光纤通信思考题答案.doc

1-1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出答：1966年7月英籍华人高锟提出用光导纤维可进行通信。1-2 光纤通信有哪些优点光纤通信具有许多独特的优点，他们是：1. 频带宽、传输容量大；2. 损耗小、中继距离长；3. 重量轻、体积小；4. 抗电磁干扰性能好；5. 泄漏小、保密性好；6节约金属材料，有利于资源合理使用。第2章 复习思考题参考答案2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层na、nb和nc等组成，如图2.1.2（a）所示，而且。使光线1的入射角qA正好等于折射率为na的a层和折射率为nb的b层的交界面A点发生全反射时临界角，然后到达光纤轴线上的O'点。而光线2的入射角qB却小于在a层和b层交界面B点处的临界角qc(ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角qB' 折射进入b层。如果nb适当且小于na，光线2就可以到达b和c界面的B'点，它正好在A点的上方（OO'线的中点）。假如选择nc适当且比nb小，使光线2在B'发生全反射，即qB' >qC(bc) = arcsin(nc/nb)。于是通过适当地选择na、nb和nc，就可以确保光线1和2通过O'。那么，它们是否同时到达O'呢？由于na>nb，所以光线2在b层要比光线1在a层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b）所示。图2.1.2 渐变（GI）多模光纤减小模间色散的原理2-2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。用导波理论解释单模光纤传输的条件是，当归一化波导参数（也叫归一化芯径）时，只有一种模式，即基模（即零次模，N = 0）通过光纤芯传输，这种只允许基模传输的光纤称为单模光纤。2-3 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤答：传播数百到上千个模式的光纤称为多模（MultiMode，MM）光纤。2-4 光纤传输电磁波的条件有哪两个答：光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。2-5 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内答：引起衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗，如图2.3.1所示。光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能量。外部吸收主要由OH离子杂质引起。散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。非线性散射损耗：在DWDM系统中，当光纤中传输的光强大到一定程度时就会产生受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频等非线性现象，使输入光能量转移到新的频率分量上，产生非线性损耗。减小OH离子杂质和提高光纤制造过程中材料密度的均匀性可以减小光纤的损耗。为了减小非线性散射损耗，可以使每个WDM信道的光功率不要太强。最小损耗在1.55mm波长附近。2-6 什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定答：色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽。对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。在DWDM和OTDM系统中，随着光纤传输速率的提高，高阶色散也必须考虑。2-7 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么答：数值孔径（Numerical Aperture，NA）定义为 （2.2.3）式中，为纤芯与包层相对折射率差。用数值孔径表示的子午光线最大入射角amax是（时） （2.2.4）角度2amax称为入射光线的总接收角，它与光纤的数值孔径和光发射介质的折射率有关。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或amax）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在amax内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚能力越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量，所以要根据使用场合，选择适当的NA。图2.2.1 光纤传输条件2-8 单模光纤的传输特性用哪几个参数表示答：单模光纤的传输特性有衰减、色散和带宽。在传输高强度功率条件下，则还要考虑光纤的非线性光学效应。2-9 多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种答：多模光纤有折射率阶跃光纤和渐变光纤。单模光纤有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657光纤和色散补偿光纤。2-10 简述G.652、G.653、G.654、G.655、G.656和G.657各型号光纤的特征答：G.652标准单模光纤是指零色散波长在1.3 mm窗口的单模光纤，它属于第一代单模光纤，其特点是当工作波长在1.3 mm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3 mm波段的损耗较大，为0.30.4 dB/km；在1.55 mm波段的损耗较小，为0.20.25 dB/km。