《光纤通信》第8章 复习思考题参考答案

第8章复习思考题

参考答案

8-1 光纤通信系统的基本结构有哪几种

答：光纤通信系统除点对点结构外，另外四种基本结构是树形、总线形、环形和星形，如图8.1.1所示。

图8.1.1 光纤通信网络基本结构

8-2 试画出点对点光纤传输系统的构成框图

答：图8.1.2给出了采用光-电-光再生中继和光放大中继的点对点光纤传输系统示意图。

图8.1.2 点对点光纤传输系统

8-3 什么是损耗限制系统？什么是色散限制系统

答：光纤色散导致光脉冲展宽，从而构成对系统BL乘积的限制。当色散限制传输距离小于损耗限制的传输距离时，系统是色散限制系统。

否则，就是损耗限制系统。在给定工作波长下，L随着B 的增加按对数关系减小。在短波长0.85 μm波段上，由于光纤损耗较大（典型值为2.5 dB/km），根据码率的不同，中继距离通常被限制在10~30 km。而长波长1.3~1.6 μm系统，由于光纤损耗较小，在1.3 μm处损耗的典型值为0.3~0.4 dB/km，在1.55 μm处为0.2 dB/km，中继距离可以达到100~200 km，

尤其在1.55 μm波长处的最低损耗窗口，中继距离可以超过200 km。一般说来，1.3 μm单模光纤通信系统在B < 1 Gb/s 时为损耗限制系统，在B >1 Gb/s时可能成为色散限制系统。

8-4 若光纤的色散太大，将给系统带来什么问题

答：色散引起脉冲展宽，可能对系统的接收性能形成两方面的影响。

首先，脉冲的部分能量可能逸出到比特时间以外而形成码间干扰。这种码间干扰可以采用线性通道优化设计，即使用一个高增益的放大器（主放大器）和一个低通滤波器，有时在放大器前也使用一个均衡器，以补偿前端的带宽限制效应，使这种码间干扰减小到最小。

其次，由于光脉冲的展宽，在比特时间内光脉冲的能量减少，导致在判决电路上SNR 降低。为了维持一定的SNR，需要增加平均入射光功率。

8-5 简述系统对激光器、探测器和光纤的技术要求

答：光纤通信对光源的要求是：

（1）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高；

（2）单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；采用单纵模激光器可以使模分配噪声（MPN）的影响降到最小；边模抑制比MSR> 100（20 dB）时，可使模分配噪声（MPN）的影响降到最小。

（3）对于模拟调制，还要求光强随驱动电流变化的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。

（4）但是在1.55 μm波长系统中，即使采用边模抑制比大的单模LD，LD的频率啁啾也是对系统的主要限制因素。

（5）因此高速光纤通信系统，多采用多量子阱结构DFB LD，以减小频率啁啾的影响。

对光电探测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。

对光纤的基本要求是：从发射光源耦合进光纤的光功率要最大，光信号通过光纤传输后产生的畸变要最小，光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折中。

（1）衰减

在选定的波长，衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。

（2）耦合损耗

它包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；但要增加检测器耦合损耗。为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，适合于采用发光管（LED）的系统。

（3）连接损耗

连接损耗包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层同心度误差要尽可能小，以得到最小连接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本，增大纤芯尺寸和数值孔径可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。

（4）色散和带宽

为了使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要足够小。为了减小光纤色散，要严格控制折射率分布指数（g）和零色散波长。对具体系统要正确选择光纤类型和工作波长，例如长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到1.55 μm的G.654单模光纤。波分复用系统要选择色散系数虽然很小、但不为零的G.655单模光纤，以减小四波混频的影响。用于城域网的DWDM 系统要选择因无水峰可用波长范围特别宽的全波光纤。采用发光管（LED）的系统，要充分考虑材料色散的影响等。

