《光纤通信》原荣 第三版 第3章 复习思考题参考答案

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∆L ，由式（1.2.8）可知，其相邻波导间的相位差为λφLn ∆=∆eff π2 （3.4.6）式中，λ是信号波长，∆L 是路径长度差，通常为几十微米，eff 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，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。

1λ11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TiO 2和SiO 2）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。

()4.2~2.2TiO 2=n 和()46.1S iO 2=n 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 μm 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。

高高低低λ高滤波器1滤波器2λ1321,,λλλ2λ3λ32,λλ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LiNbO 3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π/2的相位变化，那么在B 分支则引入-π/2相位的变化，因此A 、B 分支将引入相位π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()()()t A t A t A E ωφφωφωcos cos 2cos cos output =-++∝ （3.5.5）输出功率与2output E 成正比，所以由式（3.5.5）可知，当0=φ时输出功率最大，当2π=φ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()()φφ2out out cos 0=P P （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。

信号光输出图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。

信号X X Y Y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LiNbO 3的折射率n 随施加的外电场E 而变化，即()E n n =，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x E 和y E 表示，对应的折射率分别为x n '和y n '。

于是当E x 沿横向传输距离L 后，根据式（1.2.8），它引起的相位变化为 )21(π22π223001dVr n n LL n x+='=λλφ （3.5.1）式中， n 0是E = 0 时材料的折射率，γij 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E y 沿横轴传输距离L 后，它引起与式（3.5.1）类似的相位变化2φ，于是E x 和E y 产生的相位变化为3120222L n r V d φφφλπ⎛⎫∆=-=⎪⎝⎭ （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φ∆，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θ 和磁场强度与材料长度的乘积成比例，即HL ρθ= （3.7.1）式中，ρ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2θ。

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。

透镜透镜起偏振器检偏振器法拉第旋转器磁场GRIN GRIN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。