波导光学5-集成光无源器件
光无源器件研究报告
光无源器件研究报告近年来，随着通信技术的快速发展，人们对光通信技术的研究和应用越来越广泛。
而光无源器件作为光通信系统中重要的组成部分，对于提高光通信的性能和稳定性具有重要的意义。
本文将介绍光无源器件的研究现状和发展趋势。
一、光无源器件的定义和分类光无源器件是指无需外部能量输入即可实现光信号处理的元器件。
它不需要任何电、磁或化学能量的输入，只需要利用光本身的特性完成光信号的处理。
光无源器件广泛应用于光通信、光存储、光计算等领域。
根据不同的工作原理，光无源器件可以分为几种类型，如：1. 光纤光纤是一种将光信号传输到目的地的无源设备。
光纤具有低损耗、高速率和抗电磁干扰等特点，因此它广泛应用于光通信系统中。
一般来讲，光纤可分为单模光纤和多模光纤两种。
其中，单模光纤适合远距离传输，而多模光纤适合短距离传输。
2. 光栅光栅是一种将光信号进行处理的器件。
它通常由一系列的反射棱镜组成，可以用来扩展、稳定和调制光信号。
光栅广泛应用于激光系统、治疗仪器和光谱仪等领域。
3. 光衰减器光衰减器是一种可以调节光的强度的器件。
它可用来控制光信号的输出功率，从而保证通信系统的正常运行。
光衰减器通常由气体、固体材料或半导体材料构成。
4. 光开关光开关是一种可以控制光线的传输路径的器件。
它通过调节光的传输路径来进行光信号的切换和路由。
光开关广泛应用于网络通信、光计算和光传感器等领域。
近年来，随着通信技术的快速发展，人们对光无源器件的研究越来越深入。
目前，研究人员主要关注以下几个方面：1. 新型光无源器件的研发为了提高光通信系统的性能和稳定性，研究人员一直在努力研发新型的光无源器件。
这些新型器件具有更高的灵敏度、更低的损耗和更广泛的应用范围，并且可以适应不同的光通信需求。
除了研发新型器件之外，研究人员还在努力优化现有的光无源器件。
通过改进设备的结构和材料，研究人员可以提高器件的性能和工作效率，并提高器件的可靠性和稳定性。
随着通信设备越来越小、越来越便携，研究人员也在努力实现光无源器件的集成化。
光无源器件介绍范文
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。
光无源器件技术知识点总结
参考书籍：《光无源器件》 林学煌 编著 人民邮电大学1 光纤连接器：接续为永久性和活动性两种方式，基本上是采用某种机械或光学结构使两根光纤的纤芯对准。
永久性接续大多采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现，活动性接续一般采用活动连接器。
1．1连接器主要指标：插入损耗、回波损耗、谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等，其中最重要的为插入损耗和回波损耗，对于活动光纤连接器还有重复性和互换性（4种）。
A ．插入损耗是指光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的分贝数。
表达式：)(lg 1001dB P P I L -= 式中0p 为输入端光功率，1P 为输出端光功率。
插损越小越好，ITU 建议应不大于0．5dB 。
对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过稳模器以滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，以准确衡量连接器插损。
B ．回波损耗：又称为后向反射损耗，用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输入光功率的份额。
影响会引起激光器相对强度噪声、非线性啁啾及激射漂移等，使通信系统性能恶化，具体表示为光纤连接处后向反射光对输入光的比率的分贝数。
)(lg 100L dB P p R r -=式中，0P 为输入端光功率，r p 为后向反射光功率。
回损越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响，其典型值初期要求应不小于25dB ，现要求不小于38dB 。
C ．重复性和互换性：重复性是指光纤(光缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用dB 表示。
互换性是表征连接器插头与转换器两部分任意互换或有条件互换的性能指标，也用dB 表示。
一般要求互换连接器的附加损耗应限制在小于0．2dB 的范围内。