8-6 请说明光中继器的功能

答：任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制，因此，传统的长途光纤传输系统需要每隔一定的距离就增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转换为电信号时进行整形、再生和定时处理，（即所谓的3R中继器），恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，因为每个信道均需要进行波分解复用，然后进行光-电-光转换，经波分复用后再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费用更昂贵；其次，传输容量受到一定的限制。

另一种是全光中继器，去掉了上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光3R（Reshaping, Regenerating, Retiming，3R）再生中继器。

8-7 影响中继距离的因素有哪些？是如何影响的

答：中继距离L是系统的一个重要设计参数，它决定着系统的成本。局间距离较长时，光发射机发出的光信号在传输过程中，由于线路损耗和色散的存在，会使信号波形畸变，误码率增加。为此，必须考虑在线路中间增加再生中继器。中继间距过短，会增加中继器数量，使建设成本增加；中继间距过长，会使系统性能变差，不能满足系统对性能的要求。所以必须合理设计中继间距。中继器有光-电-光3R中继器和光放大中继器，选择何种中继器，也需要考虑。

中继间距L随光纤损耗的减小而增加，同时它也随接收机灵敏度和光源输出光功率的提高而增加。

由于光纤的色散，中继距离L与系统码率B有关。在点对点的传输中，码率、中继距离乘积BL是表征系统性能的一个重要指标。由于光纤的损耗和色散都与波长有关，所以BL也与波长有关。对工作波长0.85 μm的第一代商用化光纤通信系统，BL的典型值在1 (Gb/s)?km 左右，而1.55 μm波长的第三代系统的BL值可以超过1 000 (Gb/s)?km。

8-8 如何进行系统的功率预算

答：光纤通信系统功率预算的目的是，保证系统在整个工作寿命内，接收机要具有足够

P，发射机的平大的接收光功率，以满足一定的误码率要求。如果接收机的接收灵敏度为

rec

均输出光功率为out P ，则应该满足

mar tot rec out P L P P ++= （8.2.1）

式中，tot L 是通信信道的所有损耗，mar P 为系统的功率余量，out P 和rec P 的单位为dBm ，tot L 和mar P 的单位用dB 表示。为了保证系统在整个寿命内，因元器件劣化或其他不可预见的因素，引起接收灵敏度下降，此时系统仍能正常工作，在系统设计时必须分配一定的功率余量，一般考虑mar P 为6~8 dB 。

信道的损耗tot L 应为光纤线路上所有损耗之和，包括光纤传输损耗、连接及熔接损耗，假如α表示光纤损耗系数（单位为dB/km ），L 为传输长度，con L 为光纤连接损耗，spl L 为光纤熔接损耗。通常光纤的熔接损耗包含在传输光纤的平均损耗内，连接损耗主要是指发射机及接收机与传输光纤的活动连接损耗。光纤线路上总损耗可表示为

spl con tot L

L L L ++=α （8.2.2）

举例来说，假定光源输出功率5 dBm （3.2 mW ），光源和光纤的耦合损耗3 dB ，使用2个连接器，每个有1 dB 损耗，平均每2 km 有一个熔接头，100 km 共有49个接头，每个有0.1 dB 损耗。

表8.4.2给出功率预算的结果。由表可知，如果采用APD 接收机，则损耗预留有10 dB ，如果采用PIN 高阻抗接收机，则损耗预留只有2 dB 。 表8.4.2 单模 InGaAsP 激光器+单模光纤 1.55 μm 系统功率预算

8-9 如何进行系统的带宽预算

答：系统带宽?f 应满足传输一定码率B 的要求，使系统各个部件的带宽都大于码率，但由这些部件构成系统的总带宽却有可能不满足传输该码率信号的要求。对于线性系统来说，常用上升时间来表示各组成部件的带宽特性。

