【精选】《光纤通信》原荣 第三版 第3章 复习思考题参考答案

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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，它与包层的折射率差相对较大，Lefn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TiO2Si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

5、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4.2TiO2n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 m 波长时的通带宽度可窄至 1 46.1SiO2nTHz。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。第 3 章 复习思考题参考答案 2 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：调制有直接

6、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LiNbO3示。使用两个频率相同但相位不同的偏振光波

7、，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 分支将引入相位的变化。假如输入光

8、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）tttE 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，两个分支中的光场相互抵消2outpE0干涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。于是（3.5.6）2outcs0P原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 3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

9、（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。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（Polarization Multip

10、lexed 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 PBCLDPM-ZM/2/2

11、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En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xEy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xn（3.5.1）)21(2301 dVrnLnx式中， n0 是 E = 0 时材料的折射率， ij 是线性

12、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2（3.5.2）3102LnrVd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。第 3 章 复习思考题参考答案 4 450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 P-I-N 半导体器件，其 I 层由

13、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

14、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

15、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。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

16、射光第一次通过法原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 5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。答：集成光隔离器基本工作原理是基于 YIG