浅谈光纤通信有源器件与无源器件

光无源器件介绍范文光无源器件是指无需外界能源输入即可以产生、控制、处理或传输光信号的器件。

它们在光通信、光传感、光储存、激光装置等领域具有重要应用价值。

本文将详细介绍几种常见的光无源器件，包括光纤、光栅、偏振器件、光耦合器件和光探测器等。

首先，光纤是一种常见的光无源传输介质。

它具有优异的光学特性，可以实现长距离、高速、低损耗的光信号传输。

光纤通信系统中的核心部件就是光纤。

光纤根据其结构可以分为多模光纤和单模光纤。

多模光纤通常用于短距离通信，而单模光纤适用于长距离通信。

光纤的制作工艺和材料技术的不断进步使得光纤通信系统性能不断提升。

其次，光栅是另一种常见的光无源器件。

光栅是在光介质中周期性变化的折射率结构，可以对入射光进行衍射和反射。

光栅可以用于光谱分析、光信号处理和光波波长选择等应用。

根据光栅的结构可以分为吸收光栅和反射光栅。

吸收光栅通过调整折射率分布来实现频率选择，反射光栅则通过反射光波形成波束宽度调制。

光栅可以实现光信号的分光、滤波和耦合等功能。

再次，偏振器件是用于控制和调整光波偏振状态的器件。

偏振器件根据其工作原理可以分为吸收式偏振器、分束偏振器和光学偏振调制器。

吸收式偏振器通过吸收非期望偏振分量来实现偏振分离。

分束偏振器通过折射率分布的改变实现光波的分离。

光学偏振调制器则通过改变材料的光学特性或施加电场来调制光的偏振状态。

其次，光耦合器件用于实现不同光波的耦合和分离。

光耦合器按照其结构和工作原理可分为分离型光耦合器和集成型光耦合器。

分离型光耦合器通过光波的反射和折射实现光波的耦合。

集成型光耦合器则通过光导波结构的耦合来实现不同波长光波的耦合和分离。

光耦合器为光通信和光传感等系统提供了重要的互连和耦合功能。

最后，光探测器是一种用于接收光信号并转换为电信号的器件。

根据工作原理，光探测器可分为光电二极管、光电导探测器和光电子倍增器等。

光电二极管是最常见的光探测器，它利用内建电场将吸收的光电子转化为电流。

个来回，则偏振方向将一共旋 转90度，这是其实现光隔离功 能的本质特征；位相延迟波片 当光从一个方向通过它时，将 使偏振方向旋转45度；而光从 另一个方向通过它时，将使偏 振方向旋转-45度。这意味着 光束通过波片往返一次，其初 始的偏振状态将不被改变。有 了上述对三个关键器件功能的 分析，参考光隔离器的工作机 理，则易于理解图6.31所示的 三端口光环形器的工作原理。
光纤光栅
光纤光栅的功能与机理
光纤光栅是一类重要的无源光器件，也是一类重要的特种光 纤，它能有选择地反射和透射某此波长的光。 1.基本概念 光纤光栅的结构特征是，一段光纤其纤芯玻璃的折射率沿光纤 长度方向呈周期性的变化(如先增大，后减小，再次增大)。纤芯折 射率的周期性变化将导致通过光纤的光发生散射，这种效应与分布 在反射性表面上一排高度平行的条纹或槽构成的衍射光栅所产生的 不同波长光谱展开的现象类似。光纤光栅中“条纹”处的折射率高 于纤芯中其他部分的折射率，这种折射率变化的分布结构，将使通 过其中的光发生布拉格散射效应，最终使光纤光栅能选择性地反射 某些选定的波长，而使其他波长的光波透射。为此，光纤光栅又称 为反射型或短周期光栅，亦称为“光纤布拉格光栅”(Fiber Bragg Grating，BFG)。1990年光纤布拉格光栅开始出现。
图6.31 光环形器原理结构示意图
6.3.3 光衰减器
为防止强光可能使接收机过载(例如发射机距接收机很时， 接收机接收的光信号可能很强)，光路中需要使用光衰减器。 光衰减器是光滤波器的一种，但它又区别于其他类型的光 滤波器。在光纤系统中，光滤波器是指光透过率随波长而显著 变化的光器件。例如，一个滤波器可以对1530~1565nm掺铒放 大器工作波段的光透过，而对980nm泵浦波段的光却衰减50dB； 但光衰减器的功能却是在整个光谱范围内均匀地减小光强，去 掉多余的光能量。衰减器若对某一波长光衰减了3dB，则对其 他所有波长的衰减也都应为3dB。具体衰减方法通常是通过衰 减器吸收掉多余的光能量，由于光信号的这些能量相对于衰减 器来说很弱，因而不会引起衰减器显著的发热现象。由于衰减 器对光信号能量的吸收，因而减小了由于反射、散射等返回光 对激光发射机可能产生的噪声影响。

