，可以用光束传播方法（BPM）和耦合模理论（CMT）等多种方法进行分析[38～40]
。对两根同种光纤拉制的耦合器，
可以得到一个比较简单的结果。假设从输入端注入的光功率为P 0，那么两
输出端的光功率分别为[41]：
?????==])([cos ]
)([sin 2
02
201L C P P L C P P λλ (1.1) 其中L 为锥形耦合区的长度，C(λ)为与光纤参数和波长有关的耦合系数。从 1.1式可以看出，当改变锥形区长度时，两输出端功率在0～P 0之间周期性变化，而且两者是互补的。这样，改变锥形区长度，就可以得到任意分光比的耦合器。为了得到宽带的耦合器，一般取对应第一个周期的L；另外，还可以采用两根不同参数的光纤来拉制宽带耦合器。 1.4.1.3 采用TAP 片
TAP 片就是在一块玻璃基片上镀部分反射膜（根据需要的分光比可以镀任意反射率），把这个TAP 片粘贴在一个双光纤准直器的自聚焦透镜（GRIN－LENS）端面上，从一根尾纤输入的光，部分反射，从另一根尾纤输出，透射部分耦合到另一个单光纤准直器中，如图1.5所示。
用光纤研磨法制作耦合器工艺比较复杂，目前很少采用。熔融拉锥法制作的光纤耦合器附加损耗小，性能稳定，目前用的最多；但是其耦合系数与波长相关，成正弦曲线性质，因此带宽不大，而且锥形耦合区的横截面为椭圆形，具有双折射性质，会引入较大的偏振相关损耗（Polarization
Dependent Loss，PDL）；采用TAP 片的耦合器，带宽大，性能稳定，但是附加损耗较大。 1.4.2 波分复用器
制作波分复用器的方法有光纤熔融拉锥、介质膜滤波片、散射光栅等多种，前两种用得较多，介绍如下。 1.4.2.1 光纤熔融拉锥法
光纤熔融拉锥法制作波分复用器与制作耦合器方法类似，只是拉锥长度L 更大。前面提到，1.1式中的耦合系数C(λ)与光纤参数和波长相关，控制拉锥长度L，使得
?????
?+=??+=?π
λπ
λ)1()()2
1()(21n L C n L C
即两波长光的相位失配达到最大，则P 1(λ1)=1，P 2(λ1)=0；P 1(λ2)=0，P 2(λ2)=1，从而实现了两个波长的分离[41～43]。
如果两波长间隔越小，耦合系数差异越小，那么要达到相位最大失配所需的锥形耦合区长度L 越大，由于锥区光纤很细，则比较难拉制。另外，由于锥形区的双折射，造成两个正交模的传播常数不同，耦合系数C(λ)也不同，两个波长的两正交模不能同时达到耦合系数最大失配，从而影响两个波长之间的隔离度[44～46]。 1.4.2.2 介质膜滤波片
采用介质滤波片制作波分复用器与采用TAP 片制作耦合器的方法类似，只要把TAP 片换成介质膜滤波片即可。介质膜滤波片就是在一块玻璃基片上镀多层介质膜，使之对泵浦光波段反射而对信号光波段透射，或者反之[47][48]。
熔融拉锥法制作的波分复用器插入损耗小，性能稳定，但是如前面所述，由于锥形区的双折射效应，造成隔离度不高；另外，与熔融拉锥法制作的耦合器一样，带宽不大。采用介质膜滤波片制作的波分复用器，其反射波段和透射波段均比较平坦，带宽大，而且隔离度高，但是IL 较大。
1.4.3 光隔离器
光隔离器可分为偏振相关型和偏振无关型两类，习惯上也可以称之为自由空间型（Freespace）和在线式（in-Line），偏振无关型光隔离器又可以分为块状型和全光纤型，其中块状型包括Walkoff型和Wedge型两种结构[47][49～52]。Walkoff型光隔离器所用晶体体积较大，成本高，目前已经很少采用，下面对Wedge型光隔离器和各公司普遍采用的在线式双级光隔离器进行介绍。
1.4.3.1 Wedge型光隔离器
Wedge型光隔离器内部结构如图 1.6所示，它包括两个双折射晶体楔角片和一片夹在其中的法拉第旋光晶体，一个永磁性的磁环，以及两个光纤准直器（图中未画出）[53][54]。来自输入准直器的正向光，分成两束光经过隔离器，在两楔角片中的偏振态分别为o光→o光和e光→e光，除了发生一些横向偏移（Offset）和产生一个微小的间距（Walkoff）之外，方向不变，耦合到输出准直器中。来自输出准直器的反向光，分成两束经过隔离器，由于法拉第旋光晶体的非互易性，两束光在两楔角片中的偏振态分别为o光→e光和e光→o光，出射时相对于输入方向分别向下和向上偏离一个角度（对负单轴晶体而言，正单轴晶体恰好相反），因此不能耦合到输入准直器中，从而达到隔离反向光的目的。由其工作原理可知，该光隔离器的IL和ISO与入射光的偏振态无关。
1.4.3.2 在线式双级光隔离器
目前各公司普遍采用的在线式双级光隔离器结构如图 1.7所示，它是把两个图1.6中的单级隔离器装入一个磁环中，相对旋转45o使两级发生o 光→e 光和e 光→o 光的转换，实现两级偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）相互补偿，同时提高ISO。
该方案的缺点是很难同时将ISO 和PMD 调节至最佳状态，因此需在两级中分别加一个PMD 补偿片，再相对旋转45o调节隔离度，但仍存在隔离度不高、工艺复杂、以及生产效率和成品率低的问题。
1.5 光无源器件的功能集成
1.4中介绍了EDFA 中需要的三种光无源器件，如果能够将这三种器件的功能集成在一个组合器件中，则可以大大缩小体积，同时可以减少准直器和其他封装元件的用量，降低成本。高性能、低成本的功能集成光电子器件是现阶段的一个发展趋势，较有市场潜力。
文献[55][56]报道了一种波分复用器和光隔离器组合器件，如图1.8所示，将一个透射信号光和反射泵浦光的WDM 滤波片粘贴在一个双光纤准直
图1.7 现有在线式双级光隔离器结构
单级光隔离器芯
器端面上，隔离器置于两个准直器之间，信号光S和泵浦光P的传播方向如箭头所示。该器件可用于后向泵浦的EDFA中，文献[56]中还给出了另一种实现方式，可用于前向泵浦的EDFA中。文献[57]报道了另一种波分复用器与光隔离器组合器件，它可以将两路线偏振的泵浦光与一路信号光进行复用。
文献[58]报道了一种组合器件，如图1.9所示，它集成了波分复用器、分光耦合器、光隔离器和光探测器四种功能，可以用于后向泵浦的EDFA 中。与图1.8方案相比，增加了一个平面光栅，分出部分光用于探测；如果WDM滤波片性能较好，则图中的带通滤波片可以省去；另外，因为增加了一个光探测器，属于有源器件，采用蝶形封装。文献[58]中还给出了另一种实现方式，可以用于前向泵浦的EDFA中。文献[59]中报道了另一种组合器件方案，可以集成以上四种功能中的任意两种、三种或四种，用于前向或后向泵浦的EDFA中。
PD
目前很多公司采用如图1.10所示方案制作分光耦合器、光隔离器和波分复用器组合器件，具有体积小、工艺简单的优点。但是该方案只能集成图1.1的虚线框1中的三种器件功能，用于前向泵浦的EDFA中；对于集成虚线框2中的三种器件功能，用于后向泵浦的EDFA，则由于信号光与泵浦光在掺铒光纤中的传播方向相反，不能用这种方案实现。
以上方案或者只能集成两种功能，或者能集成三种功能但不能用于后向泵浦的EDFA中，或者可以集成四种功能但体积庞大、不易封装。要集成波分复用器、光隔离器和分光耦合器三种光无源器件功能于一个组合器件中，用于后向泵浦的EDFA中，同时要求体积小，工艺简单，具有一定的挑战性。
