《光纖通信》第8章復(fù)習(xí)思考題參考答案

1、第8章 復(fù)習(xí)思考題參考答案8-1 光纖通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)有哪幾種答：光纖通信系統(tǒng)除點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)外，另外四種基本結(jié)構(gòu)是樹(shù)形、總線形、環(huán)形和星形，如圖8.1.1所示。圖8.1.1 光纖通信網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)8-2 試畫(huà)出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成框圖答：圖8.1.2給出了采用光-電-光再生中繼和光放大中繼的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)示意圖。圖8.1.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)8-3 什么是損耗限制系統(tǒng)？什么是色散限制系統(tǒng)答：光纖色散導(dǎo)致光脈沖展寬，從而構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)BL乘積的限制。當(dāng)色散限制傳輸距離小于損耗限制的傳輸距離時(shí)，系統(tǒng)是色散限制系統(tǒng)。否則，就是損耗限制系統(tǒng)。在給定工作波長(zhǎng)下，L隨著B(niǎo) 的增加按對(duì)數(shù)關(guān)系減小。在短波

2、長(zhǎng)0.85 mm波段上，由于光纖損耗較大（典型值為2.5 dB/km），根據(jù)碼率的不同，中繼距離通常被限制在1030 km。而長(zhǎng)波長(zhǎng)1.31.6 mm系統(tǒng)，由于光纖損耗較小，在1.3 mm處損耗的典型值為0.30.4 dB/km，在1.55 mm處為0.2 dB/km，中繼距離可以達(dá)到100200 km，尤其在1.55 mm波長(zhǎng)處的最低損耗窗口，中繼距離可以超過(guò)200 km。一般說(shuō)來(lái)，1.3 mm單模光纖通信系統(tǒng)在 B 1Gb/s時(shí)可能成為色散限制系統(tǒng)。8-4 若光纖的色散太大，將給系統(tǒng)帶來(lái)什么問(wèn)題答：色散引起脈沖展寬，可能對(duì)系統(tǒng)的接收性能形成兩方面的影響。首先，脈沖的部分能量可能逸出到比特時(shí)

3、間以外而形成碼間干擾。這種碼間干擾可以采用線性通道優(yōu)化設(shè)計(jì)，即使用一個(gè)高增益的放大器（主放大器）和一個(gè)低通濾波器，有時(shí)在放大器前也使用一個(gè)均衡器，以補(bǔ)償前端的帶寬限制效應(yīng)，使這種碼間干擾減小到最小。其次，由于光脈沖的展寬，在比特時(shí)間內(nèi)光脈沖的能量減少，導(dǎo)致在判決電路上SNR降低。為了維持一定的SNR，需要增加平均入射光功率。 8-5 簡(jiǎn)述系統(tǒng)對(duì)激光器、探測(cè)器和光纖的技術(shù)要求答：光纖通信對(duì)光源的要求是：（1）電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，壽命長(zhǎng)，可靠性高；（2）單色性和方向性好，以減少光纖的材料色散，提高光源和光纖的耦合效率；采用單縱模激光器可以使模分配噪聲（MPN）的影響降到最?。贿吥Ｒ种票萂S

4、R 100（20 dB）時(shí)，可使模分配噪聲（MPN）的影響降到最小。（3）對(duì)于模擬調(diào)制，還要求光強(qiáng)隨驅(qū)動(dòng)電流變化的線性要好，以保證有足夠多的模擬調(diào)制信道。（4）但是在1.55 mm波長(zhǎng)系統(tǒng)中，即使采用邊模抑制比大的單模LD，LD的頻率啁啾也是對(duì)系統(tǒng)的主要限制因素。（5）因此高速光纖通信系統(tǒng)，多采用多量子阱結(jié)構(gòu)DFB LD，以減小頻率啁啾的影響。對(duì)光電探測(cè)器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。對(duì)光纖的基本要求是：從發(fā)射光源耦合進(jìn)光纖的光功率要最大，光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸后產(chǎn)生的畸變要最小，光纖的傳輸窗口要滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用的要求。具體的設(shè)計(jì)要根據(jù)使用條件進(jìn)行

