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光无源器件120问光无源器件120问 2011年01月23日光无源器件120问 一、基本知识 1 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。 2 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。 3 光无源器件有哪些关键工艺及技术？ 光无源器件的制作工艺十分复杂，涉及到许多不同的工艺技术。每一种光无源器件的制作工艺又各不相同，自成体系。这些技术涉及到精密机械加工、成型工艺、精密光学对中、精密光学加工、激光加工、半导体加工和器件封装等。每一种光无源器件的制作往往涉及各项高、精、尖工艺技术。光无源器件的优劣、性能指标的好坏与工艺技术密切相关。 4 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。 5 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。 二、光纤光缆活动连接器 6. 什么是光纤光缆活动连接器？ 光纤光缆活动连接器是连接两根光纤光缆形成连续光通路且可以重复装拆的无源器件；它还具有将光纤光缆与有源器件，光纤光缆与其他无源器件，光纤光缆与系统和仪表进行活动连接的功能。 7. 光纤光缆活动连接器通常由哪几部分组成？ 按功能分为如下几个部分： 连接器插头 （Plug Connector） 光缆跳线 （Jumper Cable） 适配器 （Adaptor） 转换器 （Converter） 裸纤转接器 （Bare Fiber Adaptor） 在我国，一套光纤光缆活动连接器习惯上指两个连接器插头加上一个适配器。 8. 光纤光缆活动连接器常用的有那些种类？ 按结构来分，可分为调心型和非调心型； 按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式； 按光纤相互接触关系可分为平面接触式和球面接触式等。 其中使用最多的是非调心对接耦合式光纤活动连接器，如平面对接式 (FC型)，直接接触式（PC型）和矩形 (SC型) 光纤活动连接器等。 9. 光纤光缆跳线与尾纤有何区别？ 将一根光纤光缆的两头装上同一种连接器插头，称为跳线；而尾纤是指在一根光纤光缆的一头装上连接器插头。 10. 什么叫转换器？ 能将两种不同型号的光纤光缆插头连接在一起，并使光纤连通良好的器件称为转换器（Converter）。 11. 什么叫适配器？ 能将相同型号的光纤光缆插头连接在一起，并使光纤接通良好的器件称为适配器。 12. 什么叫光纤光缆桥接线？ 所谓光纤光缆桥接线，是指一根光纤光缆的两头装上不同型号的连接器插头，构成一种特殊的光纤光缆跳线。 13. 什么叫裸纤转接器？ 能将裸光纤与光源、探测器、各类光仪表以及各种带有插座的光有源、无源器件进行良好连接的器件，称为裸纤转接器(Bare Fiber Adaptor)。 14. FC，PC，APC的区别何在？ FC连接器所连接的两光纤处于平面接触状态，端面间不免有小量的空气缝隙。哪怕缝隙很小，在石英玻璃与空气之间也会产生菲涅耳反射，反射光回射到激光器会引起额外的噪声和波形失真。PC连接器把插针套管端面抛磨成凸球面，使被连接的两光纤端面直接接触，实现PC(物理接触)结构。APC与PC连接器都同属物理接触结构，它们的区别是前者把插针套管端面抛磨成斜球面。 15. 光纤光缆活动连接器有那些主要技术指标？ 评价连接器的指标有插入损耗，重复性，互换性，回波损耗，使用寿命（即允许的插拨次数），温度使用范围以及各种环境试验数据等，最主要的是前4项指标。 16. 光纤光缆活动连接器的插入损耗和回波损耗是怎样计算和测量的？ (一) 插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为： IL 10log(P1P0)(dB) 其中 P0输入端的光功率 P1输出端的光功率 测量方法是用光功率计分别测量并记录P0、P1，然后代入公式计算出IL。 （二）回波损耗指在光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数，表达式为： RL 10log(PrP0)(dB) 其中 P0输入光功率 Pr后向反射光功率 要测量回波损耗RL，需要测出输入端的光功率P0和后向反射光功率Pr，并根据公式计算出RL。 17. 什么是光纤带光缆扇出活动连接器？ 