光纤通信-光器件

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光器件简介介绍

光器件的发展历程与趋势
发展历程
光器件的发展经历了从机械式到固态化、从分立式到集成化的过程，不断提高性能、降低成本，促进光通信和光学传感技术的快速发展。
发展趋势
未来光器件的发展将更加注重小型化、集成化、智能化和低成本化，同时不断探索新的材料和工艺，提高器件性能和降低能耗，以满足不断增长的信息传输和处理需求。
光器件的应用领域
通信
光器件在光纤通信网络中广泛应用于发射、接收、调制、放大等环节，实现高速、大容量的信息传输。
传感
光器件还可以用于光学传感领域，如光纤传感器、光谱分析仪等，用于测量物理量、化学量和生物量等。
பைடு நூலகம்照明
光器件在照明领域也有广泛应用，如LED灯具、舞台灯光等，具有高效、节能、环保等特点。
02
常见光器件介绍
光器件简介介绍
汇报人： 2024-01-07
目录
• 光器件概述 • 常见光器件介绍 • 光器件的性能指标 • 光器件的制造工艺与材料
01
光器件概述
光器件的定义与分类
定义
光器件是用于处理光信号的设备或组件，是光通信系统中的重要组成部分。
分类
根据功能和应用场景，光器件可以分为发射器、接收器、调制器、光放大器等类型。

光纤通信第4章常用光无源器件

第4章常用光无源器件
光无源器件
光器件的分类
光有源器件：光源光放大器光检测器
光无源器件：光连接器光耦合器光开关光隔离器光衰减器光调制器
光环行器
光波分复用器
作用 —— 参数—— 原理—— 类型
4.1 光纤连接器
一、功能：
用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间, 光纤与其它部件之间，设备和设备之间的连接。又叫活接头。
1×2光开关
光端机
光开关
全光交换：
1×2空间光交换
1×2时隙光交换
光纤延时线 . T
光开关
复合光交换
T4 T3 T2 T1
光开关或耦合器
T1 T2 T3 T4
6t 4t 2t
T1 T2 T3 T4
光开关
二、光开关的类型（1）机械式光开关 ★移动光纤式原理 ★移动棱镜式
光开关
移动光纤式：
以反向方向为参考方向
光环行器
基本功能：
光环形器
1
2
3
用途：用于光放大器和光时域反射仪。
要点总结
1、光器件与电器件的比较
电源
电探头电阻电混频器电插头二极管
光方向耦合器激光器光调制器隔离器光检测器光衰减器
分支器（三通）
波分复用器
MODEL
光纤连接器

现代光纤通信技术5-光器件

能是实现光信号的合路/分路，就是把多个输入的光信号组合成一个输出或者把一个输入的光信号分配给多个输出。
一般是对同一波长的光功率进行合路或分路。光
耦合器/分束器的使用将会对光路带来一定的附加插入损耗以及一定的串扰和反射。
16
光耦合器技术指标
P1
P3
P2
插入损耗：是指一个指定输入端口的输
入光功率Pi和一个指定的输出端口的输出功率Po的比值
9
光纤连接器的结构
ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。
SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。
FC型：外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣
10
光纤连接器的结构
11
光衰减器定义
光衰减器（optical attenuator）是对光功率进
位移型光衰减器
横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器
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
13
光功率衰减功能新技术
热光技术
插入损耗大，偏振相关损耗大
电光技术
插损、偏振相关损耗、热漂移较大，动态范围有限
微机械技术（MEMS）
体积很小，响应速度较快，功耗小，易于批量生产，但插损较大，成本高昂，是目前发展较快的技术。

光纤通信系统的组成

光纤通信系统是一种通过光纤传输信号的高速通信系统。它由多个组成部分构成，每个部分都扮演着重要的角色，以确保数据的高速传输和可靠性。下面将介绍光纤通信系统的组成部分。

1. 光源：光源是光纤通信系统的起点，它产生光信号并将其注入到光纤中。常见的光源包括激光二极管和LED。激光二极管产生的光束更为集中和稳定，适用于长距离传输，而LED则适用于短距离传输。

