硕士1001班信息光电子技术内部资料，仅供参考。
1、电子与光子有哪些差别？光子有哪些显著的特征？ 特征 静止质量 运动质量 传输特性 传播速度 时间特性 空间特性 粒子特性 电荷 取向特性 电子 Mo Me 不能在自由空间传输 小于光速（c） 有时间不可逆性 高度的空间局域性 费米子（服从费米统计） -e 两个自旋方向 光子 0 能在自由空间传输 hv/c2等于光速（c） 有一定的类时间可逆性 不具空间局域性 玻色子（服从玻色统计） 0 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，极强的互连能力与并行能力，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。
光子没有自旋,电子有自旋.电子是费米子，带基本电荷，具有空间局域性。它可以是信息的载体，也可以是能量的载体。作为信息载体时，可以通过金属导线或无线电波在自由空间进行传递。电载信息的主要储存方式为磁储存。光子是玻色子，电中性，没有空间局域性而具有时间可逆性。它可以是信息的载体， 也可以是能量的载体。作为信息载体时，可以通过光纤（光缆）或自由空间进行传递，光载信息的主要存储方式为光储存。
光子具有的优异特性：光子具有极高的信息容量和效率，光子具有极快的响应能力，具有极强的互连能力与并行能力，光子具有极大的存储能力。
2、为什么说光波是理想的信息载体，光纤是理想光信息传输介质？
->发送信号的频率越高（波长越短），可载送的信息量就越多.光波范围包括红外线、可见光、紫外线，波长范围为300um~6*10-3um，光波的波长远远比无线电波波长短，所以目前可以认为光波是理想的信息载体。
->光纤是理想的光信息传输介质：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？
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，产生更多与之相同的光子；上述过程反复发生，直到激光器中只有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，且必须存在可以让电子跃迁的空能级；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。
（激光的产生过程:讲稿2,43页。半导体材料的选择：讲稿2,54~57页。）
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4、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异质结的结构，以获得高效的器件效率。
1.实现了载流子的限制，双异质结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.双异质结结构的LD不同部分折射率有差异，载流子浓度差也影响折射率分布，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。
（以上是往届师兄的原稿，PPT中暂时没有找到双异质结的相关内容，LD设计部分参见讲稿2，73~91页。）
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？
可调谐半导体激光器主要有机械调谐，温控调谐，电控调谐几种方法实现调谐。
其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。
(分类见第二讲95页，104~125页。特点见百度百科：可调谐激光器)
6、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源区的注入电流将信息调制到发射光波上面。
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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。输出不稳定，输出波长会随着驱动电流的变化而改变。在脉冲前沿和后沿会有大的波长偏移。只能用在低带宽短距离传输中。
应用：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：在激光器后面接一个外调制器
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，低调制失真，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。
7．LiNbO3（铌酸锂）－MZ强度调制与电吸收调制的主要工作原理。
在外界电场的作用下,由于电光效应，LiNbO3晶体的折射率发生改变，横向和纵向传输的光的速度会不同，从而产生相位差，而利用MZ调制器，我们又可以把位相差转化为对光强的调制。
根据LiNbO3晶体的介电张量，我们可以知道，在外界电场的作用下，在LiNbO3晶体中传输的光会发生相移，这相当于LiNbO3晶体的折射率发生改变，所以我们可以通过改变
LiNbO3晶体中的电场来控制光通过该介质的相移大小，在LiNbO3－MZ调制其中，光被
分束进入LiNbO3－MZ调制器的两支LiNbO3臂中，当给这两臂分别加电场时就可以在这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。演讲稿3/P(14-26)
电吸收调制是一种损耗调制方式。（只能进行强度调制）它利用Franz-Keldysh效应和量子约束Stark效应，工作在调整前的吸收边界波长上。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。演讲稿3/P(10-11)/P40
8. 光纤中有哪些非线性效应？他们是如何产生的？并说明他们是如何影响光信息的传输的？ (PPT 第6章66—155)
光纤中的非线性效应主要有：受激拉曼散射（SRS）， 受激布里渊散射（SBS），自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM），四波混频（FWM）。
SRS和SBS都是介质对光场的受激散射引起非弹性效应。在这个过程中光场将部分能量转移至非线性介质。其过程可以解释为：一个入射光场的光子湮灭，产生一个红移光子(Stokes光)和一个具有适当能量和动量的声学/光学声子， 以满足能量/动量守恒。出来的光子和原光子波长不同。SBS中，Stokes光只能是背向散射；SRS中可以是前向/背向散射。
SBS：（演讲稿5/138）由于光子和分子的相互作用，当入射光过强时，光纤的二氧化硅
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晶格产生光散射，形成频率偏移散射波，入射光的部分能量转给了后向散射光。在SBS中，Stokes光只能是背向散射；SBS在朝向光源的方向上产生增益，会引起光源不稳定。
