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光器件和芯片的结构介绍光器件和芯片是光通信、光电子和光学等领域中重要的元器件，具有将光信号转换和处理的功能。
光器件是指用于控制、调制、放大、分束、耦合和检测光信号的器件，如光纤、光电二极管、激光器等；而芯片是指在半导体材料上制造的微小元件，通过对光电子学原理的应用，实现对光信号的处理和控制。
本文将介绍光器件和芯片的结构、功能和应用。
一、光器件的结构与功能1.光电二极管光电二极管是一种半导体器件，主要由p-n结构组成。
当接受到光信号时，光子激发了半导体材料中的载流子，产生电流，从而实现光信号到电信号的转换。
光电二极管广泛应用于光通信、光电检测和传感等领域。
2.光纤光纤是一种细长且透明的光导波导管，由芯部和包层构成。
光信号通过光纤中的总反射传输，可以减少信号衰减和互相干扰，实现高速、远距离的数据传输。
光纤在通信、网络和传感等领域中具有重要应用价值。
3.激光器激光器是一种将电能转换为光能的器件，主要由激活件、反射腔和光输出系统等组成。
激光器通过激发激活件中的电子跃迁，产生一种具有相干性和高亮度的激光光源。
激光器在通信、医疗、材料加工等领域有着广泛的应用。
4.光调制器光调制器是一种用于调制光信号的器件，主要分为强度调制器和相位调制器两种。
强度调制器通过调节光信号的强度来实现信号的调制，而相位调制器则通过调节光信号的相位来实现信号的调制。
光调制器广泛应用于光通信、激光雷达和光谱分析等领域。
5.光检测器光检测器是一种用于检测光信号的器件，主要包括光电二极管、光电倍增管、光电子管等。
光检测器可以将光信号转换为电信号，并进行放大和处理，用于光通信、光谱分析和光学成像等领域。
二、光芯片的结构与功能1.光波导光波导是一种用于光信号传输和耦合的微型结构，主要由光导芯部和包层构成。
光波导可以实现将光信号引导在芯部中传输，并通过布拉格光栅、光环等结构实现信号的调制和耦合。
光波导在光通信、传感和信息处理等领域中有着重要的应用。
光器件基础知识培训考试试题答题人姓名：工号：一、填空题：（35分，每空1分）1．光纤通信是利用作为信息载波信号并通过来传递信息的通信系统。
2．世界上第一台激光器是在年研制成功的；世界上第一条跨大西洋光缆投入运营的时间是年。
3．光纤通信的主要优点有：、、、、、、、。
4．原子中的电子在正常状态下（处于热平衡条件下），并不能都处于最低能级上。
因为泡利不相容原理指出，每一能级上至多只能有个电子，而且它们的自旋方向还必须。
5．本征半导体是指。
6．发生光吸收过程的必要条件是：入射光子的能量必须。
7．产生激光的基本条件是：、、、。
8．实现粒子数反转的条件有：、、。
9．LD的中心波长在管芯工作温度升高时，会向方向移动。
10．光电探测器的核心是：。
11．激光器件在操作过程中，其器件管角的焊接时间一般不得超过秒钟，焊接温度应严格控制在以内。
12．光电组件尾纤的最大牵引力为，最小弯曲半径为。
13．我们所佩带的防静电腕带的电阻是。
14．光电组件的最佳贮存温度范围是，相对湿度为。
15．浪涌的种类主要有：、、。
二、判断题：（5分，每题1分）1．PN结反向击穿会马上造成PN结的永久性损坏。
（）2．激光二极管在操作使用时可以施加反向电压。
（）3．经过受激辐射，辐射光与入射光同相位、同频率、同方向、同偏振态，相互叠加而使强度变强，即入射光得到了放大。
（）4．光电通信用激光二极管所发射出的光，因为是不可见光，所以可以直接用肉眼接触。
（）5．PIN光电二极管有一定的波长响应范围，入射光波必须小于其截至波长，而且不能远远小于其截止波长。
（）三、简答题：（30分，每题10分）1．为什么说电子在原子中的运动轨道是量子化的？2．简述自发辐射的特点。
3．简述LED和LD之间的主要差别。
四、填图题：（10分）试填出下面点到点的光纤通信传输系统框图的关键元件名称：))五、计算题：（20分，每题10分）1．试用作图法估算出下图所示激光二极管的阈值电流：I(mA)P(mW)2．在对某一激光器组件进行高低温测试时，得到这样一组数据：25℃时的输出功率为1mW；85℃时的输出功率为0.75mW；－20℃时的输出功率为1.2mW。
光器件基础知识目录一、光纤通信基础1、光纤通信的概念所谓光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
一般由数据源、光发射端、光纤、光接收端组成。
2、光纤通信的优点1）通信容量大，比传统的电缆、微波等高出几千乃至几十万倍的通信容量。
