光纤通信用光器件介绍
光纤通信系统与光器件光器件
三、多层介质膜滤波器TFF
Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长
Thin-Film resonant Multicavity Filter (TFMF) 薄膜多共振腔滤波器
TFMF的传输特性： 腔越多滤波器顶越平
边缘越陡
Output 1 /2+L+ /2= L+ Output 2 /2+L- /2= L
L=2neff L /=k
k为奇数 k为偶数
Output 1 Output 2
五、体光栅滤波器
在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤 输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各 波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。
光衰减器—Attenuator
根据工作原理分类：
横向位移型光衰减器
位移型光衰减器
纵向位移型光衰减器
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
光衰 减器
固定光 衰减器
可变光 衰减器
尾纤式固定光衰减器
转\变换器式 固定光衰减器
SC—FC型、 FC— ST型、 SC—ST型、
对输入信号 进行分路的 3dB耦合器
长度相差L的两根波 导，用来在两臂间产 生与波长有关的相移
在输出端将 信号复合的 3dB耦合器
通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组 的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出 端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。
Input 1
反射中 2neff 光栅
心波长
光纤通信系统 第四讲 光器件
耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个 输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。 这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗， 还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无 关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复 用器。 1. 耦合器类型 图示常用耦合器的类型， 它们各具不同的 功能和用途。
三端口光环行器
四端口光环行器
Isolators
Isolator/coupler hybrids
第三章 光器件
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 光器件概述 光连接器Connector 光衰减器Attenuator 光耦合器Coupler 光隔离器与环行器 光调制器Modulators 光开光Switches 光波长转换器 光交叉互连器
电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.
晶体折射率随外加电场而 变化。具有非常好的消啁 啾特性，适合于高速系统 的超长距离传输。但调制 器的插入损耗大，需要较 高的驱动电压(典型值为 4V)，难以与光源集成， 而且对偏振敏感。
40Gb/s LiNbO3 Modulator
电光调制的透过率(调制器被偏置在V/2点上)
起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450 旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后， 光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如 果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的 那一部分光，经旋光器被旋转450 ，变成水平线偏振光，正好 与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。
透射光强
t
V/2
V
V
调制电压
半波电压V是把调制 器从最小光强转换到 最大光强所需的电压
光器件结构、其连接装置
光器件结构及其连接装置在光通信领域中有着至关重要的作用。
以下是关于光器件结构及其连接装置的简要介绍：光器件结构：1.光纤连接器：光纤连接器是实现光纤之间活动连接的无源光器件，具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。
光纤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、应用广泛的基础元件之一。
2.光分路器：在光网络系统中，为了实现光信号的耦合、分支、分配等功能，需要使用光分路器。
光分路器是光纤链路中重要的无源器件之一，具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件。
光分路器按原理可以分为光纤型和平面波导型（PLC）两种。
光纤熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；PLC是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。
光器件连接装置：该装置主要包括准直器对准系统、耦合角度监测系统和压力实时监测系统。
准直器对准系统实现准直器和光模块盒子的孔的初始对准，维持压入过程和最终耦合后准直器的角度；耦合角度监测系统监测过盈配合压入过程中准直器的角度；压力实时监测系统实时检测压入过程中压力与过盈距离之间的关系以及压入过程中准直器承受压力大小。
其中较为重要部分就是准直器对准系统，准直器对准系统包括光模块盒子固定夹具、准直器XY移动调节平台、准直器固定夹具以及位置识别系统。
通过光模块盒子固定夹具和准直器固定夹具使得光模块盒子孔的轴线与准直器的轴线平行，然后再通过位置识别系统识别孔的位置，利用准直器XY移动调节平台将准直器与孔共轴。
以上内容仅供参考，如需更全面准确的信息，可以查阅光通信领域相关的学术文献或论坛。
03 光纤通信器件
❖滤波器通带
(0.82 ) /( Ln) （um ） ：ATOF 选择的波长
n：材料双折射 L：产生 TE / TM 模式变化的宽带 SAW 在射频信号作用下使声 光 偏振态从 TE 模转化到 TM 模
❖基于饱和吸收的半导体激光器型波长变 换器。原理是：输入信号使载波子产生 受激吸收，在带隙附近达到饱和，允许 探测光束透过。
上述可调谐滤波器各有优、缺点。
声光滤波器（ ATOF:Acousto-optic Tunable Optical Filters ）
❖特 点：光栅由声波动态产生，声波又由施加在 压电晶体（LiNbO3）上的射频信号产生。
❖物理原理：基于光弹性效应，即声光材料传输的声 波或超声波信号产生随声波幅度周期性变化的应力， 使该材料的分子结构产生局部的密集和疏松，相当 于使折射率产生周期性的变化，其结果是声波产生 了可以对光束衍射的光栅，因此对波长具有选择性。
▪ 尾纤：用于和光源或检测器耦合，构成发射机 或接收机的输出或输入接口；或者构成光缆或 各种光无源器件两端的接口。
▪ 跳线：用于终端设备和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。
连接器主要技术要求：
▪ 低的插入损耗 ▪ 好的重复性 ▪ 好的互换性 ▪ 低的反射损耗 ▪ 长的使用寿命 ▪ 环境温度变化性能稳定
（3）波导光开关 电光效应和声光效应器件可构成波导开 关。
• 电光开关 • 热光开关 • 声光开关 • 磁光开关
3.7 波长转换器
1、在WDM网络中，波长数目确定了 信道数量，在光纤的1.55um窗口这个 数目很大，但可用波长数自然有限，不 足以支持大量节点的应用。
光通信知识-常用光器件
7.
