1、光纖通信系統第五講 光纖通信系統光纖通信系統主要內容主要內容5.1光通信線路組成5.2光纖通信系統的設計5.3光放大器5.4多路信號復用5.5波分復用5.6 同步數字系列（SDH）第5章 波分復用光纖通信系統5.1 光纖通信系統新技術簡述光纖通信系統新技術簡述5.2 波分復用（波分復用（WDM）技術）技術5.3 光中繼器光中繼器 5.3.1 光電轉換型中繼器 5.3.2 全光型中繼器概述 5.3.3 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA） 5.3.4 光纖拉曼放大器（FRA） 5.3.6 半導體光放大器（SOA）第第 6 章章 光纖數字通信系統的傳輸規范光纖數字通信系統的傳輸規范 6.1

2、光纖數字通信系統的兩種主要傳輸制式光纖數字通信系統的兩種主要傳輸制式 6.1.2 同步數字系列（同步數字系列（SDH） 6.2 光纖數字通信系統的基本質量指標光纖數字通信系統的基本質量指標 6.3 光纖數字通信系統的基本設計光纖數字通信系統的基本設計 6.4 光纖數字通信系統的測量光纖數字通信系統的測量光纖通信系統5.1 光通信線路組成1、點到點單用戶線路光發送機光接收機光發送機光接收機光發送機光接收機光接收機光發送機光纜光纜光端機光端機光纖通信系統2、點到點多用戶線路多路信號復用12n多路信號解復用1n多路信號復用多路信號解復用光端機光端機電端機電端機電源公務、管理光纖通信系統3、遠距離線路

3、光端機光端機電端機電端機中繼站中繼站遠距離信號損耗衰減中繼站的作用：補償光纖的損耗和色散1）光信號放大（補償光纖損耗）2）光信號脈沖再生（消除補償光纖的色散）中繼方式：1）光信號直接放大-光放大器2）光端機光端機光端機光纖通信系統光端機光端機電端機電端機中繼站中繼站光纖通信系統光纖通信系統4、遠距離光通信鏈路鏈路終端站中繼站分路站樞紐站（中心站）為了節約建設成本，往往是一纜多對光纖，并行傳輸, m對為了防止線路故障中斷，往往留有備份線路因此線路中，應有線路質量檢測和倒換設備中間站通信站終端站終端站終端站中間站分路站樞紐站中繼站mnm:將一系列點到點光纖線路組合并連起來，就形成光通信鏈路光通信鏈

4、路也是一種基本的光通信網絡。光纖通信系統復用段、數字段中繼段當發生線路故障中斷時，在該復用段倒換線路-用備份線路代替工作線路光纖通信系統5、光纖通信網絡光光纖通信纖通信網絡網絡是是由光傳輸系統由光傳輸系統連接的信息傳輸網絡連接的信息傳輸網絡。（1）基本拓撲結構類型基本拓撲結構類型a) 點對點點對點(b) 線形總線網線形總線網(c) 環形網環形網(d) 星形網星形網(e) 樹形網樹形網(f) 網格形網網格形網光纖通信網絡由網絡節點和線路組成光纖通信網絡由網絡節點和線路組成光纖通信系統（2）網絡結構分類網絡結構分類城域城域/ /本地本地網多網多采用環形結構采用環形結構接入網通常是環形接入網通常是環

5、形和星形的復合結構和星形的復合結構骨干網多采骨干網多采用網狀結構用網狀結構按層次劃分：分為骨干網，本地網和接入網按分布區域劃分：廣域網、城域網，局域網光纖通信系統5.2 系系 統統 的的 設設 計計系統設計的主要任務是系統設計的主要任務是:選擇最佳路由和局站設置選擇最佳路由和局站設置傳輸體制和傳輸速率傳輸體制和傳輸速率光纖光纜和光端機的基本參數和性能指標光纖光纜和光端機的基本參數和性能指標以使系統的實施達到最佳的性能價格比。以使系統的實施達到最佳的性能價格比。在技術上，系統設計的主要問題是確定中繼距離在技術上，系統設計的主要問題是確定中繼距離尤其對長途光纖通信系統，中繼距離設計是否合理，尤其對