这是应用于带状光缆的活动连接器，是近年来迅速发展的一个连接器品种，它具有体积小，重量轻，密集度高，稳定性好等优点，一般采用注塑成型，具有较低的插入损耗。 18. 什么是光纤光缆活动连接器的重复性？ 重复性是指同一对插头，在同一只适配器中多次插拨之后，其插入损耗的变化范围。单位用dB表示。 19. 什么是光纤光缆活动连接器的互换性？ 互换性是指不同插头之间，或者不同适配器任意置换之后，其插入损耗的变化范围。 20. 单模，多模和数据光纤光缆活动连接器的区别何在？ 单模光纤光缆活动连接器的光纤光缆是单模的(光纤芯径为9m），应用于单模光纤光缆系统； 多模光纤光缆活动连接器的光纤光缆是多模的(光纤芯径为50m）, 应用于多模光纤光缆系统； 数据光纤光缆活动连接器的光纤光缆是数据光纤光缆(光纤芯径为62.5m）, 应用于数据光纤光缆系统。 三、光衰减器 21何谓光衰减器？光衰减器主要有那些类型？ 光衰减器是能对光功率进行一定量衰减的器件。 光衰减器的主要类型分为： 连续可变光衰减器 a 光可变衰减器 分档可变光衰减器 b 光固定衰减器 22光衰减值如何计算？怎样测量？ A（或IL）=-10lg（P2/P1） (dB) 测试按下图进行 23光固定衰减器与可变衰减器的区别何在？ 能给出一固定光功率衰减值的是光固定衰减器，而光可变衰减器是给出一个大范围内光功率连续（或步进）变化的衰减值。 24光可变衰减器采用什么工作原理？ 是在一对单模光纤准值器之间插入一个组合部件而成。这个组合部件由衰减量为0，10，20，30，40，50dB的步进衰减片和衰减量为015dB的连续变化衰减片组成。因此总的衰减量调节范围为065dB。 25光可变衰减器的衰减范围有多大？ 光可变衰减器的衰减范围是065dB（有指标）。 26衰减精度的含义是什么？衰减精度是如何确定的？ 衰减精度是在给出一个标称衰减值的上下范围的限定。 一般情况下，衰减器的衰减精度为其衰减量的0.1倍。 27小型可变衰减器的衰减范围有多大？有什么主要用途？ 小型可变光衰减器的衰减范围为025dB。主要用于调节范围不大的光纤通信系统工程、光纤数据通信网等等，与相应的单模光纤活动连续配套使用。 28高回损光固定衰减器有什么主要特点？它适合在何种条件下应用？ 高回损光固定衰减器的主要特点是回波损耗很高。它适合在高速光纤通信系统工程和要求回波损耗高的测试系统中应用。 29光衰减器的附加损耗是什么？ 光衰减器的附加损耗是指光衰减器自身的固有损耗，它包括光纤活动连接器的损耗、以及连接器端面不干净、光源的漂移和透镜对中不良等因素造成的衰减。 30光衰减器的工作波长是如何确定的？ 光衰减器的工作波长是由我们设计选定的。当我们根据需要选定衰减器的工作波长后，就按该波长设计光衰减器并进行调试，因此，其衰减量等各项技术指标就是在选定波长条件下的测量值。 四、光耦合器 31 什么叫光耦合器？制作光耦合器有哪些方法？ 就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。制作方法大致有：光学分立元件组合型，光纤熔融拉锥型、平面波导型。 32 何为熔融拉锥全光型耦合器？它具有什么主要特点？ 熔融拉锥型耦合器是将两根（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，同时向两端拉伸，最终在加热区形成双锥体的特殊波导结构，它能实现传输光功率的耦合。这种耦合器具有极低的附加损耗，方向性好，环境稳定性好，控制方法简单灵活，制作成本低廉，适合批量生产。 33. X型耦合器，Y型耦合器，星型耦合器，和树型耦合器是如何划分的？ 它们是从端口形式上进行划分的：X型耦合器的端口形式为（22）；Y型耦合器的端口形式为（12）；星形耦合器的端口形式为（NN，N2）；树形耦合器的端口形式为（1N，N2）。 34. 光耦合器有哪些主要技术参数？ 主要技术参数为：（1）插入损耗；（2）附加损耗；（3）分光比；（4）方向性；（5）均匀性；（6）偏振相关损耗；（7）隔离度。 35. 单窗口宽带耦合器和双窗口宽带耦合器区别何在？ 单窗口宽带只在单一窗口具有很宽的工作带宽,双窗口宽带是在两个窗口都有很宽的工作带宽. 36. 光耦合器的工作带宽是如何确定的？ 工作带宽是指耦合器插入损耗衰减到某一设定值（如3dB）时对应的波长范围。可通过光谱分析仪和可调激光器测量 37. 光纤耦合器的耦合损耗和附加损耗是什么？ 耦合损耗又称插入损耗,指某一输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减少值，以分贝（dB）表示。附加损耗是指全部输出端口的光功率总和相对于全部输入功率的减小值，以分贝（dB）表示。 38. 