1-1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出
答：1966年7月英籍华人高锟提出用光导纤维可进行通信。
1-2 光纤通信有哪些优点
光纤通信具有许多独特的优点，他们是：
1. 频带宽、传输容量大；
2. 损耗小、中继距离长；
3. 重量轻、体积小；
4. 抗电磁干扰性能好；
5. 泄漏小、保密性好；
6．节约金属材料，有利于资源合理使用。
第2章 复习思考题
参考答案
2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理
答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层na、nb和nc等组成，如图2.1.2（a）所示，而且na>nb>nc> 。使光线1的入射角θA正好等于折射率为na的a层和折射率为nb的b层的交界面A点发生全反射时临界角θc(ab)=arcsin(nbna)，然后到达光纤轴线上的O'点。而光线2的入射角θB却小于在a层和b层交界面B点处的临界角θc(ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB' 折射进入b层。如果nb适当且小于na，光线2就可以到达b和c界面的B'点，它正好在A点的上方（OO'线的中点）。假如选择nc适当且比nb小，使光线2在B'发生全反射，即θB' >θC(bc) = arcsin(nc/nb)。于是通过适当地选择na、nb和nc，就可以确保光线1和2通过O'。那么，它们是否同时到达O'呢？由于na>nb，所以光线2在b层要比光线1在a层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b）所示。
图2.1.2 渐变（GI）多模光纤减小模间色散的原理
2-2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型
答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。当光纤的
芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。用导波理论解释单模光纤传输的条件是，当归一化波导参数（也叫归一化芯径）V
传输，这种只允许基模LP01传输的光纤称为单模光纤。
2-3 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤
答：传播数百到上千个模式的光纤称为多模（MultiMode，MM）光纤。
2-4 光纤传输电磁波的条件有哪两个
答：光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。
2-5 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内
答：引起衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗，如图2.3.1所示。光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能量。外部吸收主要由OH离子杂质引起。散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。
非线性散射损耗：在DWDM系统中，当光纤中传输的光强大到一定程度时就会产生受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频等非线性现象，使输入光能量转移到新的频率分量上，产生非线性损耗。
减小OH离子杂质和提高光纤制造过程中材料密度的均匀性可以减小光纤的损耗。为了减小非线性散射损耗，可以使每个WDM信道的光功率不要太强。
最小损耗在1.55μm波长附近。
2-6 什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定
答：色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽。
对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。在DWDM和OTDM系统中，随着光纤传输速率的提高，高阶色散也必须考虑。
2-7 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么
答：数值孔径（Numerical Aperture，NA）定义为
NA==n （2.2.3）
式中，∆=(n1-n2)n1为纤芯与包层相对折射率差。用数值孔径表示的子午光线最大入射角αmax是
sinαmax=NA
n0
（n0=1时） （2.2.4）
角度2αmax称为入射光线的总接收角，它与光纤的数值孔径和光发射介质的折射率n0有sinαmax=NA关。
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或αmax）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在αmax内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚能力越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量，所以要根据使用场合，选择适当的NA。
图2.2.1 光纤传输条件
2-8 单模光纤的传输特性用哪几个参数表示
答：单模光纤的传输特性有衰减、色散和带宽。在传输高强度功率条件下，则还要考虑光纤的非线性光学效应。
2-9 多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种
答：多模光纤有折射率阶跃光纤和渐变光纤。单模光纤有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657光纤和色散补偿光纤。
2-10 简述G.652、G.653、G.654、G.655、G.656和G.657各型号光纤的特征
答：G.652标准单模光纤是指零色散波长在1.3 μm窗口的单模光纤，它属于第一代单模光纤，其特点是当工作波长在1.3 μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3 μm波段的损耗较大，为0.3~0.4 dB/km；在1.55 μm波段的损耗较小，为0.2~0.25 dB/km。这种光纤可支持用于在1.55 μm波段的2.5 Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10 Gb/s的信号，传输距离超过50 km时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块，另外由于它的使用也增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于DWDM系统。
G.653光纤是一种把零色散波长从1.3 μm移到1.55 μm的色散移位光纤，它属于第二代单模光纤。
G. 654光纤是衰减最小光纤，该光纤具有更大的有效面积（大于110 μm2），超低的非线性和损耗，它在1.55 μm波长附近仅为0.151 dB/km，可以尽量减少使用EDFA的数量，并具有氢老化稳定性和良好的抗辐射特性，特别适用于无中继海底DWDM传输。G. 654光纤在1.3 μm波长区域的色散为零，但在1.55 μm波长区域色散较大，为17~20 ps/(nm⋅km)。
G. 655光纤是非零色散光纤，它实质上是一种改进的色散移位光纤，其零色散波长不在
1.55 μm，而是在1.525 μm或1.585 μm处。在光纤的制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到10 Gb/s，而不需要色散补偿。非零色散光纤消除了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。
G.656光纤是宽带全波光纤，它是把1 380 nm波长附近的OH离子浓度降到10以下，消除了1 360~1 460 nm波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3 dB/km左右，使S+C+L波段均可应用于DWDM光纤通信。
-8
图2.4.1 光纤的损耗谱和工作窗口
G. 657光纤是一种具有小的模场直径（MFD）和具有比较大的纤芯/包层折射率差的光纤，它对弯曲不敏感，可以在入户环境下拥挤的管道中，或者经过多次弯曲后固定在接线盒和插座等狭小空间的线路终端设备中使用。
2-11 用后向散射法测量光纤损耗的根据是什么？
答：瑞利散射光功率与传输光功率成正比，后向散射法就是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。图2.7.2为用后向散射法测量光纤损耗系数的原理图。
设在光纤中正向传输光功率经过长L1和L2的两段光纤传输后反射回输入端的光功率分
别为Pref 1和Pref 2，如图2.7.2（b）所示。经分析推导可知，正向和反向损耗系数的平均值为
图2.7.2 后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数
α=10
2(L2-L1)lgPref 1Pref 2（dB/mW） （2.7.2）
2-12 从物理概念来看，色散、脉冲展宽和光纤带宽三者之间的关系是什么
答：由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。高斯色散限制的光带宽为
f3dB,op≈ln2
2π21σrms=0.188σrms=0.188LDchλ(GHz)≈0.75B （2.3.31） 式中，σrms=LDchλ（GHz）。由式（2.3.31）可知，光纤带宽和色散引起脉冲展宽的关系是f3dB,opσrms=0.188。
2-13 简述光时域反射计的应用
答：利用光时域反射计不仅可以测量光纤的损耗系数（dB/km）和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上得到了广泛地使用。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。
2-14 G.652光纤在1.3 μm的损耗是多少？
答：G.652光纤在1.3 μm波段的损耗较大，为0.3~0.4 dB/km。
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
∆φ=2πneff∆L
λ （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，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。
1
λ11
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180。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 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。
滤波器1
λ高
低
高
低
高O滤波器2λ1,λ2,λ3λ2,λ3λ3
λ1λ2
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
Eoutput∝Acos(ωt+φ)+Acos(ωt-φ)=2Acosφcos(ωt) （3.5.5）
2输出功率与Eoutput成正比，所以由式（3.5.5）可知，当φ=0时输出功率最大，当φ=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(φ)
Pout(0)=cosφ （3.5.6）
2
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。
光输出
信号
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。
XXYY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'x和n'y。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
φ1=2πn'x2πL1
23λL=λ(n0+n0r22Vd) （3.5.1）
式中， n0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φ2，于是Ex和Ey产生的相位变化为
∆φ=φ1-φ2=2π⎛3L⎫nr 022V⎪λ⎝d⎭ （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。
z
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
θ=ρHL （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。
起偏振器法拉第
旋转器
检偏振器GRIN
透镜GRIN透镜
磁场
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磁光薄膜的磁光法拉第效应，按其工作原理的不同，可分为模式 (TE/TM) 转换型、非互易损耗（SOA）型和非互易相移（MZI）型三类，现分别加以介绍。