2）传输距离远，光纤具有极低的衰耗系数，传输距离可达一千公里以上。
3）保密性能好，光信号不具备向外辐射的特点，不易被侦听。
4）适应能力强，具有不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等优点。
5）体积小、重量轻。
原材料丰富、价格低廉。
二、光纤基础知识1、光纤的结构如上图所示，光纤呈圆柱形，主要由纤芯和包层和保护套三部分组成。
1、纤芯：位于光纤的中心部位，成分为高纯度的二氧化硅，掺有极少量杂质，折射率较高，用来传送光。
2、包层：位于纤芯的周围，其成分也是含有极少量掺杂质的高纯度二氧化硅，折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件。
3、涂覆层：光纤的最外层，由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，强度大，能承受较大冲击，起到保护光纤的作用。
2、光纤的工作波长光纤的工作波长主要分为短波长光纤和长波长光纤。
1、短波长光纤短波长光纤的工作波长在800900范围内，具体工作在850波长，主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中。
2、长波长光纤长波长光纤的工作波长在1100 -1800范围内，具体工作在1310和1550两个波长，主要用于长距离、大容量的光通信系统中。
3、光纤的分类3.1按照光纤的模式分类1、单模光纤单模光纤的纤芯很细（10左右），只能传一种模式的光，其模间色散很小，工作在1310和1550波长，适用于远程通讯。
2、多模光纤多模光纤的芯较粗（50或62.5），工作在850或1310波长，可传多种模式的光，其模间色散较大，适用于短距离通讯。
3.2按照光纤的材料分类1、玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；2、胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；3、塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。
光器件基础知识This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020光器件基础知识目录一、光纤通信基础1、光纤通信的概念所谓光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
一般由数据源、光发射端、光纤、光接收端组成。
2、光纤通信的优点1）通信容量大，比传统的电缆、微波等高出几千乃至几十万倍的通信容量。
2）传输距离远，光纤具有极低的衰耗系数，传输距离可达一千公里以上。
3）保密性能好，光信号不具备向外辐射的特点，不易被侦听。
4）适应能力强，具有不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等优点。
5）体积小、重量轻。
原材料丰富、价格低廉。
二、光纤基础知识1、光纤的结构如上图所示，光纤呈圆柱形，主要由纤芯和包层和保护套三部分组成。
1、纤芯：位于光纤的中心部位，成分为高纯度的二氧化硅，掺有极少量杂质，折射率较高，用来传送光。
2、包层：位于纤芯的周围，其成分也是含有极少量掺杂质的高纯度二氧化硅，折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件。
3、涂覆层：光纤的最外层，由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，强度大，能承受较大冲击，起到保护光纤的作用。
2、光纤的工作波长光纤的工作波长主要分为短波长光纤和长波长光纤。
1、短波长光纤短波长光纤的工作波长在800nm-900nm范围内，具体工作在850nm波长，主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中。
2、长波长光纤长波长光纤的工作波长在1100nm -1800nm范围内，具体工作在1310nm和1550nm两个波长，主要用于长距离、大容量的光通信系统中。
3、光纤的分类按照光纤的模式分类1、单模光纤单模光纤的纤芯很细（10um左右），只能传一种模式的光，其模间色散很小，工作在1310nm和1550nm波长，适用于远程通讯。
2、多模光纤多模光纤的芯较粗（50um或），工作在850nm或1310nm波长，可传多种模式的光，其模间色散较大，适用于短距离通讯。