光纤通信系统设计必须保证系统上升时间满足

B T /35.0r ≤ 对于RZ 码

B T /70.0r ≤ 对于NRZ 码

（8.3.6） 光纤通信系统的三个组成部分（光发射机、光纤和光接收机）具有各自的上升时间，系统的总上升时间r T 与这三个上升时间的关系是

2222r tr f rec

T T T T =++ （8.3.7） 式中，tr T 、f T 和rec T 分别为发射机、传输光纤和接收机的上升时间。

一般说来，传输光纤的上升时间f T 应包括模间色散和材料色散引起的贡献，并分别用mod T 和mat T 表示，即

2mat

2mod 2f T T T += （8.3.8） 对于单模光纤，模间色散的贡献为零，所以mat f T T =。材料色散对上升时间的贡献mat T 用下式估算 λ?≈L D T mat （8.3.11）

举例来说，考虑一个码率B 为1 Gb/s 、中继距离L 为50 km 的1.3 μm 单模光纤系统，如果发射机的上升时间tr T 为0.25 ns ，接收机的上升时间rec T 为0.35 ns ，光源的谱宽nm 3=?λ，光纤的平均色散参数)nm km ps 2?=D ，请计算系统的上升时间。

解：由式（8.3.11）可得到

ns

3.0ps 3003502mat ==??=?≈λL D T 由于采用了单模光纤，所以0mod =T ，而ns 3.0mat f ==T T ，

所以系统的总上升时间r T 可由式（8.3.7）求得，即

2222222r tr f rec 0.250.30.350.275 ns T T T T =++=++= 所以r T = 0.524 ns 。

对于RZ 码，式（8.3.6）要求，ns 35.010/35.0/35.0 9r ==≤B T ，但实际计算值为r T = 0.524 ns ，大于0.35 ns ，所以该系统不能用于传输1 Gb/s 的归零码。

对于NRZ 码，ns 7.010/7.0/7.0 9r ==≤B T ，所以可以传输1 Gb/s 的非归零码。如果采用归零码必须重新选择光发射机和接收机，使系统的上升时间小于0.35 ns 。

既然在相同的码率下，非归零码对系统带宽的要求比归零码低，因此在光纤通信系统中常采用非归零码传输。

8-10 假如移动交换中心（MSC ）占用一个波长信道发送信号，设计一个点到点的WDM 系统的构成框图

答：移动交换中心（MSC ）使用信道1的点对点的WDM 系统框图如下图所示。

2

图8-10 点到点的WDM 系统的构成框图

8-11 简述三次谐波和四波混频的的概念

答：由于LD 的 P -I 曲线的非线性，LD 的输出光信号发生失真，这种失真是由互调失真（IMD ）引起的，它与WDM 系统的四波混频（FWM ）干扰的本质相类似。

P t I t I

输入电信号时

间驱动电流光源 曲线

I P -实际理想I

b

P t t

调制失真输出时域图失真基波

二次谐波三次谐波理想基波f s 32f s f s 0f i s 调制失真输出频域图

频率激光

器输

出功率P b I b

图7.3.5 由于光源的非线性使调制输出除基波外还产生了谐波

LD 响应或光纤传输特性的任何非线性均产生新的频率分量f f i j ±和f f f i j k ±±，即输出信号中除单个的输入副载波信号外，还有副载波之间的和频与差频的各种组合，它们中的一些落在传输带宽内，产生类似连续背景噪声的分量，并且使模拟信号产生失真，严重限制了系统的性能。新的频率成分称作互调产物（IMP ，Intermodulation Products ）。

产生互调失真（ IMD ）的原因来源于几种非线性。首先是激光器本身的非线性，其次是光功率-驱动电流曲线的非线性，第三是光纤色散也引起 IMD 。

当频率为j ω、i ω和k ω的三个光波同时在光纤内传输时，由于四波混频将产生不同组合的新的频率分量，如图8.6.6所示。对于信道数为N 的系统，i 、j 和k 可以从1变化到N 。在信道间距相等的情况下，产生的新频率分量与现有的某个频率相同，但是FWM 将引起功率在不同信道间的转移。当信道不等距时，新的频率分量将位于现有信道频率之间，将干扰探测的过程。在这两种情况中，因为信道功率的减小和信道间干扰引入的噪声，系统性能将下降。