SRS: （演讲稿5/P116）是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强，散射强度高。SRS中可以是前向/背向散射。SRS由于带宽很宽，在WDM系统中将造成信道间的耦合，使误码率增加。另外，可以利用SRS效应采取大功率泵浦光形成拉曼放大器。
SBS，SRS的存在将引入功率代价，并使传输光波叠加强度噪声从而使光束质量变差。SPM，XPM，FWM都是由介质中的非线性电极化率引起的弹性效应。
自相位调制(SPM)：即信号光强的瞬时变化引起自身的相位调制。光纤的折射率随信道功率而变，从而导致光脉冲前后沿的附加调相和频谱展宽(啁啾)，经光纤色散转化为时域波形畸变。这种展宽与信号的脉冲形状和光纤的色散有关。在光纤正常色散区中，沿着光纤传输的信号经历暂时的较大展宽，但在异常色散区，光纤的色散效应和自相位调制效应可能会相互补偿，从而使信号的展宽小些。
互相位调制(XPM，CPM)： WDM系统中，任一波长信号的相位受到其他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，从而对系统的性能产生影响。 其主要应用有：
（1）SOA中的XPM可用于全光逻辑门（全光XOR门等） （2）光开关
（3）全光波长转换
四波混频(FWM)：光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物，或边带的新光波，这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。WDM系统中信道间的相互作用产生新的频率，当其落入已有的信道带宽内时造成强度起伏引入信道间的相互串扰。 其主要应用有：
（1）全光波长转换：将信号光的信息转移到闲频光 （2）产生相位共轭波
MI：另外由于一个信道本身有宽度，在传输过程中，信号谱线中心附近的噪声被放大，并通过类似于四波混频的过程转化为信号输出端的强度噪声。这被称为调制不稳定MI。
26.如何实现光波相位共轭，相位共轭在光信息传输中有何应用？（讲稿5-115、讲稿8-6） 答： 光波相位共轭的实现方式有，四波混频，受激布里渊散射，其他的非线性效应如二波混频，三波混频，受激拉曼散射，光子回波，双光子吸收等等，最常用的是四波混频，受激布里渊散射。如可采用四波混频实现相位共轭，通过输入的泵浦光和信号光的相互作用，可以产生出于信号光共轭的闲频光，从而实现了相位共轭。
在光信息传输中的应用有：对于多模光纤传输的脉冲信号，由于模色散而造成脉冲展宽，可以利用位相共轭波的再次同类或同一光纤时得到补偿而重新获得窄脉冲。在光纤用作图像传输时，也可以利用类似原理改善由于模色散造成的图像模糊，其次，利用二波混频中的能量转移效应对输出光束进行调制，也是实现光通信中载波信号的一种新方法，位相光纤陀螺也是一种新运用，使用位相共轭还可以实现光学逻辑运算。用于相位控制的信号处理、信号的中途谱反转。通过中途谱反转（非线性）能够克服色散展宽，从而提高通信速率。
12．光纤中色散对传输脉冲的影响，如何克服色散的影响？
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色散使信号不同的成分传播速度不同，造成光信号脉冲的展宽，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难。
光纤色散导致光脉冲的变形，使系统传输性能降低，其具体过程包括多种因素：光源线宽；光源啁啾；信号谱宽；光纤非线性等等。光源的相位噪声在传输过程中通过色散效应转化为强度噪声。它使接收机处眼图的‘眼皮’变厚，误码率上升。
降低光纤色散效应的方法：
①色散位移光纤(ITU－T G.653)： 1550nm附近D=0。不能采用WDM技术(强FWM)。可将工作波长移至1600nm(L-band EDFA)附近，此时D~5ps/km/nm
②非零色散位移光纤(ITU－T G.655)。λ0在EDFA 工作波段(1530~1570nm)之外，而在该工作波段内的色散|D|=2~6ps/km/nm。用于N×10Gb/s下的长距离传输。实际上D>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。
③传输光纤+色散补偿光纤/元件；色散补偿光纤(DCF): – D=-(80~150) ps/km/nm @1.55μm。
– 体积大，损耗大(~0.5dB/km)，非线性强。 – 宽带补偿：D和S均<0，且与传输光纤具有相同的相对色散斜率κ = S/D。非线性更强。 ① 纤光栅（FBG），利用啁啾光纤光栅实现。
⑤高阶模(LP02)光纤– 同时补偿D和S。利用高阶模式（LP11，LP02，LP21等）在接近截至时产生的很大的负色散进行色散补偿。
⑥ VIPA(virtually imaged phase array)可调谐、逐信道精密补偿、插损小、无非线性和PMD。
⑦多信道动态色散管理（补偿）包括色散的补偿和色散斜率等综合色散管理。 ⑧光孤子传输（非线性） ⑨中途谱反转（非线性）：光相位共轭，谱的完全反转；HNLF，PPLN，SOA中的FWM效应或者差频效应； 可以补偿二阶、三阶和高阶色散。
10.G.656色散平坦光纤，在较大范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统。 11.色散管理
13、啁啾是如何产生的？并说明啁啾对光信息传输的影响？
光源啁啾是指由光发射机发出的光脉冲，在脉冲前后沿期间内由于调制产生频率变化，使信号频谱展宽，并用啁啾系数(亦称线宽展宽因子) α 描述。
啁啾引起的频率变化在脉冲前后沿相反。如在脉冲前、后沿分别发生蓝移和红移(相当于α>0)，则当光纤色散系数D>0 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α 和D 反号(兰移/红移顺序相反或光纤D<0，将使脉冲波形有所‘压窄’(可以利用)。
直接调制时α的典型值约1.5~7。采用G.652光纤时,色散限制的传输距离大体不超过100 公里。采用负色散光纤( 如MetroCor?)，传输距离可达300~400公里，用于成本要求严的城域网。
采用电吸收型调制器时,由调制器反射回激光器的光也会引起激光器的频率啁啾。此时的α比直接调制时小很多，典型值约0.2~1。
采用Mach-Zehnder 干涉仪型外调制器时，调制电压改变了光波导的折射率，造成相位调制，使输出光频发生啁啾。α 可≤0，大大改善系统性能。用于10Gb/s(G.655)。
激光器的工作频率在发光过程中会发生变化：Δν ?(α/4π)[ d/dtln P(t) +κP(t)]， 第一项为瞬态啁啾，第二项为绝热啁啾。 啁啾对脉冲波型的影响如下：
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硕士1001班信息光电子思考题解答汇总