这种光纤可支持用于在1.55 mm波段的2.5 Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10 Gb/s的信号，传输距离超过50 km时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块，另外由于它的使用也增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于DWDM系统。G.653光纤是一种把零色散波长从1.3 mm移到1.55 mm的色散移位光纤，它属于第二代单模光纤。G. 654光纤是衰减最小光纤，该光纤具有更大的有效面积（大于110 mm2），超低的非线性和损耗，它在1.55 mm波长附近仅为0.151 dB/km，可以尽量减少使用EDFA的数量，并具有氢老化稳定性和良好的抗辐射特性，特别适用于无中继海底DWDM传输。G. 654光纤在1.3 mm波长区域的色散为零，但在1.55 mm波长区域色散较大，为1720 ps/(nm×km)。G. 655光纤是非零色散光纤，它实质上是一种改进的色散移位光纤，其零色散波长不在1.55 mm，而是在1.525 mm或1.585 mm处。在光纤的制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到10 Gb/s，而不需要色散补偿。非零色散光纤消除了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。G.656光纤是宽带全波光纤，它是把1 380 nm波长附近的OH离子浓度降到以下，消除了1 3601 460 nm波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3 dB/km左右，使S+C+L波段均可应用于DWDM光纤通信。 图2.4.1 光纤的损耗谱和工作窗口G. 657光纤是一种具有小的模场直径（MFD）和具有比较大的纤芯/包层折射率差的光纤，它对弯曲不敏感，可以在入户环境下拥挤的管道中，或者经过多次弯曲后固定在接线盒和插座等狭小空间的线路终端设备中使用。2-11 用后向散射法测量光纤损耗的根据是什么？答：瑞利散射光功率与传输光功率成正比，后向散射法就是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。图2.7.2为用后向散射法测量光纤损耗系数的原理图。设在光纤中正向传输光功率经过长和的两段光纤传输后反射回输入端的光功率分别为和，如图2.7.2（b）所示。经分析推导可知，正向和反向损耗系数的平均值为图2.7.2 后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数（dB/mW） （2.7.2）2-12 从物理概念来看，色散、脉冲展宽和光纤带宽三者之间的关系是什么答：由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。高斯色散限制的光带宽为 （2.3.31）式中，（GHz）。由式（2.3.31）可知，光纤带宽和色散引起脉冲展宽的关系是。2-13 简述光时域反射计的应用答：利用光时域反射计不仅可以测量光纤的损耗系数（dB/km）和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上得到了广泛地使用。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。2-14 G.652光纤在1.3 mm的损耗是多少？答：G.652光纤在1.3 mm波段的损耗较大，为0.30.4 dB/km。第3章 复习思考题参考答案3-1 连接器和跳线的作用是什么？接头的作用又是什么答：连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接的器件。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。接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性（固定）连接。接头用于相邻两根光缆（纤）之间的连接，以形成长距离光缆线路。3-2 耦合器的作用是什么？它有哪几种耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。耦合器有T形耦合器、星形耦合器、方向耦合器和波分耦合器。3-3 简述波导光栅解复用器的工作原理阵列波导光栅由N个输入波导、N个输出波导、两个具有相同结构的N ´ N平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，如图3.4.4所示。这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差DL，由式（1.2.8）可知，其相邻波导间的相位差为 （3.4.6）式中，l是信号波长，是路径长度差，通常为几十微米，为信道波导的有效折射率，它与包层的折射率差相对较大，使波导有大的数值孔径，以便提高与光纤的耦合效率。输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自由空间耦合区）模式场发散，把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导，由阵列波导光栅的输入孔阑捕捉。由于阵列波导中的波导长度不等，由式（3.4.6）可知，不同波长的输入信号产生的相位延迟也不等。AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论，所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说，由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后，依波长的不同就出现在不同的波导出口上。此处设计采用对称结构，根据互易性，同样也能实现合波的功能。