《光纤通信》第3章复习思考题参考答案.doc

1、原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 1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、

2、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 L，由式（1.2.8 ）可知，其相邻波导间的相位差为（3.4.6）Lnef2式中， 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，ef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

3、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。 上上 上上上 上12N. .L=上 nef12. N12R/2R上上oQ 上上图 3.4.3 由阵列波导光栅（AWG）组成的

4、解复用器 /路由器第 3 章 复习思考题参考答案 2 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，TiO2Si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

5、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4.2TiO2n46.1SiO2n膜的材料。30 层以上的干涉滤波器已经制造出来，因此 1.55 m 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。上 上上 上上上上上4 上 上1上21321, 2 332,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

6、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 调制方式比较原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 33-6 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-LiNbO3Z）干涉型调制器，如图 3.5.5 所示。

7、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、

8、B 分支将引入相位的变化。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）tttAE cos2coscosoutp 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，2t 02两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）2outcsP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（D

9、ifferential 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。第 3 章 复习思考题参考答案 4 IIQ DQPSK上上上上上 上上 MZMZ90 上上上 DPMZAB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（Pola

10、rization 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。 PM-QPSK信 号X极 化 数 据I极 化 数 据QY极 化 数 据I极 化 数 据QPBS

11、 PBCLDPM-ZM/2/2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En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xEy xy式（1.2.8） ，它引起的相位变化为（3.5.1）)21(2301 dVrnLnx式中， n0 是 E = 0

12、 时材料的折射率， ij 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2生的相位变化为原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 5（3.5.2）31202LnrVd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。 450上上 上上V zdLxEyE xEyEaE zxy上nxny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

13、 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 ？

14、 主 要 分 为 哪 两 类第 3 章 复习思考题参考答案 6 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

15、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 和磁场强度与材料长度的乘积成比例，即（3.7.1）HL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 2。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

16、。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。上 上上上 上上上上上0o o4590o上上 上上上上上P AGRIN GRIN上上o45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

17、。原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 7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

18、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。上 上上 上上 上上 上YIG上LiNbO3上TM上TE( ) 上TE( )上LiNbO3M 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

19、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。Co50Fe50M上上上上InAlGaAs上上 SO 上上上上上上上上上上上 上TM 上 上TM 上 上TM 上上上上上上上上上上上上 efefn(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

20、 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、第 3 章 复习思考题参考答案 8 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 /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

21、的总相移为，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。Y12Y 1450150 150010203040上上上 上上上/nm/dB(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

22、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

23、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。原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 9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。上MZI上上上上上 上上上PD上VOA上上1 5上 上上5 1VOA48上上2(5/6) 上上上上3/4(7/8) 上上(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/W

24、XC 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 4 的光纤光栅构成的分插滤波器如图 3-16 所示，WDM 信号 1+4+7 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 4， 4 信号从端口 2 输出。光纤光栅的输出就只有 1+7 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L时就产生由式（1.2.8）决定的相位

25、差 ，式中 n 是波导折射率指数，复合后cf2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， 7 满足相长条件， 满足相消条件，则输出 7 光；如1果在输出端口 4， 7 满足相消条件， 满足相长条件，则输出 光。1 1共 振 波 长 为完 全 相 同 的的 布 拉 格 光 栅1 7 1 7 444 耦 合 器12输 入4输 出1473 dB 热 敏 薄 膜LLLt延 迟 耦 合 器 34输 出13 dB 输 出7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

26、中 ， 如 何 使 用 阵 列 平 面 波 导 作 为 波 长 路 由第 3 章 复习思考题参考答案 10 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L，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）Lnef2这里 是信号波长， 是路径长度差， 为信道波道的有效折射率。Lef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

27、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。上上 上上上上12N. .L=上 nef12. N12R/2R上上oQ 上上12

28、34 12341234（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。