（1）通断消光比。通断消光比是指光开关处于通状态时输出的光功率和处于断状态下的光功率之比。通断消光比越大，光开关性能越好，这对外调制器尤为重要。机械开关的通断消光比大约为40~50db。
（2）插入损耗。插入损耗是指由于光开关的使用而导致的光路上的能量损耗，常用dB表示。插损越小越好。当开关处于不同的输入/输出状态时，插入损耗有可能不一致，即插入损耗的一致性差，这对于实际的应用是不希望的。
相比于传统的通信传输方式，光纤通信有着许许多多的优势：通信容量大，传输距离长，抗电磁干扰、抗噪声干扰、适应环境、重量轻，安全易敷设，保密性好，寿命长。但是光纤通信也仍然存在着很多不足：在实际使用中需要昂贵的接口期间将光纤接到标准电子设备上。同时光纤相比于同轴电缆抗拉强度要低得多。光纤的焊接和维修都需要专业的设备工具和人员，因而维护投入大。[1]
光耦合器的特性可以用以下几个参数来描述。
（1）附加损耗
其中Pj是在端口j的输出功率，Pi是端口i的输入功率。
（2）插入损耗
插入损耗是指输入端口i和输出端口j之间产生的损耗，为输出与输入端口功率之比。
（3）耦合比
耦合比形式上定义为某一端口输出的功率与所有端口输出功率之比。
光开关
光开关是光交换的关键器件，它在光网络中有许多应用场合。光开关的开关速度或称开关时间是个重要性能指标。不同的应用场合对开关时间的要求是不一样的，如果光通道的设置开关时间为1~10ms，保护倒换的开关时间为1~100μs，分组交换的开关时间为1ns，外调制器开关时间为10ps级。除了开关时间外，还有下面一些参数用来衡量光开关的性能。
光纤的无源器件都不需要接通电源，它们的工作原理一般都是源于它们的特殊几何结构。当光信号通过这些特殊的结构时，就会发生一些改变，当我们控制这些器件的几何结构时，我们也就能够利用这些器件认为的控制光信号。相比于有源器件，无源器件的工作完全依赖于自身的几何结构，因而十分稳定，器件的几何结构不易发生改变，不会受到电流噪声的干扰。在光纤通信的过程中，光无源器件发挥着重要的作用。

