无源光器件与光放大器
光纤通信系统中的光学放大器技术
光纤通信系统中的光学放大器技术随着社会的迅速发展，通信技术也得到了长足的进步。
人们对于通信设备的要求越来越高，这也推动了通信技术的不断创新。
光纤通信作为一种高速传输信息的方式，已经成为现代通信领域的主流技术。
光学放大器作为光纤通信系统中的重要组成部分，在信号的传输过程中起到了非常重要的作用。
本文将从光学放大器的概念、分类和优缺点等方面来介绍其在光纤通信系统中的技术应用。
一、光学放大器的概念光学放大器是一种能够对光信号进行放大、增强的设备。
其主要原理是利用有源介质中的受激发射现象来实现信号的放大。
具体来讲，在有源介质中激发出一束光后，光子会与介质中的原子相互作用，使原子激发，从而发射出相干光子。
放大器中的反馈机制会将这些相干光反射回介质中，继续激发更多的光子，以此实现信号的放大。
二、光学放大器的分类依据原理和结构的不同，光学放大器可分为半导体放大器和光纤放大器两种。
1. 半导体放大器半导体放大器是一种利用半导体材料发光的装置，其主要种类有激光二极管放大器(LDFA)、光纤薄膜放大器(TFPA)和半导体光放大器(SOA)等。
相比于光纤放大器，半导体放大器具有功率消耗小、响应速度快等优点，并且成本更低。
但由于其本身光放大过程中存在自发辐射噪声，因此在信号传输距离较远的情况下，半导体放大器存在着一定的应用局限性。
2. 光纤放大器光纤放大器是一种利用光纤作为增益介质的装置，其主要种类有掺铒光纤放大器(EDFA)、掺镱光纤放大器(YDFA)和掺铽光纤放大器(TDFA)等。
光纤放大器具有增益带宽宽、光子噪声低等优点，并且适用于光信号传输距离较长的应用场景。
但是，光纤放大器需要输入足够的激励光功率，因此在一些应用场景下可能需要使用引入光源，这会增加系统的复杂度和成本。
三、光学放大器的优缺点光学放大器不仅在光纤通信系统中有着广泛的应用，同时也在光纤传感和光学凝聚领域等方向展现出了其巨大潜力。
但是，光学放大器在实际应用过程中也存在着一些优缺点。
光无源器件概述
光纤耦合器的技术参数
(6) 工作波长范围
工作波长范围是指无源器件能够按照规定的性能要求下 工作的波长范围(λmin到λmax)。
20
2×2光纤耦合器内的光功率分布
P2 P0 sin 2 z 是耦合系数
P1 P0 P2 P0 1 sin2 z
p0 cos2 z
光功率分配的百分比
光纤隔离器示意图
32
光环形器
光环形器是由多个光隔离器单元组合而成的、控制 光束传播方向的无源器件。
三端口光环形器
四端口光环形器
光纤环形器示意图
箭头方向代表了允许光传输的方向。
33
2
光发射机1
1 3
2 3 光发射机2 1
光接收机1
光接收机2
光环行器用于双向传输系统
34
光衰减器
光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中， 是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分 为固定衰减器和可变衰减器。
7
光纤连接器示意图
光纤
套管
插针 粘结剂
精密套管结构连接器简图
8
光纤连接器特性
评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、 重复性和互换性。
(1) 插入损耗 插入损耗是指由于增加光无源器件而产生的附 加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，
通常用dB表示，即
10 lg Pi (dB)
Po
其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到 的光功率。
9
光纤连接器特性
(2) 回波损耗 回波损耗又称为后向反射损耗。它是指光纤连 接处，后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：
光无源器件技术综述
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。
光器件
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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光放大器概述
• 光放大器概述 • *横向均匀激励连续激光放大器
增益系数、最大输出光强、增益谱宽
• *纵向激励连续激光放大器－掺铒光纤放大 器
小信号增益、大信号增益、饱和输出功率
• 脉冲行波放大器输运方程
反转粒子数、光子数密度输运方程
第六章 激光放大特性 光放大器概述
发展光放大技术的意义 1.获得高质量的大能量、高功率激光束（固体激光器）
三能级系统脉冲行 波放大器输运方程
nz,
t
t
2
21nz,
t
J
z,
t
(6.4.2)
J
z,
t
t
v
J z,
z
t
v
21nz,
t
J
z,
t
vJ z,t
(6.4.3)