1、玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；2、胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；3、塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。
多用于家电、音响以及短距离的图像传输。
按照光纤的折射率分类1、阶跃型光纤如果纤芯的折射率是均匀不变的常数n1，包层折射率也是均匀不变的常数n2，且在纤芯和包层的界面折射率发生突变，即使由n1突变为n2，则这种光纤称为阶跃型光纤。
2、渐变型光纤如果纤芯折射率不是常数，而是随着半径的加大而逐渐减小，到了纤芯和包层界面降至包层的折射率n2，则这种光纤称为渐变型光纤。
4、光纤的尺寸光纤的外径一般为125um，光纤内径尺寸则根据不同光纤类型而不一样：单模光纤为8-10um，多模光纤为50/。
此外，多模光纤又分为OM1、OM2和OM3三种，其中OM1指的多模光纤，OM2指50um的多模光纤，OM3是目前新增的万兆光纤。
光纤接头熔接在光纤线缆两端，用于将光纤与光模块、ODF架等光器件相连。
常见的光纤接头有LC、ST、SC和FC。
LC型连接器：连接SFP模块的连接器，它采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成。
ST型连接器：外壳呈圆形，紧固方式为螺丝扣，常用于光纤配线架。
SC型连接器：连接GBIC光模块的连接器，它的外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不须旋转。
FC型连接器：外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣，一般在ODF上采用较多。
2、常见的光纤接头图示3、在表示光纤接头的标注中，我们常见到“FC/PC”、“SC/PC”等，其具体的含义如下：斜杠的前面部分的LC/SC/FC/ST表示光纤的连接器型号。
斜杠的后面部分的PC/UPC/APC表示光纤接头截面的工艺，即研磨方式。
6、光功率的换算光功率常用毫瓦（mw）和分贝毫瓦（dBm）表示，其中毫瓦和分贝毫瓦两者的关系为：1mw=0dBm。
以1mw为基准的dBm的算法是：dBm=10*lg(mw)例如：功率为1W，1W=1000mw，换算成dBm为：10×lg1000＝30dBm7、光纤损耗光纤损耗是指光波在光纤中传输时随着传输距离的增长光功率逐渐减小的现象。
产生光纤损耗的原因包括吸收损耗、散射损耗、弯曲和微弯曲损耗。
光纤损耗还与工作波长密切相关，下表是列出常见工作波长与光纤损耗之间接的关系：此外，光纤熔接点也会对光信号造成损耗，通常每个熔接点的损耗为。
三、常用光器件介绍法兰盘法兰盘俗称活接头，用于连接两根跳纤或光缆形成连续光通路的无源器件。
在工程中如果我们需要将两条跳纤连接起来时即可以使用法兰盘，相连两根跳纤的光纤接头可以是同类型的（如两端都是LC接头），也可以是不同类型的（如一是LC，另一端是SC）。
常见的法兰盘如下图所示：光衰减器光衰减器一种可增加光纤链路上光功率衰减量的无源器件，主要作用避免光接收器件因接收超强光功率而导致光接收机产生失真和损坏。
光衰减器的型号分为阴阳式和法兰盘式，阴阳式衰减器通常串接在光模块和跳纤接头间，法兰盘式衰减器通常串接在两根跳纤的接头间。
日常工作中常用到的是LC/PC阴阳式衰减器。
光衰减器的衰减值可根据实际需要灵活定制（如3dB、5dB、10dB等）。
常见的阴阳式衰减器：常见的法兰盘式衰减器：光模块光模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，主要是实现电信号转换成光信号和光信号转换成电信号的产品。
2、光模块的主要参数输出光功率输出光功率指光模块发送端光源的输出光功率（发射光功率），单位：dBm。
接收灵敏度接收灵敏度指的是在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率，单位：dBm。
一般情况下，速率越高接收灵敏度越高（即最小接收光功率越小），对于光模块接收端器件的要求也越高。
常见的光模块的传输速率、传输距离与输出光功率和灵敏度的关系如下：饱和光功率值指光模块接收端器件最大可以探测到的光功率。
当光接收器接收到大于饱和光功率的光信号时会出现光电流饱和现象。