图3.7.3是利用半漏泄结构波导制作的模式 (TE/TM) 转换型隔离器，其突出优点在于可自动满足相位匹配的要求。它是在YIG波导上覆盖一层LiNbO3晶体，而且晶轴在波导平面内处于倾斜状态。在这种结构中，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换相互抵消，从而使得正向传输时，入射波能够在不发生变换的情况下直接通过波导。而对于反向光，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换是相加的，因而发生模式变换，TM模转换为TE高阶模或辐射模而截至，从而实现隔离反向光的功能。
波
模（往 内泄漏）LiNbO3
图3.7.3 模式转换型波导光隔离器
非互易损耗型光隔离器是基于铁磁薄膜 (如Co50Fe50) 作包层的半导体光放大器 (SOA)原理，如图3.7.4所示。这种光隔离器对于TM波导传输模式表现出一种非互易特性，这是
因为前向和后向传输的TM模式光在磁化的金属接触层表现出不同的折射率，这就是大家知道的横向磁光克尔效应，导致波导TM模的色散与传输方向有关。其结果是波导TM模的有效吸收系数和有效折射率变得与方向有关。因此，适当的给SOA注入电流，对正向传输的光通过，而对反向传输的光衰减，起到光隔离的作用。该器件隔离度达到了99 dB/cm，通过进一步优化层结构，有望使隔离度达到20 dB。
αe
有
效
吸
收
系
数加时增加ff
(b) 工作原理图 有效折射 (a) 结构示意图
图3.7.4 非互易损耗 (SOA) 型波导光隔离器
非互易相移型光隔离器是基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的原理，如图3.7.6 (a) 所示，该图在GaInAsP/InP基片上也集成了一个激光器LD。为了制作光隔离器，首先将铁柘榴石波片键合在马赫-曾得尔干涉仪( MZI ) GaInAsP/InP波片上，该隔离器由两个锥形耦合器、在两个干涉臂中的非互易相移器和在一个臂中的互易相移器组成。互易相移器由λ/4臂长差提供。MZ干涉仪设计成在两个臂中传输的前向光波没有相差（同相），而后向传输的光波有180o的相差（反相）。这可以选择合适的MZI两臂波导长度，引入90o的非互易相移和90o的互易相移完成。因此，正向传输的光在出Y2分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增强；而反向传输的光在出Y1分支处时的总相移为π，两光相消干涉而抵消。这类器件无须精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。图3.7.6 (b)表示计算出的与材料特性有关的干涉隔离器波长的损耗特性。
Y1衰
减
/dB20
50
14501500
波长/nmY2 1550
(a) 结构示意图 (b) 计算出的干涉隔离器波长的损耗特性
图3.7.6 非互易相移MZI型波导光隔离器
3-14 简述光环形器的作用
光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件，主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。光环形器用于单纤双向传输系统的工作原理如图3.8.1所示，端口1输入的光信号只有在端口2输出，端口2输入的光信号只有在端口3输出。在所谓“理想”的环行器中，在端口3输入的信号只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用环行器都设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号，方向性一般大于50 dB。用多个光隔离器就可以构成一个只允许单一方向传输的光环形器。
图3.8.1 光环行器用于双向传输系统
3-15 简述波导光栅在可重构光分插复用器（ROADM）中的作用
答：ROADM是一种光交换器件，它是将复用器、解复用器和光开关集成为单一的PLC器件。目前大多数ROADM采用iPLC技术，在AWG集成的基础上作进一步的集成。如一种波长选择交换(WSS, Wavelength Selective Switch)模块由2个芯片组成，一个AWG芯片，一个具有可变光衰减器 (VOA)功能的阵列MZI开关芯片，如图3.9.6 所示。
口口
解复用
和插入
外部
(a) 集成了4个AWG 的芯片 (b) 阵列MZI光开关/VOA芯片
图3.9.6 用于ROADM/WXC的PLC芯片结构图
3-16 使用1个M-Z干涉滤波器和2个光纤光栅设计一个分插滤波器。解释它的工作原理
答：由1个M-Z干涉滤波器和2个完全相同的共振波长为λ4的光纤光栅构成的分插滤波器如图3-16 所示，WDM信号λ1+λ4+λ7从端口1输入，因为光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，所以光栅反射波长λ4，λ4信号从端口2输出。光纤光栅的输出就只有λ1+λ7信号了。
M-Z干涉仪两臂的长度差为∆L，所以经两臂传输后的光，在到达第二个3 dB耦合器时就产生由式（1.2.8）决定的相位差∆φ=2πf(∆L)nc，式中n是波导折射率指数，复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口3，λ7满足相长条件，λ1满足相消条件，则输出λ7光；如果在输出端口4，λ7 满足相消条件，λ1 满足相长条件，则输出λ1光。
λ1
λ7λ的布拉格光栅λ1λ71
图3-16 由1个M-Z干涉滤波器和2个光纤光栅构成的分插滤波器
3-17 解释在WDM系统中，如何使用阵列平面波导作为波长路由器
答：使用平板阵列波导光栅（AWG）可以构成波长路由器，如图3.4.3所示。这种器件由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，这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差∆L，如图3.4.3所示，由式（1.2.8）可知， 其相邻波导间的相位差为
∆φ=2πneff∆L
λ （3.4.6）
这里 λ 是信号波长，∆L是路径长度差，neff为信道波道的有效折射率。
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。随后，光场在输出平板波导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，通过合理的设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。
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。
1
1
λ1
（a） 结构原理图 （b） 组成的波导光栅路由器（WGR）功能
图3.4.3 由阵列波导光栅(AWG)组成的解复用器/路由器
3-18 使用一个波导光栅路由器设计一个集成WDM发射机。WDM接收机有何改变
答：图3-18表示在发送端和接收端各使用一个阵列波导光栅（AWG）构成的WDM发射机和WDM接收机，该图实际上是WDM-PON的上行部分，波长可调LD使ONU工作在不同的波长，可调激光器工作在特定波长，但可通过电调谐、温度调谐或机械调谐使其改变波长。网络中的分路器是AWG，用作WDM信号复用；WDM接收机也使用一个AWG，对WDM信号解复用。
OLT中心局
图3-18 在发送端和接收端各使用一个阵列波导光栅（AWG）构成的WDM发射机和WDM接收机
第4章 复习思考题
参考答案
4-1 简述半导体发光基理
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带（价带）Ev
上，就将其间的能量差（禁带能量）Eg=Ec-Ev以光的形式放出，如图4.2.1所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差∆E所决定。能带差∆E和发出光的振荡频率vo之间有∆E=hv的关系，h 是普朗克常数，等于6.625⨯10-34 J⋅s 。由λ=cv得出
λ=hc
∆E=1.2398
∆E（μm） （4.2.1）
式中，c 为光速，∆E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV）。
图4.2.1 半导体发光原理
4-2 简述激光器和光探测器的本质区别
答：发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差∆E=Ec-Ev=hv的光所激发而发出与之同频率、同相位的光（激光），即受激发射，如图4.2.2（b）所示。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv的光照射到占据低能带Ev的电子上，则该电子吸收该能量后
被激励而跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高
能带Ec上的电子，使光能转变为电流，如图4.2.2（c）所示，这就是光接收器件。
4-3 自发辐射的光有什么特点
答：对于大量处于高能带的电子来说，当返回Ev能级时，它们各自独立地分别发射一
个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，这些光波的波长并不完全一样。因此自发辐射的光是一种非相干光，如图4.2.2（a）所示。
4-4 受激发射的光有什么特点
答：受激发射生成的光子与原入射光子一模一样，即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。
4-5 如何才可能实现光放大？
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当NcNv，g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放
大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.3所示。
4-6 说出产生激光的过程
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc
只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使Nc>Nv，增益系数g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对
光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.2（b）和图4.2.3所示。
半导体材料在通常状态下，总是NcNv的状态为粒子数反转。使有
源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。
Ecp+结n+
EEvEFnEcFpFnEFp
（a）没有偏置时的能带图
（b）正向偏置足够大时的能带图，此时引起
粒子数反转，发生受激发射
图4.2.3 半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。在1.3.2节中，我们已讨论了法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔的构成和工作原理。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（Cleaved Facets）构成法布里-珀罗谐振腔，如图4.2.4所示。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件，相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相干，阈值条件使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。谐振腔里存在着损耗，如镜面的反射损耗、工作物质的吸收和散射损耗等。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。前端面发射的光约有50 %耦合进入光纤，如图4.2.3（a）所示。后端面发射的光，由封装在内的光电检测器接收变为光电流，经过反馈控制回路，使激光器输出功率保持恒定（图
4.2.3（a）没有画出）。图4.2.5表示半导体激光器频谱特性的形成过程，它是由谐振腔内的增益谱和允许产生的腔模谱共同作用形成的。
4-7 激光器起振的阈值条件是什么
答：阈值条件是使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。
4-8 激光器起振的相位条件是什么
答：相位条件是使谐振腔内的前向和后向光波发生相干。
4-9 光学谐振腔存在哪些损耗？
答：光学谐振腔体存在的损耗有增益介质单位长度的吸收损耗和由于解理面反射率小于 1 而导致的损耗。
4-10 实际使用中为什么总是用热电制冷器对激光器进行冷却和温度控制
答：半导体激光器的阈值电流Ith和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波
长也随温度而变化。对于1.55 μm器件，每增加1 ℃，频率变化13 GHz。频率随注入电流的变化虽然随器件而异，但典型值为每毫安变化130 GHz。通常要求频率变化不应超过调制带宽的1/10。实验表明，假如偏流控制在0.1 mA以内变化，采用自动温度控制后，波长稳定在几百兆赫变化，则现有商用DFB激光器就可以使用。许多商品化激光器组件包含了可以维持阈值电流相对恒定的器件，通常能够使温度稳定到0.1℃以下。