5、折中。（1）衰減 在選定的波長(zhǎng)，衰減要足夠小，以使在滿(mǎn)足接收機(jī)所要求的光功率的前提下，使中繼距離盡可能大。（2）耦合損耗 它包括光源耦合損耗和檢測(cè)器耦合損耗。纖芯尺寸和數(shù)值孔徑大，可減小光源的耦合損耗；但要增加檢測(cè)器耦合損耗。為了減小和檢測(cè)器的耦合損耗，要求纖芯尺寸和數(shù)值孔徑要足夠小，以使出射光完全落在檢測(cè)器上。纖芯尺寸和數(shù)值孔徑大的光纖，其傳輸帶寬小，適合于采用發(fā)光管（LED）的系統(tǒng)。（3）連接損耗 連接損耗包括連接器和接頭的損耗。纖芯直徑的公差、不圓度和纖芯與包層同心度誤差要盡可能小，以得到最小連接損耗。提高光纖的幾何精度，要增加制造成本，增大纖芯尺寸和數(shù)值孔徑可以減小幾何公差對(duì)連接損耗的

6、不利影響，但與增大帶寬相矛盾。（4）色散和帶寬 為了使已調(diào)制的光信號(hào)以最小畸變通過(guò)光纖全長(zhǎng)，光纖色散要足夠小。為了減小光纖色散，要嚴(yán)格控制折射率分布指數(shù)（g）和零色散波長(zhǎng)。對(duì)具體系統(tǒng)要正確選擇光纖類(lèi)型和工作波長(zhǎng)，例如長(zhǎng)距離高速率海纜系統(tǒng)要選擇零色散移位到1.55 mm的G.654單模光纖。波分復(fù)用系統(tǒng)要選擇色散系數(shù)雖然很小、但不為零的G.655單模光纖，以減小四波混頻的影響。用于城域網(wǎng)的 DWDM 系統(tǒng)要選擇因無(wú)水峰可用波長(zhǎng)范圍特別寬的全波光纖。采用發(fā)光管（LED）的系統(tǒng)，要充分考慮材料色散的影響等。8-6 請(qǐng)說(shuō)明光中繼器的功能答：任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制，因此，傳統(tǒng)的

7、長(zhǎng)途光纖傳輸系統(tǒng)需要每隔一定的距離就增加一個(gè)再生中繼器，以便保證信號(hào)的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)時(shí)進(jìn)行整形、再生和定時(shí)處理，（即所謂的3R中繼器），恢復(fù)信號(hào)形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，沿光纖線路繼續(xù)傳輸。這種方式有許多缺點(diǎn)。首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出，因?yàn)槊總€(gè)信道均需要進(jìn)行波分解復(fù)用，然后進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，經(jīng)波分復(fù)用后再送回光纖信道傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費(fèi)用更昂貴；其次，傳輸容量受到一定的限制。另一種是全光中繼器，去掉了上述光-電-光轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再傳輸，即

8、用一個(gè)全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光3R（Reshaping, Regenerating, Retiming，3R）再生中繼器。8-7 影響中繼距離的因素有哪些？是如何影響的答：中繼距離L是系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它決定著系統(tǒng)的成本。局間距離較長(zhǎng)時(shí)，光發(fā)射機(jī)發(fā)出的光信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于線路損耗和色散的存在，會(huì)使信號(hào)波形畸變，誤碼率增加。為此，必須考慮在線路中間增加再生中繼器。中繼間距過(guò)短，會(huì)增加中繼器數(shù)量，使建設(shè)成本增加；中繼間距過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使系統(tǒng)性能變差，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)性能的要求。所以必須合理設(shè)計(jì)中繼間距。中繼器有光-電-光3R中繼器和光放大中繼器，選擇何種中繼器，也需要考慮。中繼間距