隔离度是指某一光路对其他光路中的 信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着 线路之间的“串话”小。其数学表达式为
式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光 路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输 入功率值。
4.3 波分复用/解复用器
4.3.1 波分复用/解复用器的原理与分类
1.
衍射光栅型波分复用器件是近年发展 起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向 异性腐蚀制作的光栅与棱镜分光相比具有 更大优势，常用来制作波分复用器的主要
4.
远端串扰是指光开关的接通端口的输 出光功率与串入另一端口的输出光功率的 比值。
5.
近端串扰是指当其他端口接终端匹配， 连接的端口与另一个名义上是隔离的端口 的光功率之比。
6.
消光比是两个端口处于导通和非导通 状态的插入损耗之差。
式中：ILnm为n，m端口导通时的插入 损耗；ILnm0为n，m端口非导通时的插入损
4.2.1 光纤耦合器的结构与原理
制作光耦合器可以有多种方法，大致 可分为分立光学元件组合型、全光纤型、 平面波导型等。
下面主要介绍熔融拉锥法的原理。
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。
回波损耗(也称反射损耗或反射率)是 指从输入端返回的光功率与输入光功率的 比值，以分贝表示：
式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输 入端口接收到的返回光功率。回波损耗与 开关的状态有关。
3.
隔离度是指两个相隔离输出端口光功 率的比值，以分贝来表示。
式 中 ： n、m
(n≠m) ；Pin是光从i端口输入时n端口的输 出光功率，Pim是光从n端口输入时在m端 口测得的光功率。
光器件和芯片的结构介绍
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。
光纤通信系统第四讲光器件
拉曼光纤放大器（RFA）
RFA是一种利用拉曼散射效应进行光放大的器件。RFA具有放大带宽宽、增益高、对偏振不敏感等优点，常用于 长距离、大容量光纤通信系统中的光放大。
03 光器件的性能参数与测试 技术
光器件的性能参数
插入损耗
衡量光器件将输入光信号转换 为输出光信号时的能量损失。
带宽
描述光器件传输光信号的能力 ，即光信号的频率范围。
雪崩光电二极管（APD）
APD是一种高灵敏度的光探测器，其工作原理与PD类似，但通过内部雪崩倍增 效应提高灵敏度。APD常用于高速光纤通信系统中的光接收机。
光调制器
电光调制器（EOM）
EOM是一种利用电场作用改变光波性质的光调制器。EOM具 有调制速度快、调制效率高等优点，常用于高速光纤通信系 统中的信号调制。
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。
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。
光器件可以用于对原始 光信号进行调制，如调
制器。
信号传输
光器件可以用于传输光 信号，如光纤。
信号检测
光器件可以用于检测接 收到的光信号，如光电
探测器。
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早期简单的光 学元件到现代高度集成化的光子集成 电路的过程。
光纤通信用光电子器件和组件
1. 光纤通信是人类通信史上的一重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统，其主要优点是：1.光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务。
2.不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、防爆等；3.耐高温、高压、抗腐蚀、不受潮，工作十分可靠；4.光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属，且直径小，重量轻，可挠性好。
2. 光纤通信用的光发射机（光源）必须满足如下的原则：1)光源的激射波长必须在传输光纤的低损耗窗口波段：0.85µm、1.31µm、和1.55µm波段（通常将1.31µm和1.55µm成为长波长波段；2)光源的发射功率要大；3)调制特性和发光/消光（响应速度）特性要好；4)可靠性要高，寿命要长；5)光源必须轻巧，适应振动，温度，湿度等环境变化；6)能批量生产，价格便宜；满足上述原则的光源是半导体光源，因而半导体光源具有以下优点：（1）其发光的光谱范围能与石英光纤的各个低损耗，低色散窗口对应。
（2）半导体光源，特别是半导体激光二极管不仅具有较高的发射功率而且还与光纤间有较高的耦合效率。