6、長途光纖通信系統，中繼距離設計是否合理，對系統的性能和經濟效益影響很大。對系統的性能和經濟效益影響很大。光纖通信系統系統設計的一般步驟系統設計的一般步驟1）選定傳輸速率和傳輸制式）選定傳輸速率和傳輸制式 2）選定工作波長）選定工作波長 3）選定光源和光檢測器件）選定光源和光檢測器件 4）選定光纖光纜類型）選定光纖光纜類型 5）選定路由、估算中繼距離）選定路由、估算中繼距離 6）估算誤碼率）估算誤碼率 光纖通信系統S和R兩點之間光纖線路總損耗不能超過系統的總功率衰減emcrtsfMMPPL2L 為中繼距離為中繼距離(km)f光纖損耗系數光纖損耗系數(dB/km)s光纖平均接頭損耗光纖平均接頭損耗

7、(dB/km)Pt 為平均發射光功率平均發射光功率(dBm)Pr為接收靈敏度接收靈敏度(dBmc 為連接器損耗連接器損耗(dB/對對)Me 為系統功率余量系統功率余量(dB)Mm為系統功率代價功率代價(dB)受光纖線路損耗限制的中繼距離為受光纖線路損耗限制的中繼距離為)/()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt5.2.1 中繼距離受損耗的限制中繼距離受損耗的限制光纖總損耗系統允許總衰減L光纖通信系統 連接器損耗連接器損耗一般為一般為0.31 dB/對。對。光纖損耗系數光纖損耗系數f取決于光纖類型和工作波長，取決于光纖類型和工作波長，

8、例如單模光纖在1310 nm, f為0.40.45 dB/km; 在1550 nm, f為0.220.25 dB/km。平均接頭損耗可取0.05 dB/個，每千米光纖平均接頭損耗s可根據光纜生產長度計算得到。光纖系統代價Mm在一個中繼段總余量不超過5 dB。 系統余量Me包括由于時間和環境的變化而引起的發射光功率和接收靈敏度下降， 以及設備內光纖連接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。 )/()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt光纖通信系統最大色散最大色散/ps nm-1最大損耗最大損耗/dB120（多縱模）（多縱模）242413

9、1015504 139.264300（多縱模）（多縱模）282813101550139.264不要求（多縱模）不要求（多縱模）35131034.368不要求不要求4013108.448S和和R之間的容限之間的容限BER 1 10-10標稱波長標稱波長/nm標稱速率標稱速率/（Mb s-1） 根據ITU-T(原CCITT)G.955建議，用LD作光源的常規單模光纖(G.652)系統，在S和R之間數字光纖線路的容限如表。光纖通信系統 5.3.2 中繼距離受色散中繼距離受色散(帶寬帶寬)的限制的限制如果系統的傳輸速率較高，光纖線路色散較大，中繼距離主如果系統的傳輸速率較高，光纖線路色散較大，中繼距離

10、主要受色散要受色散(帶寬帶寬)的限制。的限制。為使光接收機靈敏度不受損傷， 保證系統正常工作，必須對光纖線路總色散對光纖線路總色散(總帶寬總帶寬)進行規范。進行規范。對于數字光纖線路系統，色散增大，意味著數字脈沖展寬增加，因而在接收端要發生碼間干擾，使接收靈敏度降低， 或誤碼率增大。嚴重時甚至無法通過均衡來補償，使系統失去設計的性能。光纖通信系統不歸零碼歸零碼T不歸零碼歸零碼RZT矩形脈沖高斯脈沖TB1光纖通信傳輸信號碼型有一定占空比高電平在一個周期之內所占的時間比率 101011T光纖通信系統高斯脈沖t)(tg222)(tAetg為均方根均方根(rms)脈沖寬度脈沖寬度高斯脈沖的碼間干擾定義