1.6 本课题研究的目的和意义
在光纤通信系统中需要使用大量的EDFA，而EDFA中又必需各种光无源器件，把各种光无源器件功能集成到一个组合器件中，发展高性能、低成本的功能集成光电子器件是现阶段的一个发展趋势。本文适应这一趋势，提出了一种新型的波分复用器、光隔离器和分光耦合器组合器件方案并进行了实验研究，该组合器件可以用于后向泵浦的EDFA中，具有体积小、成本低的特点，较有市场潜力。
另外，针对目前各公司所用双级光隔离器方案存在的问题，本文在理论分析的基础上，提出了一种新型的在线式双级光隔离器结构并实现批量生产，获得了很好的技术指标和经济效益。
2 方案设计
前面提到，要将波分复用器、光隔离器和分光耦合器三种光无源器件功能集成到一个组合器件中，用于后向泵浦的EDFA中，具有一定的挑战性。本文提出一种体积小、工艺简单的新方案，可以很好的实现这种功能集成。另外，DWDM系统需要隔离度高、带宽大的双级光隔离器，而目前各公司所用双级光隔离器方案存在隔离度不高、工艺复杂、以及生产效率和成品率低的缺点。本文在理论分析的基础上，提出了一种有效的解决方案。
2.1 在线式双级光隔离器方案设计
2.1.1 整体结构
该在线式双级光隔离器的结构如图2.1所示，楔角片和旋光晶体夹装在两个金属支架之间，装入磁环中并用胶固定，将磁环套在一个准直器的透镜上并用胶固定，调节光路之后套上金属桥，将两个准直器与金属桥两端焊接在一起。
图2.1 在线式双级光隔离器
2.1.2 光隔离器芯
双级光隔离器芯结构如图 2.2所示，每级包括两个双折射晶体楔角片以及一个夹在其中的法拉第旋光晶体。两级中所用楔角片的楔角大小不同，分别为4o（P11、P12）和8o（P21、P22）；各楔角片的光轴方向如图中箭头所示，其相互之间的角度关系如图2.3所示（迎着正向光的传播方向看）。
正向光分成两束通过光隔离器芯，在各楔角片内的偏振态依次是o-o-e-e和e-e-o-o，即每束光在前后两级中都发生了o光至e光或者e光至o光的转换，因此只要适当设计两级中楔角片的厚度，就可以使两束光的
光程相等，两级的PMD相互补偿。
片尺寸如图 2.4所示，材料为钒酸钇
（YVO4），在1550nm处的折射率为
n o=1.9447，n e=2.1486，所有通光面镀中心
波长为1550nm的增透膜。实际上，图 2.2
中的楔角片P11与P12完全相同，只是翻转
了180o，因此总共只有三种楔角片。
P11 P21 P22
图2.4 在线式双级光隔离器中的钒酸钇楔角片
表2.1 法拉第旋光晶体性能指标
所用法拉第旋光晶体是日本MGC（MITSUBISHI GAS CHEMICAL）公司生产的A 型RA155号石榴石晶体，其尺寸为 1.0×1.0×0.36mm 3，中心波长为1550nm ，中心波长处的折射率为n F =2.34，性能指标如表2.1所示。法拉第旋光晶体的特性是，对线偏振光偏振面的旋转角随外加磁场强度的增大而线性增加，但是当外加磁场强度大于其饱和磁场强度时，旋转角恒定为45o。
插入损耗
消光比
饱和磁场强度
旋转角
波长相关性（o/nm ）温度相关
性（o/℃）
反射率
<0.1dB >40dB 1000Oe 45o±1o-0.068 -0.06 <0.2%
所用磁环为日本TDK 公司生产的REC 系列钐钴磁环，其尺寸如图 2.5所示，磁环内的磁场强度为1200Oe ，为法拉第旋光晶体饱和磁场强度的1.2倍，可以保证旋转角恒定为45o。
2.2 组合器件方案设计
2.2.1 整体结构
该波分复用器、光隔离器和分光耦合器组合器件（简称WDM－ISO－TAP 组合器件）的整体结构如图2.6所示，它包括波分复用器（由双光纤准直器1和WDM 滤波片2组成）、双光纤准直器5、Wedge 型光隔离器芯3、分光棱镜4、磁环6和金属桥7。WDM 滤波片反射泵浦光和透射信号光，粘贴在准直器1的GRIN－LENS 端面上组成波
分复用器；光隔离器芯与分光棱镜一起夹装在两个金属支架之间，装入磁环中并用胶固定；将磁环套在准直
图2.5 磁环尺寸
摘要：主要介绍了应用于光纤通信中的各种光无源器件的种类、作用、原理和技术指标，并对部分主要的光无源器件有较深入的分析和工艺考虑，如光纤光缆活动连接器、光衰减器、光开关、波分复用器等，较为详细地介绍了这些光无源器件的特点及用途。 关键字：光纤通信光无源器件种类作用原理技术指标 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等。相对于光电器件，如半导体激光器、发光二极管、光电二极管以及光纤放大器等光“有源器件”而言，这一类本身不发光、不放大、不产生光电转换的光学器件，常被称之为光“无源器件”。 一、光无源器件原理、作用及指标 它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关；因此它与电无源器件有本质的区别。光无源器件的种类繁多，功能及形式各异，但在光纤通信网络里是一种使用性很强的不可缺少的器件。主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤耦合器、光开关、光复用器(合波器和分波器)、光分路器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器，等等。
它的作用概括起来主要是：连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；以及合波和分波等作用。评价光无源器件的主要技术指标包括：插入损耗、反射损耗、工作带宽、带内起伏、功率分配误差、波长隔离度、信道隔离度、信道宽度、消光比、开关速度、调制速度等等。不同的器件要求有不同性质的技术指标。但是，绝大多数的光无源器件都要求插入损耗低、反射损耗高、工作带宽宽等。 二、光无源器件种类 (一)光纤光缆活动连接器 1.含义即原理应用 光纤光缆活动连接器是连接两根光纤光缆形成连续光通路且可以重复装拆的无源器件；它还具有将光纤光缆与有源器件，光纤光缆与其他无源器件，光纤光缆与系统和仪表进行活动连接的功能。活动连接器伴随着光通信的发展而发展，现在已形成门类齐全、品种繁多的系统产品，是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广泛的基础元件之一。 2.光纤光缆活动连接器类型 按其功能可以分成如下几部分：连接器插头、光纤跳线、转换器、变换器等。这些部件可以单独作为器件使用，也可以合在一起成为组件使用。实际上，一个活动连接器习惯上是指两个连接器插头加一个转换器。 连接器插头：使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，连接器插头由插针体和若干外部机械结构零件组成。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接；插头的机械结构用于对光纤进行有效的保护。插针是一个带有微孔的精密圆柱体。 光纤跳线：将一根光纤的两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是跳线的特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。在工程及仪表应用中，大量使用着各种型号、规格的跳线，跳线中光纤两头的插头可以是同一型号，也可以是不同的型号。跳线可以是单芯的，也可以是多芯的。跳线的价格主要由接头的质量决定。因而价格也相差较大。在选用跳线时，本着质优价廉去选是不错，但一定不要买质次价低的产品。 转换器：把光纤接头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器，转换器俗称法兰盘。在CATV系统中用得最多的是FC型连接器；SC型连接器因使用方便、价格低廉，可以密集安装等优点，应用前景也不错，除此地外，ST型连接器也有一定数量的应用。 变换器：将某一种型号的插头变换成另一型号插头的器件叫做变换器，该器件由两部分组成，其中一半为某一型号的转换器，另一半为其它型号的插头。使用时将某一型号