9、L隨光纖損耗的減小而增加，同時(shí)它也隨接收機(jī)靈敏度和光源輸出光功率的提高而增加。由于光纖的色散，中繼距離L與系統(tǒng)碼率B有關(guān)。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸中，碼率、中繼距離乘積BL是表征系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由于光纖的損耗和色散都與波長(zhǎng)有關(guān)，所以BL也與波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)工作波長(zhǎng)0.85 mm的第一代商用化光纖通信系統(tǒng)，BL的典型值在1 (Gb/s)km左右，而1.55 mm波長(zhǎng)的第三代系統(tǒng)的BL值可以超過(guò)1 000 (Gb/s)km。8-8 如何進(jìn)行系統(tǒng)的功率預(yù)算答：光纖通信系統(tǒng)功率預(yù)算的目的是，保證系統(tǒng)在整個(gè)工作壽命內(nèi)，接收機(jī)要具有足夠大的接收光功率，以滿(mǎn)足一定的誤碼率要求。如果接收機(jī)的接收靈敏度為，發(fā)射機(jī)的平

10、均輸出光功率為，則應(yīng)該滿(mǎn)足 （8.2.1）式中，是通信信道的所有損耗，為系統(tǒng)的功率余量，和的單位為dBm，和的單位用dB表示。為了保證系統(tǒng)在整個(gè)壽命內(nèi)，因元器件劣化或其他不可預(yù)見(jiàn)的因素，引起接收靈敏度下降，此時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須分配一定的功率余量，一般考慮為68 dB。信道的損耗應(yīng)為光纖線路上所有損耗之和，包括光纖傳輸損耗、連接及熔接損耗，假如表示光纖損耗系數(shù)（單位為dB/km），L為傳輸長(zhǎng)度，為光纖連接損耗，為光纖熔接損耗。通常光纖的熔接損耗包含在傳輸光纖的平均損耗內(nèi)，連接損耗主要是指發(fā)射機(jī)及接收機(jī)與傳輸光纖的活動(dòng)連接損耗。光纖線路上總損耗可表示為 （8.2.2）舉例來(lái)說(shuō)，假

11、定光源輸出功率5 dBm（3.2 mW），光源和光纖的耦合損耗3 dB，使用2個(gè)連接器，每個(gè)有1 dB損耗，平均每2 km有一個(gè)熔接頭，100 km共有49個(gè)接頭，每個(gè)有0.1dB損耗。表8.4.2給出功率預(yù)算的結(jié)果。由表可知，如果采用APD接收機(jī)，則損耗預(yù)留有10dB，如果采用PIN高阻抗接收機(jī)，則損耗預(yù)留只有2 dB。表8.4.2 單模 InGaAsP 激光器+單模光纖 1.55 mm 系統(tǒng)功率預(yù)算預(yù)算項(xiàng)目分類(lèi)項(xiàng)目數(shù)值最終結(jié)果線路等效增益預(yù)算LD輸出功率Pout5 dBmAPD接收機(jī)靈敏度Prec-40 dBmGAPD = 5-(-40) = 45 dBmPIN-FET高阻抗接收機(jī)靈敏度P

12、rec-32 dBmGPIN = 5-(-32) = 37 dBm線路損耗預(yù)算光源與光纖耦合損耗Lcpl3 dBLtot = -(3+2+4.9+25) = - 34.9 dB2個(gè)連接器損耗Lcon2 dB熔接損耗（49個(gè)接頭）Lfus4.9 dB光纖損耗（100 km）Lfib25 dB損耗預(yù)留APD接收機(jī)GAPD + Ltot = 45-34.9 = 10.1 dBPIN-FET高阻抗接收機(jī)GPIN + Ltot = 37-34.9 = 2.1 dB8-9 如何進(jìn)行系統(tǒng)的帶寬預(yù)算答：系統(tǒng)帶寬應(yīng)滿(mǎn)足傳輸一定碼率B的要求，使系統(tǒng)各個(gè)部件的帶寬都大于碼率，但由這些部件構(gòu)成系統(tǒng)的總帶寬卻有可能不滿(mǎn)