何谓光纤耦合器的输入臂，直通臂，耦合臂和隔离臂？ 在熔融拉锥制作耦合器过程中，要对两根光纤中的一根光纤进行监控，此路光纤称为直通臂，另一根光纤称为耦合臂。直通臂中输入光的一端称为输入臂，在耦合臂中与输入臂同端的一臂称为隔离臂。 39. 何谓波导型光耦合器？波导型光耦合器有哪些优点？ 波导型光耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光耦合器。它的优点有： （1）体积小、重量轻，易于集成；（2）机械及环境稳定性好；（3）耦合分光比易于精确控制，在母板定性后，可以进行大批量生产；（4）易于制成小型化的宽带耦合器件。 五、波分复用器 40 何谓波分复用耦合器？何谓波分复用/解复用器？ 波分复用耦合器就是在耦合区中按波长进行分配的耦合器。波分复用/解复用器是将光波波长进行合成/分离的光无源器件。 41 波分复用器主要有哪些类型？ 波分复用器主要有介质膜型波分复用器、光栅型波分复用器、波导阵列光栅型波分复用器件、光纤光栅型波分复用器。 42 评价波分复用器有哪些技术指标？ 波分复用器的技术指标主要有：复用中心波长、信道通道带宽、插入损耗、隔离度、光回波损耗、偏振相关损耗、温度稳定性、温度波长漂移、最大光功率、工作温度、储存温度等。 43 何谓高隔离型波分复用器？ 器件的隔离度远高于一般的波分复用器的器件称为高隔离度型波分复用器，其隔离度可达到40dB以上。 44 高隔离度上、下波长型波分复用器有何作用？ 其主要作用是将一个波长从复用信道中取出，进行电处理或中继再生之后，重新加入到原复用光纤线路中传输。利用上下波长可以达到通信上下话路的目的。 45 何谓密集型波分复用器？ 密集型波分复用器是在光纤的单一窗口上复用，一般复用度为4、8、16、32.，它们的复用间隔相对于一般双窗口的波分复用器复用信道间隔而言，要窄得多。密集波分复用器是复用信道间隔很窄的一种器件，故习惯称为密集型波分复用器。 46 如何评价密集波分复用器件？ 主要通过插入损耗、信道隔离度、中心波长稳定度、透射损耗等方面进行综合评价。 47 密集波分复用器件的中心波长是如何确定的？ 密集波分复用器件的中心波长是根据ITU标准制定的,其测量可通过光谱分析仪和可调激光器。 48 密集波分复用器件信道间隔是如何规定的？ 密集波分复用器件信道间隔是是根据ITU标准制定的。 49 何谓密集波分复用器件信道带宽？ 某一波长的光通过波分复用器件的信道时,其光功率衰减到一定值（如3dB）时，所对应的波长范围。 50何谓密集波分复用器件信道内起伏？ 密集波分复用器件每一工作波长都具有一定的工作带宽，在工作带宽内表现出不同的插入损耗称为信道内起伏。 51 何谓密集波分复用器件插入损耗均匀性？ 不同波长的光信号经过密集波分复用器复用和解复用时,它们的插入损耗有差别，此差别称为插入损耗的均匀性。 52何谓密集波分复用器件信道隔离度？如何测试？ 密集波分复用器件信道隔离度是指某一信道的光耦合到另一信道的光功率值。测试信道隔离度可以采用光谱分析仪和可调激光器。 53何谓密集波分复用器件波长稳定度？ 主要是指中心波长位置、输出功率对温度的稳定程度。 54密集波分复用器件可具有哪些主要功能？ 密集波分复用器其主要功能是对多波长进行复用和解复用，最大限度提高光纤传输容量和充分利用光纤的宽带资源，还可以实现波长上下话路的目的。 六、光纤光栅及其衍生器件 55光纤光栅的机理是什么？ 光纤光栅的机理是在纤芯中形成折射率的周期性分布,这些周期性的分布使纤芯中的基模与其反向模产生耦合,从而形成对波长有选择的反射. 56何谓光纤光敏性？如何提高光纤光敏性？ 在光纤光栅中,光纤光敏性是指光纤对紫外光诱导使折射率发生改变的性质。提高光敏性的方法有：高压掺氢、光纤掺杂 57 光纤光栅的制作方法主要有哪几种？ 光纤光栅的制作方法主要有：（1）干涉法；（2）逐点写入法；（3）相位掩模板法。 58光纤光栅在通信领域有哪些主要应用？ 主要应用在：DWDM系统、OADM系统、激光器稳频、EDFA增益平坦、色散补偿。 59光纤光栅主要有哪些特点？ 光栅的工作带宽可以制作得很小，可以满足100G信道间隔得要求，且具有很好的隔离度，光栅的反射率可以达到99%，由此对应的反射损耗就很小，由于可以采用普通的通信光纤制作光栅，光栅具有很低的透射损耗，以及较低的成本，由于光栅随温度线性变化，补偿后的光栅具有良好的温度稳定性。 60评价光纤光栅有哪些主要技术指标？ 评价光栅的主要技术指标有：光栅的峰值反射率，光栅的3dB带宽，边模抑制比，透射损耗，中心波长准确度，温度灵敏度等。 61何谓光纤光栅短波损耗？有何方法进行抑制？ 