11、為相對rms脈沖寬度Ta/脈沖半高全寬度半高全寬度(FWHM)2/A222Te=/0.4247T光纖通信系統13.5 10-24.4 10-21.7 10-23.9 10-3 3.4 10-40.500.400.350.300.25a = /T相對相對rms脈沖寬度脈沖寬度a和碼間干擾和碼間干擾 的關的關系系當a=0.25時，碼間干擾只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計。當a=0.5時，增加到13.5%，此時功率代價為78dB，難以通過均衡進行補償。一般系統設計選取a=0.250.35，功率代價不超過2 dB。TaaTLDBfDaL對于寬光譜光源，在非零色散波長aTLDBfa光纖通信系統

12、在這個基礎上，根據原CCITT建議，對于實際的單模光纖通信系統，對于實際的單模光纖通信系統，受色散限制的中繼距離受色散限制的中繼距離L可以表示為：可以表示為：)()/()/(10)(6nmkmnmpsDsMbfkmLbBfDkmL)(BfDaL為光源譜線寬度光源譜線寬度(nm)，對多縱模激光器多縱模激光器(MLM-LD)， 為rms寬度，對單縱模激光器單縱模激光器(SLM-LD), 為峰值下降20dB的寬度。是與功率代價和光源特性有關的參數，對于MLM-LD, =0.115對于SLM-LD，=0.306a=0.250.35BfD41光纖通信系統 由于光纖制造工藝的偏差，光纖的零色散波長不會全部

13、光纖的零色散波長不會全部等于標稱波長值，而是分布在一定的波長范圍內。等于標稱波長值，而是分布在一定的波長范圍內。 光源的峰值波長也是分配在一定波長范圍內，并不總是光源的峰值波長也是分配在一定波長范圍內，并不總是和光纖的零色散波長度相重合。和光纖的零色散波長度相重合。對于G.652規范的單模光纖波長為12851330 nm，色散系數D不得超過3.5 ps/(nmkm)波長為12701340 nm, D不得超過6 ps/(nmkm) 光纖通信系統 (1)光纖通信系統的中繼距離受損耗限制時從損耗限制和色散限制兩個計算結果中， 選取較短的距離，作為中繼距離計算的最終結果。(2)中繼距離受色散限制時)/

14、()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt)()/()/(10)(6nmkmnmpsDsMbfkmLb對于MLM-LD, =0.115對于SLM-LD，=0.3065.1光通信線路組成5.2光纖通信系統的設計估算中繼距離光纖通信系統設系統平均發射功率Pt=-3 dBm, 接收靈敏度Pr=-42 dBm，功率代價Mm=6 dB，設備余量Me=3 dB，連接器損耗c=0.3dB/對，光纖損耗系數f=0.35 dB/km, 光纖平均接頭損耗s=0.04 dB/km。)(3 .7504. 035. 0363 . 02)42(3kmL例：計算例

15、：計算140 Mb/s單模光纖通信系統中繼距離。單模光纖通信系統中繼距離。得到中繼距離)/()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt解：線路碼速率fb=140Mb/s, |D|=3.0 ps/(nmkm)，MLM-LD =2.5 nm。（1）損耗限制系統Pt=-3 dBmPr=-42 dBmc=0.3dB/對Mm=6 dBMe=3 dBf=0.35 dB/kms=0.04 dB/km光纖通信系統)(5 .1095 . 20 . 314010115. 06kmL 在工程設計中，中繼距離應取75.3 km。 在本例中中繼距離主要受損耗限制