图3.4.3 由阵列波导光栅（AWG）组成的解复用器/路由器3.4 简述介质薄膜干涉滤波器解复用器的作用（见原荣编著光纤通信（第2版）3.4.3节）答：介质薄膜光滤波器解复用器利用光的干涉效应选择波长。可以将每层厚度为1/4波长，高、低折射率材料（例如和）相间组成的多层介质薄膜，用作干涉滤波器，如图3.4.5所示。在高折射率层反射光的相位不变，而在低折射率层反射光的相位改变180O。连续反射光在前表面相长干涉复合，在一定的波长范围内产生高能量的反射光束，在这一范围之外，则反射很小。这样通过多层介质膜的干涉，就使一些波长的光通过，而另一些波长的光透射。用多层介质膜可构成高通滤波器和低通滤波器。两层的折射率差应该足够大，以便获得陡峭的滤波器特性。和通常用于介质薄膜的材料。30层以上的干涉滤波器已经制造出来，因此1.55 mm波长时的通带宽度可窄至1 THz。用介质薄膜滤波器可构成WDM解复用器，如图3.4.6和图3.4.7所示。 图3.4.5 介质薄膜滤波器 图3.4.6 用介质薄膜滤波器构成解复用器3-5 对光的调制有哪两种？简述它们的区别答：调制有直接调制和外调制两种方式。前者是信号直接调制光源的输出光强，后者是信号通过外调制器对连续输出光进行调制。直接调制是激光器的注入电流直接随承载信息的信号而变化，但是用直接调制来实现调幅（AM）和幅移键控（ASK）时，注入电流的变化要非常大，并会引入不希望有的线性调频（啁啾）。外调制把激光的产生和调制过程分开，完全可以避免这些有害影响。图3.5.1 调制方式比较3-6 简述马赫-曾德尔幅度调制器的工作原理答：最常用的幅度调制器是在晶体表面用钛扩散波导构成的马赫-曾德尔（M-Z）干涉型调制器，如图3.5.5所示。使用两个频率相同但相位不同的偏振光波，进行干涉的干涉仪，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。在图3.5.5（a）表示的由两个Y形波导构成的结构中，在理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，在输出端D干涉，所以该结构扮演着一个干涉仪的作用，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。两个理想的背对背相位调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。由于加在两个分支中的电场方向相反，如图3.5.5（a）的右上方的截面图所示，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A分支中引入的相位变化，那么在B分支则引入相位的变化，因此A、B分支将引入相位p的变化。假如输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，其幅度为A，在输出端D的光场为 （3.5.5）输出功率与成正比，所以由式（3.5.5）可知，当时输出功率最大，当时，两个分支中的光场相互抵消干涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。于是 （3.5.6） 图3.5.5 马赫-曾德尔幅度调制器由于外加电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，虽然它们并不成线性关系。3.7 什么是差分正交相移键控（DQPSK）调制器？答：差分正交相移键控（Differential Quadrature Phase-Sheft Keying , DQPSK）调制技术同时调制信号的强度和相位，以尽可能减轻色散的影响。QPSK光调制器由4个如图3.5.10所示的马赫-曾德尔调制器（MZM）构成，如图3.5.11所示。 图3.5.11 使用双平行马赫-曾德尔调制（DPMZM）的DQPSK光调制器3.8 什么是偏振复用差分正交相移键控（PM-DQPSK）调制器？答：偏振复用差分正交相移键控（Polarization Multiplexed DQPSK, PM-DQPSK），如图3.5.12所示，它同时调制信号的偏振和相位，在接收端使用相干检测，能够实现在现有10 Gb/s光纤线路上传输40 Gb/s信号。由图3.5.12可知，连续激光器发出的光经过偏振分光器（PBS）一分为二，每束光通过并联马赫-曾德尔调制器MZM进行DQPSK调制，形成一组偏振信道光。两组正交偏振信道光通过偏振光合波器（PBC）复用，从而得到一路PM-DQPSK光信号。详细介绍见7.5.8节。图3.5.12 使用偏振复用马赫-曾德尔调制器（PM-MZM）的DQPSK光调制器3-9 什么是电光效应答：电光材料如LiNbO3的折射率n随施加的外电场E而变化，即，这就是晶体的线性电光效应，利用这种效应可实现对激光器输出光强的调制。假设入射光为与y轴成45°角的线偏振光E，我们可以把入射光用沿x和y方向的偏振光和表示，对应的折射率分别为和。于是当Ex沿横向传输距离L后，根据式（1.2.8），它引起的相位变化为 （3.5.1）式中， n0是E = 0 时材料的折射率，gij是线性电光系数，i、j对应于在适当坐标系统中各向异性材料的轴线。当Ey沿横轴传输距离L后，它引起与式（3.5.1）类似的相位变化，于是Ex和Ey产生的相位变化为 （3.5.2）于是施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差，因此出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。图3.5.2 横向线性电光效应相位调制器3-10 简述电吸收波导调制器的工作原理答：电吸收波导调制器（EAM）是一种P-I-N半导体器件，其I层由多量子阱（MQW）波导构成，如图3.5.6所示。