光与现代科技讲座各章习题 第一章绪论 第二章光源与激光器 第三章光纤与光学传感技术 第四章激光在现代医学中的应用 第五章激光在军事技术中的应用 第六章激光在现代工业和加工中的应用 第七章光与信息技术 第八章光通信技术与网络 第一章概述 1.什么是光？光波的频率和波长范围是多少？可见光的波长范围是什么？什么 是电磁波波谱？ 2.光的特性是什么？ 3.什么是光的辐射功率，它与什么因素有关？ 4.什么是光的干涉、衍射、偏振？光干涉的条件是什么？ 5.什么是光的吸收、色散、散射？什么是选择性吸收，什么是普遍吸收？什么是 瑞丽散射定律？什么是拉曼散射？ 6.光电信息技术在那些方面得到发展？ 7.为什么说21世纪被称为“光电子信息时代”？ 第二章光源与激光器 1．什么是激光？其特点是什么？ 2．什么是自发辐射？受激辐射？受激吸收？他们分别与何器件相对应？ 3．激光器由那三个部分组成？简述其工作原理。 4. 谐振腔的作用是什么？ 5. 激光器如何分类的？（按工作物质） 6. 激光技术在科学研究领域有哪些应用？ 第三章光纤与光学传感技术 1. 光纤由那几层构成，各层的主要作用是什么？ 2. 光纤是怎样分类的？ 3. 光纤是如何传光的？ 4. 光纤的制造主要有哪三个过程？
5. 光纤色散产生的原因及危害是什么？ 6. 光纤损耗产生的原因及危害是什么？ 7. 光纤的传输特性有哪三类？ 8. 光缆主要由哪几部分构成？光缆加强件的置放方式有哪三种？光缆的防潮措 施有什么？ 9. 光缆按缆芯特征、敷设方式、结构设计原则、缆芯芯数是怎样分类的？ 10. 什么是光纤传感器？它有那两种类型？有何区别？ 11. 光纤传感器有何优点？按调制原理可分为哪三种？ 12. 光纤图像传感器（内窥镜）由哪几部分组成？简述其工作原理。 13. 图像传感器主要功能是什么？分为哪三类？ 14. 激光传感器有哪些应用？ 15. 红外辐射的基本特点是什么？主要应用有哪些？ 16. 什么是红外传感器（探测器）？按照光学系统结构分为那两类？ 17. 什么是超声波传感器？它具有何特性按振动辐射大小不同可分为哪两类？ 有何应用？ 18. 核辐射传感器中常用哪三种技术来检测核辐射强度、分析气体、鉴别各种粒子？ 第四章激光在现代医学中的应用 1、激光对生物体的作用有那几个方面?激光用于生物及医学上有什么优点?试举 例予以说明。 2、试说明近视矫正的PRK(photorefractive keratectomy)方法的原理。PRK方法矫 正近视眼使用什么激光器?为什么要使用这种激光器? 3、试论激光在皮肤科和整形外科的应用现状和优势。应用中要注意那些问题? 请举例说明。 4、激光碎石的机理使什么?什么部位的结石可以使用激光碎石的方法?目前在医 学上应用于碎石的激光器有哪些? 5、对良性前列腺增生症的激光治疗，目前有什么方法，试论它们分别的优缺点。 6、试简述光动力学治疗的原理。光动力学治疗的优点是什么?当前还存在的问题、 它的应用前景怎样? 7、目前在医学上常用的激光器有哪几种?请分别说明它们的应用范围。 8、激光用于生物体的诊断是依据什么原理?目前已经在医学上应用的情况如何? 有哪些特点? 9、激光通过光纤来传输的原理是什么?光纤的出现对激光医学的发展起怎样的作 用?请举例加以说明。
光无源器件 摘要 目录- 1. 2.1概念 3.2品种 4.3测试图 5. 6.4原理及应用 概念 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等。 品种 ▲ FC、SC、ST、LC等多种类型适配器 ▲ 有PC、UPC、APC三种形式 ▲ FC、SC、ST、LC等各种型号和规格的尾纤（包括带状和束状），芯数从单芯到12芯不等。 测试图 光无源器件测试是光无源器件生产工艺的重要组成部分，无论是测试设备的选型还是测试平台的搭建其实都反映了器件厂商的测试理念，或者说是器件厂商对精密仪器以及精密测试的认识。不同测试设备、不同测试系统搭建方法都会对测试的精度、可靠性和可操作性产生影响。本文简要介绍光无源器件的测试，并讨论不同测试系统对精确性、可靠性和重复性的影响。 在图一所示的测试系统中，测试光首先通过偏振控制器，然后经过回波损耗仪，回波损耗仪的输出端相当于测试的光输出口。这里需要强调一点，由于偏振控制器有1～2dB插入损耗，回波损耗仪约有5dB插入损耗，所以此时输出光与直接光源输出光相比要小6～7dB。可以用两根单端跳
线分别接在回损仪和功率计上，采用熔接方式做测试参考，同样可采用熔接方法将被测器件接入光路以测试器件的插损、偏振相关损耗(PDL)和回波损耗(ORL)。 该方法是很多器件生产厂商常用的，优点是非常方便，如果功率计端采用裸光纤适配器，则只需5次切纤、2次熔纤(回损采用比较法测试*)便可完成插损、回损及偏振相关损耗的测试。但是这种测试方法却有严重的缺点：由于偏振控制器采用随机扫描Poincare球面方法测试偏振相关损耗，无需做测试参考，所以系统测得的PDL实际上是偏振控制器输出端到光功率计输入端之间链路上的综合PDL值。由于回损仪中的耦合器等无源器件以及回损仪APC的光口自身都有不小的PDL，仅APC光口PDL值就有约0.007dB，且PDL相加并不成立，所以PDL测试值系统误差较大，测试的重复性和可靠性都不理想，所以这种方法不是值得推荐的方法。改进测试方法见图2所示。 在图2测试系统中，由于测试光先通过回损仪再通过偏振控制器，所以光源输出端与偏振控制器输入端之间的光偏振状态不会发生大的变化，也就是说系统可测得较准确的DUT PDL值。然而问题还没有解决，PDL是可以了，但回波损耗测试却受到影响。我们知道，测试DUT回波损耗需要先测出测试系统本身的回光功率，然后测出系统与DUT共同的回光功率，相减得出DUT回光功率。从数学上容易理解，系统回光功率相对越小，DUT回损值的精确度、可靠性以及动态范围就会越好，反之则越差。在第二种系统中，系统回光功率包含了偏振控制器回光功率，所以比较大，进而限制了DUT回损测试的可靠性和动态范围。但一般而言，只要不是测试-60dB以外的回损值，这种配置的问题还不大，因此它在回损要求不高的场合是一种还算过得去的测试方法。除了上述两种测试方案以外，还有一种基于Mueller矩阵法的测试系统(图3)。 这种测试系统采用基于掺铒光纤环的可调谐激光器(EDF TLS)而并非普通外腔式激光器，这点很重要，后文还有论述，此外它还加上Mueller 矩阵分析法专用的偏振控制器、回损仪和光功率计。