2. 光纤：光纤是光信号传输的媒介。它由玻璃或塑料制成，具有高折射率和低损耗的特点。光纤分为单模光纤和多模光纤两种类型。单模光纤适用于长距离传输，而多模光纤适用于短距离传输。

3. 光纤连接器：光纤连接器用于连接光纤，确保光信号可以顺利地从一根光纤传输到另一根光纤。光纤连接器的质量对光信号的传输质量有着重要的影响。

4. 光纤衰减器：光纤衰减器用于调节光信号的强度。在信号传输过程中，光信号会因为光纤的损耗而逐渐减弱，光纤衰减器可以通过减小光信号的强度来补偿这种损耗。

5. 光纤放大器：光纤放大器可以增强光信号的强度。在信号传输过程中，光信号会因为光纤的损耗而逐渐减弱，光纤放大器可以通过

放大光信号的强度来弥补这种损耗。

6. 光纤分光器：光纤分光器用于将光信号分成多个通道进行传输。它可以实现多路复用，提高光纤通信系统的传输能力。

7. 光纤接收器：光纤接收器用于接收光信号并将其转换为电信号。光纤接收器通常由光电二极管或光电探测器组成。

8. 光纤交换机：光纤交换机用于控制光信号的路由和转发。它可以根据需要将光信号从一个通道切换到另一个通道，实现灵活的数据传输。

光纤通信系统第四讲光器件

激光二极管（LD）
LD是一种相干光源，其工作原理是电子在谐振腔中与光子相互作用，产生相干光。LD具有单色性好、方向性强、亮度高等优点，是光纤通信中的主要光源。
光探测器
光电二极管（PD）
PD是一种常见的光探测器，其工作原理是通过光电效应将光信号转换为电信号。PD具有响应速度快、灵敏度高、噪声低等优点，常用于光纤通信中的光接收机。
利用光谱分析仪测量光器件的传输光谱，确定其带宽。
消光比测试
通过测量高功率状态和低功率状态下的光功率，计算出光器件的消光比。
04 光器件的应用与发展前景
光器件在光纤通信系统中的应用
光放大器
用于放大光信号，提高传输距离和稳定性。
光调制器
用于将电信号转换为光信号，实现高速数据传输。
光开关
用于实现光路的切换和选择，提高网络的灵活性和可靠性。
声光调制器（AOM）
AOM是一种利用声波作用改变光波性质的光调制器。AOM 具有调制带宽宽、调制效率高等优点，常用于多通道光纤通信系统中的信号调制。
光放大器
掺铒光纤放大器（EDFA）
EDFA是一种利用掺铒光纤中的铒离子进行光放大的器件。EDFA具有放大带宽宽、噪声低、增益高等优点，是光纤通信系统中应用最广泛的光放大器。
光器件在光纤通信系统中的作用
信号产生
信号调制
光器件可以用于产生原始的光信号，如激光器。

《光纤通信》第3讲无源光器件

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《光纤通信》第3讲无源光器件
光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，另一种是活动连接。
永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。
• 光纤连接器的基本构成
由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图所示。
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《光纤通信》第3讲无源光器件
一、光纤的连接与光纤连接器
光纤连接器 fiber optic connector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用
于设备与光纤之间的连接。光纤连接器的作用是将需要连接起来的单
根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多次使用。
光纤连接器在工艺上应满足的条件： 1）连接损耗要小于 0.5dB； 2）装、拆方便，重复性好； 3）体积小，成本低等。光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。
如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等几种类型。
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《光纤通信》第3讲无源光器件
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•光合波器和光分波器的类型
《光纤通信》第3讲无源光器件
•P
• P1
P2
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•熔锥光纤型波分复用器结构和特性

