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1、电子和光子有哪些差别？光子有哪些显著的特征？、电子和光子有哪些差别？光子有哪些显著的特征？ 特征 电子 光子 静止质量 m 0 运到质量 m 2 /hvc 传输特性 不能在自由空间传输 能在自由空间传输 传播速度 小于光速（c） 等于光速（c） 时间特性 有时间不可逆性 有一定的类时间可逆性 空间特性 高度的空间局域性 不具空间局域性 粒子特性 费米子（服从费米统计） 玻色子（服从玻色统计） 电荷 -e 0 取向特性 两个自旋方向 两个偏振方向 光子具有极高的信息容量和效率，极快的响应能力，极强的互联能力与并行能力，极大 的存储能力。光子静止质量为零，但是可以传输电磁能和动能，也可以传输偏振特性。光子 在真空中以光速传播，在其他介质中速度会有所减小。 2、为什么说光波是理想的信息载体，光纤是理想的光信息传输介质？、为什么说光波是理想的信息载体，光纤是理想的光信息传输介质？ 在信息传输过程中有多种信息的载体，如电、光、声等，电磁波是迄今为止最理想的信 息载体。 在光纤通信中通常用红外波段的电磁波波作为信息的载体， 其优势在于 1.传输频带 宽，通信容量大。2.信息传输的损耗小，容易实现长中继距离的传输。3可用光纤作为传 输，介质损耗小（可达到 0.2dB/km） ，传输速率大（50Tbit/s） 。 3描述半导体激光器激光产生的过程，半导体激光器的材料应如何选择。描述半导体激光器激光产生的过程，半导体激光器的材料应如何选择。 首先，由外界的泵浦作用使增益介质处于激发态；然后，自发辐射开始发生，产生一系 列具有不同波长的光子源；有些光子经过频率选择并获得了反馈，重新进入增益介质；这些 被反馈会回来的光子会使处于激发态的增益介质受激跃迁， 并发生受激辐射， 产生更多与之 类似的光子； 上述过程反复发生； 直到激光器中只存在经过选频的频率和增益大于损耗的光 频率存在。 这时输出的激光实际上是从半导体激光器谐振腔中泄漏出来的激光， 谐振腔中的 激光强度要远大于输出的激光强度。 选择半导体激光器的材料首先应该考虑该材料的能带间隔，只有增益谱峰值在需要的波 长上才是理想的材料； 另外， 必须选择直接带隙材料， 这样的材料能更有效地受激发射光子。 4要实现高效的半导体激光器，应如何设计其结构？要实现高效的半导体激光器，应如何设计其结构？ 对于实现高效的半导体激光器，主要从提高激光器的阈值特性，转换效率以及线宽特性 等方面考虑。在其结构设计中多采用双抑制节的结构，以获得高效的器件效率。 1.实现了载流子的限制，双抑制节结构在有源区形成了可以限制载流子的势阱，在有源 区内载流子浓度很高，实现了很大的粒子数反转，极大增加了电光转换效率，阈值也得到降 低。 2.条带状几何结构， 将驱动电流限制在小有源区结构上， 有源区上得到较大的电流密度， 获得很高光增益，阈值降低，同时小的光发射区有利于光纤的耦合 3.双抑制节结构的 LD 不同部分折射率有差异，载流子浓度差亦影响折射率分布，得到 类波导结构，由此形成在有源区实现了全反射，腔内光子密度增大，阈值降低，同时光子出 射方向受限，获得更好的方向性， 5、实现可调谐半导体激光器，主要有哪些方法？各自特点如何？、实现可调谐半导体激光器，主要有哪些方法？各自特点如何？ 可调谐半导体激光器主要有机械调谐，温控调谐，注入电流调谐几种方法实现调谐。机 械调谐 6、直接调制与外调制的主要特征、直接调制与外调制的主要特征 直接调制：通过调制半导体激光器有缘区的注入电流将信息调制到发射光波上面。 优点：结构简单，紧凑，成本低，插入损耗小。 