信号光纤f 1f 2f 3

f 1

f f 331f f f 321231332f 3f 221f 2f f 312132223f 123f 213

f 112f 113

WDM （a ） 等距的三信道WDM 信号（b ）WDM 信号经光纤传输

（c ） 四波混频后产生新的频率分量 图8.6.6 四波混频产生了新的频率分量

8-12 什么叫自相位调制？

答：在单信道系统中，自相位调制（SPM ）是主要的非线性限制。在讨论光纤模式时，在高功率情况下，必须考虑光纤非线性效应的作用。光纤模式的相位随 z 而线性增加，由于非线性折射率效应，将会产生非线性相位移，对于强度调制直接检测系统，这种相位移不会产生影响，但在相干光纤通信系统中，相位的稳定性十分重要，折射率对功率的依赖关系将是限制系统的一个因素。由于相位移是由光场自身引起的，所以这种非线性机理叫做自相位调制（SPM ）。SPM 会导致光纤中传播的光脉冲的光谱大大地展宽。

8-13 简述光纤非线性产生的机理

答：在强电磁场的作用下，任何介质对光的响应都是非线性的，光纤也不例外。2SiO 本身虽不是强的非线性材料，但作为传输波导的光纤，其纤芯的横截面积非常小，高功率密度光经过长距离的传输，光纤非线性效应就不可忽视了。特别是波分复用系统、相干光系统以及模拟传输的大型有线电视（CATV ）干线网显得更为突出。

光纤非线性光学效应是光和光纤介质相互作用的一种物理效应，这种效应主要来源于介

质材料的三阶极化率()3χ。与其相关的非线性效应，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 ）和四波混合（FWM ），以及孤子（Soliton ）效应等。

8-14 什么是带内线性串话？当使用波导光栅路由器时，带内串话引入的功率代价的起源是什么？

答：，现在用图3.4.3来分析波道光栅路由器（WGR ）的串话。对于一个N ?N 路由器，从一个端口可以分配N 个波长的WDM 信号到N 个端口，所以存在2N 个组合。考虑某个波长，如m λ的输出，可能受到12-N 个波长信号的干扰，1-N 个信号具有相同的载波波长m λ，余下)1(-N N 个信号具有不同的载波波长，因为它们要通过其它WDM 器件，所以可以不予考虑。该1-N 个串话信号具有相同的波长，所以称为带内串话，它是由于WGR 不是理想的滤波器，它的N 个传输特性曲线部分重叠造成的。总的带内光场可以写成

()

t i E E t E m N m n n m m ω-??? ??+=∑≠exp )( （8.6.8） 式中m m c λωπ2=，m E 是指定波长的电场，∑≠N m n n E 是1-N 具有相同载波波长m λ的干扰电

场之和。

1λ1

1

（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

8-15 解释在多信道光波系统中受激拉曼散射如何引起串话

答：由于受激拉曼散射的阈值较高（靠近1.55 μm约为500 mW），所以单信道通信系统通常不考虑这种影响。但是对于DWDM系统，情况就截然不同。此时，光纤起着拉曼放大器的作用，只要高频信道与低频信道的频率差落在光纤的拉曼增益带宽内，则高频信道的能量通过受激拉曼散射向低频信道转移，从而引起低频信道信号的放大和高频信道信号的衰减。关于拉曼光放大器已在6.3节中进行了讨论，从中可知，拉曼增益曲线很宽，以至信道间距为200 nm （30 THz）的两个信道也会受到拉曼散射的影响。最短波长的信道受到的影响最为严重，因为它可以同时泵浦许多信道，从而使自身的能量丧失很大。更严重的是信道间的这种能量转移与“1”码和“0”码有关，只有当两个信道同时为“1”码时，才发生这种转移，从而形成信道间的串话，使接收噪声增大，接收灵敏度下降。通过控制信道功率不要太大，可以避免光纤中的拉曼放大。