图4.6.2表示使用反馈控制的激光器自动温度控制电路原理图。安装在热电制冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构成了电阻桥的一臂。热电制冷器采用珀尔帖效应产生制冷，它的制冷效果与施加的电流成线性关系。为防止制冷器内部发热引起性能下降，在制冷器上加装面积足够大的散热片是必要的。
图4.6.2 激光器的自动温度控制原理图
4-11 半导体激光器的基本特性是什么
答：半导体激光器的基本特性有阈值电流、温度特性、波长特性。
半导体激光器属于阈值性器件，即当注入电流大于阈值点时才有激光输出，否则为荧光输出。半导体激光器的阈值电流Ith和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波长
也随温度而变化。激光器的波长特性可以用中心波长、光谱宽度以及光谱模数三个参数来描述。
4-12 简述DFB激光器的工作原理
答：DFB半导体激光器可分为两类：分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器。图4.3.6为DBR激光器的结构及其工作原理，如图所示，DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右侧增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。这种衍射光栅相当于在3.4.5节介绍的频率选择电介质镜，也相当于在1.3.2节介绍的反射衍射光栅。衍射光栅产生布拉格衍射，DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距 Λ 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如，当部分反射波A和B的路程差为2Λ 时，它们才发生相长干涉。DBR的模式选择性来自布拉格条件，即只有当布拉格波长λB满足同相干涉条件
m(λB)=2Λ （4.3.2）
时，相长干涉才会发生。式中，Λ 为光栅间距（衍射周期），为介质折射率，整数m为布拉格衍射阶数。因此 DBR 激光器围绕λB具有高的反射，离开λB则反射就减小。其结果是只能产生特别的 F-P 腔模式，在图4.3.5中，只有靠近ωB的波长才有激光输出。一阶布拉格衍射（m = 1）的相长干涉最强。假如在式（4.3.2）中m=1，=3.3，λB=1.55μm，此时 DFB 激光器的Λ只有235 nm。这样细小的光栅可使用全息技术来制作。
图4.3.7 DBR激光器结构及其工作原理
4-13 简述耦合腔波长可调谐激光器的工作原理
答：耦合腔半导体激光器可以实现单纵模工作，这是靠把光耦合到一个外腔实现的，如 图4.4.1所示。外腔镜面把光的一部分反射回激光腔。外腔反馈回来的光不一定与激光腔内的光场同相位，因为在外腔中产生了相位偏移。只有波长几乎与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈。实际上，面向外腔的激光器界面的有效反射与波长有关，从而导致产生如图4.4.1所示的损耗曲线，它最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。
图4.4.1 耦合腔激光器中的纵模选择性
一种单片集成的耦合腔激光器称为C激光器。C指的是切开的耦合腔（Cleaved Coupled Cavity），如图4.4.2所示。这种激光器是这样制成的，把常规多模半导体激光器从中间切开，一段长为L，另一段为D，分别加以驱动电流。中间是一个很窄的空气隙（宽约1 μm），切开界面的反射约为30 %，只要间隙不是太宽，就可以在两部分之间产生足够强的耦合。在本例中，因为L>D，所以L段中的模式间距要比D段中的密。这两段的模式只有在较大的距离上才能完全一致，产生复合腔的发射模，如图4.4.2（b）所示。因此C3激光器可以实现单纵模工作。改变一个腔体的注入电流，C3激光器可以实现约为20 nm范围的波长调谐。然而，由于约2 nm的逐次模式跳动，调谐是不连续的。
33
图4.4.2 C3激光器的结构及其单纵模输出原理
4-14 简述阵列半导体光放大器（SOA）集成光栅腔体激光器的工作原理
答：阵列半导体光放大器（SOA）集成光栅腔体激光器，其发射波长可以精确设置在指定位置。借助激活该器件的不同SOA，不同波长梳的任一波长均可发射，其波长间距也可以精确地预先确定，而且该器件的制造也比较简单。
与图4.4.3（a）表示的外腔半导体激光器相比，图4.4.6（a）表示的激光器可以看做单片集成两元外腔光栅激光器，即一个集成的固定光栅和一个SOA阵列，而不是仅用单个有源元件和外部的旋转光栅。当SOA阵列中的任何一个注入电流泵浦时，它就以它在光栅中的相对位置确定的波长发射光谱。因为这种几何位置是被光刻掩埋精确确定的，所以设计的发射波长在光梳中的位置也是精确确定的。
阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器，其谐振腔类似于3.4.2节已讨论过的波导光栅复用/解复用器。在这种激光器中，右边的平板衍射光栅和左边InP/InGaAsP/InP双异质结有源波导条（SOA）之间构成了该激光器的主体。有源条的外部界面和光栅共同构成了谐振腔的反射边界。右边的光栅由垂直向下蚀刻波导芯构成的凹面反射界面组成，以便聚焦衍射返回的光到有源条的内部端面上。这些条是直接位于波导芯上部的InGaAs/InGaAsP多量子阱（MQW）有源区。这种激光器面积只有14⨯3 mm2，有源条和光栅的间距为10 mm，有源条长2 mm，宽6~7 μm，条距40 μm，衍射区是标准的半径9 mm 的罗兰（Rowland）圆。
由图4.4.6可见，从O点发出的光经光栅的PN和P0点反射后回到O点，产生的路径差∆L = 2LN - 2L0，由1.2.2节可知，为了使从PN和P0点反射回到O点的光发生相长干涉，其相位差必须是2π的整数倍[见式（1.2.8）]，由此可以得到与路径差有关相位差是
图4.4.7 阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器
∆φ =k1∆L=m(2π)， m = 0, 1, 2,⋅⋅⋅ （4.4.1） 因为k1=2πnλ，式中n是波导的折射率，所以可以得到与路径差有关（即与SOA位置有关）的波长为 λ=n∆L
m （4.4.2）
如果在真空中，则n =1，则也和用式（1.3.3）得出的结论相同。
一个SOA的典型发射光谱如图4.4.6（b）所示。测量得到的激光输出的纵模间距和谱宽分别与设计的腔体长度和有源条位置和宽度一致，如图4.4.6（c）所示。
4-15 简述阵列波导光栅（AWG） PIC波长可调激光器的工作原理。
答：
平板阵列波导光栅（AWG）由N个输入波导、N个输出波导、两个在3.2.3节讨论过的结构相同的N ⨯ M平板波导星形耦合器以及一个有M个波导的平板阵列波导光栅组成，这里M可以等于N，也可以不等于N。这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差∆L，如图
4.4.7（a）所示。AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理（见3.3.2节），即多个单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
光栅阵列
fT( )
传
输
函
数FSRFSR = δfcf1
fif+i2nLf2nLmcf =m2nLfFSRδf ==mM
M=
图4.4.9 阵列波导光栅（AWG）
由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，由式（1.2.8）可知， 其相邻波导间的相位差为
∆φ=k∆L=2πn
λ∆L （4.4.5）
式中，k是波矢量，k = 2πn/λ，∆L是相邻波导间的路径长度差，通常为几十微米，所以输出端口与波长有一一对应的关系。
AWG多频激光器PIC中间是波导光栅路由器（Waveguide Grating Router，WGR）滤波器，右侧是阵列半导体光放大器（SOA），左侧是一个功率放大SOA。芯片右侧镜面镀高反射率（HR）膜，左侧则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光，如图4.4.9（a）所示。
图4.4.11 AWG多频激光器
AWG多频激光器的信道间距取决于AWG腔体内的波导光栅路由器的几何尺寸，因此，每个激光器的波长非常稳定，制造时可重复性好。
4-16 简述VCSEL激光器的工作原理
答：图4.5.1表示垂直腔表面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）的示意图。有源区的长度L与边发射器件比较非常短，光从腔体表面发射，而不是腔体边沿。腔体两端的反射器是由3.4.5节介绍的电介质镜组成，即由厚度为λ/4的高低折射率层交错组成。如果组成电介质镜的高低介质层折射率n1、n2和d1、d2满足
n1d1+n2d2=1
2λ （4.5.1）
该电介质镜就对波长产生很强的选择性，从界面上反射的部分透射光相长干涉，使反射光增强，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。因为这样的介质镜就像一个折射率周期变化的光栅，所以该电介质镜本质上是一个分布布拉格反射器。选择式（4.5.1）中的波长与有源层的光增益一致，因为有源区腔长z很短，所以需要高反射的端面，这是由于光增益与exp(gz)成正比，这里g是光增益系数。因为有源层通常很薄（
图4.5.1 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）示意图
4-17 LED和LD的主要区别是什么
答：LED本质上是非相干光源，它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发辐射谱线，所以谱线较宽。对于用GaAlAs材料制作的LED，发射光谱宽度约为30~50 nm，而对长波长InGaAsP材料制作的LED，发射谱线为60~120 nm。因为LED的光谱很宽，所以光在光纤中传输时，材料色散和波导色散较严重，这对光纤通信非常不利。
LD有多模激光器和单模激光器之分。多模激光器指的是多纵模或多频激光器，模间距为0.13~0.9 nm。通常高速传输系统用的半导体激光器的频谱宽度为5 nm。单模激光器的频谱宽度因为很窄，所以称为线宽，它与有源区的设计密切相关。
图4.6.3 LED和LD的光谱特性
第5章 复习思考题
参考答案
5-1 光探测器的作用和原理是什么
答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量hν超过禁带能量Eg，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a）所示。在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。从而在外电路形成光生电流IP。当入射功率变化时，光生电流也随之线
性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带（价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能量）Eg=Ec-Ev以光的形式放出，如图4.2.2所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差∆E所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv的光照射到占据低能带Ev的电子上，则该电子吸收该能量后
被激励而跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高
能带Ec上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应
答：光生的电子-空穴对经过APD的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图
5-4 光接收机的作用是什么
答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
5-5 光纤通信中最常用的光电探测器是哪几种？比较它们的优
缺点
答：光纤通信中最常用的光电探测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD），以及高速接收机用到的单向载流子光电探测器（UTC-PD）、波导光电探测器（WG-PD）和行波光电探测器（TW-PD）。
PIN光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W可使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。
雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度高。因工作速度高，并能提供内部增益，已广泛应用于光通信系统中。
在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子，在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。而单行载流子光电探测器（UTC-PD），只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。