边界条件 J 0,t J 0 t; nz,t 0 n0 0 z l
入射光脉冲波形
信号入射前的n空间分布（均匀）
二、脉冲激光放大器输出能量及能量增益 I0(t)
ts
阈值泵浦光强
I p z
I pth
dI p z
dz
I
p
z
I z1 1 I
z
1
p
I
p
z
(6.3.12)
dI p z 0 泵浦光沿光纤
dz
分子上
IP z
I Pth
1
I
p
z
I
pth
dI z
dz
0
光信号放大
I
p
z
I
pth
dI z
dz
0
光信号衰减
n12
p n13 p
光模块hs编码
光模块hs编码
光模块HS编码是指用于光纤通信系统中的光电子器件，主要包括光纤、光放大器、光发射器、光接收器等。
根据我国的进出口贸易分类，光模块大致可分为以下几类：
1.光学元件：包括光纤、光栅、透镜、反射镜等。
2.光电子器件：包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光敏电容等。
3.光通信设备：包括光纤交换机、光纤路由器、光纤收发器等。
4.光放大器：包括光纤放大器、半导体放大器、掺铒光纤放大器等。
5.无源光器件：包括光纤连接器、光纤耦合器、光分路器、光衰减器等。
6.光测量仪器：包括光功率计、光谱分析仪、光纤测试仪等。
在这些光模块中，HS编码主要涉及以下几个方面：
7.光纤：主要包括光纤芯材、光纤预制棒、光纤光缆等，HS编码为9001、9002等。
8.光电子器件：主要包括光电二极管、光电三极管等，HS编码为9014、9015等。
9.光通信设备：主要包括光纤交换机、光纤路由器等，HS编码为9016、9017等。
10.光放大器：主要包括光纤放大器、半导体放大器等，HS编码
为9018、9019等。
11.无源光器件：主要包括光纤连接器、光纤耦合器等，HS编码为9020、9021等。
12.光测量仪器：主要包括光功率计、光谱分析仪等，HS编码为9031、9032等。
需要注意的是，以上HS编码仅为大致分类，实际进出口时，还需根据具体产品种类和性能进行详细编码。
另外，HS编码可能会根据国际贸易形势和国家税收政策进行调整，请及时关注相关通知。
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
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
soa光放大器原理
soa光放大器原理SOA光放大器原理引言：随着通信技术的发展，光通信作为一种高速、大容量、低损耗的传输方式，被广泛应用于现代通信系统中。
光放大器作为光通信系统中不可或缺的重要组件之一，扮演着放大光信号的关键角色。
本文将介绍SOA光放大器的原理及其在光通信中的应用。
一、SOA光放大器的基本原理SOA（Semiconductor Optical Amplifier）光放大器是一种基于半导体材料的光放大器，其工作原理基于半导体材料的激光放大效应。
SOA光放大器主要由半导体材料构成，其中包含有源区和无源区。
有源区中的电流注入会引起电子与空穴的复合，产生光子，从而实现光信号的放大。
而无源区则起到引导和分布光信号的作用。
二、SOA光放大器的工作原理SOA光放大器的工作原理可分为两个阶段：注入阶段和放大阶段。
1. 注入阶段：在注入阶段，通过对SOA光放大器施加电流，激发半导体材料中的电子与空穴的复合，产生光子。
这些光子会被引导到无源区，形成初始的光信号注入。
在这个阶段，光信号的强度较弱，相当于一个控制信号。
2. 放大阶段：在放大阶段，初始光信号注入到SOA光放大器后，会经过光放大器的增益区，放大光信号的强度。
增益区的长度和掺杂浓度决定了光信号的放大程度。
此外，SOA光放大器通过调节注入电流的大小，也可以调节放大的增益。
放大后的光信号会被输出，传输到光通信系统中的其他部件。
三、SOA光放大器的特点及优势SOA光放大器相比于其他类型的光放大器具有以下特点和优势：1. 宽带放大能力：SOA光放大器能够在宽带范围内放大光信号，使得光通信系统具有更大的传输容量。
2. 快速响应速度：SOA光放大器的响应速度较快，能够适应高速光通信系统的需求。
3. 可调节增益：通过调节注入电流的大小，可以灵活地调节SOA 光放大器的增益，满足不同光信号放大需求。
4. 兼容性强：SOA光放大器具有较好的兼容性，可以与其他光器件结合使用，实现更高效的光信号传输。
soa半导体光放大器结构
soa半导体光放大器结构
SOA（Semi-Insulating Optical Amplifier）半导体光放大器是一种基于半导体材料的光纤通信系统中的关键设备，主要用于光信号的放大。
SOA的基本结构主要由三部分组成：有源区、包层和无源区。
1. 有源区：这是SOA的核心部分，通常是由一些特定的半导体材料（如InP、InGaAsP等）制成的光放大元件。
这些材料能够吸收泵浦光并将能量转换成光信号的增益。
2. 包层：这一部分通常是由一种折射率高于有源区的半导体材料制成，其主要
