《光纤通信》原荣 第三版 第9章 复习思考题参考答案

原荣 编著 《光纤通信（第3版）》
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第9章 复习思考题
参考答案
9-1 解释为什么用色散补偿光纤（DCF ）补偿普通单模光纤的色散
答：在具有正色散值的标准单模光纤之后接入一段在该波长下具有负色散特性的色散补偿光纤，就可以对普通单模光纤进行色散补偿，如图9.5.1所示。

其色散补偿的原理可以这样理解，在这两段光纤串接的情况下，输出脉冲包络的幅度变成
()()22112221i ,0,exp ()i d 22A L t A L L t ωωββωω∞-∞⎛⎫=+- ⎪π⎝⎭
⎰ （9.5.1） 式中，21L L L +=，j 2β是长j L （2 ,1=j ）光纤段的GVD 参数。

此时色散补偿条件为0222121=+L L ββ，因为()j j c D 22/π2βλ-=，所以色散补偿条件变为
02211=+L D L D （9.5.2）
满足式（7.7.4）时，()()t A t L A ,0,=，光纤输出脉冲形状被恢复到它输入的形状。

色散补偿光纤的长度应满足 ()1212L D D L -= （9.5.3）
从实用考虑，2L 应该尽可能短，所以它的色散值2D 应尽可能大。

图9.5.1 用负色散的色散补偿光纤对正色散标准单模光纤的色散进行补偿
9-2 解释用马赫-曾德尔干涉滤波器补偿光纤色散的原理
答：从3.3节已经知道，马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。

由于两臂的长度差为L ∆，所以经两臂传输后的光，就产生相位差()c n L f ∆=∆π2φ，式中n 是波导折射率。

用平面硅波导已制成用多个马赫-曾德尔干涉器级联的光纤色散补偿器，图9.6.2表示它的原理图，该器件由12个臂长不等的耦合器串联组成，尺寸为2mm 7152⨯，损耗为8 dB 。

在一个臂上镀鉻，以便通过加热改变臂长从而控制光程相位差。

该器件的优点是可以通过臂长和 M-Z 干涉器的数量来控制色散均衡特性。

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马赫-曾德尔干涉滤波器的工作原理可以这样理解，将器件设计成经较长路经传输的高频分量在输出端满足相长条件，而低频分量则满足相消条件；相反，经较短路经传输的低频分量在输出端满足相长条件，而高频分量则满足相消条件。

所以高频分量在较长路经传输，低频分量在较短路经传输。

结果是高频分量比低频分量经历了更多的延迟。

从2.3.2节色度色散讨论中知道，这种器件引入的相对延迟正好和光纤引入的相反，起到补偿光纤色散的作用。

L
1∆
L 1∆L ∆2+L 2
∆L 1∆L ∆2+...高频成分输出
输入
图9.6.2 由多个M-Z 干涉器组成的硅平面波导色散补偿器件原理图
但是干涉滤波器插入损耗大和带宽窄，所以至今还没有在实际系统中应用。

9-3 解释
用啁啾光纤光栅补偿普通单模光纤色散的原理
答：色度色散补偿的机理可以理解为，节距线性变化（Chirp ）的光纤光栅在光栅的每一点都可视为一个布拉格滤波器，对特定波长的光信号反射回去，而对其他波长的光信号允许通过。

若使光栅节距大的一端在前，随着长度的增加，光栅间距n Λ也减小，所以提供正常GVD ，此时02>β，正好与在1 550 nm 处反常色散区普通单模光纤的2β相反。

因此，低频分量在这样放置的光栅前端反射，而高频分量在光栅末端反射，高频分量比低频分量多走了2 L g 距离（L g 为光栅长度），经过光栅传输以后，滞后的低频分量便会赶上高频分量，从而起到色散补偿的作用，如图9.6.8所示。

高频分量比低频分量多走了2 L g 距离，传输慢的低频分量就赶上了传输快的高频分量，使脉冲宽度变窄
图9.6.8 啁啾光纤光栅进行色散补偿的原理说明
9-4 简述电子色散补偿（EDC ）的工作原理
答：在接收机内可以使用电子技术对群速度色散（GVD ）进行补偿。

其原理是：尽管GVD 使输入光信号展宽，如果认为光纤是一个线性系统，我们就可以用电子方法来均衡色散的影响。

对于相干检测接收系统，这种色散补偿方法是很容易实现的，因为相干接收机首先把光频转换为保留了信息幅度和相位的微波中频IF ω信号。

微波带通滤波器的冲击响应为
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()()2
IF2
exp i2
H L
ωωωβ
⎡⎤
=--
⎣⎦
（9.3.1）
式中，L是光纤长度。

用几十厘米长的微带线就可以对色散补偿。

但是，在直接检测接收机中，就不能用线性电子电路补偿GVD，因为光电探测器只对光的强度响应，所有的相位信息在这里都丢失了。

我们必须用非线性均衡方法，其实现结构有多种，比较典型的有：前馈均衡器（FFE）、判决反馈均衡器（DFE）、固定延迟树查询（FDTS）和最大似然序列估计法（MLSE）。

9-5 为什么需要对40 Gb/s及其以上速率的WDM系统进行动态色散管理
答：在40 Gb/s及其以上速率的WDM光纤系统中，动态色散补偿技术正变得极为重要。

在这样高的比特速率下，系统允许色散的变化量已变得很小，通常在低速系统中可以忽略的值，此时却严重地影响着系统的性能。

例如，在40 Gb/s的系统中，需要将色散精确地控制在50 ps/nm以内，在比特速率为160 Gb/s时，要求更小，只有5 ps/nm，这种很窄的容限对工程应用来说是一个巨大的挑战，因为需要精确地控制色散补偿光纤的长度，来补偿传输光纤的色散。

在这种系统中，由于以下的一些因素，在接收端为保持最佳的系统性能要求的色散补偿量可能随时在变化。

首先，传输条件可能因周围环境温度的变化而变化。

其次，EDFA增益不平坦引起的光功率的微小变化，可引起附加的非线性相位变化，足以使系统的最佳色散图变化。

最后，网络的动态重构（如信道的起点不断地在改变）可使总的色散和非线性相位变化。

这些问题由于在整个频带内不完全的色散斜率补偿和光纤色散的不确定性而加剧了。

因此，当比特速率为40 Gb/s及其以上时，仔细地测量已安装的网络的每段光纤的色散是非常必要的。

因此，这些高比特率系统将要求在对所有信道色散补偿的基础上，在接收端对每个信道进行可调节的补偿，以便动态地调整色散图，如图9.9.2所示。

图9.9.2 高比特率系统在对所有信道色散补偿的基础上对每个信道进行可调谐的补偿。