I层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关，如图3.5.7所示，当调制电压使P-I-N反向偏置时，入射光完全被I层吸收，换句话说，因势垒的存在，入射光不能通过I 层，相当于输出“0”码；反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被I层吸收而通过它，相当于输出“1”码，从而实现对入射光的调制，如图3.5.8所示。 图3.5.6 电吸收波导调制器的结构图 3.5.7 电吸收调制器透光率和反向偏压的关系 图3.5.8 电吸收波导调制器的工作原理3-11 光开关的作用是什么？主要分为哪两类答：光开关的功能是转换光路，以实现光信号的交换。光开关可以分为两大类：一类是利用电磁铁或步进电动机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关，也包括微机械光开关；另一类光开关是利用固体物理效应（如电光、磁光、热光和声光效应）的固体光开关。3-12 简述光隔离器的作用和工作原理答：光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，即光沿正向传输时具有较低的损耗，而沿反向传输时却有很大的损耗，因此可以阻挡反射光对光源的影响。光隔离器利用法拉第（Faraday）效应实现，即把非旋光材料如玻璃放在强磁场中，当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将发生右旋转，如图3.7.1(a)所示，。旋转角q 和磁场强度与材料长度的乘积成比例，即 （3.7.1）式中，是材料的Verdet常数，表示单位磁场强度使光偏振面旋转的角度，H是沿入射光方向的磁场强度，L是光和磁场相互作用长度。如果反射光再一次通过介质，则旋转角增加到2q。磁场由包围法拉第介质的稀土磁环产生。图3.7.2表示法拉第旋转隔离器的原理。起偏器P使与起偏器偏振方向相同的非偏振入射光分量通过，所以非偏振光通过起偏器后就变成线性偏振光，调整加在法拉第介质的磁场强度，使偏振面旋转45°，然后通过偏振方向与起偏器成45°角的检偏器A。光路反射回来的非偏振光通过检偏器又变成线偏振光，该线偏振光的偏振方向与入射光第一次通过法拉第旋转器的相同，即偏振方向与起偏器输出偏振光的偏振方向相差45°。由此可见，这里的检偏器也是扮演着起偏器的作用。反射光经检偏器返回时，通过法拉第介质偏振方向又一次旋转了45°，变成了90°，正好和起偏器的偏振方向正交，因此不能够通过起偏器，也就不会影响到入射光。光隔离器的作用就是把入射光和反射光相互隔离开来。图3.7.2 法拉第旋转隔离器工作原理3-13 按其工作原理的不同磁光波导隔离器分哪几类？并简述其工作原理。答：集成光隔离器基本工作原理是基于YIG磁光薄膜的磁光法拉第效应，按其工作原理的不同，可分为模式 (TE/TM) 转换型、非互易损耗（SOA）型和非互易相移（MZI）型三类，现分别加以介绍。图3.7.3是利用半漏泄结构波导制作的模式 (TE/TM) 转换型隔离器，其突出优点在于可自动满足相位匹配的要求。它是在YIG波导上覆盖一层LiNbO3晶体，而且晶轴在波导平面内处于倾斜状态。在这种结构中，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换相互抵消，从而使得正向传输时，入射波能够在不发生变换的情况下直接通过波导。而对于反向光，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换是相加的，因而发生模式变换，TM模转换为TE高阶模或辐射模而截至，从而实现隔离反向光的功能。 图3.7.3 模式转换型波导光隔离器非互易损耗型光隔离器是基于铁磁薄膜 (如Co50Fe50) 作包层的半导体光放大器 (SOA)原理，如图3.7.4所示。这种光隔离器对于TM波导传输模式表现出一种非互易特性，这是因为前向和后向传输的TM模式光在磁化的金属接触层表现出不同的折射率，这就是大家知道的横向磁光克尔效应，导致波导TM模的色散与传输方向有关。其结果是波导TM模的有效吸收系数和有效折射率变得与方向有关。因此，适当的给SOA注入电流，对正向传输的光通过，而对反向传输的光衰减，起到光隔离的作用。该器件隔离度达到了99 dB/cm，通过进一步优化层结构，有望使隔离度达到20 dB。 (a) 结构示意图 (b) 工作原理图 图3.7.4 非互易损耗 (SOA) 型波导光隔离器非互易相移型光隔离器是基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的原理，如图3.7.6 (a) 所示，该图在GaInAsP/InP基片上也集成了一个激光器LD。为了制作光隔离器，首先将铁柘榴石波片键合在马赫-曾得尔干涉仪( MZI ) GaInAsP/InP波片上，该隔离器由两个锥形耦合器、在两个干涉臂中的非互易相移器和在一个臂中的互易相移器组成。互易相移器由l/4臂长差提供。MZ干涉仪设计成在两个臂中传输的前向光波没有相差（同相），而后向传输的光波有180o的相差（反相）。这可以选择合适的MZI两臂波导长度，引入90o的非互易相移和90o的互易相移完成。因此，正向传输的光在出Y2分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增强；而反向传输的光在出Y1分支处时的总相移为p，两光相消干涉而抵消。这类器件无须精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。图3.7.6 (b)表示计算出的与材料特性有关的干涉隔离器波长的损耗特性。 (a) 结构示意图 (b) 计算出的干涉隔离器波长的损耗特性图3.7.6 非互易相移MZI型波导光隔离器3-14 简述光环形器的作用光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件，主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。光环形器用于单纤双向传输系统的工作原理如图3.8.1所示，端口1输入的光信号只有在端口2输出，端口2输入的光信号只有在端口3输出。