缺点：调制频率受到张弛振荡频率的限制，即使采用量子阱结构商用的调制速率小于 10Gbit/s； 在直接调制中会产生严重的啁啾，限制了传输的范围。 调制消光比较外调制低。 另外，直接调制和高色散光纤结合运用可以实现增益开关，脉冲压缩，和短脉冲的产生（用 作 RZ 源） 。 外调制：优点：调制速率高，可以实现高速信号的调制，低的啁啾，调制产生边带少，低调 制变形，高消光比，可以实现多种调制码型，格式。 缺点：需要除激光器额外的器件，增加成本，结构相对复杂，增加了额外的插损。 7MZ 强度调制与电吸收调制的主要工作原理。强度调制与电吸收调制的主要工作原理。 3 LiNbO 根据晶体的介电张量，我们可以知道，在外界电场的作用下，在晶体 中传输的光会发生相移，这相当于晶体的折射率发生改变，所以我们可以通过改变 晶体中的电场来控制光通过该介质的相移大小，在MZ 调制其中，光被 分束进入MZ 调制器的两支臂中，当给这两臂分别加电场时就可以在这 3 LiNbO 3 LiNbO 3 LiNbO 3 LiNbO 3 LiNbO 3 LiNbO 3 LiNbO 两臂得到不同的相移，在耦合处会发生干涉，干涉就会会产生强度调制。 电吸收调制是一种损耗调制方式。其工作原理是：改变调制器上的电压，使多量子阱 （MQW）的吸收边界波长发生变化，进而控制光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时， 光束处于通状态，输出功率最大，电压增大，多量子阱（MQW）吸收边移向长波长，于是 原波长处的吸收系数变大，调制器成断状态，输出功率最小。 8. 试画出实现试画出实现 NRZ、RZ、RZDPSK 调制的原理图。调制的原理图。 答： 马赫泽德调制器的工作原理如下： MZM 由两个 3dB 耦合器级联而成， 光在进入 MZM 时被一分为二，当 MZM 两臂施以电压后，它的折射率会发生变化，从而导致两部分入射光 的相位发生改变，最后干涉输出，将相位调制转变为振幅调制。 MZM 的调制原理进行理论分析，输入光场为 0 ( ) c jt in EtE e = 输出光场为 12 ( )( ) 2 12 ( )( ) ( )( )cos 2 V tVt jV outin V tV t EtEte V + = 2 12 ( )cos . 2 outin VV IIt V = NRZ： RZ：占空比 33%的 RZ 码； 占空比 50%的 RZ 码； 占空比 66%的 RZ 码， 又叫 CS-RZ （载波抑制归零）码 RZ-DPSK：第一级MZM用于产生不同占空比的RZ脉冲包络，第二级MZM的作用 和产生NRZ-DPSK格式的MZM一样，还是进行相位调制。 图 RZ-DPSK格式的调制机理 9、半导体光放大器的基本结构及如何改善其工作性能。、半导体光放大器的基本结构及如何改善其工作性能。 SOA 的结构与 LD 类似， 主要差别在 LD 中端面反射率越高， 越易激射， 镀增反膜， SOA 中镀增透膜。其基本结构如下： 耦合光设备 注入电流（泵浦） 有源区 传输光纤传输光纤 包层 纤芯 光输入信号 SOA 具有体积小，便于集成，增益带宽宽，可适合波长范围大，载流子恢复时间快，动 态特性好，便于光信号处理等优点。但是同时存在需要改进的一些方面： 增益纹波：由于端面剩余反射引起。如果采用直腔需将端面的反射率控制在 10（-6） ； 目前主要采取斜腔加镀膜的方法来改善。也可以通过掩埋窗口的方法来减小端面反射 噪声指数：主要是放大的自发辐射噪声。由如下系数公式可知，噪声系数主要与输入 耦合效率有关！这是目前限制 SOA 推广的主要原因。提高耦合效率可以采用，与 SOA 单片集成模斑变换器，采用锥形光纤即透镜光纤。 