作用是阻止泵浦光和无用的信号光进入有源区，从而提高放大的光信号的利用率。
3. 无源区：这一部分通常是由一种折射率低于有源区的半导体材料制成，其主
要作用是作为包层和有源区之间的过渡区域，以及提供一定的热容，以帮助消除有源区中的热量。
在操作SOA时，通常需要向有源区注入泵浦光，以激发有源区的半导体材料，
使其产生光增益。
然后，通过光纤将放大的光信号传输出去。
超详细无源光网络设备的基本参数大全
对于无源光网络（PON）的应用，要完成光信号的传输、组合或分配，有很多基础的无源光器件是必需的。
这些无源光器件包括光分路器/耦合器，光开关，光衰减器，光隔离器，光放大器，CWDM/DWDM多路复用器等。
提示：无源光器件是不需要外部能源的组件。
当使用这些无源光器件的时候，对于它们共同的参数有一个基本了解是很重要的。
适用于每个设备的基本参数包括光纤类型，连接器类型、中心波长、带宽，插入损耗（IL）、超额损失（EL）、偏振相关损耗（PDL）、回波损耗（RL）、串扰（XT）、均匀性、功率容量和工作温度。
超详细的无源光网络基本参数大全一、连接器类型和光纤类型许多无源光器件可与插座或光纤尾纤一起使用，尾纤可以选择是否与光纤连接器进行端接。
如果该设备是与插座或连接器一起使用的，我们就需要采购指定类型的插座或连接器，除此之外，我们还需要注意制造商生产器件时所使用的光纤类型，以确保它能与应用中的光纤相兼容。
二、中心波长和带宽中心波长是无源光器件的标准工作波长。
带宽（或带通）是最高波长和最低波长的范围，且在该波长范围内，制造商保证该装置的性能。
制造商将列出一个工作波长范围来告知其设备的带宽。
三、损失的类型IL，即insertion loss插入损耗。
为插入组件的进入光纤系统中所造成的光功率损失。
当与无源光器件工作时，你需要知道所产生的IL是设备的IL和互连的IL之和。
制造厂通常会考虑所有其他损失，包括EL和PDL。
当设计网络系统时，IL是最有用的参数。
EL，是由制造商来定义的，与光纤耦合器相关。
EL用来表示在耦合器中丢失的光多于在光分裂信号中丢失的光。
换句话说，当耦合器分裂信号时，输出端口的光功率的总和不等于输入端口的功率的总和，即一些光可能在耦合器中损失掉了。
EL是光学能量在耦合中的损失量。
这种损失值通常是在设备的指定中心波长测量的。
PDL，是随着光波传播的偏振态的变化而变化的，通常情况下，PDL指的是最小损耗值，并且仅用于单模无源光器件。
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3、光放大器的类型
利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA）
利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）
利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大 器（FRA）
一、半导体光放大器SOA
SOA也是一种 重要的光放大 器，其结构类 似于普通的半 导体激光器。
R1
I
R2
半导体光放大器示意图
•半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与 有源层的介质特性。 •根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大 器分为：----法布里－珀罗放大器(FP－SOA) ----行波放大器(TW－SOA)
TW－SOA与FP－SOA的区别在于端面的反射率 大小， TW－SOA具有极低的端面反射率，通 常在0.1%以下。 TW－SOA的增益、增益带宽和噪声特性都可 以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限 制着它在光纤通信中的实际应用：
对光信号偏振态的敏感性； 对光信号增益的饱和性。
Байду номын сангаас
SOA Product
常用的端面接触形式
FC型（face connect平面接触型） 端面为垂直光纤轴心，无凹凸不平的跑光平面。 PC（physical connect 物理接触型） 插针体的端面为抛光的球面，光纤芯子位于球冠的 中心。
常见光纤接头
ST（圆形）光尾纤接头外形图
SC（方型）光尾纤接头外形图
MU光尾纤接头外形图
FC型光尾纤外形图
（2）光衰减器
功能 对光能量进行预期的衰减，是光能量减少。
可变光光衰减器：衰减量可在一定范围内变 化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。
光衰减器的基本原理
在玻璃基片上蒸镀透射系数（或反射系数） 变化很小的金属膜，使通过镀膜玻璃片的光 功率被膜层材料吸收一部分，光强度受到衰 减。金属膜可以是镍铬等化合物材料，光的 衰减量有膜的厚度进行控制。
（1）光纤活动连接器
