《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,另外四种基本结构就是树形、总线形、环形与星形,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-光再生中继与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 什么就是损耗限制系统？什么就是色散限制系统

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,系统就是色散限制系统。

否则,就就是损耗限制系统。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)与一个低通滤波器,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、探测器与光纤的技术要求

答:光纤通信对光源的要求就是:

(1)电光转换效率高,驱动功率低,寿命长,可靠性高;

(2)单色性与方向性好,以减少光纤的材料色散,提高光源与光纤的耦合效率;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)但就是在1.55 μm波长系统中,即使采用边模抑制比大的单模LD,LD的频率啁啾也就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就是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低与可靠性高,并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。

对光纤的基本要求就是: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与检测器耦合损耗。纤芯尺寸与数值孔径大,可减小光源的耦合损耗;但要增加检测器耦合损耗。为了减小与检测器的耦合损耗,要求纤芯尺寸与数值孔径要足够小,以使出射光完全落在检测器上。纤芯尺寸与数值孔径大的光纤,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与接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度与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,增大纤芯尺寸与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)色散与带宽

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 )与零色散波长。对具体系统要正确选择光纤类型与工作波长,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就是进行光-电-光转换,并在光信号转换为电信号时进行整形、再生与定时处理,(即所谓的3R 中继器),恢复信号形状与幅度,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,系统的稳定性与可靠性不高,特别就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。

另一种就是全光中继器,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？就是如何影响的

答:中继距离L 就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,由于线路损耗与色散的存在,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 中继器与光放大中继器,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与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 就是表征系统性能的一个重要指标。由于光纤的损耗与色散都与波长有关,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就是,保证系统在整个工作寿命内,接收机要具有足够大的接收光功率,以满足一定的误码率要求。如果接收机的接收灵敏度为rec P ,发射机的平均输出光功率为out P ,则应该满足

mar tot rec out P L P P ++= (8.2.1)