波导型探测器（Waveguide PD，WG-PD）和行波型探测器（Traveling Wave PD，TW-PD）采用边耦合方式，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直，如图5.2.11（c）和（d）所示，吸收区长度沿光的行进方向，吸收效率提高了；而载流子渡越方向不变，渡越距离和所需时间不变，这样就很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。边耦合光电探测器比面入射探测器（PIN和APD）可以获得更高的3 dB响应带宽。
入射光导带价带
(c) WG-PDPI入射光 h(a) PIN-PD(b)PIN探测器能带图(d) TW-PD
图5.2.11 面入射光电探测器和边耦合光电探测器（WG-PD、TW-PD）的比较
5-6 PIN和APD探测器的主要区别是什么
答：雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度比PIN高。
5-7 单行载流子光电探测器（UTC-PD）为什么能够在高速系统中使用
答：因为UTC-PD结构使光生空穴不能扩散形成光生电流，只有电子能够形成光生电流，而UTC-PD结构又使电子在收集层中的迁移速度非常快，所以能够在高速系统中使用。另外在收集层中减少的空间电荷与常规的PIN管相比，允许大的工作电流密度通过，这样就在取得高速响应的同时，实现了大的饱和电流输出。
图5.2.12 电子载流子光电探测器（UTC-PD）
5-8 简述波导型探测器（WG-PD）和行波型探测器（TW-PD）的工作原理
答： 在WG-PD中，光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子-空穴对，实现了对光信号的探测。其次，WG-PD的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。WG-PD的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10 μm，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为1 μm。所以WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构PD。但是，和面入射探测器相比，WD-PD的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。为此，可采用分支波导结构增加光耦合面积，如图5.2.11（a）所示。
折n3>
单(a)单模波导光经过光匹配层
进入 吸收层(分支波导)PD（b）串行光反馈速度匹配周期分布式行波探测器(VMP TW-PD)
图5.2.11 增加光耦合面积的分支波导探测器
行波探测器如图5.2.11（b）所示，它的波导长度等于探测信号的波长。行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC常数的限制，而主要由光的吸收系数、光的群速度和电的相速度不匹配决定。这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。串行或并行光馈送的TW-PD
可得到高速和大饱和光电流的器件，如图5.2.16所示。
图5.2.16 光串行馈送速度匹配周期分布式行波探测器（VMP TW-PD）
5-9 数字光接收机主要由哪几部分组成
答：数字光接收机的原理由三部分组成，即由光电探测和前置放大器部分、主放大（线性信道）部分以及数据恢复部分组成。
图5.3.1 数字光接收机
5-10 说明前置放大器和主放大器的功能区别
答：接收机前端的光电探测器将微弱的光信号转换为电信号，紧随其后的低噪声前置放大器，放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。
线性放大器由主放大器、均衡滤波器和自动增益控制电路组成。自动增益控制电路的作用是在接收机平均入射光功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。低通滤波器的作用是减小噪声，均衡整形电压脉冲，避免码间干扰。
5-11 光接收机中存在哪些噪声
答：光接收机的两种基本噪声是散粒噪声和热噪声，另外还有激光器引起的强度噪声。 5-12 通常数字光接收机要求BER是多少
答：通常数字光接收机要求BER = 10-9。
5-13 接收机灵敏度的定义是什么
答：接收机灵敏度定义为保证比特误码率为10-9时，要求的最小平均接收光功率（Prec）。 5-14 监测光纤通信系统性能好坏通常采用什么最直观简单的方法
答：在实验室观察码间干扰判断系统性能好坏的最直观、最简单的方法是眼图分析法。均衡滤波器输出的随机脉冲信号输入到示波器的Y轴，用时钟信号作为外触发信号，就可以观察到眼图。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电
路的调整提供了简单而适用的观测手段。
第6章 复习思考题
参考答案
6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式
答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理
EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。在公用电话网和CATV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小
答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40 dB的放大器增益。采用1 480 nm的InGaAs多量子阱（MQW）激光泵浦源，其输出功率可达100 mW，该波长的泵浦增益系数较高。980 nm波长对EDFA泵浦，效率高，噪声低。
6-3 目前有几种光放大器？哪几种已商用化？请说出各自的优缺点。
答：目前有掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）、半导体光放大器（SOA）、光纤布里渊放大器和掺镨光纤放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）、半导体光放大器（SOA）、技术已经成熟，众多公司已有商品出售。
6-4 什么是掺铒光纤放大器
答：使用铒离子作为增益介质的光纤放大器称为掺铒光纤放大器（EDFA）。铒离子在光纤制作过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。
6-5 画出EDFA的结构示意图，并简述各部分的作用
答：图6.3.1（a）为一个实用光纤放大器的构成方框图。光纤放大器的关键部件是掺铒光纤和高功率泵浦源，作为信号和泵浦光复用的波分复用器（WDM），以及为了防止光反馈和减小系统噪声在输入和输出端使用的光隔离器。
图6.3.1 EDFA组成图
6-6 EDFA有几种泵浦方式？
答：EDFA有980 nm光源泵浦和1 480 nm光源泵浦两种方式，980 nm光源泵浦时增益效率为10 dB/mW，用1 480 nm光源泵浦时为5.1 dB/mW。
6-7 简述EDFA的工作原理
答：若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理
6-8 EDFA的主要特性指标是什么？说明其含义
答：EDFA的主要特性指标有泵浦特性、增益频谱、小信号增益、增益饱和（或压缩）特性和放大器噪声。
使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦EDFA，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40 dB的放大器增益。
EDFA的增益频谱曲线形状取决于光纤芯内掺杂剂的浓度，将铝与锗同时掺入铒光纤可获得比纯掺锗更平坦的增益频谱，增益带宽[曲线半最大值带宽（FWHM）]可达30～40 nm。
EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径和泵浦功率有关，对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，如图6.3.7（a）所示，但是当泵浦功率超过一定值后，增益增加就变得缓慢。对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，如图6.3.7（b）所示，并且当L超过这个最佳值后增益很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。
在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器增益不随入射光信号的增加而变化，表现为恒定不变，如图6.3.8所示。当输入信号功率增大到一定值后（一般为 -20 dBm左右），增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。
放大器噪声是系统性能的最终限制因素。放大器的噪声一般用噪声指数Fn来量度，如
式（6.1.13）所示，即
Fn=2nsp （6.3.1）
nsp=N2式中，nsp是自发辐射系数，或者称铒离子反转系数，(N2-N1)，这里N1是处于基
态的离子数，N2是激活态的离子数。EDFA的噪声指数要比理想值3 dB大
6-9 EDFA在光纤通信系统中有哪几种应用方式？
答：EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。在公用电话网和CATV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来
放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-10 简述半导体光放大器（SOA）的工作原理
答：光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机理与激光器相同。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益，如图
6.1.1（a）所示。
图6.1.1 光放大器原理和增益分布曲线
但是，半导体激光器在解理面存在反射（反射系数约为32 %），具有相当大的反馈。当偏流低于阈值时，它们被作为放大器使用，但是必须考虑在法布里-珀罗（F-P）腔体界面上的多次反射。这种放大器就称为F-P放大器。
当R1=R2，并考虑到v=vm时，使用F-P干涉理论可以求得该放大器的放大倍数GFPA(ν)为
maxGFPA(ν)=(1-R)2G(ν) （6.2.2） [1-RG(v)]2
当入射光信号的频率ω(ν)与腔体谐振频率中的一个ω(ν)相等时，增益G(ν)就达到
FPAmm
峰值，当ω(ν)偏离νm时，G(ν)下降得很快，如图6.2.1（b）所示。由图可见，当半导体
FPA
解理面与空气的反射率R=0.32时，F-P放大器在谐振频率处的峰值最大；反射率越小，增益也越小；当R=0时，就变为行波放大器，其增益频谱特性是高斯曲线。
图6.2.1 法布里-玻罗（F-P）半导体光放大器
6-11 如何使LD变为SOA
-4答：减小LD界理端面反射反馈，使R1R2
大器（SOA）。使条状有源区与正常的解理面倾斜或在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区就可以使反射率小至10 4，从而使LD变为SOA。
6-12 什么是分布式拉曼放大器？有何应用？并简述它与EDFA的不同
答：与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式光纤拉曼放大器（DRA）利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。分布式光纤拉曼放大器（DRA）的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益。而没有像EDFA那样的放大波段的限制。
如果用色散补偿光纤作放大介质构成拉曼放大器，那么光传输路径的色散补偿和损耗补偿可以同时实现。光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。
6-13 EDFA级联需要考虑哪些问题
答：光放大器级联可克服长距离通信系统（如海底光缆系统）的光纤损耗，从而可省去光信号的周期性光-电-光再生。设计一个在线放大器级联光波系统，要求考虑放大器噪声、光纤色散以及光纤非线性。
放大器噪声以两种方式影响系统性能。首先，级联中的每个放大器产生的放大自发辐射（ASE）噪声，通过剩下的传输线路传送，并被后面的放大器与信号一起放大。该放大后的自发辐射噪声在到达接收机之前累积并影响系统性能。其次，当ASE电平逐渐增大时，它开始使光放大器饱和并减小信号增益。其结果是沿传输线路信号功率下降而ASE电平上升，在接收端SNR甚至下降更多。数值模拟表明，该系统在一定意义上处于自调整状态，即总功率（信号功率和ASE功率之和）维持相对恒定。
由于光纤色散和光纤非线性的累积影响，实际上，实现总传输距离Lt超过几千千米的光纤系统是困难的。通常放大器只补偿光纤损耗，那么，在放大器级联的光纤系统中，系统就由色散所限制。
在WDM系统的应用中，对EDFA性能的要求是相当苛刻的，这是因为单个放大器增益的较小变化，将引起级联放大器总增益的很大变化，即使0.2 dB的EDFA增益波动，100个放大器在线级联后，也会产生20 dB的增益差，使信道间的功率变化达100倍，这在实际应用中是不能接受的。因此WDM系统的信道数，不仅受放大器带宽限制，而且也受增益频谱的不平坦限制。因此需要对EDFA的增益进行均衡。