A.1影响插入损耗的各种因素: a ．纤芯错位损耗：由于纤芯横向错位引起的损耗。
b ．光纤倾斜损耗：由于两光纤轴线的角度倾斜而引起的在连接处的光功率损耗。
c ．端面间隙损耗：由于光纤连接端面处存在间隙Z 而引起的损耗。
光通信：第04章常用光无源器
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。
《光无源器件》课件
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目录 /目录
01
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04
光无源器件的 应用场景
02
光无源器件概 述
05
光无源器件的 市场分析
03
光无源器件的 原理与技术
06
光无源器件的 挑战与前景
01 添加章节标题
02 光无源器件概述
性能参数
光功率：表示光无源器件的输出光功率 光损耗：表示光无源器件的损耗程度 光隔离度：表示光无源器件的隔离性能 光稳定性：表示光无源器件的稳定性能
0应用
光纤通信：光无源 器件在光纤通信系 统中的应用广泛， 如光纤耦合器、光 纤分路器等。
光传输系统：光无 源器件在光传输系 统中的应用，如光 放大器、光调制器 等。
定义与分类
光无源器件：指在光通信系统中，不需 要外部电源即可工作的器件
分类：根据功能不同，可以分为光分路 器、光隔离器、光耦合器等
光分路器：用于将光信号分成多路，实 现光信号的分配和复用
光隔离器：用于防止光信号的反射和回 波，保证光信号的传输质量
光耦合器：用于将光信号从一个光纤传 输到另一个光纤，实现光信号的耦合和 分离
市场需求：光无源器件的市场需求尚未完全打开，需要加大市场推广力度 政策支持：政府对光无源器件产业的政策支持力度有待加强，需要争取更 多的政策支持
技术创新与突破方向
提高光无源器件的性能和稳定 性
降低光无源器件的成本和功耗
开发新型光无源器件，如光子 晶体、光子集成电路等
研究光无源器件在5G、物联网、 人工智能等领域的应用
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光无源器件常见问题解答
光无源器件常见问题解答[光迅科技]什么叫光无源器件?光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能够完成某种光学功能的光学元器件，其工作原理遵守几何光学理论和物理光学理论，各项技术指标、各种计算公式和各种测试方法与纤维光学和集成光学息息相关。
光无源器件如何分类?光无源器件可根据其制作工艺和所具备的功能进行分类。
光无源器件根据不同的制作工艺可分为纤维光学无源器件和集成光学无源器件；光无源器件按其具备的不同功能可分为光连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔离器件、光开关器件、光调制器件等等。
评价光无源器件有哪些主要技术指标?评价光无源器件的主要技术指标包括：插入损耗、反射损耗、工作带宽、带内起伏、功率分配误差、波长隔离度、信道隔离度、信道宽度、消光比、开关速度、调制速度等等。
不同的器件要求有不同性质的技术指标。
但是，绝大多数的光无源器件都要求插入损耗低、反射损耗高、工作带宽宽等。
如何评价光无源器件的可靠性?评价光无源器件的可靠性是依据光无源器件的性能在高温、低温、高低温循环、冲击、振动、高温老化、湿度、盐雾等环境条件下的变化状况。
根据相关标准要求的各种环境条件下，光无源器件的各项光学技术指标的变化越小，其可靠性越高。
何谓掺铒光纤放大器?掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier ，缩写为EDFA)是90年代开始在光纤传输系统中应用的新型器件，它的推广应用为光纤通信技术带来了一场革命。
掺铒光纤主要在1.55um波段的应用的有源光纤的研究基础上发展起来的。
前期的工作是研究光纤激光器和研究掺稀土元素光纤，后来发现了在光纤中掺铒元素能够实现放大的作用，其工作波长对应于光纤的1.55um传输波长，人们用掺铒光纤制作成功掺铒光纤放大器。
何谓CATV用掺铒光纤放大器？它的应用状况如何？在近几年来，光纤CATV系统特别是1500nm光纤CATV系统包括模拟系统和数字系统在我们国家迅速发展，掺铒光纤放大器在光纤CATV系统中也得到了广泛应用。
光无源器件原理与实验
光无源器件原理与实验光纤是一种光无源器件，它由一种具有相对较高折射率的芯部和一种具有较低折射率的包层组成。
光纤的原理是通过光在高折射率的芯部中的全反射，实现对光信号的传输。