光无源器件的原理及应用概述光无源器件是指在光通信系统中不需要能量供给而能够实现光信号的传输和处理的器件。

这些器件主要包括光纤、光耦合器、光分路器和光合器等。

本文将介绍光无源器件的原理和应用。

光纤光纤是光通信系统的核心组成部分。

它通过将光信号以光的全内反射方式在高纯度的玻璃/塑料纤维中传输。

光纤有着很低的损耗和高的带宽能力，也是目前最主要的传输媒介之一。

光纤的原理光纤的工作原理基于光的光束泄漏现象，即当光束从一种介质射入另一种折射率较低的介质中时，光束会不断发生反射并沿着光纤内部进行传输。

光纤的核心由折射率较高的材料组成，以便在传输过程中最小化信号的损耗。

光纤的应用光纤广泛应用于长距离通信和局域网等领域。

其高带宽和低损耗的特点使得它成为传输大量数据的理想选择。

此外，光纤还应用于医疗设备、光纤传感器和光纤显示等领域。

光耦合器光耦合器是一种用于将光信号从一个光纤耦合到另一个光纤的器件。

它广泛应用于光通信系统中，可以实现信号的分配、处理和路由等功能。

光耦合器的原理光耦合器的原理基于波导模式之间的耦合。

当光信号从一个波导模式传输到另一个波导模式时，通过适当设计导波结构，可以实现高效的能量转移。

光耦合器的设计可以根据具体的应用需求进行调整，以实现不同的功能。

光耦合器的应用光耦合器广泛应用于光网络中的信号分配和路由。

在光通信系统中，光耦合器可以用于将信号从主干光纤耦合到分支光纤或从分支光纤耦合到接收器等。

此外，光耦合器还可以应用于光传感器和光存储等领域。

光分路器光分路器是一种可以将入射光信号分为两个或多个输出通道的器件。

它常用于光网络中的信号分配和选择。

光分路器的原理光分路器的原理基于多模干涉。

当光信号通过光分路器时，不同波长的光信号会按照特定的光学路径进行干涉，从而实现光的分路。

根据光分路器的设计，可以实现不同的分路比例和带宽。

光分路器的应用光分路器广泛应用于光通信系统中的信号分配和选择。

光分路器可以将光信号分为不同的通道，实现多路复用和分布式传输。

光隔离器的应用场景
光隔离器是一种用于防止光信 号反方向传输的无源器件，主 要用于光纤放大器和激光雷达 等光通信系统。
在光纤放大器中，光隔离器可 以防止反向传输的光信号对放 大器的工作产生干扰，提高系 统的稳定性。
在激光雷达中，光隔离器可以 防止反向传输的光信号对激光 源的工作产生干扰，提高系统 的测量精度。
光通信第04章常用光无源器
contents
目录
• 光无源器件概述 • 常用光无源器件 • 光无源器件的工作原理 • 光无源器件的应用场景 • 光无源器件的挑战与解决方案
01 光无源器件概述
定义与分类
定义
光无源器件是指那些在光通信网络中 ，不需要外部电源直接驱动，只起到 传输、控制或变换光信号作用的器件 。
光衰减器的工作原理
光衰减器是一种用于降低光信号 强度的器件，它可以通过吸收或 散射等方式将光信号能量损耗掉
一部分。
光衰减器通常由光学玻璃、陶瓷 等材料制成，其结构可分为均匀
损耗和渐变损耗两种类型。
光衰减器在光通信系统中主要用 于调整光信号的功率、测试光路 的损耗以及保护光接收器件等。
光分路器的工作原理
光环形器的应用场景
光环形器是一种用于实现光信 号环形传输的无源器件，主要 用于光纤传感和激光雷达等光
通信系统。
在光纤传感中，光环形器可 以将多个传感光纤环形连接 在一起，实现多点同时测量
和数据采集。
在激光雷达中，光环形器可以 将多路激光信号环形连接在一 起，实现多目标同时测量的功
能。
05 光无源器件的挑战与解决 方案
应用
WDM系统等领域。
03 光无源器件的工作原理
光纤连接器的工作原理
光纤连接器是用于连接两根光纤的器件，通过精确对准光纤的纤芯和包层，实现光 信号的传输。

有源器件和无源器件怎样区别？
在新手刚开始了解电子相关的知识时，经常会看到有源器件和无源器件两个概念，如果没有与之相关的基础，可能不知道两者到底是什么意思，今天小编就来详细为大家讲解一下两者具体的意思。

无源器件与有源器件的区别
1、什么是有源器件？
有源器件，需电源来实现其特定功能的电子元件。

主要包括电子管、晶体管、集成电路等。

一般用于信号的放大、转换等。

2、什么是无源器件？
无源器件主要包括电阻，电容，电感，转换器，渐变器，匹配网络，谐振器，滤波器，混频器和开关等。

在不需要外加电源的条件下，就可以显示其特性的电子元件。

有源器件和无源器件怎样区别?
看完上面的解释，估计很多新手还是一头雾水，到底两者有什么区别呢？其实说的再直白一些，需要电源才能显示其特性的就是有源元件，如三极管。

而不用电源就能显示其特性的就叫无源元件。

如果还是分不清，下面就是常用的无源器件和有源器件：
常用的无源器件：电阻器、电阻排、电容器、电感、变压器、继
电器、按键、蜂鸣器、喇叭、开关、连接器、插座、连接电缆、印刷电路板。

常用的有源器件：IC、模块等都是有源器件。

三极管、场效应晶体管、晶闸管、模拟集成电路、数字集成电路器件。

光器件
光器件是光通信系统中的关键，功能包括发送接收，波分复用，增益放大，开关交换，系统管理等，分为有源器件和无源器件。

1.光有源器件
光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，需要外加能源驱动工作，是光传输系统的心脏。

包括：半导体光源（LD,LED,DFB,QW,S QW,VCSEL）；半导体光探测器（PD,PIN,APD）；光纤激光器（OFL：单波长、多波长）；光放大器（SOA、EDFA）；光调制器（EA）等。

光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。

光纤通信中常用的光源器件主要有，半导体激光器（LD）和半导体发光二级管（LED）。

半导体光电检测器：是将光信号转换成电信号的器件，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。

光放大器：近年来，光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），此外，还有很有应用前景的拉曼光放大器。

2.光无源器件
无源器件是光通信系统中需要消耗一定的能量、具有一定功能而没有光—电或电—光转换的器件，不需要外加能源驱动工作。

包括光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光开关、光滤波器、光衰减器、光隔离器与环形器等，是光传输系统的关节。