16、。在本例中中繼距離主要受損耗限制。MLM-LD, =0.115（2）色散限制系統)()/()/(10)(6nmkmnmpsDsMbfkmLbfb=140Mb/s, |D|=3.0 ps/(nmkm)，MLM-LD =2.5 nm得到中繼距離光纖通信系統中繼距離和傳輸速率的關系，包括損耗限制和色散限制的結果Gb/s對于波長為0.85 m的多模光纖，由于損耗大，中繼距離一般在20 km以內。傳輸速率很低，傳輸速率很低，SI光纖的速率不如同軸線，光纖的速率不如同軸線，GI光纖的速率在光纖的速率在0.1 Gb/s以上就受到色以上就受到色散限制。散限制。單模光纖在長波長工作， 損耗大幅度降低，中繼距離可

17、達100200 km在1.31m零色散波長附近，當速率超過1 Gb/s時， 中繼距離才受色散限制。在1.55 m波長上，由于色散大，通常要用單縱模激光器，理想系統速率可達5 Gb/s光纖通信系統 0.85m,SIF光纖，fbL0.011=0.01 (Gb/s)km 0.85m, GIF光纖，fbL0.120=2.0 (Gb/s)km 1.31 m, SMF光纖，fbL1125=125 (Gb/s)km 1.55m, SMF光纖，fbL275=150 (Gb/s)km 1.55m, DSF光纖，fbL2080=1600 (Gb/s)km 把反映光纖傳輸系統技術水平的指標：速率把反映光纖傳輸系統技

18、術水平的指標：速率距離距離(fbL)乘積大體歸納如下：乘積大體歸納如下：光纖通信系統5.3 光放大器 光放大器分類光放大器分類 半導體光放大器半導體光放大器 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 光纖光纖拉曼放大器拉曼放大器光纖通信系統5.3.1光放大器分類光纖通信系統5.3.2 半導體光放大器 1 半導體光放大器原理半導體光放大器原理 2 半導體光放大器特性半導體光放大器特性 3 半導體光放大器的應用半導體光放大器的應用( SOA , Semiconductor Optical Amplifier)光纖通信系統半導體光放大器外形半導體光放大器外形光纖通信系統 半導體光放大器的機理與激光器的相同，通過

19、受激半導體光放大器的機理與激光器的相同，通過受激發射放大入射光信號。發射放大入射光信號。 光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心是當光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心是當放大器被光或電泵浦時，使粒子數反轉獲得光增益。放大器被光或電泵浦時，使粒子數反轉獲得光增益。 增益不僅與入射信號的頻率（或波長）有關，而且增益不僅與入射信號的頻率（或波長）有關，而且與放大器內任一點的局部光強有關，該頻率和光強與放大器內任一點的局部光強有關，該頻率和光強與光增益的關系又取決于放大器介質。與光增益的關系又取決于放大器介質。注入電流注入電流輸入輸入光信號光信號輸出光信號輸出光信號有源區有源區Lz = 0z

20、= Lz z1 、半導體光放大器原理、半導體光放大器原理光纖通信系統 行波光放大器是一行波光放大器是一個沒有反饋的激光個沒有反饋的激光器。器。 其核心是當放大器其核心是當放大器被光或電泵浦時，被光或電泵浦時，使粒子數反轉獲得使粒子數反轉獲得光增益。光增益。行波半導體光放大器行波半導體光放大器注注入入電電流流輸輸入入光光信信號號輸輸出出光光信信號號有有源源區區Lz = 0z = Lz z光纖通信系統 減小半導體激光器腔體界減小半導體激光器腔體界面反射，可使激光器變為面反射，可使激光器變為放大器。放大器就稱為放大器。放大器就稱為 F-P 放大器。放大器。F-P諧振腔反射率諧振腔反射率 R 越越大，

21、大，SOA的增益越大。的增益越大。但是，當但是，當 R 超過一定超過一定值后，光放大器將變為值后，光放大器將變為激光器。激光器。F-P SOA光纖通信系統2 半導體激光放大器半導體激光放大器（SOA）特性特性 增益：芯片增益：芯片30 35 dB, 除除 8 10 dB的耦合的耦合損耗外，還有損耗外，還有22 25 dB的增益；的增益； 帶寬：很寬帶寬：很寬，3 dB帶寬約為帶寬約為70 nm（9 THz）可以對窄至幾個可以對窄至幾個ps ps 的超窄光脈沖進的超窄光脈沖進行放大；行放大； 噪聲：典型值為噪聲：典型值為 57 dB； 可與光發射機和接收機一起單片集成在一可與光發射機和接收機一起