在正常的光传输中，传输的基模与包层模正交，耦合系数为零，制作光栅中，由于形成周期性的折射率分布，使基模与一些包层模的正交产生变化，发生耦合，从而在短波方向出现损耗，此种现象称为短波损耗。抑制短波损耗的方法有：采用Depressed-clading光纤，大数值孔径光纤，以及光敏包层光纤。 62光纤光栅的温度补偿封装如何实现？ 根据光栅波长受温度和应力两种因素的影响，使这两种因素的作用相互抵消，具体实施是在光栅上施加与温度变化相反的应力，补偿由于温度变化引起的波长漂移。 63如何准确评价光纤光栅的性能指标？ 评价光栅可以通过以下几个方面：（1）光栅的反射谱特性要求反射谱的顶端平，可以用0.5dB带宽这一指标来衡量；边模抑制比高；反射率达到指定的要求；（2）透射谱特性透射损耗小；在DWDM系统使用的波长范围内的短波损耗小于0.5dB；透射的带宽宽；（3）温度补偿封装要求封装后的波长位置准确；温度灵敏度小；具有良好的长期稳定性。 七光隔离器与光环行器 64 何谓光隔离器？ 光隔离器在它的工作波长范围内，对正向传输光损耗很小，对反向传输光损耗很大，它是一种互易性光无源器件。 65 光隔离器有哪几种主要类型？ 光隔离器的主要型号有：偏振相关型和偏振无关型，偏振无关型又可分为单级型和双级型。光隔离器根据应用又可分为在线型和微型化型。 66偏振相关光隔离器由哪几个主要部分组成？ 偏振相关光隔离器由起偏器、法拉第旋转器、检偏器组成。 67偏振无关光隔离器由哪几个主要部分组成？ 偏振无关光隔离器由起偏分束棱镜、法拉第旋转器、检偏分束棱镜及光纤插针、自聚焦透镜组成。 68何谓法拉第旋转器？ 它在光隔离器中起何作用？ 法拉第旋转器是由磁性物质与磁光材料的组成。在磁场作用下，磁光物质使通过的偏振光振动面发生旋转，即产生旋光效应。 利用磁光材料旋光的非互易性，（例如对正向入射光，迎光看去，右旋偏振面，则对反向入射光，迎光看去，左旋偏振面。）并在其两端辅以起偏、检偏物质，形成光隔离器正向通光、反向隔离的非互易性效果。 69偏振相关光隔离器和偏振无关光隔离器有何区别？ 偏振相关光隔离器和偏振无关光隔离器的主要区别是：前者对输入光的偏振状态依赖性很大，适合与激光器和其它保偏器件联合使用；后者几乎不受输入光偏振态影响，适合在光纤传输系统中使用。 70光隔离器有哪几个主要技术指标？ 光隔离器主要技术指标为：插入损耗（IL）、峰值隔离度、30dB隔离度带宽、偏振相关损耗（PDL）、回波损耗（Return Loss）、偏振模色散（PMD）等。 71反向隔离度的定义是什么？ 如何测量？ 光隔离器的反向隔离度指它对反向输入光的衰减，以分贝表示。我们假设光隔离器的反向输入光的输入、输出光功率分别表示为P反入、P反出，则光隔离器的隔离度表示为，用光谱分析仪可测得 隔离度-波长分布曲线，如下图所示： LED光源 标准连接器 光隔离器 光谱分析仪 72何谓30dB隔离度带宽？ 光隔离器的30dB隔离度带宽是指对其反向隔离度大于30 dB的入射光波长范围。 73单级、双级光隔离器的区别何在？ 单级光隔离器包含一组芯件（起偏分束器、检偏分束器、法拉第旋转器），双级光隔离器包含两组芯件，所以后者反向隔离度更高，隔离度曲线更平坦。 74何谓光环行器？ 光环行器是一种多端口输入输出的非互易器件，具有正向顺序导通而反向传输阻止的特点。图1所示的即是三端口光环行器的工作示意图，从端口1输入的光只能从端口2输出，从端口2输入的光只能从端口3输出，即光可传播方向为1231，相反方向光传播则被禁止，即2 1，3 2，1 3。由于实现31的功能会使环行器的结构变得更加复杂而且实际中应用得较少，故一般环行器只实现了123的功能，称为准光环行器。 图1. 光环行器工作原理图 75光环行器有哪些技术指标？ 光环行器的技术指标包括插入损耗（12、23）、隔离度（21、32、串音（13）、偏振相关损耗（PDL）、偏振模色散（PMD）、回波损耗。 76光环行器有哪些用途？ 光环行器的非互易性能使其成为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离，在双向长途干线通信、双向放大器及时域反射计中将有广泛的应用。特别是随着光线光栅这种新型在线光器件的日益成熟及应用，起着提取光线光栅Bragg反射光的光环行器的需求量将与日俱增。这方面的主要应用有高速率长途通信的光纤色散补偿及密集型光分插复用器（OADM）等。 图2 环行器+啁啾光纤光栅色散补偿装置图 (a) 图3 (a)原有的网络传输系统；(b)应用环行器的网络传输系统 2)、双向通信系统 77何谓光纤准直器？ 光纤准直器是光通信系统和光纤传感系统中的基本光学器件，它由四分之一的自聚焦透镜（GRIN）和光纤组成。