由于采用Mueller 矩阵法测试PDL时要求测试光有稳定的偏振状态，所以可调谐光源与偏振控制器之间以及偏振控制器与回损仪之间要用硬跳线连接，这样可以排除光纤摆动对测试的影响。用Mueller矩阵法测试PDL需要做参考，所以在一定程度上可以排除测试链路对PDL测试的影响，因此这个系统可以得到较高的PDL测试精度以及回损与插损精度，测试的可靠性和可操作性都很好。在该系统中每个测试单元不是独立地工作，它们必须整合为一体，可调谐光源不停扫描，功率计不停采集数据，测试主机分析采集所得数据，最后得出IL、PDL和ORL随波长变化的曲线。这种方法目前主要用在像DWDM器件等多通道器件测试上，是目前非常先进的测试方法。 上述三种测试方法中，笔者认为除了最后一种方法是测试DWDM多通道器件实现快速测试的最佳方案以外，其它两种方法都不足取，原因是它们都一味强调方便，而忽略了精密测试的精确、可靠性及重复性的要求。这也是为什么很多器件厂家测试同样的产品，今天测和明天测结果会大相径庭的原因。解决办法参见图4的耦合器测试装配方式。 利用图4的配置可以一次得出器件的回损和方向性参数，以及器件PDL和平均IL。由于测试激光光源为偏振光源，这样对于器件插损测试就
光无源器件 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等。 目录
光无源器件的测试方法 光无源器件测试是光无源器件生产工艺的重要组成部分，无论是测试设备的选型还是测试平台的搭建其实都反映了器件厂商的测试理念，或者说是器件厂商对精密仪器以及精密测试的认识。不同测试设备、不同测试系统搭建方法都会对测试的精度、可靠性和可操作性产生影响。本文简要介绍光无源器件的测试，并讨论不同测试系统对精确性、可靠性和重复性的影响。 在图一所示的测试系统中，测试光首先通过偏振控制器，然后经过回波损耗仪，回波损耗仪的输出端相当于测试的光输出口。这里需要强调一点，由于偏振控制器有1～2dB插入损耗，回波损耗仪约有5dB插入损耗，所以此时输出光与直接光源输出光相比要小6～7dB。可以用两根单端跳线分别接在回损仪和功率计上，采用熔接方式做测试参考，同样可采用熔接方法将被测器件接入光路以测试器件的插损、偏振相关损耗(PDL)和回波损耗(ORL)。 该方法是很多器件生产厂商常用的，优点是非常方便，如果功率计端采用裸光纤适配器，则只需5次切纤、2次熔纤(回损采用比较法测试*)便可完成插损、回损及偏振相关损耗的测试。但是这种测试方法却有严重的缺点：由于偏振控制器采用随机扫描Poincare球面方法测试偏振相关损耗，无需做测试参考，所以系统测得的PDL实际上是偏振控制器输出端到光功率计输入端之间链路上的综合PDL值。由于回损仪中的耦合器等无源器件以及回损仪APC的光口自身都有不小的PDL，仅APC光口PDL值就有约0.007dB，且PDL相加并不成立，所以PDL测试值系统误差较大，测试的重复性和可靠性都不理想，所以这种方法不是值得推荐的方法。改进测试方法见图2所示。 在图2测试系统中，由于测试光先通过回损仪再通过偏振控制器，所以光源输出端与偏振控制器输入端之间的光偏振状态不会发生大的变化，也就是说系统可测得较准确的DUT PDL值。然而问题还没有解决，PDL是可以了，但回波损耗测试却受到影响。我们知道，测试DUT回波损耗需要先测出测试系统本身的回光功率，然后测出系统与DUT共同的回光功率，相减得出DUT回光功率。从数学上容易理解，系统回光功率相对越小，DUT回损值的精确度、可靠性以及动态范围就会越好，反之则越差。在第二种系统中，系统回光功率包含了偏振控制器回光功率，所以比较大，进而限制了DUT回损测试的可靠性和动态范围。但一般而言，只要不是测试-60dB以外的回损值，这种配置的问题还不大，因此它在回损要求不高的场合是一种还算过得去的测试方法。除了上述两种测试方案以外，还有一种基于Mueller矩阵法的测试系统(图3)。 这种测试系统采用基于掺铒光纤环的可调谐激光器(EDF TLS)而并非普通外腔式激光器，这点很重要，后文还有论述，此外它还加上Mueller矩阵分析法专用的偏振控制器、回损仪和光功率计。由于采用Mueller矩阵法测试PDL时要求测试光有稳定的偏振状态，所以可调谐光源与偏振控制器之间以及偏振控制器与回损仪之间要用硬跳线连接，这样可以排除光纤摆动对测试的影响。用Mueller 矩阵法测试PDL需要做参考，所以在一定程度上可以排除测试链路对PDL测试的影响，因此这个系统可以得到较高的PDL测试精度以及回损与插损精度，测试的
1.光通信用光器件分类: 光无源器件Optical Passive Devices （光被动器件）光有源器件Optical Active Devices （光主动器件） 1.1简介：光无源器件 光纤通信系统中应用的光无源器件有光连接器、光耦合器、光隔离器、光衰减器、光开关，光滤波器和光波分复用器等。 光无源器件在光纤通信系统中的功能是对输入的光信号作被动操作，如光束的分波和合波、分束和合束、光的开关、衰减和偏振控制等。类似于电子电路中的电阻、电容和电感元件。 1.2简介：光有源器件 光纤通信系统中应用的光有源器件有信号光源、泵浦光源、探测器、光调制器和光放大 器等。 光有源器件在光纤通信系统中的功能是对光信号作主动操作，包括光信号的发射、探测 和放大、光调制和波长变换等。并非接通电源的光器件都是有源器件。 2.光无源器件详细知识 虽然对各种光无源器件的特性有不同的要求，但普遍的要求是插入损耗小、反射损耗大、 工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、隔离度高、价格便宜，许多光无源器件还要求便于集成。 2.1光纤连接及光纤连接器 2.1.1光纤连接：永久性连接，活动性连接 永久性连接主要采用熔接法实现，借助光纤熔接机完成；活动性连接主要利用光纤连接 器实现。 2.1.2光纤连接器 基本构成：两个配合插头和一个耦合管。 插针体 插针体
五种结构：套管结构，双锥结构，V型槽结构，球面定心结构，透镜耦合结构 连接器种类： 性能指标: (A)插入损耗： 心…10 lg ? (dB ) (B)回波损耗： p 尺￡ = 一1°孑) (C)重复性和互换性 我们的器材参数： 所有的光无源器材都是FC/APC接口，光源是FC/PC接口(通过PC-APC跳线转接)。 插入损耗：0.63db左右(以Faraday Rotator为例) 回波损耗：60db左右(以Faraday Rotator为例) 2.2光耦合器 附：光纤分束器是将一根光纤内的波长、能量、偏振等特性进行重新分配到不同光纤的一种 器件。 分能量的一般叫光纤分路器或者光纤耦合器； 分波长的是波分复用器； 分偏振的是偏振分束器； 作用：使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合并进行再分配。 类型：定向耦合器(X型)；Y型分路器；星型耦合器；树形耦合器 定向耦合器：光信号从端1传输到端3，一部分从端4输出，端2无输出；光信号从端3传输到端1，一部分从端2输出，端4无输出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。 Y型耦合器：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
