《光纤通信》原荣-第三版-第3章-复习思考题习题与讲解

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NN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2πnL（3.4.6）eff式中，是信号波长，L是路径长度，差通常为几十微米，n为信道波导的有效折射率，它与包层的折射率差相对较大，eff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。L=常数neff星形耦合器星形耦合器1自由空间区1R2....o..2输入QNR/2罗兰圆输出...N12N光栅圆图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TiO2反射光的相位不变，而在低折射率层和SiO）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2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。TiOn2.2~2.4和SiOn1.46通常22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1.55m波长时的通带宽度可窄至1THz。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。1/8入射光反射光滤波器1滤波器2折射率,,3,4高低高低高12323透射光12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LiNbO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3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分支将引入相位的变化。幅度的变化。在假如输入光功率在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AcostAcost2Acoscost（3.5.5）Eoutput输出功率与E成正比，所以由式（3.5.5）可知，当0时输出功率最大，当π2时，两个分支中的光场相互抵消干2output涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。于是cos2（3.5.6）PoutP0out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（DifferentialQuadraturePhase-SheftKeying,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。90度光相差的偏压同向成分IMZIA光输出光输入MZBDQPSK信号QDPMZM正交成分Q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（PolarizationMultiplexedDQPSK,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10Gb/s光纤线路上传输40Gb/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-MZMX极化数据QX极化数据ILDPM-QPSK信号/2/2PBSPBCY极化数据QY极化数据I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nnE，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E和E表示，对应的折射率xy分别为n和。于是当Ex沿横向传输距离L后，根据n式（1.2.8），它引起的相位变化为xy2πn2πL1VL(nnr)（3.5.1）x32d02210式中，n0是E=0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产生的相位变化为22LnrdV（3.5.2）302212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。晶体yVEy线偏振入射光Ey圆偏振出射光z450nEx'aydn'xExExzL图3.5.2横向线性电光效应相位调制器3/83-10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，。旋转角和磁场强度与材料长度的乘积成比例，即HL（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。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。0o45oA45oP出射线性偏振光入射非偏振光无反射光反射非偏振光90o法拉第旋转器GRIN透镜起偏振器检偏振器GRIN透镜磁场图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，从而实现隔离反光向的功能。LiNbO3晶体输出光输入光(TE波)光轴磁化M(TE波)反射光YIG波导层TM模（往内泄漏）LiNbO3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99dB/cm，通过进一步优化层结构，有望使隔离度达到20dB。注入电流反向TM膜eff无镀磁薄膜时的TM膜磁场有效吸收M注入电流增加时吸收系数也增加前向系TM膜外加磁场时的影响数隔离比率Co50Fe50neffInAlGaAs前向光多量子阱SOA(b)工作原理图图3.7.4非互易损耗(SOA)型波导光隔离器有效折射率(a)结构示意图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/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5/8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，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。0Y110前向后向衰减隔离20304050/dB14501500波长/nm1550Y2(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输入的光信号有只在端口2输出，端口2输入的光信号有只在端口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输入的任何方向性一般大于50dB。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,WavelengthSelectiveSwitch)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。同步外部口宽带VOAMZI分出解复用1宽5带耦合器内部口3/4(7/8)光纤输入公用解复用2(5/6)解复用和插入公用解复用复用PD外部口复用5具有1VOA功能的交换48个阵列(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4的光纤光栅构成的分插滤波器如图3-16所示，WDM1+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L，所以经两臂传输后的光，在到达第二个3dB耦合器时就产生由式（1.2.8）决定的相位差2πfLnc，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，满足相长条件，满足相消条件，则输出7光；如果在输71出端口4，满足相消条件，满足相长条件，则输出光。71171延迟t热敏薄膜3dB741473dB输出3输入1耦合器耦合器LL4输出4输出2L完全相同的共振波长为4的布拉格光栅4117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NN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2πnL（3.4.6）eff这里是信号波长，L是路径长度差，n为信道波道的有效折射率。eff输入光