在此情况下光接收器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端器件，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
3、光模块的种类1、按封装形式分类光模块按封装形式可分为SFP、SFP+、XFP、QSFP+、CFP、CSFP、GBIC、Xenpak、X2、1X9、SFF、200/3000pin、XPAK等，目前工作中经常使用到的光模块封装形式有SFP+、SFP和QSFP+三种。
部分光模块封装形式如下：2、按工作波长分类目前常用的光模块的中心波长（指光信号传输所使用的主要光波段）主要有五种：850nm 波段、1310nm波段、1550nm波段，CWDM波段以及DWDM波段。
工程中会使用到的是前面三种波段的光模块。
3、按接口形式分光模块按接口形式可分为LC、SC、RJ-45等多种类型。
4、按传输速率分按不同的应用场景和速率要求，光模块可分为以下多种：以太网应用：100Base、1000Base、10GBase、40GBase、100GBaseSDH应用（POS）：155Mbps、622Mbps、、10G、40G、100GFC应用：、、、、、16G、40G、56G、120G5、按传输距离分类多模短距：如万兆850nm 300M，千兆850nm 550M光模块单模短距：如千兆1310nm 2KM， POS 1310nm 2KM光模块单模中距：如万兆1310nm 10KM/15KM光模块单模长距：如万兆1550nm 40KMKM光模块单模超长距：如万兆1550nm 80KM光模块6、按收发能力分类光模块按收发能力可分为双纤双向、单纤双向、双单纤双向、单发、单收光模块。
双纤双向市面上绝大部分光模块属于此类型，这类光模块使用2芯光纤实现链路信号的发送和接收，同时模块上有2个光纤接口，一个负责发送一个负责接收。
单纤双向利用波分复用原理，实现2个不同波长光信号在一根光纤上传输，光模块上只有一个光纤接口，以下是单纤双向光模块的工作原理图。
双单纤双向是目前新的技术，一个模块2个光纤接口，实现4个通道的信号传输，典型如CSFP光模块。
单发或单收这两种类型的光模块是双纤双向光模块的变体。
单发光模块是把双纤双向光模块的收光部分器件去掉，仅保留发光部分器件。
而单收光模块则是把双纤双向光模块的发光部分器件去掉，仅保留收光部分器件。
这两种模块的外形与双纤双向光s模块一样。
工程中单收光模块可以用在分流器上与分光器配合形成并接监控方案。
常见光模块外观图四、光器件的工程应用1、单收光模块的使用单收光模块通常用于接收经分光器分光后输出的光信号。
通常我们在选择光模块时总是以光链路的光信号工作波长为依据进行选择，例如1310nm波长的光链路选择1310nm的光模块接收，1550nm波长的光链路选择1550nm的模块接收。
但在实际工程中如果工作在1310nm波长的光链路经分光后输出时光功率小于-14dBm，但高于-21dBm则可以使用1550nm -24dBm高灵敏度模块接收。
反之，工作在1550nm波长的光链路分光后输出的光功率高于-14dBm，我们也可以使用1310nm -16dBm的光模块接收。
这是由于1310nm和1550nm的光模块其所能接受并正常工作的波长范围很宽，完全覆盖上述两个工作波长。
但对于850nm的链路分光后只能使用850nm的光模块进行接收。
2、双纤双向模块的使用双纤双向光模块的选择通常情况下同样以链路实际工作波长进行选择。
但对于1310nm和1550nm的光链路可以变通使用，当互连的设备距离较近时（如在同一机房内）可以用1310nm的光模块与1550nm的光模块进行互连。
原因见上述“单收光模块的使用”一节内容。
3、长距离高灵敏度模块的使用40KM或80KM以上长距离-24dbm高灵敏度光模块由于其发光功率大、过载点低。
因此，在实际使用中禁止用跳纤直接互连或在同机房内短距离互连，以免造成模块收光器件的损坏。
此类光模块如果需要短距离互连，需串接不少于10dBm的光衰减器后方可互连。
4、QSFP+ MPO模块的使用目前QSFP+ MPO仅用于S6500分流板上的40GE接口，作用是将分流板上的每个40GE 接口划分为4个10GE接口使用。
这种模块为多模模块，实际工程中通常配合MPO-LC/一分四多模光缆使用，用于进行多块分流板的级联，或用于连接DPI设备。
5、万兆高速电缆的使用万兆高速线缆是一项替代10G光模块的低成本技术方案。
通常有1米、3米5米和10米，目前工程中使用到的是1米高速线缆。
主要用于分流板级联或分流板与P2E板互连。