光无源器件就是不含光能源的光功能的器件，是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。因其具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等领域。 光无源器件在光路中都要消耗能量，插入损耗是其主要性能指标。光无源器件包括光纤连接器、光开关、光衰减器、光纤耦合器、波分复用器、光调制器、光滤波器、光隔离器、光环行器等。它们在光路中分别可实现连接、能量衰减、反向隔离、分路或合路、信号调制、滤波等功能。光无源器件有很多种，本文将讲述常用的几种—光纤衰减器、光纤环形器、光纤准直器、光纤隔离器、光纤传感器、光纤合束器和光纤起偏器。 光纤衰减器 光纤衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤CATV 中的一个不可缺少的器件。从市场需求的角度看，一方面光衰减器正向着小型化、系列化、低价格方向发展。另一方面由于普通型光衰减器已相当成熟，光衰减器正向着高性能方向发展，如智能化光衰减器，高回损光衰减器等。到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。 任何光纤系统传输数据的能力取决于接收器的光功率，如下图所示，其显示了接收光功率作用下的数据链路误码率。（误码率是信噪比的倒数，例如误码率越高表示信噪比的信号越低。）无论功率过高或者过低都会导致较高的误码率。光无源器件常见类型
功率过高，接收放大器饱和，功率过低，可能会干扰信号产生噪音等问题。光纤衰减器主要用于调整光功率到所需标准。 光纤环形器 光纤环形器为非互易设备，只能沿单方向环行，反方向是隔离的。 光纤环形器除了有多个端口外,其工作原理与光纤隔离器类似,也是一种单项传输器件,主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。
光纤通信 第一章： 1、什么是光纤通信： 光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式 2、光纤的主要作用是什么？ 引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。Or（单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，适用于高速长途通信系统。多模光纤的纤芯直径为50μm，适用于低速短距离通信系统） 3、与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信有何优缺点？光纤通信有何优点：容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小丶抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好 节约金属材料，有利于资源合理使用or与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： (1)传输频带极宽，通信容量很大 (2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； (3)串扰小，信号传输质量高； (4)光纤抗电磁干扰，保密性好； (5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； (6)耐化学腐蚀；（7)光纤是石英玻璃拉制成形原材料来源丰富 4、为什么说使用光纤通信可以节省大量有色金属？ 5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？ 光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一堆光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000多路电话，频带宽对于各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展的需要。 6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.39~0.76μm 7、红外线是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.76~300μm 8、近红外区：其波长范围是多少？0.76~1.5μm 9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？0.8~1.6μm 10、光纤通信中常用的三个低损耗的窗口的中心波长分别是多少？ 0.85,1.30,1.55μm 第二章： 1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么？ 光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50
光无源器件技术综述万助军中科院上海微系统与信息技术研究所博士 生上海上诠光纤通信设备有限公司技术顾问光无源器件是光纤通信中不可或缺的部分，本文综合介绍各种光无源器件技术原理、特摘要：光纤准直器设计等°减反射角、点以及部分工 艺考虑，内容包括高斯光束能量耦合、光纤头的8单元技术和光纤连接器、晶体光学器件、波分 复用器、光开关等器件技术，希望对从事光无源器件设计和制造的工程师有参考作用。FBT 关键词：光无源器件，准直器，隔离器、环形器、光开关、言绪一.适应信息社会对通 信容量的要求，光纤通信已经取代电子通信。低损耗光纤、半导体激使光纤通DWDM+EDFA光器和掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能的三个关键因素，而信容量得到空前扩展。在光纤通信系统中，各种光无源器件扮演着不可或缺的角色，本文将[1]综合介绍各种光无源器件技术原理及特点。下文的组织结构是，第二部分介绍光无源器件中用到的基础知识和单元技术；第三部分对光纤连接器的一些特性进行分析；第四部分介绍各种晶体光学器件的结构、原理和发展情况；第五部分介绍波分复用器的原理和结构；第六部分介绍各种光开关的原理、结构和特点；第七部分介绍各种光衰减器的原理、结构和特点；第八部分介绍光纤熔融拉锥器件的基本原理和各种具体器件的实现方式；第九部分为全文总结。需要说明的是，限于本文作者的知识水平和研究经历，对某些技术有较深入的分析，如型波分复用器和光纤熔融拉光纤头、光纤准直器、光纤连接器、光隔离器、光环形器、Filter、光开关和可调光衰减器等，这锥器件等，对某些技术则大致介 绍结构和原理，如Interleaver些都是为了聊补本文的完整性，以顶住光无源器件技术综述这顶帽子。考虑本文的读者对象是从事光无源器件设计和制造的工程师，作者尽量少用复杂的公式，但在某些场合，公式有50个公式。