其用途是将光纤发出的发散光束变换为平行光束，以提高光纤间的耦合效率。 78光纤准直器有哪些主要技术指标？ 技术指标包括：插入损耗和回波损耗。 79光纤准直器有哪些用途？ 光纤准直器广泛应用于光通信器件和光纤传感系统，用于提高输入输出的耦合效率，如光隔离器、光环行器、光开关、光密集波分复用器、滤波器等。 80什么是自聚焦透镜？ 光线在平方折射率分布光纤中的传播轨迹为正弦曲线，由一点发出的不同角度的光线经过一周期的传播后又会聚到另一点，这一特性与透镜的聚焦作用完全类似，因此称这种光纤为自聚焦光纤。自聚焦透镜实际上可以看成是一段自聚焦光纤，所不同的只是其芯径大（可达2mm或更大），长度短（仅12个周期长），数值孔径大（0.20.6）。 81何谓偏振相关损耗（PDL）？ 当输入光的偏振态发生变化而其它参数不变时，器件插入损耗的最大化量即为偏振相关损害，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。 82如何测试器件偏振相关损耗？ 具体测试方法是：改变待测器件前端输入光的偏振状态，将测得的器件最大损耗减去最小损耗，即为偏振相关损耗。 83何谓偏振模色散（PMD）？ PMD是光纤及光器件的一个基本参数。当光信号在光纤及光器件中传播时，可看作由两个垂直的偏振态组成，它们的传播速度有一定的差异。对于一个给定的波长，这两个偏振态在传播结束时其传播时间会产生差异，这种差异称为群时延（DGD）。PMD在一般情况下就用所测波段范围内的平均DGD表示，单位典型采用ps(1ps=10-12s)。当光纤长度较长时，PMD可用光纤长度的平方根归一化，其单位为ps/km1/2。 84如何测试偏振模色散？ 实际测量光纤及光器件中的DGD，从而得知PMD是很不实际的，因为此时延差太小，所以实际可行的PMD测量方法都是应用间接测量法。 图4. 琼斯矩阵法简图 应用较多的方法有琼斯矩阵法和波长扫描法。琼斯矩阵法是根据测试光纤的偏振传输函数进行测量的，其装置如图4所示。琼斯矩阵是一个2x2复矩阵，它从数学上描述了测试光纤和光器件在某一波长处的偏振传输函数。在图4中，一可调谐激光器和偏振仪被用来测量光纤在一波长范围内相等波长间隔的琼斯矩阵。通过比较相邻波长的琼斯矩阵，解出本征态和本征值，就能导出某一特定波长间隔的DGD和基本偏振态。这一过程继续进行，直到计算出在整个波长范围内的DGD, 其平均值即为PMD。此法的主要优点是它直接提供了偏振态之间的群时延及其统计特性，最小可测量的PMD可达0.005ps。它的主要缺点是测量速度慢，易受外界干扰。 波长扫描法是根据PMD所引起的测试光纤中偏振态的变化测量的。这种方法不能提供测试光纤和器件的DGD。测量装置可以有不同的形式，图5表示了一种测量装置，由可调谐激光器，固定偏振器和偏振仪组成。 图5. 一种波长扫描法简图 八、掺铒光纤放大器 85、 光放大器有哪几大类？ 光放大器分为：半导体光放大器、受激拉曼光纤放大器、掺稀土光纤放大器等。 86、 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。 87、 掺铒光纤放大器有何特点？ 掺铒光纤放大器与其它放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代大容量、高速率光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一。近几年的报道可以看到掺铒光纤放大器能够达到51dB增益、500mW输出功率、噪声指数达到3dB。 88、 何谓掺铒光纤功率放大器、线路放大器、前置放大器？它们各自有何作用？ 掺铒光纤放大器按在系统中放置的位置可以分为功率放大器（BA）、中继放大器（LA）和前置放大器（PA）三种，其基本作用如下：功率放大器（BA）用在系统发射机输出端，提高发送功率，延长传输距离；中继放大器（LA）用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，延长传输距离；前置放大器（PA）用在光接收机前，对信号进行预放大，可提高光接收机灵敏度。 89、 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。功率放大器是在CATV系统的前端将发射机的输出光放大后再进行分配，以供各方向的光纤干线传输用。功率放大器与功率分配器也可考虑做成两段重复使用。从远离前端处将光纤干线分支时，可在分支前面接入掺铒光纤放大器，作为线路放大器，以补偿分支损耗。 90、 何谓DWDM用增益平坦掺铒光纤放大器？它的应用状况如何？ 