1-1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出
答：1966年7月英籍华人高锟提出用光导纤维可进行通信。
1-2 光纤通信有哪些优点
光纤通信具有许多独特的优点，他们是：
1. 频带宽、传输容量大；
2. 损耗小、中继距离长；
3. 重量轻、体积小；
4. 抗电磁干扰性能好；
5. 泄漏小、保密性好；
6．节约金属材料，有利于资源合理使用。
第2章 复习思考题
参考答案
2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理
答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层na、nb和nc等组成，如图2.1.2（a）所示，而且na>nb>nc> 。使光线1的入射角θA正好等于折射率为na的a层和折射率为nb的b层的交界面A点发生全反射时临界角θc(ab)=arcsin(nbna)，然后到达光纤轴线上的O'点。而光线2的入射角θB却小于在a层和b层交界面B点处的临界角θc(ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB' 折射进入b层。如果nb适当且小于na，光线2就可以到达b和c界面的B'点，它正好在A点的上方（OO'线的中点）。假如选择nc适当且比nb小，使光线2在B'发生全反射，即θB' >θC(bc) = arcsin(nc/nb)。于是通过适当地选择na、nb和nc，就可以确保光线1和2通过O'。那么，它们是否同时到达O'呢？由于na>nb，所以光线2在b层要比光线1在a层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b）所示。
图2.1.2 渐变（GI）多模光纤减小模间色散的原理
2-2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型
答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。当光纤的
芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。用导波理论解释单模光纤传输的条件是，当归一化波导参数（也叫归一化芯径）V
传输，这种只允许基模LP01传输的光纤称为单模光纤。
2-3 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤
答：传播数百到上千个模式的光纤称为多模（MultiMode，MM）光纤。
2-4 光纤传输电磁波的条件有哪两个
答：光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。
2-5 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内
答：引起衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗，如图2.3.1所示。光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能量。外部吸收主要由OH离子杂质引起。散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。
非线性散射损耗：在DWDM系统中，当光纤中传输的光强大到一定程度时就会产生受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频等非线性现象，使输入光能量转移到新的频率分量上，产生非线性损耗。
减小OH离子杂质和提高光纤制造过程中材料密度的均匀性可以减小光纤的损耗。为了减小非线性散射损耗，可以使每个WDM信道的光功率不要太强。
最小损耗在1.55μm波长附近。
2-6 什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定
答：色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽。
对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。在DWDM和OTDM系统中，随着光纤传输速率的提高，高阶色散也必须考虑。
2-7 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么
答：数值孔径（Numerical Aperture，NA）定义为
NA==n （2.2.3）
式中，∆=(n1-n2)n1为纤芯与包层相对折射率差。用数值孔径表示的子午光线最大入射角αmax是
sinαmax=NA
n0
（n0=1时） （2.2.4）
角度2αmax称为入射光线的总接收角，它与光纤的数值孔径和光发射介质的折射率n0有sinαmax=NA关。
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或αmax）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在αmax内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚能力越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量，所以要根据使用场合，选择适当的NA。
图2.2.1 光纤传输条件
2-8 单模光纤的传输特性用哪几个参数表示
答：单模光纤的传输特性有衰减、色散和带宽。在传输高强度功率条件下，则还要考虑光纤的非线性光学效应。
2-9 多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种
答：多模光纤有折射率阶跃光纤和渐变光纤。单模光纤有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657光纤和色散补偿光纤。
2-10 简述G.652、G.653、G.654、G.655、G.656和G.657各型号光纤的特征
答：G.652标准单模光纤是指零色散波长在1.3 μm窗口的单模光纤，它属于第一代单模光纤，其特点是当工作波长在1.3 μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3 μm波段的损耗较大，为0.3~0.4 dB/km；在1.55 μm波段的损耗较小，为0.2~0.25 dB/km。这种光纤可支持用于在1.55 μm波段的2.5 Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10 Gb/s的信号，传输距离超过50 km时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块，另外由于它的使用也增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于DWDM系统。
G.653光纤是一种把零色散波长从1.3 μm移到1.55 μm的色散移位光纤，它属于第二代单模光纤。
G. 654光纤是衰减最小光纤，该光纤具有更大的有效面积（大于110 μm2），超低的非线性和损耗，它在1.55 μm波长附近仅为0.151 dB/km，可以尽量减少使用EDFA的数量，并具有氢老化稳定性和良好的抗辐射特性，特别适用于无中继海底DWDM传输。G. 654光纤在1.3 μm波长区域的色散为零，但在1.55 μm波长区域色散较大，为17~20 ps/(nm⋅km)。
G. 655光纤是非零色散光纤，它实质上是一种改进的色散移位光纤，其零色散波长不在
1.55 μm，而是在1.525 μm或1.585 μm处。在光纤的制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到10 Gb/s，而不需要色散补偿。非零色散光纤消除了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。
G.656光纤是宽带全波光纤，它是把1 380 nm波长附近的OH离子浓度降到10以下，消除了1 360~1 460 nm波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3 dB/km左右，使S+C+L波段均可应用于DWDM光纤通信。
-8
图2.4.1 光纤的损耗谱和工作窗口
G. 657光纤是一种具有小的模场直径（MFD）和具有比较大的纤芯/包层折射率差的光纤，它对弯曲不敏感，可以在入户环境下拥挤的管道中，或者经过多次弯曲后固定在接线盒和插座等狭小空间的线路终端设备中使用。
2-11 用后向散射法测量光纤损耗的根据是什么？
答：瑞利散射光功率与传输光功率成正比，后向散射法就是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。图2.7.2为用后向散射法测量光纤损耗系数的原理图。
设在光纤中正向传输光功率经过长L1和L2的两段光纤传输后反射回输入端的光功率分
别为Pref 1和Pref 2，如图2.7.2（b）所示。经分析推导可知，正向和反向损耗系数的平均值为
图2.7.2 后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数
α=10
2(L2-L1)lgPref 1Pref 2（dB/mW） （2.7.2）
2-12 从物理概念来看，色散、脉冲展宽和光纤带宽三者之间的关系是什么
答：由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。高斯色散限制的光带宽为
f3dB,op≈ln2
2π21σrms=0.188σrms=0.188LDchλ(GHz)≈0.75B （2.3.31） 式中，σrms=LDchλ（GHz）。由式（2.3.31）可知，光纤带宽和色散引起脉冲展宽的关系是f3dB,opσrms=0.188。
2-13 简述光时域反射计的应用
答：利用光时域反射计不仅可以测量光纤的损耗系数（dB/km）和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上得到了广泛地使用。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。
2-14 G.652光纤在1.3 μm的损耗是多少？
答：G.652光纤在1.3 μm波段的损耗较大，为0.3~0.4 dB/km。
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
∆φ=2πneff∆L
λ （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，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。
1
λ11
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180。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 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。
滤波器1
λ高
低
高
低
高O滤波器2λ1,λ2,λ3λ2,λ3λ3
λ1λ2
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
Eoutput∝Acos(ωt+φ)+Acos(ωt-φ)=2Acosφcos(ωt) （3.5.5）
2输出功率与Eoutput成正比，所以由式（3.5.5）可知，当φ=0时输出功率最大，当φ=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(φ)
Pout(0)=cosφ （3.5.6）
2
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。
光输出
信号
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。
XXYY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'x和n'y。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
φ1=2πn'x2πL1
23λL=λ(n0+n0r22Vd) （3.5.1）
式中， n0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φ2，于是Ex和Ey产生的相位变化为
∆φ=φ1-φ2=2π⎛3L⎫nr 022V⎪λ⎝d⎭ （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。
z
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
θ=ρHL （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。
起偏振器法拉第
旋转器
检偏振器GRIN
透镜GRIN透镜
磁场
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磁光薄膜的磁光法拉第效应，按其工作原理的不同，可分为模式 (TE/TM) 转换型、非互易损耗（SOA）型和非互易相移（MZI）型三类，现分别加以介绍。
