光纖器體

光纖器體是採用光纖的基本結構，經摻雜、加工處理或引入附加結構，能實現一定功能的光電子學器件。

基本介紹

• 中文名：光纖器體
• 外文名：optical fiber devices
• 套用學科：光纖通信技術

簡介

採用光纖的基本結構，經摻雜、加工處理或引入附加結構，能實現一定功能的光電子學器件。例如光纖放大器、光纖雷射器、光纖耦合器、光纖偏振器和光纖濾波器等。光纖器件還可實現調諧、鑒頻、波分復用以及感測等各種功能。光纖器件的工作原理基本上是以光纖中光波傳輸、耦合及外界作用所引起的變化等物理現象和規律為依據的。和平面光波導器件相比，光纖器件具有低損耗和長相互作用距離等固有優點。特別是這種器件可以用活動連線器或直接熔接接入光纖系統，接續技術成熟，操作簡便，附加損耗很小，可靠性很高。這些都是平面光波導器件所無法比擬的。光纖器件按所採用的光纖結構可分為單模和多模器件，其中單模光纖器件獲得廣泛的套用。

光纖放大器

光纖放大器技術就是在光纖的纖芯中摻入能產生雷射的稀土元素，通過雷射器提供的直流光激勵，使通過的光信號得到放大。傳統的光纖傳輸系統是採用光—電—光再生中繼器，這種中繼設備影響系統的穩定性和可靠性，為去掉上述轉換過程，直接在光路上對信號進行放大傳輸，就要用一個全光傳輸型中繼器來代替這種再生中繼器。適用的設備有摻鉺光纖放大器（EDFA）、摻鐠光纖放大器（PDFA）、摻鈮光纖放大器（NDFA）。目前光放大技術主要是採用EDFA。

90年代初期，摻鉺光纖放大器（EDFA）的研製成功，打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽為光通信發展的一個“里程碑”。那么，究竟什麼是光纖放大器呢？　根據放大機制不同，OFA可分為兩大類。

摻稀土OFA

製作光纖時，採用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或銣等離子，可製作出相應的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵後躍遷到亞穩定的高激發態，在信號光誘導下，產生受激輻射，形成對信號光的相干放大。這種OFA實質上是一種特殊的雷射器，它的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，泵浦光源一般採用半導體雷射器。

當前光纖通信系統工作在兩個低損耗視窗：1.55μm波段和1.31μm波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同視窗。

（1）摻鉺光纖放大器（EDFA）

EDFA工作在1.55μm視窗，該視窗光纖損耗係數1.31μm窗低（僅0.2dB/km）。已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器頻寬大，與波分復用（WDM）系統兼容，泵浦效率高，工作性能穩定，技術成熟，在現代長途高速光通信系統中備受青睞。目前，“摻鉺光纖放大器（EDFA）+密集波分復用（DWDM）+非零色散光纖（NZDF）+光子集成（PIC）”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術方向。

（2）摻鐠光纖放大器（PDFA）

PDFA工作在1.31μm波段，已敷設的光纖90%都工作在這一視窗。PDFA對現有光通信線路的升級和擴容有重要的意義。目前已經研製出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩定，增益對溫度敏感，離實用還有一段距離。

非線性OFA

非線性OFA是利用光纖的非線性效應實現對信號光放大的一種雷射放大器。當光纖中光功率密度達到一定閾值時，將產生受激拉曼散射（SRS）或受激布里淵散射（SBS），形成對信號光的相干放大。非線性OFA可相應分為拉曼光纖放大器（SRA）和布里淵光纖放大器（BRA）。目前研製出的SRA尚未商用化。

OFA的研製始於80年代，並在90年代初取得重大突破。在現代光通信系統設計中，如何有效地提高光信號傳輸距離，減少中繼站數目，降低系統成本，一直是人們不斷探索的目標。OFA是解決這一問題的關鍵器件，它的研製和改進在全球範圍內仍方興未艾。

隨著密集波分復用（DWDM）技術、光纖放大技術，包括摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布喇曼光纖放大器（DRFA）、半導體放大器（SOA）和光時分復用（OTDM）技術的發展和廣泛套用，光纖通信技術不斷向著更高速率、更大容量的通信系統發展，而先進的光纖製造技術既能保持穩定、可靠的傳輸以及足夠的富餘度，又能滿足光通信對大寬頻的需求，並減少非線性損傷。