助于理解问题和 说明一些重要结论，因此本文中仍出现多达基础知识和单元技术二. 高斯光束的能量耦合1.在尾纤为单模光纤的光无源器件中，光束可用高斯近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加[2-4]。比率，可用（1）式计算 2*??dxdyE?E21?T（1） 22????dxdyE?dxdyE21 两束高斯光束之间的耦合，可能存在三种失配模式：径向失配X、轴向失配Z 和角向失配θ，如图1所示。耦合失配造成光场重叠误差，从而影响耦合效率，根据（1）式计算得到1 耦合损耗与各种失配量之间的关系如图2所示，其中取光束束腰半径分别为200um和5um作对比，分别对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为200um的高斯光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配则有较大容差；束腰半径为5um的高斯光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之， 对角向失配则有较大容差。
我国光无源器件的技术进展和发展趋势 2009-4-7 16:19:59 讯石光通讯咨询网作者：iccsz 我国光纤无源器件虽然至今只有20多年的历史，但在技术上取得了长足的进步。从科研到小批量生产再到形成产业群，基本满足了我国各时期电信网、有线电视网和宽带网对光无源器件的需求。 我国光纤无源器件虽然至今只有20多年的历史，但在技术上取得了长足的进步。从科研到小批量生产再到形成产业群，基本满足了我国各时期电信网、有线电视网和宽带网对光无源器件的需求。目前我国光纤连接器、光纤耦合器和二波长复用器的制造技术和一般性能已与国际先进水平相当。与此同时，由于相关技术基础较为薄弱，科技投入较少，所以在密集波分复用器方面只有薄膜滤波型产品，大端口数矩阵光开关还属空白，有待进一步开发。 一光连接器 1. 技术进展 我国单芯光纤连接器的制造技术、产品型号与发达国家是一致的，都由陶瓷套管和外围零件组装而成。主流产品的型号是套管直径为2.5mm的FC型、SC型和ST型，近年来已有一些单位能生产套管直径为1.25mm的LC型和MU型，所用的设备基本上都是进口的，所以产品的技术性能也与国际先进水平相当。插入损耗一般都小于0.2dB，典型值为0.1dB; 回波损耗根据插头端面的形状，PC型(球面曲率半径为15~25mm)≥40dB，UPC型(球面曲率半径为10~15mm)≥50dB，APC型(端面有角度，一般为8°)≥60dB。所以国内光通信工程所用的绝大部分连接器都是国产的，还有相当一部分出口。 我国已经完全掌握光纤连接器的关键零件—插头的陶瓷套管和插座的陶瓷套筒的精密加工技术，生产量已占全球需求量的20%左右，有大量的产品出口。美中不足的是陶瓷毛坯基本上还要进口。虽然已有一些企业在引进这项技术，但要真正能大量提供产品，还有待时日。 关于连接器的外围零件，除SC型的个别精密塑料模注成形的零件外，我国都能生产。 对于同是检验合格的连接器来说，在外观上已分不清进口零件和国产零件。差异主要反映在批量的合格率和互换性上，一般进口的合格率高，互换性好; 国产的合格率稍差，有时互换性会有些问题。这主要是因为进口零件的加工精度更好些。 我国在整体式多芯光缆连接器方面也取得了较大进步。已研制成功GLK系列的近场型多、单模连接器，光纤芯数有2芯和4芯。多模的插入损耗均≤0.5dB; 2芯单模的插入损耗≤0.6dB; 4芯单模的插入损耗≤1dB。抗拉强度≥1000N。采用塑料模注成型的卡扣式连接机械结构，便于制造和使用。此外还有各种光电复合缆的密封连接器，如2光2电、3光2电、3光4电等，其光学性能与光缆连接器相同，其电气性能与电连接器相同，目前这些产品主要应用在军事装备上。 2. 发展趋势 根据发达国家光连接器的发展趋势，在现有的套管直径为2.5mm的FC型、SC型和ST 型连接器继续增加的同时，套管直径为1.25mm的LC型和MU型连接器将会以较快的速度发展，此外MT-RJ、MTP、MPO、MAC等带状光纤连接器也会逐步发展起来。将来套管直径
光无源器件的原理及应用 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分。它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关；因此它与电无源器件有本质的区别。在光纤有线电视中，其起着连接、分配、隔离、滤波等作用。实际上光无源器件有很多种，限于篇幅，此处仅讲述常用的几种—光分路器、光衰减器、光隔离器、连接器、跳线、光开关。 一、光纤活动连接器。 光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的无源光器件，它还有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行连接的功能。活动连接器伴随着光通信的发展而发展，现在已形成门类齐全、品种繁多的系统产品，是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广泛的基础元件之一。 尽管光纤（缆）活动连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几部分：连接器插头、光纤跳线、转换器、变换器等。这些部件可以单独作为器件使用，也可以合在一起成为组件使用。实际上，一个活动连接器习惯上是指两个连接器插头加一个转换器。 （1）连接器插头。 使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，连接器插头由插针体和若干外部机械结构零件组成。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接；插头的机械结构用于对光纤进行有效的保护。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其主要尺寸如下： 外径 Ф2.499±0.0005mm 外径不圆度 ＜0.0005mm 微孔直径 Ф126±0.5μm 微孔偏心量 ＜1μm 微孔深度 4mm 或10mm 插针外圆柱体光洁度 ▽14 端面曲率半径 20-60mm 插针的材料有不锈钢、全陶瓷、玻璃和塑料几种。现在市场上用得最多的是陶瓷，陶瓷材料具有极好的温度稳定性，耐磨性和抗腐蚀能力，但价格也较贵。塑料插头价格便宜，但不耐用。市场上也有较多插头在采用塑料冒充陶瓷，工程人员在购买时请注意识别。 插针和光纤相结合成为插针体。插针体的制作是将选配好的光纤插入微孔中，用胶固定后，再加工其端面，插头端面的曲率半径对反射损耗影响很大，通常曲率半径越小，反射损耗越大。插头按其端面的形状可分为3类：PC型、SPC型、APC型。PC型插头端面曲率半径最大，近乎平面接触，反射损耗最低；SPC型插头端面的曲率半径为20mm，反射损耗可达45dB，插入损耗可以做到小于0.2dB；反射损耗最高的是APC型，它除了采用球面接触外，还把端面加工成斜面，以使反射光反射出光纤，避免反射回光发射机。斜面的倾角越大，反射损耗越大，但插入损耗也随之增大，一般取倾角为8o—9o，此时插入损耗约0.2dB，反射
