《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 m波段上，由于光纤损耗较大（典型值为 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~1.6 m系统，由于光纤损耗较小，在1.3 m处损耗的典型值为~ dB/km，在1.55 m处为 dB/km，中继距离可以达到100~200 km，尤其在1.55 m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 m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 m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 m的单模光纤。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 m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 m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