信息光电子30道复习题集答案.docx
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信息光电子30道复习题集答案
1、电子与光子有哪些差别？
光子有哪些显著的特征？
特征
电子
光子
静止质量
Mo
0
运动质量
Me
传输特性
不能在自由空间传输
能在自由空间传输
传播速度
小于光速（c）
等于光速（c）
时间特性
有时间不可逆性
有一定的类时间可逆性
空间特性
高度的空间局域性
不具空间局域性
粒子特性
费米子（服从费米统计）
玻色子（服从玻色统计）
电荷
-e
0
取向特性
两个自旋方向
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，极强的互联能力与并行能力，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。
）
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XX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缘区的注入电流将信息调制到发射光波上面。
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。
另外，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）。
Directlasermodulation
Advantageoverexternalmodulation
•Cost:
singlecomponent
•Insertionlosses
Drawbacks
•Limitedfrequency:
relatedtorelaxationoscillations
•strongchirp（limitstransmissionrange）
•Wavelengthchangeswithdrivecurrent
•Largewavelengthexcursionatleadingandtrailingedgesofpulses
•Onlyusedinlowbandwidthshortdistancetransmission
•Alternativeapplication
•Gainswitchingforshortpulsesgeneration（RZsource）associated
withadispersivefibreforpulsecompression
Direct
–Simple
–Cost-effective
–Compact
外调制：
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，低调制变形，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。
External
–Additionalcomponent
–Additionalloss
–Higherspeed
–Largeextinctionratio
–Lowchirp
–Lowmodulation
distortion
（见第3讲4~6页）
7．
－MZ强度调制与电吸收调制的主要工作原理。
根据
晶体的介电张量，我们可以知道，在外界电场的作用下，在
晶体中传输的光会发生相移，这相当于
晶体的折射率发生改变，所以我们可以通过改变
晶体中的电场来控制光通过该介质的相移大小，在
－MZ调制其中，光被分束进入
－MZ调制器的两支
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Strk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？
光纤中的非线性效应包括由介质对光场的受激散射引起非弹性效应，和由介质中的非线性电极化率引起的弹性效应（Kerr效应）。
非弹性散射包括SBS（受激布里渊散射）和SRS（受激拉曼散射），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：
（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的存在将引入消耗功率代价，并使传输光波叠加从而噪声变强。
弹性效应包括SPM，XPM，FWM。
自相位调制（SPM）：
（演讲稿5/71）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）：
（演讲稿5/78）WDM系统中某一信道的相位受到其它信道功率变化的调制，经光纤色散转化为强度噪声。
四波混频（FWM）：
（演讲稿5/103）WDM系统中信道间相互作产生新的频率，当其落入已有信道带宽内时造成强度起伏引入信道间的串扰。
同时FWM还可以用作全光波长转换等应用。
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。
7.
－MZ强度调制与电吸收调制的主要工作原理。
（ppt第三章从14—72）
在外界电场的作用下,由于电光效应，
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，从而产生位相差，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。
电吸收调制是一种损耗调制方式。
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。
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都是光场在介质中传输时引起的非弹性效应。
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。
SBS中，Stokes光只能是背向散射；SRS中可以是前向/背向散射。
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。
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。
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）：
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。
互相位调制（XPM，CPM）：
WDM系统中某一信道的相位受到其它信道功率变化的调制，经光纤色散转化为强度噪声。
SOA中的XPM可用全光逻辑门如全光XOR门等。
四波混频（FWM）：
WDM系统中信道间相互作产生新的频率，当其落入已有信道带宽内时造成强度起伏引入信道间的串扰。
同时FWM还可以用作全光波长转换等应用。
9.半导体光放大器的基本结构及如何改善其工作性能?
①半导体光放大器（SOA）工作原理与半导体激光器类似：
受激辐射.（因此结构相似）
不同点：
LD中激发受激辐射的光子产生于自发辐射，放大的自发辐射；SOA中激发的光子是外界的输入信号，放大光信号；LD中端面反射率越高，越容易激射（镀增反膜）；SOA中镀增透膜。
必须降低来自端面的反馈，使SOA的反射率<0.1%。
②增益纹波：
直腔的端面反射率需要控制在10－6量级，目前普遍采用斜腔＋镀膜。
噪声指数：
噪声指数与输入端耦合效率相关，因此降低输入端耦合效率。