光纤可以实现长距离的光信号传输，具有低损耗、大带宽等优点，在通信和光学传感领域得到了广泛应用。
衍射光栅是另一种光无源器件，它是一种用于分光和光谱分析的重要元件。
衍射光栅的原理是基于光波在光栅的周期性结构上产生衍射，从而实现对不同频率光的分散。
光栅的间距和结构决定了分光的波长范围和分辨率。
衍射光栅广泛应用于光谱仪、激光器和光通信设备等领域。
光栅耦合器是一种用于实现光纤与光波导之间能量传输和耦合的器件。
它利用光在光波导和光纤之间的耦合效应，将输入的光信号有效地耦合到输出的光波导中。
光栅耦合器的原理是通过在光波导中制作周期性的折射率变化，实现对光信号的散射和耦合。
光栅耦合器在集成光学芯片、光通信和光数据处理等领域得到了广泛应用。
光波导是一种用于实现光信号传输和调制的光无源器件。
它由具有较高折射率的光波导芯片和具有较低折射率的包层构成。
光波导的原理是通过光波在光波导芯片中的传播实现对光信号的传输和调制。
光波导可以根据其结构和材料的不同，实现对光波的分导、合并和调制等功能。
光波导广泛应用于光通信、光传感和集成光学芯片等领域。
实验上，研究光无源器件的原理和性能可以采用多种方法。
例如，使用光纤传输系统可以实现对光纤传输性能的测量和优化。
利用干涉仪等实验装置可以研究衍射光栅的性质和应用。
通过光栅耦合器的制作和测试可以了解其耦合效率和性能特点。
利用微纳加工技术可以制备光波导芯片，并通过波导损耗测试和光调制实验等方法研究其性能和特性。
综上所述，光无源器件是利用光学原理实现光传输、分光、耦合和调制等功能的重要器件。
研究光无源器件的原理和实验有助于深入了解和优化其性能，为光通信、光传感和集成光学芯片等领域的应用提供技术支持。
十常见光无源器件制作工艺
十常见光无源器件制作工艺光无源器件，也被称为光波导器件或光学器件，是光通信领域中至关重要的组成部分。
光无源器件主要包括光纤、光耦合器、分束器、滤波器、波长分复用器等。
这些器件在光通信系统中起到了传输、分配、滤波等关键作用。
下面将介绍光无源器件制作的一般工艺流程。
1.光纤制作工艺光纤是光通信系统中最基础的无源器件。
光纤的制作工艺主要包括：预制棒拉制法、外气流法、内气流法和PCVD法。
其中，最常用的方法是PCVD法（Plasma Chemical Vapor Deposition），即等离子体化学气相沉积法。
PCVD法利用预制的石英玻璃作为基材，将基材放入反应室中，在高温下加入反应气体，通过化学反应和热反应生成二氧化硅，从而在玻璃表面形成纳米级别的光纤芯。
然后通过拉伸和涂覆等工艺，制作出具有高纯度、低损耗的光纤。
2.光耦合器制作工艺光耦合器用于将光信号从一个光波导传输到另一个光波导，是光通信系统中常见的无源器件。
光耦合器的制作工艺主要包括：硅基法、焕射损耗法和金属/微透镜法等。
其中，硅基法是最常见的制作工艺。
硅基法利用硅基材料作为基底，通过刻蚀技术制作出光波导结构，再利用电子束光刻技术和离子束刻蚀技术进行微结构的制作。
通过这些工艺步骤，可以实现光耦合器的制作。
3.分束器制作工艺分束器是将入射的光信号等比例地分离到不同的输出通道中的器件。
分束器的制作工艺主要包括：多模段法、多波长法、光纤法等。
其中，多模段法是最常用的制作工艺。
多模段法利用光波导的多模特性，通过调整光波导的宽度和长度等参数，实现光信号的分束效果。
此外，多波长法则是利用不同波长的光信号在光波导中的传输特性差异，实现光信号的分束。
4.滤波器制作工艺滤波器用于选择性地传输特定波长的光信号，常用于光通信系统中的波分复用和波长切换。
滤波器的制作工艺主要包括：干涉滤波器法、光波导滤波器法等。
干涉滤波器法利用光的干涉效应，通过将不同波长的光信号引入波导滤波器中，通过干涉效应来实现波长选择性的滤波。
光无源器件
激光雷达中的应用
激光准直器
用于激光雷达的发射端，将激光束准直为平行光，以提高激光雷 达的测量精度和距离。
光学滤波器
用于滤除激光雷达接收端中的背景光和干扰光，提高信噪比和探 测灵敏度。
光电探测器
将激光雷达接收到的光信号转换为电信号，以便进行后续的信号 处理和分析。
其他领域的应用
1 2 3
光学仪器
光无源器件可用于显微镜、望远镜、光谱仪等光 学仪器中，以改善成像质量、提高分辨率或实现 特定功能。
光无源器件
汇报人：XX
目 录
• 光无源器件概述 • 光无源器件原理及技术 • 常见光无源器件介绍 • 光无源器件性能指标及测试方法 • 光无源器件应用案例分析 • 光无源器件市场前景及挑战
01 光无源器件概述
定义与分类
定义
光无源器件是光通信系统中的重要组 成部分，用于实现光信号的传输、分 配、耦合、隔离、滤波等功能，而无 需外部能源驱动。