偏振相关性：体材料 SOA 中，模场限制因子 ,增益系数,所以 ，所以放大器中具有偏振相关性。采用张应变量子阱材料，因为其中模场限制因 子，增益系数0的G.655 光纤更常用，因其损耗易做小，且可同时适用于C-波段和L-波段。 传输光纤+色散补偿光纤/元件；散补偿光纤(DCF): D=-(80150) ps/km/nm 1.55m。 体积大，损耗大(0.5dB/km)，非线性强。 宽带补偿： D和S均0)，则当光纤色散系数D0 时，与脉冲的平顶部分相比，前沿的群速更快而后沿的群 速更慢，它将使脉冲波形展宽(应该避免)；若 和D 反号(兰移/红移顺序相反或光纤D0）脉冲展宽； 非线性自相位调制产生正啁啾，反常色散条件下脉冲压窄。 定义Ld为色散长度，表示高斯脉冲展宽到21/2倍时的长度。Lnl为非线性长度，光脉冲 中心非线性相移为1 的传输距离。 脉冲峰值功率PP1 LDLNL非线性效应占优势，得到高阶光孤子传输，脉冲呈压窄、展宽、分裂、 复原周期性变化 17、光孤子源的实现有哪些主要方法？、光孤子源的实现有哪些主要方法？ 光孤子源应具有以下性能：波长1.551.55m；m；脉宽 T/5 = 1/5R； T/5 = 1/5R；消啁啾：= 0.315 = 0.315 (双曲正割)，= 0.44 = 0.44 (高斯)；波形：双曲正割（理想），高斯（可演变为双曲正割）； 峰值功率。 2 1 2PP 2 =1.4 R(Gb/s) 2.5 5 10 10 10 R(Gb/s) 2.5 5 10 10 10 (PS) 80 40 20 20 20 (PS) 80 40 20 20 20 D(PS/nm) 2.5 0.8 0.4 0.2 17 D(PS/nm) 2.5 0.8 0.4 0.2 17 P1(mw) 0.6 0.76 1.9 0.76 81 P1(mw) 0.6 0.76 1.9 0.76 81 P1.4(mw) 1.18 1.5 3.72 1.5 158 (31) P1.4(mw) 1.18 1.5 3.72 1.5 158 (31) P1.8(mw) 1.96 2.46 6.16 2.46 262 (52)P1.8(mw) 1.96 2.46 6.16 2.46 262 (52) 主要有以下 5 种实现方法： （1）色心光孤子源 同步泵浦锁模迭加腔色心激光器，其中：M1-M0,主腔，M0-M3 副腔（含负色散光纤）副 腔长=n 主腔长。 优点：双曲正割、功率大。缺点：庞大、复杂、低温、重复率低。 可作基本研究，不适于光通信用。 （2（2）半导体准孤子源： 主动锁模半导体激光器 外腔锁模：脉宽小、啁啾小、频率与腔长匹配不稳定 优点：小、结构简单、重复率高、适于通信应用； 缺点：功率小、高斯形。 半导体超短脉冲光源+ + 光纤放大器足够的峰值功率 （3）增益开关DFBDFB半导体激光器 优点：简单可靠，重复频率可调 缺点：啁啾大，需消啁啾 消啁啾方法：光谱窗；正常色散光纤补偿（高频分量慢，低频分量快）（半导体激光器消啁 啾方法） （4）利用电吸收调制器产生超短光脉冲低啁啾、频率可调、双曲正割。 5GHZ 24ps、5GHZ 24ps、= 0.38、13100km= 0.38、13100km环路、3000km3000km直路；近期：20GHZ 8ps 20GHZ 8ps 向集成发展 I I exp exp a -Va/Vo Va Va 电压a 5 6 a 5 6 （与电压有关）、Vo Vo 开关比为1/e1/e时的电压 （5）掺铒光纤光孤子源 功率大，变换极限双曲正割脉冲，主动锁模激光器 典型参数: : 10GHZ 7ps 10GHZ 7ps = 0.35= 0.35 20GHZ 3.5ps 20GHZ 3.5ps = 0.32 = 0.32 用于2.5Gb/s 17000km 2.5Gb/s 17000km 环路。 