（3）调制十分的简单，在中、低调制速度时，半导体光源可以直接进行调制，无须外部的光调制器；（4）可靠性极高，现在的发光二极管的寿命可以达到106小时以上，激光二极管的寿命可以达105小时以上；（5）体积特别的小，并可以与电子线路进行混合集成或单片集成，构成光电子集成的光发射机；3.光纤通信系统对调制的要求是：1）高的调制速率和宽的调制带宽2）低的驱动电压3）高消光比4）低的插入损耗4.光纤通信系统对光放大器的要求：5）高的增益6）低的噪声系数7）高的输出功率8）低的非线性失真5.光纤通信系统对光接收机的要求是：1）高的灵敏度2）低的噪声3）快的响应22速度4）足够的带宽5）对温度变化不敏感6）尺寸小并能与光纤匹配7）价格合理，寿命长5.光无源器件在光纤通信系统中还包括大量不可缺少的光无源器件，他们分别是：1）光耦合器2）光隔离器，要求：低的插入损耗，大的隔离度3）光衰减器，要求：高的衰减精度，好的衰减重复性，低的原始插损4）光纤连接器，要求：低的插入损耗，好的重复性，好的互换性，的的反射损耗，长的寿命5）波分复用/解复用器6）光开关7）光耦合器。
光纤通信的基本器件概述经典课件(PPT93页)
3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光放大器 3.4 光无源器件
光纤通信的基本器件
对光源的要求： 性能好、寿命长、使用方便 1）发射光波长必须在光纤的低损耗窗口； 2）光源的输出功率要足够大 3）温度特性优良 4）光源的发光谱宽度要窄 5）光源应具有高度的可靠性 6）省电, 且体积小、 重量轻 7）光源器件应便于调制, 调制速率能适应系统要求。
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光纤通信的基本器件 3） LED的工作特性 ①光谱特性
LED的谱线如图3 - 11所示, 由于LED发光二极管没有谐振腔,
不具有选频特性, 因此谱线宽度Δλ比激光器的要宽得多。
图 3 – 11 LED的谱线
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光纤通信的基本器件
② 输出光功率特性
LED输出光功率特性曲线如图3 - 12所示。 LED不
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光纤通信的基本器件 1）. LED的结构 为了获得高辐射度, LED常采用双异质结芯片(但没有 光学谐振腔), 构成材料主要有GaAs 、 InGaAsP、 AlGaAs等。 ① 面发光型LED结构 图3 - 9所示是采用双异质结GaAs的面发光型LED结 构。 发光区是呈圆柱形的有源区, 其直径约为50 μm, 厚度约为2.5 μm, 能够发出波长为0.8 μm～0.9 μm的 辐射光, 圆形光束反散角为120°。
光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。
受激辐射是半导体激光器发光的基础。 粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。
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光纤通信的基本器件
1、激光器的作用
激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，从它发 出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度，便于人
光纤通信用光器件介绍
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。
除了上述介绍的几种光器件外，还有许多其他类型的光器件，在光纤通信系统中起到了各种不同的作用。
例如，光纤散射器用于分配光信号，光纤滤波器用于调制光信号波长，光纤耦合器用于将多个光纤连接在一起等等。
这些光器件为光纤通信提供了更多的灵活性和多样性，使得通信系统能够更好地适应不同的需求和环境。
光纤通信用光器件介绍
• FP: Fabry-Perot, 法布里-珀罗激光二极管
• DFB: Distributed Feedback Laser, 分布反馈式激光二极管
• VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 垂直腔面发射激光器
• PIN: Positive Intrinsic Negative, 同质PN结光电二极管
光纤通信用光器件介绍
主要内容
• 光纤通信系统 • 缩略语 • LD的基本工作原理及其关键性能指标 • TOSA分类及其基本结构 • TOSA生产工艺 • TOSA测试原理 • PD的基本工作原理及其关键性能指标 • ROSA的分类及基本结构 • ROSA的生产工艺 • ROSA测试原理 • TOSA/ROSA常见问题 • BOSA - 单纤双向应用
有源区 (增益介质)
反射镜面 (解理面)
R1
Z=0
注入电流
有源区 (增益介质)
P
激光发射
N
反射镜面
(解理面)
R2
Z=L
2011-3-27
10
LD基本工作原理-激光产生的基本条件(4)
• 阈值条件：
¾ 由于谐振腔中存在损耗及通过反射镜子的光辐射，受激辐射产生的光 子将不断消耗。只有当增益等于或超过总损耗时，才能建立起稳定的 振荡，这一临界增益称为阈值增益。为达到阈值增益所需的注入电流 称为阈值电流。
• E2入射光 hf = E2 - E1
E1
E2
•
E1
•受激辐射光
hf = E2 - E1
受激辐射产生的过程
2011-3-27
增益/损耗
f1
f0
f2 频率(Hz)
光通信原理及光器件介绍