距离和接收灵敏度的要求。
传感领域的应用
光纤光栅传感器
01
利用光纤光栅的波长选择性反射特性，实现对温度、压力、应
变等物理量的测量。
光纤陀螺仪
02
基于萨格纳克效应，利用光纤环中的两束反向传播的光波干涉
来测量旋转角速度。
分布式光纤传感器
03
通过测量光纤中后向散射光的强度和时间变化，实现对温度、
应变等物理量的分布式测量。
场景。
行业法规政策影响因素
1
国家对光通信产业的支持力度不断加大，相关法 规政策逐步完善，为光无源器件市场发展提供了 有力保障。
2
随着全球环保意识的提高，环保法规对光无源器 件的生产和使用提出了更高要求，推动行业向绿 色、环保方向发展。
无源器件
P2 Pin sin 2 (cz)
P1 Pin P2 Pin cos2 (cz)
式中c为耦合系数
其中d为两光纤耦合区中的纤芯距离，K0、K1为第二类零阶和一阶的贝塞尔函 数。 当波长固定时，可以通过改变W等参数来制作不同性能的耦合器。
Wd ) U2 a c 2n1 a 2V 2 K 12 (W ) K0 (
分路器 4 1
合路器 (a) 3端口耦合器
3 (b) 4端口耦合器
λ 1＋λ λ
2
2
1
λ
M
2
N
λ λ
1
λ 1＋λ
2
(c) 星形耦合器
2
(d) 3波分复用器
2. 工作原理 2×2耦合器
光纤耦合器结构和原理
将两根单模光纤扭绞在一起，然后加热并拉伸，使它在长为W的距离内均匀熔 融以形成耦合器。在耦合区，纤芯直径变小，归一化频率下降，V值越小模场 直径越大，也即模场超过光纤直径的部分越多。这样，一个光模式的更多部分 在耦合区的包层部分传播，然后被耦合到另一根光纤的纤芯中。 从一根光纤耦合到另一根光纤的光功率取决于耦合区内两个纤芯之间的距 离、两个纤芯直径和工作波长，并与耦合区的长度有关。 Pin是输入功率，P1称为直通功率，P2是耦合到第二根光纤中的功率，P3、 P4是由于耦合器弯曲和封装而产生的反射和散射功率。假设耦合器是无损耗的， 因为P3、P4的比例很小，在此也忽略掉，则耦合功率和直通功率分别可表示为
f F P
c 1 R 2nL R
F-P滤波器的精细度,反映滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差。
F
FSR R f F P 1 R
平行镜
平行镜
TFPF
光无源器件(第8章)
4/18/2020
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1
概述
简介
• 是一种光学元器件 • 工艺原理遵循光学的基本原理，即光线理论
以及电磁波理论 • 光通信设备的重要组成部分 • 工艺涉及多种加工工艺，特别复杂
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2
概述
光无源器件主要分为以下几种
1. 光纤准直器（Fiber Collimators ） 2. 光纤连接器（Connector） 3. 光耦合器件（Coupler） 4. 光衰减器（Attenuator） 5. 光隔离器（Isolator） 6. 光波分复用器（WDM） 7. 偏振光合波器（PBC） 8. 光开关(Switch) 9. 光环形器（Circulator）
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12
连接器（Connector）
2. 连接器（Connector）
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13
连接器（Connector）
基本原理
光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学机 构，是两根光纤的纤心对准，保证90％以上的光 可以通过。
光纤连接器是光学元器件中的基础元件，除了实 现光纤之间的连接外，它还具有将光纤光缆、有 源器件、其他无源器件、系统与仪表实现连接的 功能。
种类
• C-Lens光纤准直器: Cylindrical-Lens,球端面透镜技术准直器 • G-Lens光纤准直器: Grin Lens,斜端面折射率径向渐变技术准直器
C-Lens 可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比G-Lens 改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而在普通应 用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在Filter 型WDM 中，需 要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens端面为平面易于贴片。
