信息光电子技术题目

光电子信息技术2011年一、在信息光电子技术中，光波通常是被束缚在波导中传输的。列举两种不同的波导结构，简述其传输光波的物理机制。（8分）圆柱：光纤平板二、从结构、原理、性能和应用方面，比较半导体光放大器与半导体激光器的异同点。（8分）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。结构：LD：增益导引半导体激光器和折射率导引半导体激光器SOA：FP谐振腔性能：应用：SOA：既可用于光纤通信系统作为串级全光中继放大器和光接收机的前置放大器，也可用于局域网中作为分支损耗补偿放大器；既可用于强度调制直接检测（IM/DD）光纤通信系统，也可用于相干光纤系统。LD：单纵模半导体激光器：DFB半导体激光器和耦合腔半导体激光器三、光信息在光纤中传输时，会受到那些光学非线性效应的影响？从“利”与“弊”两方面论述这些非线性效应的影响。（10分）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(SBS)声学/（SRS）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：在朝向光源的方向上产生增益，会引起光源不稳定。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。在高功率传输时，两者均能导致相当大的损耗。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。但他们能通过将具有合适波长的泵浦场的能量传给另一波长的光场，使该光场得到放大而加以利用。例如，喇曼增益已用于补偿光孤子传输中因光纤损耗而失去的能量，实现光孤子长距离稳定传输。SRS也能用于制造光纤喇曼激光器和放大器，这种放大器可用作光接收机的前置放大器，也能在多信道通信系统中同时放大多路信号。SBS也能用于制造布里渊放大器。由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄，可用于多信道通信系统选择信道，提高接收机灵敏度。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。在光纤正色散区中，沿着光纤传输的信号经历暂时的较大展宽，但在负色散区，光纤的色散与自相位调制相互作用能支持超短光孤子脉冲传输，实现新的光孤子通信，是非线性折射率的重要应用。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于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。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。四、光的相位是一个很重要的参数，举例说明光的相位在光信息产生，传输及光信息处理等方面的应用。（10分）五、利用已学的信息光电子器件及其组合，构建五种反射波长1550nm波长的全反射镜，并画出示意图。（10分）六、在信息光电子技术中的哪些场合会产生啁啾？应如何控制啁啾，使其在光信息技术中发挥有益的作用？（10分）①激光器激光器中若注入的punp电流或偏执电流发生变化，就会导致频率啁啾，如直接调制的激光器；同时若激光器的温度发生变化，或是激光器的核心元件受到应力或是振动的影响，也会产生频率啁啾；这将导致激光器输出的不再是单一频率而是有一定线宽的光波。②调制器所有调制器中，只要是通过改变波导折射率来实现光波调制的器件，在实际情况中都会引入一定的频率啁啾，如MZM、EAM等。这将给所调制的光中引入一定的频率分量，如果该频率分量不是系统设计中所需要的，将会导致调制器输出的信号质量降低。③SOA由于SOA的增益饱和效应，对脉冲的不同部分，SOA所产生的增益不同，因此会产生一个与时间相关的相移和频率啁啾，将会导致所放大脉冲的展宽并有可能导致多个峰的出现。④波导中的SPM如光纤中的SPM将会导致脉冲啁啾，从而产生新的频率分量，其与色散相互作用可能会导致脉冲的变形。但是若能合理地选择合适的脉冲形状和光纤的色散参数，反而能实现脉冲形状不变或是周期性变化的光孤子传输。采用EAM和MZ-M等预啁啾调制技术，产生正啁啾，这时脉冲出现压缩现象，系统性能可大大提高。七、简述电吸收调制器的工作原理，采用何种结构可以改善电吸收调制器的性能？为什么电吸收调制器可以用于RoF系统的基站中？（10分）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。量子阱结构能增大EA调制器消光比。由于量子阱的束缚，电子和空穴需要相对更长时间才能通过隧道穿透效应从量子阱中逸出；量子阱层的厚度很小，使得束缚在其中的电子与空穴之间的库仑作用非常明显；激子共振可以存在于很大的外电场下，而不被离子化，改善了半导体电吸收调制器的性能。八、论述受激喇曼效应与受激布里渊效应的异同点。并说明在全光放大技术中普遍采用喇曼光纤放大技术而不采用布里渊光放大技术？（10分）SBSSRS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，只能用于温度传感拉曼放大器有很宽的带宽（约达到40THz），能对1270nm到1670nm的任何信号光进行放大，能利用任意的光纤作为其增益介质，由于其ASE比较小所以其噪声系数很小。但是其需要很高的泵浦功率，为了达到宽范围的的增益平坦需要多个泵浦波长进行泵浦，其是利用前向stocks光。起作用的是光频声子。布里渊放大器的带宽很窄（不到100MHz），泵浦功率要求低，由于后向的stocks反射光产生的，其阈值泵浦功率和泵浦波的谱宽有关，其需要连续泵浦，或者是相对较宽的脉冲泵浦（大于1us），但是当脉宽小于10ns时，则基本不会产生放大。其起作用的是声频声子。由于在室温下高的声学声子数，使FBA的噪声指数过大（大于15dB），FBA的窄带宽放大特性，使其能放大信号的比特率一般比较低，如小于100Mb/s。九、半导体激光器是光纤通信系统中极为重要的光源，请问：（1）当激光器的谐振腔尤其解里面的菲涅尔反射而形成，设材料的折射率为3.4，求腔的反射率；（2）设该激光器工作的中心波长为1550nm，腔长为0.3nm，增益谐的有效带宽为9nm，腔内的群折射率为4，试求输出激光的线宽及纵模数目；（3）说明如何实现性能优良且任意可调谐单纵模激光器。（12分）十、在仅考虑激光的低阶色散时，光脉冲的传输满足如下的偏微分方程，i𝝏𝑨𝝏𝒁=𝟏𝟐𝜷𝟐𝝏𝟐𝑨𝝏𝑻𝟐。若注入的光脉冲为：A(0,T)=exp(-𝑻𝟐𝟐𝑻𝟎𝟐)，其中，𝜷𝟐，𝑻𝟎均是与z，T无关的参数，试求（1）A(z,T)；（2）讨论脉冲宽度的变化情况；（3）若二段光纤的色散和光纤长度分别为𝜷𝟐𝟏、𝑳𝟏和𝜷𝟐𝟐、𝑳𝟐相连时，能否使输出的光脉冲的脉宽不变？若能，光脉冲、光纤的长度和色散应满足怎样的关系？（12分）