1400
光波长（nm）
全波光纤
1600
1800
9
光纤通讯系统知识介绍－光纤结构
光纤
光纤的结构
涂敷层
包层 纤芯
10
光纤结构
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。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量 主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机 械保护作用。
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
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统 最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
17
光纤传输优点
1、通信容量大 从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000 亿个话路 2、中继距离长 3、保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因 此其保密性能极好 4、适应能力强 适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强 5、体积小、重量轻、便于施工维护 光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空 6、原材料来源丰富，潜在价格低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中 几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的
DFB LD module
Dual-baalog)
DFB LD module
1x4 Splitter
光纤器件
参考书目
玻恩和沃耳夫著，杨葭荪等译：《光学原理》，科学出版社,北京，1978。(,Principles of Optics,Pergamon Press,Oxford,1975.) A.Yariv, Introduction to Optical Electronics,Holt Rinehart and Winston,New York,1976.
谢谢观看
光纤器件
将光纤加工处理成具有某种功能的光电子器件
01 发展过程
03 结构 05 参考书目
目录
02 基本参数 04某种功能的光电子器件。其中以单模光纤为基础的光纤器件获得广泛应 用。在光纤通信中可应用的光纤器件主要有光纤放大器、光纤激光器、光纤耦合器、光纤偏振器和光纤滤波器等。 它们的主要功能分别是实现光直接放大、产生激光、完成光信号功率在不同光纤间的分配或组合、使输入光变成 线偏振光和从不同波长的光波中选出或滤除特定波长的光波等。具有附加损耗小、可靠性高和操作简便等优点。
发展过程
光纤传输系统中对光路起转换、连接和控制功能的单元，又称光无源器件。主要有光连接器、光耦合器、光 开关、光衰减器、复用器和解复用器等。1970年多模光纤取得突破性进展，光纤开始应用于通信技术，随之出现 了光连接器。70年代末期，单模光纤出现并用于传输系统之后，相应地研制出单模光纤器件和平面型光纤器件， 以适应长波长单模光纤传输系统的需要。光纤器件已有很多品种。光纤器件的基本理论和相关技术的研究受到人 们重视，已经成为光电器件的一个独特的门类（见光纤光缆）。
基本参数
光纤器件有两个基本参数，即插入损耗和隔离度。光纤传输系统要求插入损耗小、隔离度大。
光纤通信用光器件介绍
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。
其他常用的光检测器还包括光开关和光波导耦合器。
除了以上介绍的光器件，还有一些其他的光器件在光纤通信系统中扮演着重要角色。
例如，光分路器用于将光信号分成多个通道，光耦合器用于将光信号从一根光纤传输到另一根光纤，光滤波器用于选择或剔除特定波长的光信号。
光纤通信的基本器件概述
光纤通信的基本器件概述光纤通信系统中的基本器件包括光源、光接收器、光纤传输介质和光纤连接器。
光源是产生光信号的装置，常用的光源包括半导体激光器和 LED。
光接收器是将光信号转换成电信号的装置，常用的光接收器包括光电二极管和光电探测器。
光纤传输介质是用来传输光信号的介质，其主要优点是信号传输损耗小和传输距离远。
光纤连接器是用来连接光纤的装置，其主要作用是使光信号能够顺利地传输到目的地。
除了这些基本器件之外，光纤通信系统还包括光纤放大器、光谱分析仪、光纤调制器、光纤衰减器等辅助器件。
这些器件的作用是增强光信号的强度、分析光信号的特性以及对光信号进行调制和衰减。
总的来说，光纤通信的基本器件是光源、光接收器、光纤传输介质和光纤连接器。
这些器件共同构成了光纤通信系统，为现代通信系统的发展提供了重要支持。
光纤通信作为一种高效、高速、高容量的通信方式，在现代通信领域具有重要地位。
除了基本器件外，光纤通信系统还包括光纤交叉连接、光纤网络监测系统等辅助设备，以构建起完整的光纤通信网络。
以下将详细介绍光纤通信的基本器件及其相关辅助设备。
光源是光纤通信系统中的重要组成部分，用于产生光信号。
在光纤通信系统中，常用的光源有激光器和LED。