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。

光纤通信实验一光器件的认识

实验一光器件的认识

一、实验目的

1.了解光纤的分类与各种光纤的特点

2.了解介绍光纤活动连接器在光纤通信系统中的作用

3.了解光耦合器件各种类型

4.了解光隔离器

5.了解光衰减器的原理与应用

6.了解光开关应用

7.了解激光器与光检测器的原理

二、实验内容

1.介绍光纤的构成与分类

2.介绍光纤活动连接器的特点与作用

3.介绍光耦合器的特点与作用

4.介绍光隔离器和光环行器的原理与应用

5.介绍光衰减器的原理与应用

6.介绍光开关的原理与应用

7.介绍激光器与光检测器

三、实验仪器

1.光纤实验系统1 台

2.光纤跳线1 根

3.光衰减器

4.光功率计1 台

5.光纤活动连接器1个

6.波分复用器2个

7.光隔离器和光环行器

8.光开关

四、实验原理

1、光纤的构成与分类

光纤是光学纤维的简称，它是一种由玻璃或透明聚合物构成的绝缘波导。光被耦合进光纤后只能在其波导内部传播。一般的光纤都是由纤芯、包层和外套涂层三部分组成。其外套涂层作为光纤的保护层，用于加强光纤的机械强度。其光纤结构如图1-1 所示：

光纤有很多种分类方法。按其传输光波的模式来分，有单模光纤与多模光纤两大类。它

们的结构不同，因而各具不同的特性与用途。

1)单模光纤

用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求入射光的波长大于光纤的截止波长，单模光纤的纤芯直径很小，一般为5-10μm。单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光场只在光纤的中心传导。但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续将带来明显困难。

2)多模光纤

用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤，一般为50-200μm。在临界角内，各个模式的入射光波分别以不同角度，在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全反射而沿光纤全长传输。

光纤通信基本知识

光源标称波长(bōcháng)(nm) 1310 1310 1550 1310
1550
G.652
光纤类型
传输距离(km) ~2
G.652
G.654 G.653
~15
~40
~80
STM-1 I-1 S-1.1 S-1.2 L-1.1 L-1.2 L-1.3
STM等级 STM-4 I-4 S-4.1 S-4.2 L-4.1 L-4.2 L-4.3
具有广泛的适应性
丰富的开销比特,加强了网络的OAM能力 (nénglì)
统一的标准光接口
采用软件进行网络配置和控制,便于扩展具有完全的后向兼容性和前向兼容性
2
第二十一页，共36页。
SJTU
SDH的比特率
等级(děngjí) 速率（Mb/s）
STM-1
155.520
STM-4
622.080
1
第十五页，共36页。
SJTU
光放大器
为了进行长距离传输，可以采用光/电/ 光转换形式的光中继器，也可以采用直接对光信号(xìnhào)进行放大的光放大器。
光放大器可分为半导体光放大器（SOA ）和光纤放大器（FA）。
光纤放大器又可分为非线性光纤放大器（喇曼光纤放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）
SJTU
光纤传输(chuán shū)系统框图

光纤通信用光器件介绍

PD Submount PD Chip
To-Can+Isolator+Z-Bushing+Receptacle =TOSA
Lens cap with 8O facet
2011-3-27
20
TOSA部件装配演示
2011-3-27
21
TOSA To-Can 制造流程
Die Mount LD&PD Chip To
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
5
缩略语
• TOSA: Transmitting Optical Sub-Assembly, 光发射组件
E2
•
E2
E1
•自发辐射光 E1 hf = E2 - E1
• 原子吸收入 E2
射光子跃迁
•至高能级 E1
• •受激辐射光
hf = E2 - E1
自发辐射
受激吸收
受激辐射
宽谱宽、低功率低定向性、相干性
2011-3-27
窄谱宽、高功率强定向性、相干性
7