13、足傳輸該碼率信號(hào)的要求。對(duì)于線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，常用上升時(shí)間來(lái)表示各組成部件的帶寬特性。光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證系統(tǒng)上升時(shí)間滿(mǎn)足對(duì)于RZ碼對(duì)于NRZ碼 （8.3.6）光纖通信系統(tǒng)的三個(gè)組成部分（光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)）具有各自的上升時(shí)間，系統(tǒng)的總上升時(shí)間與這三個(gè)上升時(shí)間的關(guān)系是 （8.3.7）式中，、和分別為發(fā)射機(jī)、傳輸光纖和接收機(jī)的上升時(shí)間。一般說(shuō)來(lái)，傳輸光纖的上升時(shí)間應(yīng)包括模間色散和材料色散引起的貢獻(xiàn)，并分別用和表示，即 （8.3.8）對(duì)于單模光纖，模間色散的貢獻(xiàn)為零，所以。材料色散對(duì)上升時(shí)間的貢獻(xiàn)用下式估算 （8.3.11）舉例來(lái)說(shuō)，考慮一個(gè)碼率B為1 Gb/s、中繼距離L為50 km的1.

14、3 mm單模光纖系統(tǒng)，如果發(fā)射機(jī)的上升時(shí)間為0.25 ns，接收機(jī)的上升時(shí)間為0.35 ns，光源的譜寬，光纖的平均色散參數(shù)，請(qǐng)計(jì)算系統(tǒng)的上升時(shí)間。解：由式（8.3.11）可得到由于采用了單模光纖，所以，而，所以系統(tǒng)的總上升時(shí)間可由式（8.3.7）求得，即所以= 0.524 ns。對(duì)于RZ碼，式（8.3.6）要求，但實(shí)際計(jì)算值為= 0.524 ns，大于0.35 ns，所以該系統(tǒng)不能用于傳輸1 Gb/s的歸零碼。對(duì)于NRZ碼，所以可以傳輸1 Gb/s的非歸零碼。如果采用歸零碼必須重新選擇光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，使系統(tǒng)的上升時(shí)間小于0.35 ns。既然在相同的碼率下，非歸零碼對(duì)系統(tǒng)帶寬的要求比歸零碼低

15、，因此在光纖通信系統(tǒng)中常采用非歸零碼傳輸。8-10 假如移動(dòng)交換中心（MSC）占用一個(gè)波長(zhǎng)信道發(fā)送信號(hào)，設(shè)計(jì)一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的WDM系統(tǒng)的構(gòu)成框圖答：移動(dòng)交換中心（MSC）使用信道1的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的WDM系統(tǒng)框圖如下圖所示。圖8-10 點(diǎn)到點(diǎn)的WDM系統(tǒng)的構(gòu)成框圖8-11 簡(jiǎn)述三次諧波和四波混頻的的概念答：由于LD的 P-I 曲線的非線性，LD的輸出光信號(hào)發(fā)生失真，這種失真是由互調(diào)失真（IMD）引起的，它與WDM系統(tǒng)的四波混頻（FWM）干擾的本質(zhì)相類(lèi)似。圖7.3.5 由于光源的非線性使調(diào)制輸出除基波外還產(chǎn)生了諧波LD 響應(yīng)或光纖傳輸特性的任何非線性均產(chǎn)生新的頻率分量和，即輸出信號(hào)中除單個(gè)的輸入副載波信號(hào)外