偏振相关性:
可以做成方形，亚微米级宽有源区
应变量子阱SOA
张应变量子阱中应用适当条件使偏振不相关
张应变体材料，引入比较小的张应变
增益线性：
放大外界光信号与内部激射光对载流子消耗（受激辐射）的竞争
集成的垂直腔激光器对放大器的增益进行钳制
10．掺铒光纤放大器的工作原理、结构图及性能完善。
1掺铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。
其工作原理是：
掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的掺铒光纤放大器作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。
2前向泵浦方式
后向泵浦方式
双向泵浦方式
3增益平坦：
•被动均衡
提前将输入信号均衡
添加杂质，如氟化物
宽带滤波器
混合泵浦
主动均衡声光可调谐滤波器（AOTF）
增益瞬态：
光学调幅补偿
控制信道方法
增益带宽拓宽：
平行式EDFA
极宽EDFA
掺铒碲基EDFA
11．喇曼光纤放大器的工作原理及主要特点
受激拉曼散射SRS产生原理：
SRS时光信号与非线性介质相互作用的过程，其结果使得频率较高的泵浦波光功率转移到频率较低的斯托克斯波信号中，从而造成高频信号的衰减和低频信号的放大。
强泵浦光和弱信号光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使得弱信号光得到放大，获得拉曼增益。
特点：
可提供增益范围很宽，可用通信线路作为增益介质，噪声指数最小，噪声特性好，耦合效率高，但需要泵浦功率太大，要实现较宽范围的增益平坦，需要不同波长的多泵浦。
（可以作为分布式光放大）
受激喇曼散射是入射光与分子振动之间的非线性参量相互作用引起的，这个过程将泵浦光转化为频率较低的Stokes散射光和分子振动能，于是短波长的光会将能量向长波长转移，当泵浦光超过阈值时，就会产生受激喇曼散射并将光信号放大。
在喇曼光纤放大器中，增益谱具有明显的阈值特性，并且需要很高的泵浦光功率。
喇曼光纤放大器可以获得很高的增益，并且有可能使光脉冲得到压缩。
另外，喇曼增益谱相当宽，可以放大从
波长的光信号，由于自发喇曼散射放大很小，我们可以得到很低噪声指数（NF）的喇曼放大器。
但是，喇曼放大器会有比较严重的串扰（串话噪声（泵浦信号上的强度噪声，信号对泵浦光的耗尽作用引起泵浦光的波动进而引起信号光功率波动）），（很快的响应时间？
），并且高的泵浦功率会提高放大器的成本。
12．光纤中色散对传输脉冲的影响，如何克服色散的影响？
光纤色散导致光脉冲的变形，是系统传输性能降低，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－TG.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-bandEDFA）附近，此时D~5ps/km/nm
②非零色散位移光纤（ITU－TG.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；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。
④光纤光栅，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。
⑥VIPA（virtuallyimagedphasearray）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。
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/dtlnP（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：
正色散光纤（D>0）
负色散光纤（D<0）
瞬态啁啾
前沿快，后沿慢，脉冲展宽
前沿慢，后沿快，脉冲先压缩，后展宽
绝热啁啾
前沿慢，后沿快，脉冲变形
（前沿压缩，后沿拖尾）
前沿快，后沿快，脉冲变形
（前沿展宽，后沿压缩）
14、喇曼效应与布里渊效应有何异同点？
SBS
SRS
相同点
都属于非弹性散射，产生斯托克斯光与反斯托克斯光，均表现出阈值特性
不同点
光子收到声学声子的散射
光子受到振动分子的散射
Stokes光只能是背向散射
Stokes光可以是前向/背向散射
阈值低
阈值高，比SBS高三个数量级
频移10MHz左右
频移10THz左右
需要窄带泵浦光
可宽带泵浦
自发SBS与温度和应力有关，可用于温度传感器与应力传感器
自发SRS只与温度有关，只能用于温度传感
15.何谓Bragg光纤光栅？
如何改善其传输特性？
答：
Bragg光纤光栅是指光纤纤芯折射率调制周期（即光栅周期）较短（~500nm），利用相向传输导模间耦合的反射光栅。
Bragg光纤光栅的传输特性的改变：
1）拓宽传输带宽：
采用啁啾光纤光栅（光栅周期沿z轴改变）
2）消除旁瓣：
采用变迹光纤光栅（折射率的调制沿z轴改变）
16长周期光纤光栅的工作机理？
如何实现可调谐？
答：
长周期光纤光栅的周期是中心反射波长的数百或数千倍，利用导模与包层模之间的耦合，耦合到包层的光波将被损耗掉，从而实现滤波功能，是一种透射光栅。
长周期光纤光栅透射谱的可调谐性：
改变包层外介质的折射率、改变包层的直径。
17.举例说明，如何实现梳状滤波器？
梳状滤波器可以通过以下途径实现：
取样光纤光栅（《光器件》P43-45）、FP腔（《光源》P49-51）、微环谐振腔（类似FP腔）、AWG（《光器件》P88）、MZI（《光器件》P81）等。
以FP腔实现梳状滤波器为例，光波要实现在FP腔中的谐振，需要满足腔长是光波长的整数倍，这样就可以对每个特定腔长的FP腔选择出若干个特定频率的光，在频谱上即实现了梳状滤波。
18.啁啾光纤光栅和光子晶体光纤如何实现色散补偿？
光子晶体光纤实现色散补偿：
《光子晶体光纤》部分P19，设计合适的色散曲线，通过改变通气孔的参数，选择色散曲线的斜率和零色散波长，以获得色散补偿。
啁啾光纤光栅实现色散补偿：
《光器件》部分P46，啁啾光纤光栅的折射率沿着长度发生周期性变化，因此可以在光栅的不同位置反射不同波长的光。
光在光线中传输由于色散而展宽，其中某些波长传的快，某些波长传的慢；在啁啾光纤光栅中通过折射率的改变，使传播慢的光先被反射，传播快的光后被反射，通过这样产生的光程差补偿了色散。
19、四波混频效应是如何产生的？
有哪些主要应用？
PPT讲稿5的第89页
答：
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
20、交叉相位调制是如何产生的？
有哪些主要应用？
PPT讲稿5的第75页
答：
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
21．光子晶体能用于通信吗？
量子点或者量子阱材料能用于通信吗？
两者有什么区别？
光子晶体就是人为地让材料的折射率周期变化，比如DFB，然后就像半导体那样，拥有晶格结构，产生能带。
所以只有特定频率的光可以落在带隙里面，所以可以只让特定频率的光禁止传播，能够做成波导结构，所以能够用于通信。
量子点和量子点材料可以用于通信，区别是量子点和量子阱
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