光纤通信原理第五章1 无源光器件和WDM技术

光纤连接时，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗。
光纤耦合器
光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。
把多个光信号耦合到一起，或将光信号分到多根光纤中。
环路镜具有开关或与门的作用
改进的非线性环路镜－非线性放大环路镜
5.3光学无源器件
光隔离器
光隔离器是光单向传输器，可以防止光反射的发生。
允许正向输入光以最小损耗通过，最大地阻止反向光的通过。
光隔离器的原理－法拉第电磁旋转效应
起偏器
450 外加磁场
解偏器
旋光器
外加磁场
光环行器
当光从任意端口输入时，只能在环行器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。
金属材料制作的连接器。 2. SC系列连接器
SC型连接器采用插拔连接，外壳使用工程塑料制作、矩形结构，便于密集安装，可以制成多芯连接器。
3. ST型连接器 ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构。
4. APC型连接器为了减少光的反射，采用斜面结构。
5. 不同型号插头相互连接的转换器
影响连接损耗的因素
第五章无源光器件和WDM技术
■光纤与波导型无源器件 ■光学型无源器件

光纤通信中的光电子器件

光纤通信中的光电子器件∗

余重秀郑文潇沈月平

(北京邮电大学电子工程学院北京 100876)

摘要：本文介绍了光纤、激光器及光放大器等光电子器件在光通信的产生、发展

中的关键作用，分析了现代光纤通信系统中的各种有源、无源光电子器件，并论

述了21世纪全光网发展所需的几种典型光电子或光子器件。

关键词：光电子器件、光纤通信、全光通信网

Optoelectronic Devices in Optical Fiber Communication

YU Chongxiu, ZHENG Wenxiao , SHEN Yueping

Abstract: The optical fiber, the laser, the optical amplifier and so on, which are the

key devices for the generation and development of the optical fiber communication,

are introduced in the paper. Their important role in the modern communication system is analyzed. Some typical optoelectronic devices which are necessary in all-optical networks of 21 century are discussed in deital.

Keywords: optoelectronic device, optical fiber communication,

光通信原理及光器件介绍

15
光纤通讯系统知识介绍－光纤衰减
➢ G.652型光纤零色散点在1300nm左右 ➢ 1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km ➢ G.652型光纤最低损耗点在1550nm左右 ➢ 1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km ➢ 光纤熔接点损耗：0.2dB/点
16
主要用途：
突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
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
折射率分布 r
输入脉冲 Ai
光线传播路径
纤芯
包层
(a)
2b
2a
n
t
r
Ai
(b ) 12 5m
50 m n
t
r
Ai
(c) 12 5m
～ 1 0 m
n
t
输出脉冲 Ao
t Ao
t Ao
t
图 2.2 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c）单模光纤
14
特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。