光无源器件概述
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
十常见光无源器件制作工艺
十常见光无源器件制作工艺常见光无源器件制作工艺：光无源器件是指利用光学材料、结构和工艺来制造的无源元件，如光纤、光波导和光栅等。
这些器件不需要外部电能供给，能够在光的作用下实现特定的光学功能。
光无源器件具有体积小、重量轻、传输速度快、抗干扰能力强等优点，在通信、传感和光学计量等领域得到了广泛应用。
1.光纤制备技术：（1）预制棒拉丝法：首先将光纤芯棒制作成预定的形状和尺寸，然后用预制棒拉丝机将其加热并逐渐拉伸，形成预制光纤。
拉丝温度和拉伸速度的控制是关键，以保证光纤的质量。
（2）气相法：将有机金属化合物气体送入石英管中，经过热分解和化学反应生成光纤材料，最后通过气相催化沉积方法使得光纤材料沉积在石英管壁上。
（3）浸渍法：将预制的石英管浸入液态光纤材料中，通过浸渍和取出石英管的循环处理，使光纤材料沉积在石英管壁上。
2.光波导制备技术：（1）直写法：利用激光束通过透镜系统将光聚焦在光波导材料表面，对光波导结构进行直接写入。
直写可以实现复杂的光波导结构，并且不需要掩膜，制备过程简洁方便。
（2）离子交换法：将离子溶液浸渍到基底上，通过离子交换反应使离子置换到基底中的离子位置，从而形成光波导结构。
（3）光栅法：利用光栅对光波导进行调制，形成光波导的参数周期性变化，从而实现光波导结构的制备。
3.光栅制备技术：（1）光刻法：在光硬化的光刻胶上，利用掩膜对光刻胶进行曝光，然后进行显影和退火等步骤，最后得到光栅结构。
（2）干涉法：利用干涉光束对光敏材料进行曝光，形成亚波长的光栅结构，然后进行显影和退火等处理。
（3）激光直接写入法：利用激光束直接写入光敏材料，通过调节激光能量和扫描速度等参数，形成光栅结构。
以上是常见光无源器件制作工艺的介绍。
不同类型的光无源器件有各自的制作技术和工艺流程，但都离不开对光学材料和光学结构的加工和处理。
随着技术的不断进步，相信光无源器件的制作工艺将不断完善，为光电通信和光学应用领域带来更多的创新和发展。
成都工业学院电子科学与技术集成光学复习资料
第一章概论1.1集成光学的概念集成光学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。
1.2集成光学的特点离散光学元件系统的缺点：体积和重量大、稳定性差和光束的调准困难。
集成光学系统的优点：①光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量②集成化带来的稳固定位。
对振动和温度等环境因素的适应性比较强，最大优点。
③器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。
④功率密度高。
⑤体积小、重量轻。
集成光路代替集成电路的优点：1.带宽增加；2.光子器件中光子运动速度比电子器件中运动速度高得多，且没有导线电容和电感对频率的限制；3.实现“波分多路复用”；4.实现多路开关；5.尺寸小，重量轻，功耗小6.成批制备经济性好，可靠性高。
7.降低成本（制造、应用、维护、升级）1.4 研究集成光学的意义（开放题）1.信息光电子技术改变着人类的生存和发展方式，在未来的信息社会中必将扮演重要的角色，成为21世纪的基石和支柱之一。
2.信息光电子技术也是保障国防安全的核心技术之一。
3.光电子技术在信息领域的应用中迅速发展且有独特的优势。
4.集成光学集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势，将传统的由分立器件构成的庞大的光学系统变革为集成光学系统。
5.集成光学系统作为现代光电子学的一个重要分支，研究集成光学十分重要。
第二章平面介质光波导和耦合模理论用于集成光学中的光波导根据结构分为平板波导和条形波导。
平面波导（仅在x方向具有折射率差）条形光波导（在x、y方向上限制光场）平板波导由三层介质构成：波导层：中间层，介质折射率n1最大覆盖层：上包层，折射率n3＜n1衬底层：下包层，折射率n2＜n1。
n2=n3，称为对称型平板波导。
反之，称为非对称型波导。
在集成光学中使用的最多的是埋入型波导。
第三章-光无源器件