图3.7.3是利用半漏泄结构波导制作的模式 (TE/TM) 转换型隔离器，其突出优点在于可自动满足相位匹配的要求。它是在YIG波导上覆盖一层LiNbO3晶体，而且晶轴在波导平面内处于倾斜状态。在这种结构中，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换相互抵消，从而使得正向传输时，入射波能够在不发生变换的情况下直接通过波导。而对于反向光，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换是相加的，因而发生模式变换，TM模转换为TE高阶模或辐射模而截至，从而实现隔离反向光的功能。
波
模（往 内泄漏）LiNbO3
图3.7.3 模式转换型波导光隔离器
非互易损耗型光隔离器是基于铁磁薄膜 (如Co50Fe50) 作包层的半导体光放大器 (SOA)原理，如图3.7.4所示。这种光隔离器对于TM波导传输模式表现出一种非互易特性，这是
因为前向和后向传输的TM模式光在磁化的金属接触层表现出不同的折射率，这就是大家知道的横向磁光克尔效应，导致波导TM模的色散与传输方向有关。其结果是波导TM模的有效吸收系数和有效折射率变得与方向有关。因此，适当的给SOA注入电流，对正向传输的光通过，而对反向传输的光衰减，起到光隔离的作用。该器件隔离度达到了99 dB/cm，通过进一步优化层结构，有望使隔离度达到20 dB。
αe
有
效
吸
收
系
数加时增加ff
(b) 工作原理图 有效折射 (a) 结构示意图
图3.7.4 非互易损耗 (SOA) 型波导光隔离器
非互易相移型光隔离器是基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的原理，如图3.7.6 (a) 所示，该图在GaInAsP/InP基片上也集成了一个激光器LD。为了制作光隔离器，首先将铁柘榴石波片键合在马赫-曾得尔干涉仪( MZI ) GaInAsP/InP波片上，该隔离器由两个锥形耦合器、在两个干涉臂中的非互易相移器和在一个臂中的互易相移器组成。互易相移器由λ/4臂长差提供。MZ干涉仪设计成在两个臂中传输的前向光波没有相差（同相），而后向传输的光波有180o的相差（反相）。这可以选择合适的MZI两臂波导长度，引入90o的非互易相移和90o的互易相移完成。因此，正向传输的光在出Y2分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增强；而反向传输的光在出Y1分支处时的总相移为π，两光相消干涉而抵消。这类器件无须精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。图3.7.6 (b)表示计算出的与材料特性有关的干涉隔离器波长的损耗特性。
Y1衰
减
/dB20
50
14501500
波长/nmY2 1550
(a) 结构示意图 (b) 计算出的干涉隔离器波长的损耗特性
图3.7.6 非互易相移MZI型波导光隔离器
3-14 简述光环形器的作用
光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件，主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。光环形器用于单纤双向传输系统的工作原理如图3.8.1所示，端口1输入的光信号只有在端口2输出，端口2输入的光信号只有在端口3输出。在所谓“理想”的环行器中，在端口3输入的信号只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用环行器都设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号，方向性一般大于50 dB。用多个光隔离器就可以构成一个只允许单一方向传输的光环形器。
图3.8.1 光环行器用于双向传输系统
3-15 简述波导光栅在可重构光分插复用器（ROADM）中的作用
答：ROADM是一种光交换器件，它是将复用器、解复用器和光开关集成为单一的PLC器件。目前大多数ROADM采用iPLC技术，在AWG集成的基础上作进一步的集成。如一种波长选择交换(WSS, Wavelength Selective Switch)模块由2个芯片组成，一个AWG芯片，一个具有可变光衰减器 (VOA)功能的阵列MZI开关芯片，如图3.9.6 所示。
口口
解复用
和插入
外部
(a) 集成了4个AWG 的芯片 (b) 阵列MZI光开关/VOA芯片
图3.9.6 用于ROADM/WXC的PLC芯片结构图
3-16 使用1个M-Z干涉滤波器和2个光纤光栅设计一个分插滤波器。解释它的工作原理
答：由1个M-Z干涉滤波器和2个完全相同的共振波长为λ4的光纤光栅构成的分插滤波器如图3-16 所示，WDM信号λ1+λ4+λ7从端口1输入，因为光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，所以光栅反射波长λ4，λ4信号从端口2输出。光纤光栅的输出就只有λ1+λ7信号了。
M-Z干涉仪两臂的长度差为∆L，所以经两臂传输后的光，在到达第二个3 dB耦合器时就产生由式（1.2.8）决定的相位差∆φ=2πf(∆L)nc，式中n是波导折射率指数，复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口3，λ7满足相长条件，λ1满足相消条件，则输出λ7光；如果在输出端口4，λ7 满足相消条件，λ1 满足相长条件，则输出λ1光。
λ1
λ7λ的布拉格光栅λ1λ71
图3-16 由1个M-Z干涉滤波器和2个光纤光栅构成的分插滤波器
3-17 解释在WDM系统中，如何使用阵列平面波导作为波长路由器
答：使用平板阵列波导光栅（AWG）可以构成波长路由器，如图3.4.3所示。这种器件由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，这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差∆L，如图3.4.3所示，由式（1.2.8）可知， 其相邻波导间的相位差为
∆φ=2πneff∆L
λ （3.4.6）
这里 λ 是信号波长，∆L是路径长度差，neff为信道波道的有效折射率。
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。随后，光场在输出平板波导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，通过合理的设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。
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。
1
1
λ1
（a） 结构原理图 （b） 组成的波导光栅路由器（WGR）功能
图3.4.3 由阵列波导光栅(AWG)组成的解复用器/路由器
3-18 使用一个波导光栅路由器设计一个集成WDM发射机。WDM接收机有何改变
答：图3-18表示在发送端和接收端各使用一个阵列波导光栅（AWG）构成的WDM发射机和WDM接收机，该图实际上是WDM-PON的上行部分，波长可调LD使ONU工作在不同的波长，可调激光器工作在特定波长，但可通过电调谐、温度调谐或机械调谐使其改变波长。网络中的分路器是AWG，用作WDM信号复用；WDM接收机也使用一个AWG，对WDM信号解复用。
OLT中心局
图3-18 在发送端和接收端各使用一个阵列波导光栅（AWG）构成的WDM发射机和WDM接收机
第4章 复习思考题
参考答案
4-1 简述半导体发光基理
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带（价带）Ev
上，就将其间的能量差（禁带能量）Eg=Ec-Ev以光的形式放出，如图4.2.1所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差∆E所决定。能带差∆E和发出光的振荡频率vo之间有∆E=hv的关系，h 是普朗克常数，等于6.625⨯10-34 J⋅s 。由λ=cv得出
λ=hc
∆E=1.2398
∆E（μm） （4.2.1）
式中，c 为光速，∆E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV）。
图4.2.1 半导体发光原理
4-2 简述激光器和光探测器的本质区别
答：发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差∆E=Ec-Ev=hv的光所激发而发出与之同频率、同相位的光（激光），即受激发射，如图4.2.2（b）所示。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv的光照射到占据低能带Ev的电子上，则该电子吸收该能量后
被激励而跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高
能带Ec上的电子，使光能转变为电流，如图4.2.2（c）所示，这就是光接收器件。
4-3 自发辐射的光有什么特点
答：对于大量处于高能带的电子来说，当返回Ev能级时，它们各自独立地分别发射一
个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，这些光波的波长并不完全一样。因此自发辐射的光是一种非相干光，如图4.2.2（a）所示。
4-4 受激发射的光有什么特点
答：受激发射生成的光子与原入射光子一模一样，即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。
4-5 如何才可能实现光放大？
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当NcNv，g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放
大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.3所示。
4-6 说出产生激光的过程
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc
只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使Nc>Nv，增益系数g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对
光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.2（b）和图4.2.3所示。
半导体材料在通常状态下，总是NcNv的状态为粒子数反转。使有
源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。
Ecp+结n+
EEvEFnEcFpFnEFp
（a）没有偏置时的能带图
（b）正向偏置足够大时的能带图，此时引起
粒子数反转，发生受激发射
图4.2.3 半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。在1.3.2节中，我们已讨论了法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔的构成和工作原理。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（Cleaved Facets）构成法布里-珀罗谐振腔，如图4.2.4所示。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件，相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相干，阈值条件使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。谐振腔里存在着损耗，如镜面的反射损耗、工作物质的吸收和散射损耗等。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。前端面发射的光约有50 %耦合进入光纤，如图4.2.3（a）所示。后端面发射的光，由封装在内的光电检测器接收变为光电流，经过反馈控制回路，使激光器输出功率保持恒定（图
4.2.3（a）没有画出）。图4.2.5表示半导体激光器频谱特性的形成过程，它是由谐振腔内的增益谱和允许产生的腔模谱共同作用形成的。
4-7 激光器起振的阈值条件是什么
答：阈值条件是使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。
4-8 激光器起振的相位条件是什么
答：相位条件是使谐振腔内的前向和后向光波发生相干。
4-9 光学谐振腔存在哪些损耗？
答：光学谐振腔体存在的损耗有增益介质单位长度的吸收损耗和由于解理面反射率小于 1 而导致的损耗。
4-10 实际使用中为什么总是用热电制冷器对激光器进行冷却和温度控制
答：半导体激光器的阈值电流Ith和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波
长也随温度而变化。对于1.55 μm器件，每增加1 ℃，频率变化13 GHz。频率随注入电流的变化虽然随器件而异，但典型值为每毫安变化130 GHz。通常要求频率变化不应超过调制带宽的1/10。实验表明，假如偏流控制在0.1 mA以内变化，采用自动温度控制后，波长稳定在几百兆赫变化，则现有商用DFB激光器就可以使用。许多商品化激光器组件包含了可以维持阈值电流相对恒定的器件，通常能够使温度稳定到0.1℃以下。