激光器由激光二极管构成，其光具有单一波长、高亮度、窄谱线、直射性以及相干性等良好特性。
这使得激光器在光纤通信中受到广泛应用。
相比之下，LED 的光谱相对较宽，其光源亮度较低，但具有制造成本低、使用寿命长等优点，常用于短距离通信和光纤传感。
在光纤通信系统中，光接收器也是至关重要的组件。
光接收器主要用于将光信号转化为电信号。
常用的光接收器包括光电二极管（PD）和光电探测器。
光电二极管用于接收低速光信号，具有快速响应速度、适应高温环境并可以工作在不同波长。
光电探测器则用于接收高速、远距离的光信号，并且其响应速度更快。
光电探测器在长距离、高速率的通信领域得到广泛应用。
光纤传输介质是光纤通信系统中的关键组成部分，用于传输光信号。
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2011-3-27
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TOSA分类
应用
SDH/SONET GBE
工作速率
155M 622M 1.244G 2.488G
1.0625G
FC
1.0625/2.125G
CWDM DWDM
155M~2.67G 155M~2.67G
10G (SDH, Ethernet,
FC shared)
9.953~10.709G
DFB VCSEL FP/DFB
光接口形式
LC/SC
2011-3-27
管脚定义类型
共阴/共阳
18
TOSA主要类型介绍
SC FP/DFB TOSA
TOP VIEW
LC FP/DFB TOSA
TOP VIEW
SC VCSEL TOSA
TOP VIEW
2011-3-27
LC VCSEL TOSA
TOP VIEW
增益
增益
P
输
损耗 出 功
率
增益区长度(mm) 增益>损耗
2011-3-27
Ith 阈值电流
I 注入电流
11
LD基本工作原理-激光二极管的基本结构与类型
FP Laser Diode 金属
+ 正向电流
金属
DFB Laser Diode + 正向电流
光栅
解理面 金属
解理面
光
光
金属 异质结激活区
异质结激活区
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2
光纤通信系统基本链路框图
幅度 幅度
信息
语音 视频 数据
电子 电信号 光
发射器
发射器
调制 复用
光信号
光纤 传输
光 电信号 电子
接收器
接收器
解调 解复 用
信息
语音 视频 数据
时间
时间
光发射器+传输光纤+光接收器=基本的光纤通信系统
2011-3-27
3
光纤通信系统中的器件
产品超过 9000 品种
Die Attach 芯片粘贴 (焊料覆盖大于50%)
Wire Bonding 金线焊接
(焊点、高度、弧度)
Cap Weld 封盖焊接 (焊带、接缝、位置)
Laser Welding
激光焊接
(位置、裂纹、接合、颜色)
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TOSA测试原理简介
L-I Curve TOSA输出光功率与驱 动电流间的曲线特性
• 监控光电二极管(MD)特性
¾ 背光电流(Im): 额定输出光功率时监控光电二极管输出电流。(uA) ¾ 监控光电二极管暗电流(Id): 在额定反偏电压下监控光电二极管输出电流。(nA) ¾ 跟踪误差(TE): 衡量输出光功率在规定工作温度范围内稳定性。(dB)
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查阅数据表单-TOSA
单纵模
2011-3-27 Wavelength
中心波长：1310nm, 1550nm 光谱宽度：1~2nm 发射模式：单横模，多纵模
中心波长：1310nm, 1550nm 光谱宽度：<0.1nm 发射模式：单纵模
中心波长：850nm 光谱宽度：<1nm 发射模式：单纵模
13
Power
LD基本工作原理-激光器的偏置与调制
TOSA分类
工作波长 芯片类型
850nm
VCSEL
1310nm 1550nm 850nm 1310nm 1550nm 850nm 1310nm 1550nm
1270~1610nm
1563.05~ 1528.77nm
850nm 1310nm 1550nm
FP/DFB VCSEL FP/DFB VCSEL FP/DFB FP/DFB
• E2入射光 hf = E2 - E1
E1
E2
•
E1
•受激辐射光
hf = E2 - E1
受激辐射产生的过程
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增益/损耗
f1
f0
f2 频率(Hz)
增益介质的增益函数曲线
8
LD基本工作原理-激光产生的基本条件(2)
• 粒子数反转与激励源： – 实现粒子数反转的两种形式
三能级 体系
E3 E2
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
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通信网络：
这些器件用在哪？
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5
缩略语