裸光纤转接器（Bare Fiber Adaptor ）：将裸光纤与光 源、探测器以及各类光仪表进行连接的器件。
光纤（缆）活动连接器：习惯上是指两个连接器插头加 一个转换器。
活动连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连 接的器件，活动连接器件是光纤通信领域 最基本、应用最广泛的无源器件，用于：
研磨抛光法
熔融拉锥法：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。
输入臂 背向散射臂
熔融拉锥法
4直通臂 3耦合臂
下图可用来定性地表示熔融拉锥型光纤耦合器的 工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发 生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续 传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。
ST型插头：由AT&T公司开发，采用带键的卡 口式锁紧结构，确保连接时准确对准。
•“Jumper cables” to connect devices and instruments
•“Adapter cables” to connect interfaces using different connector styles
光路 旋转轴
光路 旋转轴
为了减小反射光，衰减片与光轴可以倾 斜放置。
光纤
自 聚 焦 透镜
衰减 器
光衰减器的主要技术要求是： 高的衰减精度
好的衰减重复性
低的原始插损
一．光纤定向耦合器 ——简称光纤耦合器
光纤光耦合器的功能：
把一个输入的光信号功率分配给多个输 出，或把多个输入的光信号功率组合成 一个输出。这种光耦合器与波长无关。
光纤通信技术第五章光无源器件(1)汇总
（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。
《集成光波导》课件
测试设备
插入损耗
指集成光波导传输过程中产生的光功率损耗，是评估光波导性能的重要参数。
带宽
指集成光波导传输光谱的范围，是衡量光波导传输性能的重要指标。
偏振相关损耗
指集成光波导对不同偏振态光波的损耗差异，是评估光波导性能的重要参数。
弯曲损耗
指集成光波导弯曲时产生的光功率损耗，是评估光波导性能的重要参数。
将未反应的光敏材料去除，留下光波导结构。
硬化
使光波导结构更加稳定和坚固。
检测
对制造完成的光波导进行检测，确保其性能符合要求。
04
CHAPTER
集成光波导的性能测试与评估
包括光谱分析仪、光功率计、光波长计等，用于测量集成光波导的传输光谱、功率和波长等参数。
采用透射或反射方式，对集成光波导进行测试，获取其传输性能数据。
集成光波导是一种特殊的光波导结构，它可以将光波限制在微小的空间范围内，实现光波的传输和控制。与传统的光纤相比，集成光波导具有更高的集成度，更低的传输损耗，并且可以与微电子器件实现无缝集成。这些特点使得集成光波导在光通信、光学传感、光计算等领域具有广泛的应用前景。
详细描述
集成光波导在光通信、光学传感、光计算等领域具有广泛的应用。
集成光波导是一种将光波导集成在硅基材料上的微型光学器件。
通过在硅基材料上刻蚀出特定的形状和结构，可以形成具有特定功能的光波导器件，如光调制器、光开关、光滤波器等。
通过优化设计，可以提高集成光波导的传输效率、减小损耗、提高器件的稳定性和可靠性。
常用的设计方法包括物理光学法、传输矩阵法、有限元法等，可以根据具体需求选择合适的设计方法。
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目录
集成光波导概述集成光波导的基本原理集成光波导的制造工艺集成光波导的性能测试与评估集成光波导的应用案例集成光波导的未来展望与挑战
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多模干涉耦合器(MMI)
Multimode Section
Input Waveguide
Output Waveguides
➢ 由输入输出波导及多模干涉区组成;
➢ 与方向耦合器，Y分支，星型耦合器等相比，具有结构紧凑、易于制 作、损耗小、制作容差性好、偏振相关性小等优点;
➢ 已经在功分器，光开关，上下路器，波分复用器件，环形激光器等器 件中得到了广泛应用.
19
定向耦合器
两根同样波导的耦合：
1
1’
2
L
2’
E1 E2
' '
cos j sin
j sin E1
cos
E2
E1 E2
其中 KL.