16、，還有副載波之間的和頻與差頻的各種組合，它們中的一些落在傳輸帶寬內(nèi)，產(chǎn)生類(lèi)似連續(xù)背景噪聲的分量，并且使模擬信號(hào)產(chǎn)生失真，嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的性能。新的頻率成分稱(chēng)作互調(diào)產(chǎn)物（IMP，Intermodulation Products）。產(chǎn)生互調(diào)失真（ IMD ）的原因來(lái)源于幾種非線性。首先是激光器本身的非線性，其次是光功率-驅(qū)動(dòng)電流曲線的非線性，第三是光纖色散也引起 IMD。當(dāng)頻率為、和的三個(gè)光波同時(shí)在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，由于四波混頻將產(chǎn)生不同組合的新的頻率分量，如圖8.6.6所示。對(duì)于信道數(shù)為N的系統(tǒng)，i、j和k可以從1變化到N。在信道間距相等的情況下，產(chǎn)生的新頻率分量與現(xiàn)有的某個(gè)頻率相同，但是FWM將引

17、起功率在不同信道間的轉(zhuǎn)移。當(dāng)信道不等距時(shí)，新的頻率分量將位于現(xiàn)有信道頻率之間，將干擾探測(cè)的過(guò)程。在這兩種情況中，因?yàn)樾诺拦β实臏p小和信道間干擾引入的噪聲，系統(tǒng)性能將下降。（a） 等距的三信道WDM信號(hào)（b）WDM信號(hào)經(jīng)光纖傳輸（c） 四波混頻后產(chǎn)生新的頻率分量圖8.6.6 四波混頻產(chǎn)生了新的頻率分量8-12 什么叫自相位調(diào)制？答：在單信道系統(tǒng)中，自相位調(diào)制（SPM）是主要的非線性限制。在討論光纖模式時(shí)，在高功率情況下，必須考慮光纖非線性效應(yīng)的作用。光纖模式的相位隨 z 而線性增加，由于非線性折射率效應(yīng)，將會(huì)產(chǎn)生非線性相位移，對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)，這種相位移不會(huì)產(chǎn)生影響，但在相干光纖通信系統(tǒng)

18、中，相位的穩(wěn)定性十分重要，折射率對(duì)功率的依賴(lài)關(guān)系將是限制系統(tǒng)的一個(gè)因素。由于相位移是由光場(chǎng)自身引起的，所以這種非線性機(jī)理叫做自相位調(diào)制（SPM）。SPM會(huì)導(dǎo)致光纖中傳播的光脈沖的光譜大大地展寬。8-13 簡(jiǎn)述光纖非線性產(chǎn)生的機(jī)理答：在強(qiáng)電磁場(chǎng)的作用下，任何介質(zhì)對(duì)光的響應(yīng)都是非線性的，光纖也不例外。本身雖不是強(qiáng)的非線性材料，但作為傳輸波導(dǎo)的光纖，其纖芯的橫截面積非常小，高功率密度光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，光纖非線性效應(yīng)就不可忽視了。特別是波分復(fù)用系統(tǒng)、相干光系統(tǒng)以及模擬傳輸?shù)拇笮陀芯€電視（CATV）干線網(wǎng)顯得更為突出。光纖非線性光學(xué)效應(yīng)是光和光纖介質(zhì)相互作用的一種物理效應(yīng)，這種效應(yīng)主要來(lái)源于介質(zhì)材料的三階極化率。與其相關(guān)的非線性效應(yīng)，主要有受激拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）、自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混合（FWM），以及孤子（Soliton）效應(yīng)等。8-14 什么是帶內(nèi)線性串話？當(dāng)使用波導(dǎo)光柵路由器時(shí)，帶內(nèi)串話引入的功率代價(jià)的起源是什么？答：，現(xiàn)在用圖3.4.3來(lái)分析波道光柵路由器（WGR）的串話。對(duì)于一個(gè)NN 路由器，從一個(gè)端口可以分配N(xiāo)個(gè)波長(zhǎng)的WDM信號(hào)到N個(gè)端口，所以存在個(gè)組合。考慮某個(gè)波長(zhǎng)，如的輸出，可能受到個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的干擾，個(gè)信號(hào)具有相同的載波波長(zhǎng)，余下個(gè)信號(hào)具有不同的載波波長(zhǎng)，