在所谓“理想”的环行器中，在端口3输入的信号只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用环行器都设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号，方向性一般大于50 dB。用多个光隔离器就可以构成一个只允许单一方向传输的光环形器。图3.8.1 光环行器用于双向传输系统3-15 简述波导光栅在可重构光分插复用器（ROADM）中的作用答：ROADM是一种光交换器件，它是将复用器、解复用器和光开关集成为单一的PLC器件。目前大多数ROADM采用iPLC技术，在AWG集成的基础上作进一步的集成。如一种波长选择交换(WSS, Wavelength Selective Switch)模块由2个芯片组成，一个AWG芯片，一个具有可变光衰减器 (VOA)功能的阵列MZI开关芯片，如图3.9.6 所示。(a) 集成了4个AWG 的芯片 (b) 阵列MZI光开关/VOA芯片图3.9.6 用于ROADM/WXC的PLC芯片结构图3-16 使用1个M-Z干涉滤波器和2个光纤光栅设计一个分插滤波器。解释它的工作原理答：由1个M-Z干涉滤波器和2个完全相同的共振波长为l4的光纤光栅构成的分插滤波器如图3-16 所示，WDM信号l1+l4+l7从端口1输入，因为光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，所以光栅反射波长l4，l4信号从端口2输出。光纤光栅的输出就只有l1+l7信号了。M-Z干涉仪两臂的长度差为，所以经两臂传输后的光，在到达第二个3 dB耦合器时就产生由式（1.2.8）决定的相位差，式中n是波导折射率指数，复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口3，l7满足相长条件，满足相消条件，则输出l7光；如果在输出端口4，l7 满足相消条件， 满足相长条件，则输出光。图3-16 由1个M-Z干涉滤波器和2个光纤光栅构成的分插滤波器3-17 解释在WDM系统中，如何使用阵列平面波导作为波长路由器答：使用平板阵列波导光栅（AWG）可以构成波长路由器，如图3.4.3所示。这种器件由N个输入波导、N个输出波导、两个具有相同结构的N ´ N平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差DL，如图3.4.3所示，由式（1.2.8）可知， 其相邻波导间的相位差为 （3.4.6）这里 l 是信号波长，是路径长度差，为信道波道的有效折射率。输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自由空间耦合区）模式场发散，把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导，由阵列波导光栅的输入孔阑捕捉。由于阵列波导中的波导长度不等，由式（3.4.6）可知，不同波长的输入信号产生的相位延迟也不等。随后，光场在输出平板波导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，通过合理的设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说，由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后，依波长的不同就出现在不同的波导出口上。 （a） 结构原理图 （b） 组成的波导光栅路由器（WGR）功能图3.4.3 由阵列波导光栅(AWG)组成的解复用器/路由器3-18 使用一个波导光栅路由器设计一个集成WDM发射机。WDM接收机有何改变答：图3-18表示在发送端和接收端各使用一个阵列波导光栅（AWG）构成的WDM发射机和WDM接收机，该图实际上是WDM-PON的上行部分，波长可调LD使ONU工作在不同的波长，可调激光器工作在特定波长，但可通过电调谐、温度调谐或机械调谐使其改变波长。网络中的分路器是AWG，用作WDM信号复用；WDM接收机也使用一个AWG，对WDM信号解复用。 图3-18 在发送端和接收端各使用一个阵列波导光栅（AWG）构成的WDM发射机和WDM接收机第4章 复习思考题参考答案4-1 简述半导体发光基理答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出，如图4.2.1所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。能带差和发出光的振荡频率之间有的关系，h 是普朗克常数，等于6.625´10-34 J×s 。由得出（mm） （4.2.1）式中，c 为光速，取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV）。 图4.2.1 半导体发光原理4-2 简述激光器和光探测器的本质区别答：发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光（激光），即受激发射，如图4.2.2（b）所示。图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于的光照射到占据低能带的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流，如图4.2.2（c）所示，这就是光接收器件。4-3 自发辐射的光有什么特点答：对于大量处于高能带的电子来说，当返回能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，这些光波的波长并不完全一样。因此自发辐射的光是一种非相干光，如图4.2.2（a）所示。4-4 受激发射的光有什么特点答：受激发射生成的光子与原入射光子一模一样，即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。4-5 如何才可能实现光放大？