对一个3dB耦合器来说， cos2 1/ 2
cos j sin
j sin cos
2 1
2
j
j 1
当 E2 0 时有:
E1 E2
8
波导型透镜
• 模折射率透镜(Mode Index Lens) • 短程透镜(Geodesic Lens) • 微透镜(MicroLens)
9
模折射率透镜(Mode Index Lens)
• 将传统的体型透镜平面化，在光波导上作 出圆形或者圆弧形的折射率分布曲线
•
10
短程透镜
• 将衬底（玻璃， LiNbO3）加工成曲 面，再在其表面形 成波导层制作成短 程透镜
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器 光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
2
光有源和无源器件
光电子器件类型（通信）
按是否需要外加能源驱动工作分： 光有源器件 光无源器件
3
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(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
11
微透镜
✓ 单个透镜的直径小，透镜密度高， 可实现信息的大容量，多通道并行 处理。因此，在光传感、光计算、 光纤通信及其它光电子器件中获得 了重要的应用。
对光源、探测器实现光束的耦合、 准直、扩束、汇聚等功能
12
微透镜
扩散法： 熔融盐槽中的金属离 子经过掩膜扩散以置 换玻璃中的不同金属 离子，形成球形变化 的折射率分布
• 微器件型 • 透镜、反射镜、棱镜等 • 分立光学元件
• 集成型
• 采用类似于半导体集成电路
• 的方法，把光学元件集成到同一块芯片上的集成
光路
7
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件 • 波导透镜 • Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 • MZ干涉仪 • 环形谐振腔 • 阵列波导光栅 • 光隔离器与环形器
23
多模干涉耦合器
• 对于输入场 E(x, z) ，我们可以将其分解成多模区 所有模场的和 (正交且完备)
E(x, z) AmE(m) (x) exp[ jm z]
m
Am
E(x) Em* (x)dx Em* (x) Em* (x)dx
• 那么在多模区 z 处的场就可以表相示位成因子Φ
E(x, z)
4
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
15
Y分支光功率分配器模块
光纤 输入光
输入波导
PLC芯片 光纤阵列
锥形波导 弯曲波导 输出波导
R S
输出光 D=250 μm
输出光
16
Y分支的级联
(a) 树形级联方式
(b) Sparkler方式
17
Y分支功分器
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第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件 • 波导透镜 • Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 • MZ干涉仪 • 环形谐振腔 • 阵列波导光栅 • 光隔离器与环形器
集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件 • 波导透镜 • Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 • MZ干涉仪 • 环形谐振腔 • 阵列波导光栅 • 光隔离器与环形器
1
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
m
AmE(m) (x) exp[ j m 0 z]
m
Am E(m) (x) exp[
' '
2 2
1
j
E1
相位差=Pi/2
20
定向耦合器的缺点
• 如果需要较强的耦合，两根波导的间隔g0 需要很小，增加了加工制作的难度。
• 输出响应随波长变化明显。 • 输出响应随结构参数的变化明显。
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第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件 • 波导透镜 • Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 • MZ干涉仪 • 环形谐振腔 • 阵列波导光栅 • 光隔离器与环形器
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第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件 • 波导透镜 • Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 • MZ干涉仪 • 环形谐振腔 • 阵列波导光栅 • 光隔离器与环形器
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输入波导
Y分支
锥形波导
输出波导
在分支区域之前的锥形部分（过渡区）平滑地将单模直波 导展宽，从而增大光波导本征模式的宽度以减小和输出波 导之间的耦合损耗。 对称型Y分支：两个分支臂具有相同的光传输特性，相同的 材料结构和相同的波导宽度，实现3dB耦合器功能。 非对称型Y分支：分支臂波导宽度不等，通过调整分支角或 者臂的宽度调节功分比，还可以通过电光、热光等效应调 节其中一个臂的折射率，实现分光比的可调谐。
5
光无源器件
• 光无源器件是一种不 必借助外部的任何光 或电的能量，由自身 能够完成某种光学功 能的光学元器件。
• 其工作原理遵守几何 光学和物理光学基本 理论，各项技术指标、 各种计算公式和各种 测试方法与器 波分复用器
光无源器件的分类
• 光纤型 • 熔融拉锥功分器、光纤光栅