光纤通信试题（附带答案）：第三章光器件

一、填空

1、LD是一种（）器件，它通过（）发射发光，具有输出功率（）、输出光发散角（）、与单模光纤耦合效率（）、辐射光谱线（）等优点。

2、LED的主要特性参数为（）、（）、（）。

3、PIN二极管的特点包括（）、（）及（）。

4、对光检测器的基本要求是高的（），低的（）和快的（）。

5、根据通道带宽的宽窄不同，通常可以把WDM器件分为三类：（）、（）、（），其通道间隔分别为（）、（）、（）。

6、影响光源与光纤耦合效率的主要因素是（）和（）。

7、光纤耦合器是实现（）功能的器件。

8、光纤和光纤连接的方法有两大类（）和（）。

9、在一根光纤中同时传播多个不同波长的光载波信号称为（）。

10、影响光纤耦合性能的主要因素有（）、（）、（）和（）。

二、选择题

1、半导体材料的能级结构不是分立的单值能级，而是有一定宽度的带状结构，称为（）。

A、能带

B、价带

C、导带

D、禁带

2、SLM激光器可分为两类，即（）和（）式激光器。

A、集中反馈

B、分布反馈

C、耦合腔

D、导体腔

3、在光波系统中得到广泛应用的两种光检测器是（）。

A、PN光电二极管

B、光电二极管（PIN）

C、雪崩光电二极管（APD）

4、光纤连接时引起的损耗和多种因素有关，包括连接光纤的（）。

A、结构参数

B、端面状态

C、相对位置

D、横截面积

5、光纤连接器按可拆与否分为两类，即（）和（）。

A、活动连接器

B、旋转连接器

C、半自动连接器

D、固定连接器

6、单模光纤耦合器可按分光比受波长影响情况分为（）和（）。

A、短距离耦合器

B、长距离耦合器

C、窄带耦合器

D、宽带耦合器

光纤通信用光器件介绍

光纤通信是一种利用光信号传输数据的通信方式。它利用光纤作为传

输介质，通过调制光信号的强度、频率或相位来传输信息。在光纤通信系

统中，光器件起着关键的作用，它们负责产生、放大、调制和检测光信号。本文将介绍光纤通信中常用的光器件，包括光源、放大器、调制器和光检

测器。

光源是光纤通信系统中的重要组成部分，负责产生光信号。常见的光

源有半导体激光器、气体激光器和光纤激光器。半导体激光器是最常用的

光源，它具有体积小、功耗低、调制速度快等优点。气体激光器具有宽的

谱带宽和高的输出功率，但体积较大。光纤激光器结合了两者的优点，是

一种理想的光信号源。

放大器是光纤通信系统中的另一个重要组成部分，用于增强光信号的

功率。光纤放大器是常用的放大器类型，它可以放大光信号而不需要将其

转换为电信号。最常见的光纤放大器是掺铒光纤放大器（EDFA），它利用

掺铒光纤中的铕原子的能级跃迁来实现光信号的放大。EDFA具有宽的增

益带宽、高增益、低噪声等优点，是目前光纤通信系统中最常用的放大器。

调制器是光纤通信系统中用于调制光信号的器件。光电调制器是常用

的调制器类型，它利用光电效应或半导体材料的光学特性来实现光信号的

调制。光电调制器分为直接调制器和外调制器。直接调制器利用半导体材

料的直接带隙特性，通过改变注入电流来调制光信号的强度。外调制器利

用半导体材料的Kerr效应或电光效应来调制光信号的相位或强度。光电

调制器具有调制速度快、带宽宽、功耗低等优点。

光检测器是光纤通信系统中用于检测光信号的器件。光电二极管是最

常用的光检测器，它利用光束的能量转变为电流。光电二极管具有高速度、高灵敏度、低噪声等优点，是目前光纤通信系统中最常用的光检测器。其

通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型有源

(3) 受激辐射
在高能级 E2 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级 E1上，释放的能量产生光辐射，这个过程是在外界条件刺激下产生的，因而称为受激辐射。受激辐射产生的光子与入射光子叠加，使光得到放大，因而受激辐射是产生激光的最重要的过程。
受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在 E1 和 E2 两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即
目前一般激光的耦合效率为 20% ~30%
较高水平的耦合效率可超过 50%
8 体积小，重量轻
要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
激光器的工作物质可以是气体、液体、固体。也可以是半导体。由于半导体激光器调制方便、体积小、便于与光纤耦合，是光纤通信最为合适的光源。
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构一、受激辐射和粒子数反转分布（一）基本概念（1）半导体激光器
（四）粒子数反转分布
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级 E1和处于高能级 E2 (E2 > E1) 的粒子数分别为 N1 和 N2。
在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。
E2 E1
N e 2
kT
N1
式中，k = 1.381×10-23 J/K，为波尔兹曼常数， T 为绝对温度。由于

光纤通信-光器件

光器件简介介绍

光纤通信 第4章 常用光无源器件

现代光纤通信技术5-光器件

光纤通信系统的组成

光纤通信系统第四讲光器件

《光纤通信》第3讲无源光器件

光纤通信用光器件介绍

光纤通信实验一 光器件的认识

光纤通信基本知识

光纤通信用光器件介绍

光纤通信原理第五章1 无源光器件和WDM技术

光纤通信中的光电子器件

光通信原理及光器件介绍

光纤通信试题（附带答案）：第三章光器件

光纤通信用光器件介绍

通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型有源

光纤通信第4章常用光无源器件

光纤通信实验一光器件的认识