⊙OTN（光传送网，Optical Transport Network），是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。 ⊙WDM：Wavelength-Division Multiplexing，波分复用器，对不同波长进行合成与分离。 ⊙AWG: Array Wavelength grating：阵列波导光栅。波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)网络的关键器件。 ⊙Splitter：分路器，对同一波长的光功率进行分配（1*N）。 ⊙Coupler：耦合器，对同一波长的光功率进行分路与合路。也叫Splitter。 ⊙PLC—Planar Lightwave Circuit—平面波导。 ⊙PDL—Polarisation Dependent Loss—偏振相关损耗。 ⊙TDL—Temperature Dependent Loss—温度相关损耗。 ⊙FBT—FusedBiconic Taper—熔融拉锥。 ⊙DWDM—Dense Wavelength DivisionMultiplexing—密集波分复用器。 ⊙CWDM—Coarse Wavelength DivisionMultiplexing—粗波分复用器。 ⊙PON—Passive Optical Network—无源光网络；AON—Active Optical Network—有源光网络。 ⊙ODF—Optical Distribution Frame—光配线架。 ⊙SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）光端机容量较大，一般是16E1到4032E1。SDH是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络，是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络（SONET）。 ⊙EDFA—Erbium-doped Optical Fiber Amplifer—掺铒光纤放大器。 ⊙无论哪种PON光纤系统都由OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)、ODN（Optical Distribution Node光分配网）、【POS(Passive optical splitter，无源光分路器/耦合器POS)】ONU(Optical Network Unit，光网络单元)三大部分及其网管系统组成。 ⊙OSA OpticalSpectrum Analyzer 光谱分析仪 ⊙ONU (OpticalNetwork Unit) 光节点。ONU分为有源光网络单元和无源光网络单元。 ⊙SFP（Small Form-factor Pluggables）光收发器系列产品规格齐全，包括850nm，1310nm，1550nm三个系列。SFP+光收发器是SFP（有时也称作“mini-GBIC”）的升级。 ⊙XFP（10 Gigabit Small Form FactorPluggable）是一种可热交换的，独立于通信协议的光学收发器，通常尺寸是850nm, 1310nm 或1550nm，用于10G bps的SONET/SDH，光纤通道，gigabit Ethernet，10 gigabit Ethernet和其他应用中，也包括DWDM 链路。XFP包含类似于SFF-8472 的数字诊断模块，但是进行了扩展，提供了健壮的管理工具。 ⊙TOSA（Transmitter Optical Subassembly ）光发射次模块；ROSA（Receiver Optical Subassembly ）光接收次模块；BOSA光收发模块接口组件。 ⊙OADM(Optical Add-Drop Multiplexer )光分插复用器。
第一章基本理论 1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么？答：当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即0＜V＜2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。 2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响？答：在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离；光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。 3、光纤中有哪几种色散？解释其含义。答：（1）模式色散：在 多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。（2）材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。（3）波导 色散：统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。 5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响？答：光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。 6、单模光纤有哪几类？答：单模光纤分为四类：非色散位移单模光
纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。12、光缆由哪几部分组成？答：加强件、缆芯、外护层。 *、光纤优点：巨大带宽（200THz）、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。 *、光纤损耗：光纤对光波产生的衰减作用。 引起光纤损耗的因素：本征损耗、制造损耗、附加损耗。 *、光纤色散：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。 引起光纤色散的因素：光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。 色散种类：模式色散（同波长不同模式）、材料色散（折射率）、波导色散（同模式，相位常数）。 *、单模光纤：指在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤。