图4.6.2表示使用反馈控制的激光器自动温度控制电路原理图。安装在热电制冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构成了电阻桥的一臂。热电制冷器采用珀尔帖效应产生制冷，它的制冷效果与施加的电流成线性关系。为防止制冷器内部发热引起性能下降，在制冷器上加装面积足够大的散热片是必要的。
图4.6.2 激光器的自动温度控制原理图
4-11 半导体激光器的基本特性是什么
答：半导体激光器的基本特性有阈值电流、温度特性、波长特性。
半导体激光器属于阈值性器件，即当注入电流大于阈值点时才有激光输出，否则为荧光输出。半导体激光器的阈值电流Ith和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波长
也随温度而变化。激光器的波长特性可以用中心波长、光谱宽度以及光谱模数三个参数来描述。
4-12 简述DFB激光器的工作原理
答：DFB半导体激光器可分为两类：分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器。图4.3.6为DBR激光器的结构及其工作原理，如图所示，DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右侧增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。这种衍射光栅相当于在3.4.5节介绍的频率选择电介质镜，也相当于在1.3.2节介绍的反射衍射光栅。衍射光栅产生布拉格衍射，DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距 Λ 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如，当部分反射波A和B的路程差为2Λ 时，它们才发生相长干涉。DBR的模式选择性来自布拉格条件，即只有当布拉格波长λB满足同相干涉条件
m(λB)=2Λ （4.3.2）
时，相长干涉才会发生。式中，Λ 为光栅间距（衍射周期），为介质折射率，整数m为布拉格衍射阶数。因此 DBR 激光器围绕λB具有高的反射，离开λB则反射就减小。其结果是只能产生特别的 F-P 腔模式，在图4.3.5中，只有靠近ωB的波长才有激光输出。一阶布拉格衍射（m = 1）的相长干涉最强。假如在式（4.3.2）中m=1，=3.3，λB=1.55μm，此时 DFB 激光器的Λ只有235 nm。这样细小的光栅可使用全息技术来制作。
图4.3.7 DBR激光器结构及其工作原理
4-13 简述耦合腔波长可调谐激光器的工作原理
答：耦合腔半导体激光器可以实现单纵模工作，这是靠把光耦合到一个外腔实现的，如 图4.4.1所示。外腔镜面把光的一部分反射回激光腔。外腔反馈回来的光不一定与激光腔内的光场同相位，因为在外腔中产生了相位偏移。只有波长几乎与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈。实际上，面向外腔的激光器界面的有效反射与波长有关，从而导致产生如图4.4.1所示的损耗曲线，它最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。
图4.4.1 耦合腔激光器中的纵模选择性
一种单片集成的耦合腔激光器称为C激光器。C指的是切开的耦合腔（Cleaved Coupled Cavity），如图4.4.2所示。这种激光器是这样制成的，把常规多模半导体激光器从中间切开，一段长为L，另一段为D，分别加以驱动电流。中间是一个很窄的空气隙（宽约1 μm），切开界面的反射约为30 %，只要间隙不是太宽，就可以在两部分之间产生足够强的耦合。在本例中，因为L>D，所以L段中的模式间距要比D段中的密。这两段的模式只有在较大的距离上才能完全一致，产生复合腔的发射模，如图4.4.2（b）所示。因此C3激光器可以实现单纵模工作。改变一个腔体的注入电流，C3激光器可以实现约为20 nm范围的波长调谐。然而，由于约2 nm的逐次模式跳动，调谐是不连续的。
33
图4.4.2 C3激光器的结构及其单纵模输出原理
4-14 简述阵列半导体光放大器（SOA）集成光栅腔体激光器的工作原理
答：阵列半导体光放大器（SOA）集成光栅腔体激光器，其发射波长可以精确设置在指定位置。借助激活该器件的不同SOA，不同波长梳的任一波长均可发射，其波长间距也可以精确地预先确定，而且该器件的制造也比较简单。
与图4.4.3（a）表示的外腔半导体激光器相比，图4.4.6（a）表示的激光器可以看做单片集成两元外腔光栅激光器，即一个集成的固定光栅和一个SOA阵列，而不是仅用单个有源元件和外部的旋转光栅。当SOA阵列中的任何一个注入电流泵浦时，它就以它在光栅中的相对位置确定的波长发射光谱。因为这种几何位置是被光刻掩埋精确确定的，所以设计的发射波长在光梳中的位置也是精确确定的。
阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器，其谐振腔类似于3.4.2节已讨论过的波导光栅复用/解复用器。在这种激光器中，右边的平板衍射光栅和左边InP/InGaAsP/InP双异质结有源波导条（SOA）之间构成了该激光器的主体。有源条的外部界面和光栅共同构成了谐振腔的反射边界。右边的光栅由垂直向下蚀刻波导芯构成的凹面反射界面组成，以便聚焦衍射返回的光到有源条的内部端面上。这些条是直接位于波导芯上部的InGaAs/InGaAsP多量子阱（MQW）有源区。这种激光器面积只有14⨯3 mm2，有源条和光栅的间距为10 mm，有源条长2 mm，宽6~7 μm，条距40 μm，衍射区是标准的半径9 mm 的罗兰（Rowland）圆。
由图4.4.6可见，从O点发出的光经光栅的PN和P0点反射后回到O点，产生的路径差∆L = 2LN - 2L0，由1.2.2节可知，为了使从PN和P0点反射回到O点的光发生相长干涉，其相位差必须是2π的整数倍[见式（1.2.8）]，由此可以得到与路径差有关相位差是
图4.4.7 阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器
∆φ =k1∆L=m(2π)， m = 0, 1, 2,⋅⋅⋅ （4.4.1） 因为k1=2πnλ，式中n是波导的折射率，所以可以得到与路径差有关（即与SOA位置有关）的波长为 λ=n∆L
m （4.4.2）
如果在真空中，则n =1，则也和用式（1.3.3）得出的结论相同。
一个SOA的典型发射光谱如图4.4.6（b）所示。测量得到的激光输出的纵模间距和谱宽分别与设计的腔体长度和有源条位置和宽度一致，如图4.4.6（c）所示。
4-15 简述阵列波导光栅（AWG） PIC波长可调激光器的工作原理。
答：
平板阵列波导光栅（AWG）由N个输入波导、N个输出波导、两个在3.2.3节讨论过的结构相同的N ⨯ M平板波导星形耦合器以及一个有M个波导的平板阵列波导光栅组成，这里M可以等于N，也可以不等于N。这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差∆L，如图
4.4.7（a）所示。AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理（见3.3.2节），即多个单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
光栅阵列
fT( )
传
输
函
数FSRFSR = δfcf1
fif+i2nLf2nLmcf =m2nLfFSRδf ==mM
M=
图4.4.9 阵列波导光栅（AWG）
由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，由式（1.2.8）可知， 其相邻波导间的相位差为
∆φ=k∆L=2πn
λ∆L （4.4.5）
式中，k是波矢量，k = 2πn/λ，∆L是相邻波导间的路径长度差，通常为几十微米，所以输出端口与波长有一一对应的关系。
AWG多频激光器PIC中间是波导光栅路由器（Waveguide Grating Router，WGR）滤波器，右侧是阵列半导体光放大器（SOA），左侧是一个功率放大SOA。芯片右侧镜面镀高反射率（HR）膜，左侧则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光，如图4.4.9（a）所示。
图4.4.11 AWG多频激光器
AWG多频激光器的信道间距取决于AWG腔体内的波导光栅路由器的几何尺寸，因此，每个激光器的波长非常稳定，制造时可重复性好。
4-16 简述VCSEL激光器的工作原理
答：图4.5.1表示垂直腔表面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）的示意图。有源区的长度L与边发射器件比较非常短，光从腔体表面发射，而不是腔体边沿。腔体两端的反射器是由3.4.5节介绍的电介质镜组成，即由厚度为λ/4的高低折射率层交错组成。如果组成电介质镜的高低介质层折射率n1、n2和d1、d2满足
n1d1+n2d2=1
2λ （4.5.1）
该电介质镜就对波长产生很强的选择性，从界面上反射的部分透射光相长干涉，使反射光增强，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。因为这样的介质镜就像一个折射率周期变化的光栅，所以该电介质镜本质上是一个分布布拉格反射器。选择式（4.5.1）中的波长与有源层的光增益一致，因为有源区腔长z很短，所以需要高反射的端面，这是由于光增益与exp(gz)成正比，这里g是光增益系数。因为有源层通常很薄（
图4.5.1 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）示意图
4-17 LED和LD的主要区别是什么
答：LED本质上是非相干光源，它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发辐射谱线，所以谱线较宽。对于用GaAlAs材料制作的LED，发射光谱宽度约为30~50 nm，而对长波长InGaAsP材料制作的LED，发射谱线为60~120 nm。因为LED的光谱很宽，所以光在光纤中传输时，材料色散和波导色散较严重，这对光纤通信非常不利。
LD有多模激光器和单模激光器之分。多模激光器指的是多纵模或多频激光器，模间距为0.13~0.9 nm。通常高速传输系统用的半导体激光器的频谱宽度为5 nm。单模激光器的频谱宽度因为很窄，所以称为线宽，它与有源区的设计密切相关。
图4.6.3 LED和LD的光谱特性
第5章 复习思考题
参考答案
5-1 光探测器的作用和原理是什么
答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量hν超过禁带能量Eg，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a）所示。在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。从而在外电路形成光生电流IP。当入射功率变化时，光生电流也随之线
性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带（价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能量）Eg=Ec-Ev以光的形式放出，如图4.2.2所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差∆E所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv的光照射到占据低能带Ev的电子上，则该电子吸收该能量后
被激励而跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高
能带Ec上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应
答：光生的电子-空穴对经过APD的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图
5-4 光接收机的作用是什么
答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
5-5 光纤通信中最常用的光电探测器是哪几种？比较它们的优
缺点
答：光纤通信中最常用的光电探测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD），以及高速接收机用到的单向载流子光电探测器（UTC-PD）、波导光电探测器（WG-PD）和行波光电探测器（TW-PD）。
PIN光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W可使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。
雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度高。因工作速度高，并能提供内部增益，已广泛应用于光通信系统中。
在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子，在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。而单行载流子光电探测器（UTC-PD），只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。