答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用和分别表示高、低能带上的电子密度。当时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使，g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.3所示。4-6 说出产生激光的过程答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用和分别表示高、低能带上的电子密度。当时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使，增益系数g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.2（b）和图4.2.3所示。半导体材料在通常状态下，总是，因此称的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。 （a）没有偏置时的能带图（b）正向偏置足够大时的能带图，此时引起粒子数反转，发生受激发射图4.2.3 半导体激光器的工作原理半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。在1.3.2节中，我们已讨论了法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔的构成和工作原理。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（Cleaved Facets）构成法布里-珀罗谐振腔，如图4.2.4所示。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件，相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相干，阈值条件使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。谐振腔里存在着损耗，如镜面的反射损耗、工作物质的吸收和散射损耗等。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。前端面发射的光约有50 %耦合进入光纤，如图4.2.3（a）所示。后端面发射的光，由封装在内的光电检测器接收变为光电流，经过反馈控制回路，使激光器输出功率保持恒定（图4.2.3（a）没有画出）。图4.2.5表示半导体激光器频谱特性的形成过程，它是由谐振腔内的增益谱和允许产生的腔模谱共同作用形成的。4-7 激光器起振的阈值条件是什么答：阈值条件是使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。4-8 激光器起振的相位条件是什么答：相位条件是使谐振腔内的前向和后向光波发生相干。4-9 光学谐振腔存在哪些损耗？答：光学谐振腔体存在的损耗有增益介质单位长度的吸收损耗和由于解理面反射率小于 1 而导致的损耗。 4-10 实际使用中为什么总是用热电制冷器对激光器进行冷却和温度控制答：半导体激光器的阈值电流和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波长也随温度而变化。对于1.55 mm器件，每增加1 ，频率变化13 GHz。频率随注入电流的变化虽然随器件而异，但典型值为每毫安变化130 GHz。通常要求频率变化不应超过调制带宽的1/10。实验表明，假如偏流控制在0.1 mA以内变化，采用自动温度控制后，波长稳定在几百兆赫变化，则现有商用DFB激光器就可以使用。许多商品化激光器组件包含了可以维持阈值电流相对恒定的器件，通常能够使温度稳定到以下。图4.6.2表示使用反馈控制的激光器自动温度控制电路原理图。安装在热电制冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构成了电阻桥的一臂。热电制冷器采用珀尔帖效应产生制冷，它的制冷效果与施加的电流成线性关系。为防止制冷器内部发热引起性能下降，在制冷器上加装面积足够大的散热片是必要的。图4.6.2 激光器的自动温度控制原理图4-11 半导体激光器的基本特性是什么答：半导体激光器的基本特性有阈值电流、温度特性、波长特性。半导体激光器属于阈值性器件，即当注入电流大于阈值点时才有激光输出，否则为荧光输出。半导体激光器的阈值电流和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波长也随温度而变化。激光器的波长特性可以用中心波长、光谱宽度以及光谱模数三个参数来描述。4-12 简述DFB激光器的工作原理答：DFB半导体激光器可分为两类：分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器。图4.3.6为DBR激光器的结构及其工作原理，如图所示，DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右侧增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。这种衍射光栅相当于在3.4.5节介绍的频率选择电介质镜，也相当于在1.3.2节介绍的反射衍射光栅。衍射光栅产生布拉格衍射，DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距 L 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如，当部分反射波A和B的路程差为2L 时，它们才发生相长干涉。DBR的模式选择性来自布拉格条件，即只有当布拉格波长满足同相干涉条件 （4.3.2）时，相长干涉才会发生。式中，L 为光栅间距（衍射周期），为介质折射率，整数m为布拉格衍射阶数。因此 DBR 激光器围绕具有高的反射，离开则反射就减小。其结果是只能产生特别的 F-P 腔模式，在图4.3.5中，只有靠近的波长才有激光