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有源器件、无源器件、分立器件、集成电路的异同有源器件、无源器件、分立器件和集成电路是电子器件的四种基本类型，它们在电子领域中具有不同的作用和特点。

在本文中，将对这四种器件的异同进行全面评估，帮助读者更深入地理解它们的内涵和应用。

1. 有源器件有源器件是指需要外部能量源供给的电子器件，例如晶体管和集成电路中的放大器。

有源器件能够在不同的电路中扮演调节信号的角色，从而实现信号放大、调制、解调、幅度限制等功能。

有源器件是电子电路中不可或缺的组成部分，它们对信号的处理起着至关重要的作用。

2. 无源器件相比有源器件，无源器件指的是不需要外部能量源供给的器件，例如二极管和电阻。

无源器件在电路中主要用于对信号的传输和调节，如电流限制和电压降低等。

无源器件通常被用于控制电流和电压，以实现对电路的调节和保护作用。

3. 分立器件分立器件是指将功能完整并能独立使用的器件，如二极管、三极管和场效应管等。

分立器件可以在电路中直接使用，而不需要其他器件的帮助。

分立器件在电子电路设计中具有重要作用，它们可以根据需要独立选择，从而更灵活地实现电路功能。

4. 集成电路集成电路是将多个器件集成在一个芯片中，如微处理器和存储器件。

集成电路可以实现复杂的功能，如计算、存储、控制等，同时占用空间小、功耗低。

集成电路在现代电子设备中得到了广泛应用，它们推动了电子技术的发展，并为人们的生活带来了便利。

个人观点和理解：在电子器件中，有源器件和无源器件分别扮演着信号处理和能量传输的角色，它们互为补充，共同构成了电路的基本部分。

分立器件和集成电路则代表了电子器件的两种不同形态，它们在电子领域中发挥着不同的作用。

我认为，掌握这四种器件的特点和应用是理解电子电路设计的重要基础，也是提升电子技术应用能力的关键。

有源器件、无源器件、分立器件和集成电路各有特点，它们在电子领域中的作用和应用是不可替代的。

希望通过本文的讨论，读者能对这四种器件有更深入的理解，从而更好地应用于实际工程中。

光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
类型：无源、有源
无源器件主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光 波分复用/解复用器、隔离器、环行器、滤波器、光调制器、 光开光等。
有源器件主要包括：激光器、光探测器、光放大器等。
3
光纤无源器件技术
4
无源器件功能
光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能 量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通 信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。
光纤无源及有源器件 技术及应用
1
主要内容：
光纤无源器件技术
光纤光栅、滤波器、调制器等
光纤放大器技术
掺铒光纤放大器、拉曼放大器等
光纤激光器技术
多波长光纤激光器、锁模光纤激光器、单频 光纤激光器等
2
光器件
用途:
实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路 转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号 调制等功能，是构成光纤通信系统的必备元件。
光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中 的关键部件。
25
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
P P1
P2
0
1 2
26
1 2 3
1+ 2+ 3
光纤
透镜
光栅
衍射光栅型波分复用器结构示意图
27
光纤
1 2 3
1+ 2+ 3
棒透镜 光栅
采用棒透镜的光栅型WDM
28
光波导
开角
(a)
波导型波分解复用器
1.3 mm
19
光纤耦合器的技术参数
(6) 工作波长范围

光器件：分为有源器件和无源器件，简单地讲就是需能（电）源的器件叫有源器件Active Device，无需能（电）源的器件就是无源器件Passive Device。

有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。

容、阻、感都是无源器件，IC、模块等都是有源器件。

（通俗的说就是需要电源才能显示其特性的就是有源元件，如三极管。

而不用电源就能显示其特性的就叫无源元件）无源器件的定义如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做无源器件。

从电路性质上看，无源器件有两个基本特点：（1）自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。

（2）只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。

有源器件的定义如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。

从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：（1）自身也消耗电能。

（2）除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。

光有源器件是光通信系统中需要外加能源驱动工作的可以将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的光电子器件，是光传输系统的心脏。

光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），正在研究并很有应用前景的是拉曼光放大器。

无源器件：电路器件：蜂鸣器（Buzzer）、电容（Capacitor）、理想二极管（Diode）、电阻器（Resistor）、电感（Inductor）、按键（Key）、无源滤波器（Passive Filter）、排阻（Resistor Arrays）、继电器（Relay）、变压器（Transformer）、扬声器（Speaker）、开关（Switch）等。