毫秒(ms)、微秒 (μs)、纳秒(ns)、皮秒(ps)、飞秒(fs) 1 s = 10^3 ms = 10^6 us = 10^9 ns = 10^1 2 ps 第一章 1、关于光纤通信的历史中、光通信的研究从低谷到重大的突破的转折点是？P2 答：1966年英籍华裔高琨就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因。大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到 20分贝／公里，从而有可能用于通信1970年美国康宁公司研制出损耗20dB/Km的石英光纤，标志着光纤用于通信有了现实的可能性。 2、光纤通信的优点是什么？P5-P7 答：（1）容许频带宽很宽，传输容量很大； （2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小； （3）重量轻、体积小；（4）抗电磁干扰性能好；（5）泄露小，保密性能好； （6）节约金属材料，有利于资源合理使用； 3、基本光纤通信系统的组成是什么？P10-P11 第2章 1、光纤的结构？P14 答：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。纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。 2、相对折射率差Δ的计算P14复习题目2-17 答：纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为 0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。 3、三种光纤的基本类型？P14-P15 需要学会鉴别三种光纤类型 答：（1）突变型多模光纤特点：信号畸变大；（2）渐变型多模光纤特点：信号畸变小；（3）单模光纤特点：因为这种光纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤，其信号畸变很小；
《网络技术》教学大纲 一、教学大纲 1．课程标识 课程编码： 英文名称：All Optical Network 学时：32 适合专业：四年制本科光信息科学与技术专业 2.课程性质和任务 以INTERNET为代表的国际互联网的发展已步入千家万户，“距离”的观念在时间尺度上正迅速地缩短。随着高速数字互联网以及IP为代表的各种传输协议（如 ATM、STM、DWDM等）的提出，信息网络的服务范围已从单纯的邮电通信扩展为多媒体服务，宽带综合业务数字网（B-ISDN）将成为实现信息化社会的基础。要实现这些，必须建立和发展光子网络体系和新型的光无源器件。 光纤通信技术正朝着远距离、高速率及网络化、全光化的方向发展。因此，本课程在了解光纤通信技术基本原理的基础上兼有扩大学生知识面,提高分析和解决问题能力的功用,学完本课程要求学生达到以下要求： 1、进一步了解光纤通信系统的各种新技术，特别是全光网络技术； 2、掌握光通信相关光有源器件、光无源器件的原理及应用； 3、掌握基于提高传输速率及传输距离的波分复用、时分复用、复载波复用等传输技术 及其相关器件； 4、了解实现全光通信网络的光交换、全光波长交换、交叉连接及全光分插复用（OADM） 等技术； 5、同时根据技术的发展更新内容，使光信息专业本科生能够深入了解各种光纤通信的 新技术及其发展的最新动向。 3．课程内容 第一章全光网络概况 1、光纤通信系统的各种新技术； 2、全光网络概念的提出； 3、全光网络结构和关键技术简介； 4、全光网络关键器件； 5、全光网络计划的进程。 第二章密集波分复用（DWDM）光网络 1、密集波分复用（DWDM）工作原理； 2、密集波分复用（DWDM）关键器件： （1）DWDM发射器件； （2）DWDM接收器件。
《光纤技术》复习要点 第一章——绪论P1 1、为什么要发展光通信？ 2、光纤发展的过程（技术如何演化：从低速率到高速率，从小网到大网等）。 3、光纤传感器的有点。 4、光纤通信和光纤传感器的发展方向。 第二章——光纤拉制及成缆p22 1、制棒的流程——气相沉积法（并学会判断哪些是，哪些不是）。 2、制造光纤的工艺流程。 3、为什么用SiO2做光纤的材料。 4、为什么对光纤进行成缆？ 5、典型光缆分哪几种结构？其非别的用途是什么？ 6、光缆设计的原则和内容（损耗、机械特性、温度特性等）。 7、光缆的制造工艺。 8、OTBR在光缆制造中的作用。 第三章——光纤传输理论P51 1、光纤的基本结构和作用。 2、数字孔径的计算及其物理意义。 3、子午光线、斜光线的定义。哪个更易于传输。 4、光线的模式。 5、单模传输的条件以及截止波长的计算。 6、普通单模光纤中双折射引起的因素及其危害。 7、拍长的定义。 8、对偏振态进行简单的分类。 9、如何认识poincare球上的偏振态。 10、什么叫正规波导和非正规波导。举例。 第四章——新型光纤和光纤的基本特性p88 1、学会用dB计算损耗以及如何计算色散造成的脉冲展宽。 2、引起光纤损耗、色散的因素。 3、特种光纤的好处和坏处。 4、光纤里的几种非线性效应，以及引起的原因。
第五章——光无源器件P129 1、掌握器件的工作原理及衡量性能的指标。 2、连接器及其性能差异。 3、光隔离器的工作原理及作用。 4、环形器的工作原理和作用。 5、光纤光栅写真波长的计算及其分类。 6、如何制作光纤光栅。制作方法。 7、光学滤波器种类及工作原理。 8、光开关的种类以及性能的不同。 9、光波分复用器的工作原理及作用。 第六章——光有源器件P180 1、每类有源器件的性能指标及其应用。 第七章——光纤传感技术p223 1、光纤传感器的优缺点及分类。各种传感器性能上有何优缺点。 2、传感器的工作原理，解调复用，应用。 第八章——光纤通信技术p281 1、光通信的有点。 2、举出一个通信系统结构的例子（越详细越好）。 3、光复用的方法并叙述其工作原理。 4、非线性串扰对波分复用的影响。 5、全光通信的优点以及应用，技术。 6、什么叫有源器件。什么叫无源器件。
《光纤通信原理》课程教学大纲 课程编号：0533201 课程名称：《光纤通信原理》 参考学时： 40 实验学时： 10 先修课：物理光学、应用光学、通信原理、电磁场与电磁波 一、说明部分 1．课程性质 本课程是一门通信工程专业的专业课，主要讲授内容是现代光技术与光纤通信的基础知识、 基本原理及新技术的发展，包括光纤与光缆，常用器件和仪器，光发射机和光接收机，在此基础上介绍光纤通信系统的设计、性能、施工、维护等的有关知识，最后介绍光纤通信领域中的一些高新技术。本课程的讲授重在系统、重在实用、重在新技术，并配有一定的实验以提高实 践动手能力。 2．教学目标及意义 通过本课程的学习，使学生系统地掌握光技术与光纤通信的基本原理和基本知识；了解光纤通信的基本技术和最新发展；争取尽快成为光纤通信领域的专门人才，为毕业后从事本专业 和相关专业的科学研究、教学和其它工作打下良好的基础。 3．教学内容及教学要求 主要内容有：光通信系统的设计、性能、施工、维护等的有关知识；光技术和光纤通信系统中的常用器件、常用仪器和设备的原理，使用方法。 教学基本要求： 1.了解光纤、光缆的的构造与分类，各种光无源器件的基本工作原理 2.了解光端机的工作原理、基本性能 3.了解各种光纤通信网 4.掌握各种复用方式，特别是WDM的原理 5.掌握发光二极管、激光器的工作原理及主要特性，光电检测器的工作原理 及主要特性 6.掌握光放大器的分类、功能及主要应用 4．教学重点、难点 本课程的重点： 1．光纤通信的传光原理； 2．光纤的传输特性； 3．激光器、光电检测器、掺铒光纤放大器、无源器件 4．光端机的工作原理；