采用在1550nm窗口附近的密集型WDM技术是扩大现有光纤通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纤放大器是DWDM传输系统的关键部件，可以十分有效地解决由于光波分复用/解复用带来的插入损耗，使WDM系统的中继问题变得十分简单。由于EDFA具有40nm的工作带宽，它可以同时放大多个波长不同的光信号，因此它可以十分方便地应用于DWDM系统中，补偿各种光衰耗。应用EDFA的DWDM系统如图所示： 1 2 。 。 16 图1、EDFA在DWDM系统中的应用 91、 何谓掺铒光纤放大器模块，它的优越性何在？ EDFA模块是集成化的掺铒光纤放大器，分为光电一体EDFA模块和光增益模块两种，其具有体积小、功耗低、使用方便等特点，可以根据用户使用的情况十分方便地安装在各种各样的应用系统中，如SDH机架内、CATV机盒内、DWDM系统机架内。 92、 掺铒光纤放大器的工作原理是怎样？ EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+离子相互作用产生的。在光与物质相互作用时，光可以被看作由光子组成的粒子束，每个光子的能量为： E = hv 其中：E为光子的能量，v为光的频率，h为普朗克常数。掺铒光纤中的Er3+离子所处的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与Er3+离子的某两个能级之间的能量差相等时，Er3+离子就会与光子发生相互作用，产生受激辐射和受激吸收效应。受激辐射是指Er3+离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子（即光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同）；受激吸收是指Er3+离子与光子相互作用从低能级跃迁到高能级，并且吸收激发光子。为了详细说明EDFA放大原理，图1.1给出了Er3+离子与光放大作用有关的能级结构。 图1.1 铒粒子的能级图（三能级系列） 如图1.1所示，与Er3+离子产生光放大效应的有关能级有三个：高能态、亚稳态、基态。高能态与基态之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间的能量差与1550nm范围的光子能量相同。 在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到高能态上，处于高能态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当1550nm范围的信号光子通过掺铒光纤，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值为15301565nm。 93、 掺铒光纤放大器由哪几部分组成的？ 光纤放大器一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤（EDF）、泵浦激光器（PUMPLD）、光无源器件、控制单元和监控接口（通信接口）。其中光无源器件包括：光波分复用器（WDM）、光隔离器（ISO）、光纤连接器（FC/PC）和光耦合器（Coupler）。WDM作用是将信号光与泵浦光耦合起来进入掺铒光纤，光隔离器是防止光路中反向光对EDFA的影响，光纤连接器使EDFA与通信系统和光缆线路的连接变得容易，光耦合器从输入和输出光中分路出一部分光（5%左右）送到光电探测器（PIN），由控制单元对光纤放大器的工作进行不间断地控制，监控接口向传输系统（SDH系统）提供光纤放大器工作状态信息，确保光纤放大器作为传输系统的一个部件，纳入到统一的网络监控之中。图2给出了典型掺铒光纤放大器结构原理图： 94、 在光纤传输网络管理中如何实现对掺铒光纤放大器的监控？ 光纤放大器作为整个系统的一个功能模块，纳入网管系统的方法一般有两种：其一是通过光纤放大器的RS232C接口电路将光纤放大器的性能参数和告警信息传输给网管系统，进行统一管理，显示和处置。其二是由光纤放大器的开关量信息接口向网管系统送开关量信息进行管理显示。在工程实践中已采用过这两种成功的方法。 95、 使用掺铒光纤放大器的光纤线路传输距离如何计算？ 光纤在1550nm波长处的衰耗按0.25dB/km估计：A点光发送机的输出功率5dBm时，B点的输出光功率为放大器的输出光功率（13dBm18dBm）。 