连接器件：连接器（Connector）、电线电缆（Wire）、光纤（Optical Fiber）、印刷电路板（PCB）、插座（Socket）等。

有源器件：分立器件：LED二极管（LED）、三极管（Transistor）、场效应管（Field Effective Transistor，FET）、可控硅（SCR）等。

（1）T型耦合器
这是一种2×2的3端耦合器，如图5.8（a） 所示，它的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。这种耦合 器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组 合器。
（2）星型耦合器
这是一种n×m耦合器，如图5.8（b）所示， 它的功能是把n根光纤输入的光功率组合在一 起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相 等。这种耦合器常用作多端功率分配器。
1. 光纤型耦合器
光纤型耦合器是把两根或多根光纤排列，
用熔融拉锥法制作出来的器件。熔融拉锥法就 是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，实现传输光功率耦合的一种方法，这 种方法的系统框图如图5.9所示。
图5.9 熔融拉锥系统示意图
图5.1示出套筒结构的光 纤连接器简图，包括用于对 中的套筒、带有微孔的插针 和端面的形状（图中画出平 面的端面）。光纤固定在插 针的微孔内，两支带光纤的 插针用套筒对中实现连接。 以下文中提到的光纤连接器 都指的是光纤活动连接器。
图5.1 套筒结构光纤连接器简图
对光纤连接器的基本要求是使发射光纤输出的光 能量最大限度地耦合进接收光纤。光纤连接器是光纤 通信中应用最广泛、最基本的光无源器件。光纤连接 器的“尾纤”（即一端有活动的连接器光纤）用于和 光源或检测器耦合，以构成发射机或接收机的输出/输 入接口，或构成光缆线路及各种光无源器件两端的接 口。光纤连接器跳线（即两端都有光纤活动连接器的 一小段光纤）用于终端设备与光缆线路及各种光无源 器件之间的互连，以构成光纤传输系统。
重复性是指光纤（缆）活动连接器多次插拔后插 入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件 互换时插入损耗的变化，也用dB表示。 这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺 的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。影响 插入损耗的各项因素，也同时影响着连接器的重复性 和互换性，因而这些因素的改善也会有效地提高重复 性和互换性的性能指标。

谐振型和传输型半导体光放大器的光谱特性
半导体光放大器的串音特性
光放大器增益的偏振特性
光放大器增益的偏振特性的消除
2。掺铒光纤光放大器的结构
Signal in λ = 1550 nm
Optical isolator
Er 3+ -doped fiber (10 - 20 m)
Wavelength-selective
couplerຫໍສະໝຸດ SpliceSplice
Optical isolator
Signal out λ = 1550 nm
Pump laser diode λ = 980 nm
Termination
掺铒光纤光放大器的特性
掺铒光纤光放大器的原理
Energy of the Er in the glass fiber
3 + ion
1.54 eV 1.27 eV
E 3
E3
Non-radiative decay
980 nm
Pump
0.80 eV 1550 nm
In
0
E2
1550 nm
Out E1
掺铒光纤光放大器增益谱特性
掺铒光纤结构
两种实际掺铒光纤光放大器结构
光通信系统中的重要 有源光器件和无源光器件
有源器件： 光放大器等
无源器件： 耦合器，波分复用器，滤波器， 隔离器，环行器等
光有源器件：光放大器
光通信系统中的几种光放大器
1。半导体光放大器
谐振型和传输型半导体光放大器
谐振型半导体光放大器
传输型半导体光放大器I
传输型半导体光放大器II
光放大器的增益饱和特性

P peak
λ (nm)
相邻两个纵模的间隔λN –Fra bibliotekN+1 ≈ λ2/2 n L
当谐振器的L=0.4mm, n=1，工作在λ= 1300 nm 附近时，计算出λN –λN+1≈ 2.1 nm ，假设 增益曲线的线宽等于7nm，则这种活性介质可支持3个纵模。
c)增益损耗曲线和可能的纵模
d)实际的多模辐射
有源光器件和无源光器件
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件 –半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PD,PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
N2
N1
为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带，为此，需要泵浦为跃迁提 供能量。 此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时间，形成粒子数反转。
例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
N E2E1
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
光调制器件
• 幅度调制
– 机械调制 – 电光调制 – 直接调制 – 电吸收光调制(EA)
• 相位调制 • 偏振调制 • 光电集成芯片(OEIC) • 光子集成芯片(PIC)
光色散补偿器件
• 色散控制
– 色散位移单模光纤 – 非零色散位移单模光纤 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
Ep =hν（ ）
h是普朗克常数(h=6.626 ×10-34 J • S)，而ν是光子的频率。