功能： 1. 实现光纤与光纤之间 的活动连接。 2. 实现光纤与有源器件 之间的活动连接。 3. 实现光纤与无源器件 之间的活动连接。 4. 实现光纤与系统和仪 表之间的活动连接。
套管结构光纤连接器简图
套管
光纤
粘接剂
插针体
把光纤用胶固定在玻璃毛细管的轴心上，磨 平抛光，插入插针套管加上螺帽等固定件就 成了光纤插头。两个这样的光纤插头配上一 个连接插座，就可完成了光纤的活动连接。
光器件(2)
四、无源光器件
无源光器件不需要电源的光通路部件。 无源光器件可分为连接用的部件和功能性部 件两大类。 连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和 光纤、部件（设备）和光纤、或部件（设备） 和部件（设备）的连接。 功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波 器、光衰减器、光开关和光隔离器等，用于 光的分路、耦合、复用、衰减等方面。
全光型波长转换器
光放大器
光放大器的概述、放大原 理、类型 掺铒光纤放大器 半导体光放大器 光纤拉曼放大器
一、光放大器概述
光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重 要里程碑。 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－ 电－光(O-E-O)变换方式。
装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信 道，在WDM系统中复杂性和成本倍增。
中心波长（ λ1 λ2 λ3 λn+1 ） ITU-T建议G.652 规定的中心波长及分布是： 标 称 中 心 波 长 以 1552.52nm(193.1THz) 为 中 心，间隔为100GHz（0.8nm）的整数倍。 波长间隔 相邻两中心波长的间隔。
光波分复用器的光学特性
中心波长处插入损耗 插入损耗是指由于波分复用器的引入而产生 的功率损耗。 αi=10lg(P1/P2) Αi插入衰减 P1：第i个复用通道在中心波长λ01上的输入 光功率； P2：第i个复用通道在中心波长λ01上的输出 光功率；
F-P半导体光放大器
入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面 后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分 光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层， 如此反复，使入射光得到放大。 多峰值、带 宽窄，不适 合通信系统 应用，只可 用于一些信 号处理。
行波半导体光放大器
光波分复用器的光学特性
通带 通过频带的宽度。定义为通带内衰减增加 0.5dB是所对应的波长范围。
α
通带
0.5dB
λ0
λ
波长转换器
使信号从一个波长转换到另一个波长的器件。 根据波长转换机理可分为光电型波长转换器 和全光型波长转换器。
光电型波长转换器
（2）全光型波长转换器 主要由半导体光放大器（SOA）构成。
二、掺铒光纤放大器
铒(Er)是一种稀土 元素, 原子序数为 68，它是以三价离 子的形式参与工作 的。 参与激光放大过程 的能带： E1基态； E2受激辐射的高能 级； E3泵浦的高能级；
（3）光耦合器
光分路耦合器的作用是对光信号进行分路和 耦合。
（4）光隔离器
光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线 路中由于各种因素而产生的反射光再次进入 激光器而影响激光器的工作稳定性。 光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。
（5）光开关
光开关对光路进行控制，将光接通，或将光 断开。
（6）光波分复用器
波分复用就是将几路不同波长的光信号，合 路以后在一条光纤中传输，在接收端经分路 后恢复成原来的路数。 将不同波长的多个光信号合并为一路的器件 称为光合波器； 将光信号按不同波长分开的器件称为光分波 器。
棱镜型光合波和光分波的原理图
衍射光栅型光合波和光分波的原理图
光波分复用器的光学特性
多波长放大、低成本。
光放大器（O-O）
光放大器的原理
光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿 光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无 中继传输距离。 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子 数反转（非线性光纤放大器除外），然后通 过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实 现入射光信号放大的一种器件。其机制与激 光器完全相同。实际上，光放大器在结构上 是一个没有反馈或反馈较小的激光器。