• TOSA: Transmitting Optical Sub-Assembly, 光发射组件
光
VCSEL Laser Diode
金属(正极)
λ/4
布拉格 反射器
带量子阱的激活区
2011-3-27
λ/4
金属(负极)
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LD基本工作原理-三种的LD的主要特性与区别
Power
Power
FP Spectrum 单横模 多纵模
Wavelength DFB Spectrum 单纵模
Wavelength VCSEL Spectrum
发送接收 波分复用 增益放大 开关交换 系统管理
• 信号激光器 • 光调制器 • 光电探测器 • 锁波器 • 光发送摸块 • 光接收摸块 • 光收发摸块
• 薄膜滤波器 • 光纤光柵 • 列阵波导光柵 • 全息光柵 • 光环行器 • 光交错复用器 • 分波/合波摸
块
• 光纤放大器 • 光隔离器 • 分路耦合器 • 泵浦激光器 • 光增益平衡器 • 光衰减器 • 半导体光放大
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TOSA基本结构
Header PD Chip LD Chip Fiber Stub Split Sleeve
To-Can
SiOB Lens Window-cap Isolator Z-Bushing Receptacle
LD Submount LD Chip
Header+SiOB+LD Chip+PD Chip+Cap =To-Can
Submount 贴LD&PD芯片到
陶瓷片上
Die Mount COC To Header
贴COC到Header
Wire Bonding 金线焊接
Visual Inspection 贴片、金线目检
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TOSA生产工艺流程
Tack Weld 预封盖焊接
Cap Weld 封盖焊接
Weld Inspection 封盖目检
+
V-I Curve TOSA激光二极管电压
与驱动电流间的曲线特 特性
+
M-I Curve TOSA监控光电二极管
电流与驱动电流间的曲 线特性
+
Optical Spectrum TOSA光谱特性
Programmable
Laser Power Supply 可编程激光电流源
Source Meter Unit 电压电流源
• GBE: Gigabit Ethernet, 千兆以太网
• WDM: Wave Division Multiplexing, 波分复用
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6
LD基本工作原理-光的自发辐射与受激辐射
E2
•
E2 入射光 hf = E2 - E1
• E2 入射光 hf = E2 - E1
E1
E1
•
E1
• APD: Avalanche Photo-Diode, 雪崩光电二极管
• TIA: Transimpedance Amplifier, 跨阻放大器
• SDH: Synchronous Digital Hierarchy, 同步数字体系
• SONET: Synchronous Optical Network, 光同步网络
R1
Z=0
注入电流
有源区 (增益介质)
P
激光发射
N
反射镜面
(解理面)
R2
Z=L
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LD基本工作原理-激光产生的基本条件(4)
• 阈值条件：
¾ 由于谐振腔中存在损耗及通过反射镜子的光辐射，受激辐射产生的光 子将不断消耗。只有当增益等于或超过总损耗时，才能建立起稳定的 振荡，这一临界增益称为阈值增益。为达到阈值增益所需的注入电流 称为阈值电流。
数字调制
模拟调制
P(mW) P(mW)
输出光脉冲
Po Po
Ith
Ib
Im
If(mA) 逻辑1 逻辑0
输入电脉冲
Io=Ib+Im Po=η(Ib+Im-Ith)/2
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输出光脉冲
Ith Ib
If(mA)
输入电信号 Im
Io=Ib+Im Po=η(Ib-Ith)
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LD基本工作原理-TOSA结构等效图
Laser Marking 激光打标
Align & Laser Welding
耦合及激光焊接 Inspection Of
Weld Spot 焊点检查
TC Screening TC老化筛选
Final Test 终测
Final Inspection 外观检查
Package 包装
End
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TOSA关键工艺简介
光纤通信用光器件介绍
主要内容
• 光纤通信系统 • 缩略语 • LD的基本工作原理及其关键性能指标 • TOSA分类及其基本结构 • TOSA生产工艺 • TOSA测试原理 • PD的基本工作原理及其关键性能指标 • ROSA的分类及基本结构 • ROSA的生产工艺 • ROSA测试原理 • TOSA/ROSA常见问题 • BOSA - 单纤双向应用