光纖雷射器

光纖雷射器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的雷射器，光纖雷射器可在光纖放大器的基礎上開發出來：在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成雷射工作物質的雷射能級“粒子數反轉”，當適當加入正反饋迴路（構成諧振腔）便可形成雷射振盪輸出。

光纖是以SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維，其導光原理是利用光的全反射原理，即當光以大於臨界角的角度由折射率大的光密介質入射到折射率小的光疏介質時，將發生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介質，折射率小的光疏介質內將沒有光透過。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、中間低折射率矽玻璃包層和最外部的加強樹脂塗層組成。光纖按傳播光波模式可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的芯徑較小，只能傳播一種模式的光，其模間色散較小。多模光纖的芯徑較粗，可傳播多種模式的光，但其模間色散較大。按折射率分布的情況化分，可分為階躍折射率（SI）光纖和漸變折射率（GI）光纖。

以稀土摻雜光纖雷射器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構成諧振腔，泵浦光從M1入射到光纖中，從M2輸出雷射（參見右圖1）。

圖1 光纖雷射器結構

當泵浦光通過光纖時，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵到較高的激發能級上，實現了離子數反轉。反轉後的粒子以輻射形成從高能級轉移到 基態，輸出雷射。

光纖耦合器

光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連線器、適配器、光纖法蘭盤，是用於實現光信號分路/合路，或用於延長光纖鏈路的元件，屬於光被動元件領域，在電信網路、有線電視網路、用戶迴路系統、區域網路中都會套用到。

光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連線器、適配器、法蘭盤，是用於實現光信號分路/合路，

圖2 模組型的光纖耦合器

或用於延長光纖鏈路的元件，屬於光被動元件領域，在電信網路、有線電視網路、用戶迴路系統、區域網路中都會套用到。光纖耦合器可分標準耦合器(屬於波導式，雙分支，單位1×2，亦即將光訊號分成兩個功率)、直連式耦合器(連線2條相同或不同類型光纖接口的光纖,以延長光纖鏈路)、星狀/樹狀耦合器、以及波長多工器(WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬於DWDM)，製作方式則有燒結(Fuse)、微光學式(Micro Optics)、光波導式(Wave Guide)三種，而以燒結式方法生產占多數(約有90%)。 燒結方式的製作法，是將兩條光纖並在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達光耦合作用，而其中最重要的生產設備是光纖熔接機，也是其中的重要步驟，雖然重要步驟部份可由機器代工，但燒結之後，仍須人工作檢測封裝，因此人工成本約占10～15%左右，再者採用人工檢測封裝須保品質的一致性，這也是量產時所必須克服的，但技術困難度不若DWDM 模組及光主動元件高，因此初期想進入光纖產業的廠商，大部分會從光耦合器切入，毛利則在20～30%。

光纖偏振器

近年來,有關光通信和光纖感測技術的研究十分活躍,其中許多部品已實用化,有不少正處於研究開發之中。隨之而來的問題是迫切需要高性能化、高可靠性、小型和全光纖化的光學部件,而光纖型光學器件正好能滿足這些要求,目前正在大力開發。如以光纖陀螺為代表的干涉式感測器,採用了光纖禍合器、光纖偏振器和光纖隔離器等主要光學器件。在光通信領域,WDM型光纖藕合器和偏振束分離器等是光放大器必不可少的重要部件。光纖偏振器可分為彎曲型光纖偏振器,片式元件型光纖偏振器a[j,利用纖芯與金屬或雙折射晶體相接觸原理的接觸型光纖偏振器等三類。本文簡單介紹前兩種光纖偏振器。

光纖濾波器

我們都知道光耦合器或者光復用器是把不同波長的光復用到一根光纖中的，不同的波長傳載著不同的信息。那么在接收端，我們怎樣才能從光纖中分離出所需的波長呢？這就要用到光濾波。光濾波器是用來進行波長選擇的儀器，它可以從眾多的波長中挑選出所需的波長，而除此波長以外的光將會被拒絕通過。它可以用於波長選擇、光放大器的噪聲濾除、增益均衡、光復用/解復用。