无中继距离计算公式： 设无中继距离为d(km)，B点功率放大EDFA的输出功率为PT(dBm)，C点光接收机的灵敏度PR(dBm)，光缆在1550nm波长处的衰耗按a0.25dB/km,考虑系统裕度Da，则： d 2.5Gbit/s系统应用举例： 光发送机输出光功率： 0dBm；采用输出光功率为18dBm的功率放大器对于2.5Gb/s系统，C点光接收机的灵敏度为28dBm，光缆在1550nm波长处的衰耗按a0.25dB/km,考虑光缆裕度Da3dB，则： PT18dBm，PR28dBm，Da3dB 无中继距离 d 172(km) 96、线路使用掺铒光纤放大器后，光纤的色散影响怎样？ 从掺铒光纤放大器的原理可以看到在EDFA中仅使用1020米掺铒光纤，而掺铒光纤仅仅是在普通光纤中掺入一定的铒离子，因此使用EDFA不会对系统产生附加色散；使用了EDFA后，光再生中继距离大大地延长，这就要求系统在S、R（系统的收、发点）间具有较大的色散容限。对一般的STM4、STM16来说，根据ITUT G.691的规定，在单信道SDH系统中使用EDFA延长中继距离应当使用V或U代码段的系统，其色散容限为2400ps/nm和3600ps/nm，色散受限距离分别为120Km和160Km。 97、掺铒光纤放大器的可靠性怎样？ 在正常使用条件下，光纤放大器的寿命超过20年。光纤放大器由泵浦激光器、掺铒光纤、光无源器件、电模块等组成。光纤放大器的可靠性，由这几部分寿命决定。 1泵浦激光器寿命 泵浦激光器管芯的寿命在一百万小时（一百多年）以上，有的公司称可达到250万小时。通过加速老化试验，在70、150mW的条件下，加速老化120.8万个器件小时，在现场使用340万个器件小时，推算出在25时的寿命为92万小时（一年为0.876万小时），超过100年。对管芯进行电冲击试验，即用200ns宽的电脉冲，使管芯发出的峰值功率超过1W，脉冲重复频率10KHz。试验后未发现管芯性能降低或腔面损伤，可见管芯耐冲击的可靠性很高。封装后的泵浦激光器的寿命也做过大量寿命试验。用10只出纤功率为90mW的器件，在70的环境下加速老化5000小时，推算出其寿命超过20万小时，即超过20年。 2掺铒光纤寿命 掺铒光纤与普通石英光纤相同，只是在石英光纤的芯层掺入浓度1001000ppm的铒离子。石英光纤已经在光通信中使用了近20年，实践证明它们的机械特性和光学特性是稳定可靠的。因此，掺铒光纤的可靠性和稳定性与普通石英光纤是完全相同的，具有20年以上的使用寿命。 3光无源器件寿命 光纤放大器中含有光隔离器、光合波器、光耦合器、光连接器等无源器件。这些器件是不通电、不发热、无机械磨损的光学器件，其寿命取决于器件中材料的寿命，同样具有20年以上的使用寿命。 4光纤放大器电模块的寿命 用于泵浦激光器驱动、监控及通信接口的电模块及电源模块有较长的使用寿命，平均无故障时间可达20万小时。 综合以上情况，光纤放大器的使用寿命可达20年。 98、掺铒光纤放大器有哪些主要技术指标？ 答：根据ITUT G.662 EDFA功率放大器的主要技术指标有： a) 输入功率范围； b) 输出功率范围； c) 工作波长带宽； d) 噪声指数； e) 偏振相关增益； f) 反向ASE功率； g) 输入端光回波衰耗； h) 输入端泵浦泄漏； i) 输出端泵浦泄漏； j) 输入端最大允许回波衰耗； k) 输出端最大允许回波衰耗； l) 输出最大功率； m) 小信号增益。 99、掺铒光纤放大器的工作波长范围是怎样确定的？ 掺铒光纤中Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值为15301565nm。根据ITUT G.661、G.662、G.663所规定的EDFA工作波长分为在15301565nm。 100、何谓掺铒光纤放大器的光增益？如何计算？在线路设计中如何考虑？ 掺铒光纤放大器的光增益定义为EDFA的输出信号光功率（ ，单位：mw）与输入信号光功率（，单位：mw）的比值，通常取对数，由下式给出： （2-13） 或 101、何谓反向ASE功率？它对掺铒光纤放大器的其他性能有何影响？ Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即Er3+离子在亚稳态上暂短停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声（即为放大的自发辐射ASE噪声）。 102、何谓输入/输出端泵浦光泄漏？它对掺铒光纤放大器的其他性能有何影响？ 输入/输出泵浦光泄漏是指泵浦激光器的泵浦光（一般是980nm或1480nm的泵浦光）从EDFA输入、输出连接器泄漏出来的泵浦光，泵浦光泄漏对EDFA使用来说是一种噪声，对使用的系统是有害的，ITUTG.663规定输入、输出泵浦光泄漏要15dBm。 