18、DWDM，OTDM 光通信系统主要包括哪些部分？各需要哪些主要技术？光通信系统主要包括哪些部分？各需要哪些主要技术？ DWDM： 1、光传输和光放大 小色度色散系数光纤（G.655） 增益平坦和增益锁定的 EDFA 光放大器。 2、发射和接收有源部分 特定波长和波长稳定、色散容限大的激光器发射源 能容忍一定 SNR 信号的光接收机 3、合波和分波无源部分 信道隔离度高的光解复用器 4、光监控信道 1510nm 5、DWDM 系统网管：光传送网分层模型。 OTDM： 1、超短光脉冲产生，光脉冲压缩； 2、光时分复用 3、超短光脉冲传输和色散管理； 4、时钟恢复； 5、全光解复用 6、全光时分分插复用； 7、全光采样 19交叉增益调制交叉增益调制(XGM)是如何产生的？有哪些主要应用？是如何产生的？有哪些主要应用？ 如下图所示： 一束携带有信号的强抽运光与一束较弱的连续光 （CW） 同时射入线性光放大器 （LOA） ， 由于 LOA 的增益饱和，LOA 对弱连续光的增益会被抽运光调制。当抽运光较强时，载流子 被耗尽，CW 光获得比较低的增益；当抽运光较弱时，载流子浓度较高，CW 光获得比较高 的增益。这样就实现了对较弱对连续光（CW）的调制，即交叉增益调制。 交叉增益调制的主要作用：1.全光波长转换；2.全光逻辑门 20. 交叉相位调制是如何产生的？有哪些主要应用？交叉相位调制是如何产生的？有哪些主要应用？ 答：WDM系统中，任一波长信号的相位受到其它波长信号强度起伏的影响，光纤色散 再把这种相位调制转化为强度起伏，从而影响IM/DD系统性能。 SOA中的XPM可用全光逻辑门如全光XOR门等 全光波长转换（SOA交叉相位调制MZI，或XPM+其他结构） 21、何谓量子线、量子点材料。其能带结构有何特点？、何谓量子线、量子点材料。其能带结构有何特点？ 半导体能带纳米度周期分布量子阱，量子线，量子点材料。 两种不同组分（能带隙不同）的半导体材料密接时，形成异质结。两个靠得足够近的相 向异质结可以构成理想的巨型势阱，当阱宽小于电子的平均自由程，即形成量子阱。 量子线、量子点是利用分子束外延，半导体微细加工技术等手段制成的理想的量子线 和量子点如图所示， 其中阴影部分和无阴影部分分别代表两种材料 量子线中的电子在横向 两个方向上的运动都受到限制，横向限制的尺度在 100nm 以下，电子只能在一个方向上自 由运动在量子点中，电子运动在三个方向上都受到限制由于量子限制效应，原来电子运 动的能带将会分裂成一系列分立的量子能级， 态密度发生本质的变化 因此量子线和量子点 中的电子运动分别具有一维和零维的特点 用量子线或量子点制成的激光器， 预计阈值电流 将进一步降低，达到A 量级，同时特征温度大大提高 22、何谓光子晶体材料，有何特点？、何谓光子晶体材料，有何特点？ 光子晶体是折射率在空间周期性变化，存在一定光学能带间隙的介质结构。 特点： 具有一定的光学禁带，对于某些波长是不能透射过光子晶体的 折射率在空间排列的周期是波长量级 光子晶体的材料对工作波段的光的吸收很小 23举例说明一维光子晶体波导，并说明其主要应用。举例说明一维光子晶体波导，并说明其主要应用。 光子晶体是折射率在空间周期性变化，存在一定光学能带间隙电介质结构。其特点是： 1.具有一定的光学禁带，对于某些波长是不能透射过光子晶体的；2.折射率在空间排列的周 期是波长数量级；3.光子晶体材料对工作波长的光吸收很小。 布拉格光栅是一维光子晶体，它是在一维方向上折射率具有周期性变化的光波导结构。 光通信中普遍采用布拉格光纤光栅， 其基本的