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
???2πneff?L? （3.4.6）
式中，?是信号波长，?L是路径长度差，通常为几十微米，neff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。
?L=常数neff星形耦合器星形耦合器 自由空间区1RoQ?1..输入.?1?2...?N2NR/2罗兰圆光栅圆?N输出...?2
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和SiO2）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。TiO2?n?2.2~2.4?和SiO2?n?1.46?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 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。
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入射光?4反射光滤波器1滤波器2折射率高低高低高?1,?2,?3?2,?3?3透射光?1?2
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LiNbO3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???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
Eoutput?Acos??t????Acos??t????2Acos?cos??t? （3.5.5）
2输出功率与Eoutput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
涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。于是
Pout????cos2? （3.5.6）
Pout?0?
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。
同向成分光输入Q正交成分Q 度光90相差的偏压IIMZA光输出MZBDQPSK信号DPMZM
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。
PM-MZMX极化Q数据X极化I数据LD?/2PBSY极化Q数据Y极化I数据PBC?/2PM-QPSK信号
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n?n?E?，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Ex和Ey表示，对应的折射率分别为n?，它引起的相位变化为 x和n?y。于是当Ex沿横向传输距离L后，根据式（1.2.8）
13V(n0?n0r22) （3.5.1）
??2d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?2，于是Ex和Ey产生的相位变化为
?1?2πn?xL?2πL2??3L?n0r22V? （3.5.2） ??d??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。
????1??2?EyV450晶体yEyEa线偏振入射光Exdxn'yn'xL??zEx圆偏振出射光z
图3.5.2 横向线性电光效应相位调制器
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《光纤通信》原荣-第三版-第3章--复习思考题参考答案