波导型探测器（Waveguide PD，WG-PD）和行波型探测器（Traveling Wave PD，TW-PD）采用边耦合方式，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直，如图5.2.11（c）和（d）所示，吸收区长度沿光的行进方向，吸收效率提高了；而载流子渡越方向不变，渡越距离和所需时间不变，这样就很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。边耦合光电探测器比面入射探测器（PIN和APD）可以获得更高的3 dB响应带宽。
入射光导带价带
(c) WG-PDPI入射光 h(a) PIN-PD(b)PIN探测器能带图(d) TW-PD
图5.2.11 面入射光电探测器和边耦合光电探测器（WG-PD、TW-PD）的比较
5-6 PIN和APD探测器的主要区别是什么
答：雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度比PIN高。
5-7 单行载流子光电探测器（UTC-PD）为什么能够在高速系统中使用
答：因为UTC-PD结构使光生空穴不能扩散形成光生电流，只有电子能够形成光生电流，而UTC-PD结构又使电子在收集层中的迁移速度非常快，所以能够在高速系统中使用。另外在收集层中减少的空间电荷与常规的PIN管相比，允许大的工作电流密度通过，这样就在取得高速响应的同时，实现了大的饱和电流输出。
图5.2.12 电子载流子光电探测器（UTC-PD）
5-8 简述波导型探测器（WG-PD）和行波型探测器（TW-PD）的工作原理
答： 在WG-PD中，光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子-空穴对，实现了对光信号的探测。其次，WG-PD的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。WG-PD的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10 μm，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为1 μm。所以WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构PD。但是，和面入射探测器相比，WD-PD的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。为此，可采用分支波导结构增加光耦合面积，如图5.2.11（a）所示。
折n3>
单(a)单模波导光经过光匹配层
进入 吸收层(分支波导)PD（b）串行光反馈速度匹配周期分布式行波探测器(VMP TW-PD)
图5.2.11 增加光耦合面积的分支波导探测器
行波探测器如图5.2.11（b）所示，它的波导长度等于探测信号的波长。行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC常数的限制，而主要由光的吸收系数、光的群速度和电的相速度不匹配决定。这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。串行或并行光馈送的TW-PD
可得到高速和大饱和光电流的器件，如图5.2.16所示。
图5.2.16 光串行馈送速度匹配周期分布式行波探测器（VMP TW-PD）
5-9 数字光接收机主要由哪几部分组成
答：数字光接收机的原理由三部分组成，即由光电探测和前置放大器部分、主放大（线性信道）部分以及数据恢复部分组成。
图5.3.1 数字光接收机
5-10 说明前置放大器和主放大器的功能区别
答：接收机前端的光电探测器将微弱的光信号转换为电信号，紧随其后的低噪声前置放大器，放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。
线性放大器由主放大器、均衡滤波器和自动增益控制电路组成。自动增益控制电路的作用是在接收机平均入射光功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。低通滤波器的作用是减小噪声，均衡整形电压脉冲，避免码间干扰。
5-11 光接收机中存在哪些噪声
答：光接收机的两种基本噪声是散粒噪声和热噪声，另外还有激光器引起的强度噪声。 5-12 通常数字光接收机要求BER是多少
答：通常数字光接收机要求BER = 10-9。
5-13 接收机灵敏度的定义是什么
答：接收机灵敏度定义为保证比特误码率为10-9时，要求的最小平均接收光功率（Prec）。 5-14 监测光纤通信系统性能好坏通常采用什么最直观简单的方法
答：在实验室观察码间干扰判断系统性能好坏的最直观、最简单的方法是眼图分析法。均衡滤波器输出的随机脉冲信号输入到示波器的Y轴，用时钟信号作为外触发信号，就可以观察到眼图。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电
路的调整提供了简单而适用的观测手段。
第6章 复习思考题
参考答案
6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式
答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理
EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。在公用电话网和CATV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小
答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40 dB的放大器增益。采用1 480 nm的InGaAs多量子阱（MQW）激光泵浦源，其输出功率可达100 mW，该波长的泵浦增益系数较高。980 nm波长对EDFA泵浦，效率高，噪声低。
6-3 目前有几种光放大器？哪几种已商用化？请说出各自的优缺点。
答：目前有掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）、半导体光放大器（SOA）、光纤布里渊放大器和掺镨光纤放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）、半导体光放大器（SOA）、技术已经成熟，众多公司已有商品出售。
6-4 什么是掺铒光纤放大器
答：使用铒离子作为增益介质的光纤放大器称为掺铒光纤放大器（EDFA）。铒离子在光纤制作过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。
6-5 画出EDFA的结构示意图，并简述各部分的作用
答：图6.3.1（a）为一个实用光纤放大器的构成方框图。光纤放大器的关键部件是掺铒光纤和高功率泵浦源，作为信号和泵浦光复用的波分复用器（WDM），以及为了防止光反馈和减小系统噪声在输入和输出端使用的光隔离器。
图6.3.1 EDFA组成图
6-6 EDFA有几种泵浦方式？
答：EDFA有980 nm光源泵浦和1 480 nm光源泵浦两种方式，980 nm光源泵浦时增益效率为10 dB/mW，用1 480 nm光源泵浦时为5.1 dB/mW。
6-7 简述EDFA的工作原理
答：若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理
6-8 EDFA的主要特性指标是什么？说明其含义
答：EDFA的主要特性指标有泵浦特性、增益频谱、小信号增益、增益饱和（或压缩）特性和放大器噪声。
使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦EDFA，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40 dB的放大器增益。
EDFA的增益频谱曲线形状取决于光纤芯内掺杂剂的浓度，将铝与锗同时掺入铒光纤可获得比纯掺锗更平坦的增益频谱，增益带宽[曲线半最大值带宽（FWHM）]可达30～40 nm。
EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径和泵浦功率有关，对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，如图6.3.7（a）所示，但是当泵浦功率超过一定值后，增益增加就变得缓慢。对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，如图6.3.7（b）所示，并且当L超过这个最佳值后增益很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。
在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器增益不随入射光信号的增加而变化，表现为恒定不变，如图6.3.8所示。当输入信号功率增大到一定值后（一般为 -20 dBm左右），增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。
放大器噪声是系统性能的最终限制因素。放大器的噪声一般用噪声指数Fn来量度，如
式（6.1.13）所示，即
Fn=2nsp （6.3.1）
nsp=N2式中，nsp是自发辐射系数，或者称铒离子反转系数，(N2-N1)，这里N1是处于基
态的离子数，N2是激活态的离子数。EDFA的噪声指数要比理想值3 dB大
6-9 EDFA在光纤通信系统中有哪几种应用方式？
答：EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。在公用电话网和CATV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来
放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-10 简述半导体光放大器（SOA）的工作原理
答：光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机理与激光器相同。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益，如图
6.1.1（a）所示。
图6.1.1 光放大器原理和增益分布曲线
但是，半导体激光器在解理面存在反射（反射系数约为32 %），具有相当大的反馈。当偏流低于阈值时，它们被作为放大器使用，但是必须考虑在法布里-珀罗（F-P）腔体界面上的多次反射。这种放大器就称为F-P放大器。
当R1=R2，并考虑到v=vm时，使用F-P干涉理论可以求得该放大器的放大倍数GFPA(ν)为
maxGFPA(ν)=(1-R)2G(ν) （6.2.2） [1-RG(v)]2
当入射光信号的频率ω(ν)与腔体谐振频率中的一个ω(ν)相等时，增益G(ν)就达到
FPAmm
峰值，当ω(ν)偏离νm时，G(ν)下降得很快，如图6.2.1（b）所示。由图可见，当半导体
FPA
解理面与空气的反射率R=0.32时，F-P放大器在谐振频率处的峰值最大；反射率越小，增益也越小；当R=0时，就变为行波放大器，其增益频谱特性是高斯曲线。
图6.2.1 法布里-玻罗（F-P）半导体光放大器
6-11 如何使LD变为SOA
-4答：减小LD界理端面反射反馈，使R1R2
大器（SOA）。使条状有源区与正常的解理面倾斜或在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区就可以使反射率小至10 4，从而使LD变为SOA。
6-12 什么是分布式拉曼放大器？有何应用？并简述它与EDFA的不同
答：与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式光纤拉曼放大器（DRA）利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。分布式光纤拉曼放大器（DRA）的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益。而没有像EDFA那样的放大波段的限制。
如果用色散补偿光纤作放大介质构成拉曼放大器，那么光传输路径的色散补偿和损耗补偿可以同时实现。光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。
6-13 EDFA级联需要考虑哪些问题
答：光放大器级联可克服长距离通信系统（如海底光缆系统）的光纤损耗，从而可省去光信号的周期性光-电-光再生。设计一个在线放大器级联光波系统，要求考虑放大器噪声、光纤色散以及光纤非线性。
放大器噪声以两种方式影响系统性能。首先，级联中的每个放大器产生的放大自发辐射（ASE）噪声，通过剩下的传输线路传送，并被后面的放大器与信号一起放大。该放大后的自发辐射噪声在到达接收机之前累积并影响系统性能。其次，当ASE电平逐渐增大时，它开始使光放大器饱和并减小信号增益。其结果是沿传输线路信号功率下降而ASE电平上升，在接收端SNR甚至下降更多。数值模拟表明，该系统在一定意义上处于自调整状态，即总功率（信号功率和ASE功率之和）维持相对恒定。
由于光纤色散和光纤非线性的累积影响，实际上，实现总传输距离Lt超过几千千米的光纤系统是困难的。通常放大器只补偿光纤损耗，那么，在放大器级联的光纤系统中，系统就由色散所限制。
在WDM系统的应用中，对EDFA性能的要求是相当苛刻的，这是因为单个放大器增益的较小变化，将引起级联放大器总增益的很大变化，即使0.2 dB的EDFA增益波动，100个放大器在线级联后，也会产生20 dB的增益差，使信道间的功率变化达100倍，这在实际应用中是不能接受的。因此WDM系统的信道数，不仅受放大器带宽限制，而且也受增益频谱的不平坦限制。因此需要对EDFA的增益进行均衡。