103、何谓掺铒光纤放大器的增益锁定功能？ 掺铒光纤放大器的增益锁定功能是指在EDFA输入功率变化的情况下，EDFA输出功率也保持一定的变化，使得掺铒光纤放大器的增益保持为一定值，即实现了EDFA的增益锁定。在WDM系统中，如果有一个信道或几个信道的输入功率发生变化甚至输入中断时，剩下的信道增益亦即输出功率会产生跃变，EDFA泵浦功率会在剩余的信道中重新分配，以至引起线路阻塞。所以增益锁定技术是对每一单个信道而言，用于波分复用系统的EDFA必须具备增益锁定功能。 104、掺铒光纤放大器的最新进展如何？ 掺铒光纤放大器在经过近几年的飞速发展后，在光纤通信的各个领域都得到了广泛的应用，特别是在高速数字通信系统、DWDM系统和光纤CATV系统。EDFA的新技术和新进展包括： l DWDM系统使用的增益平坦放大器，波长使用范围由传统的C波段（1530nm1565nm）扩展到L波段（1560nm1610nm），其增益平坦特性得到了很好地解决； l 光纤CATV使用的EDFA输出功率可以达到27dBm； l 用于SDH系统的功率放大器、中继放大器和前置放大器大量应用于实际工程； l 掺铒光纤放大器朝着小型化、集成化、多功能的模块发展； l 随着EDFA用量的增加，世界各国的EDFA价格大幅下降。 九、石英晶体压控振荡器 105、 什么是压控晶体振荡器？它有何用途？ 压控晶体振荡器，简称VCXO，是一种振荡频率能随着外加控制电压变化而改变或调制的晶体振荡器，目前它已广泛应用于多卜勒雷达、频率调制、数据传输、锁相技术等系统中，要求其具备一定的频率稳定度和一定的调谐范围。 106、压控振荡器有哪几个主要技术指标？ 除了外型尺寸，引脚与电气连接，电源电压（5V 或12V），工作温度范围（一般是060C），峰值输入功率（0） 它由用户根据应用情况指定. 一般地，10 ppm / v ,例如对5V振荡器，10 ppm当压控电压变化为0.5-4.5V。 压控线性度：由于电压调谐元件的非线性，输出频率和压控电压的关系一般是非线性关系，因而压控灵敏度和压控电压值相关。压控线性度反映了施加不同压控电压时的压控灵敏度的离散程度。一般的要求是10。 瞬时稳定度: 表征了振荡器频率对其平均值的随机起伏程度，可用时域量（秒稳）或频域量（如相位噪声或叫相位抖动）两种方式来描述。一般可用时域上的阿仑方差或称秒稳表示：210-9 /s。 频率长期稳定度（频率老化）：表征了振荡器频率随时间变化的关系，它主要由振荡器电路中晶体元件或其它元件参数长期变化造成的，可用每规定间隔时间内平均频率的相对变化来表示，如1X10-8 /day。 温度稳定性：表征了振荡器正常工作时频率和外界环境温度的依赖关系。一般用在指定的工作温度范围内的输出频率最大变化来表示。如1ppm当温度变化为060C时。 输出波形：指规定工作条件下振荡器的输出信号波形，可在示波器上直接测量和观察。 根据输出波形的不同，又有指标要求： 对脉冲波形（数字信号）：还有输出逻辑电平要求，占空比，上/下降沿，扇出系数等具体指标，如TTL电平，占空比503，上/下降沿0） 其中，DV是压控端电压变化值，Df是对应的频率变化值。 以锁相应用为例，压控灵敏度过高，将会降低稳态频差，但牺牲了短期稳定性，而且频率调整不容易。反之过低，在其他不变情况下，会提高稳态频差，也降低了锁相器的跟踪频带。 109、压控振荡器的瞬时稳定度是什么？ 表征了振荡器频率对其平均值的随机起伏程度，可用时域量（秒稳）或频域量（如相位噪声或叫相位抖动）两种方式来描述。瞬时稳定度越高，对锁相系统来说，相位抖动就越小，同步性能提高，接收信号稳定，失真也越小。 十、光功率计及稳定化光源 110、PMS-X型便携式光功率计有什么特点? PMS-X型便携式光功率计是采用单片微处理器进行控制的智能光功率计，采用大屏幕LCD四位液晶显示，显示清晰，读数方便，探测功率稳定。它功能齐全，具有自动清零、自动关机、量程自动选择及切换、W/dBm值转换、测试光传输中的光衰耗值dBr，以及多波长测量、电池不足告警等多种功能。 PMS-X便携式光功率计机身造型设计符合人体工程学要求，体积小、重量轻，便于携带，使用舒适，美观耐用。光功率计采用内藏式探测器可使其受到良好保护。所有按键采用新型薄膜开关，简便、可靠，操作简单，适合多种使用环境。光功率计应用先进的器件及独特的软件设计，性能稳定可靠，功耗低、连续使用时间长。供电源采用小型充电电池，可反复充电使用。 111、PMS-X型便携式光功率计有何用途? PMS-X型便携式光功率计可在850nm、1310nm、1550nm等三个波长上工作, 测量范围有-70+