22、單片集成在一起起； 缺點：對偏振方向非常敏感。缺點：對偏振方向非常敏感。 光纖通信系統 半導體光放大器帶寬和增益頻譜曲線半導體光放大器帶寬和增益頻譜曲線法布里法布里-玻羅放大器玻羅放大器(F-PA)和和行波放大器行波放大器(TWA)的帶寬比較的帶寬比較 行波光放大器的增益與波長的行波光放大器的增益與波長的關系關系光纖通信系統波長可調激光器波長可調激光器 + 光放大光放大+ 調制器調制器 集成化器件集成化器件可可調調諧諧光光柵柵濾濾波波器器增增益益區區D DB BR R調調諧諧半半導導體體光光放放大大探探測測E EA A調調制制抗抗反反射射膜膜高高反反射射膜膜后后鏡鏡面面前前鏡鏡面面I I光纖通

23、信系統表表 幾種商用半導體光放大器（幾種商用半導體光放大器（SOA）性能指標性能指標光纖通信系統 3 半導體光放大器的應用半導體光放大器的應用 SOA存在增益受偏振影響、信道交叉串擾以及耦存在增益受偏振影響、信道交叉串擾以及耦合損耗較大等缺點，所以不能作為在線放大器使用。合損耗較大等缺點，所以不能作為在線放大器使用。 SOA可以在可以在1.3 m光纖系統中作為光放大使用，光纖系統中作為光放大使用，因為一般的因為一般的EDFA不能在該窗口使用。不能在該窗口使用。 SOA芯片具有高達芯片具有高達3035 dB的增益，除輸入和輸的增益，除輸入和輸出端存在總共出端存在總共810 dB的耦合損耗外，還有

24、的耦合損耗外，還有2225 dB的增益。的增益。 另外行波半導體光放大器具有很寬的帶寬，可以對另外行波半導體光放大器具有很寬的帶寬，可以對窄至幾個窄至幾個ps的超窄光脈沖進行放大。的超窄光脈沖進行放大。 在在DWDM光纖通信中，可作為波長路由器中的波光纖通信中，可作為波長路由器中的波長轉換和快速交換器件使用。長轉換和快速交換器件使用。 在在OTDM中，也可以用作時鐘恢復和解復用器的非中，也可以用作時鐘恢復和解復用器的非線性器件。線性器件。光纖通信系統在石英光纖中在石英光纖中摻入摻入稀土離子作為增益介質稀土離子作為增益介質在泵浦光的激發下實現光信號的放大。在泵浦光的激發下實現光信號的放大。放大器

25、的特性主要由摻雜元素決定。放大器的特性主要由摻雜元素決定。5.3.3 5.3.3 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器有許多不同的稀土元素，如有許多不同的稀土元素，如鉺（鉺（Er），鐠（），鐠（Pr）,鈥（鈥（Ho），釹（），釹（Nd），釤（），釤（Sm），），銩（銩（Tm），和鐿（），和鐿（Yb）等。）等。都可用于實現不同波長的光放大器，這些波長覆蓋了從可見光到紅外的很寬范都可用于實現不同波長的光放大器，這些波長覆蓋了從可見光到紅外的很寬范圍，直至圍，直至2.8m。Erbium Doped Fiber AmpliferEDFA摻鉺光纖放大器工作于摻鉺光纖放大器工作于1.55m具有高增益、高功率和寬帶

26、寬等優良特性，具有高增益、高功率和寬帶寬等優良特性，光纖通信系統一、摻鉺光纖摻鉺光纖EDFEDF結構和折射率分布結構和折射率分布光纖通信系統二、摻鉺光纖放大器的基本結構二、摻鉺光纖放大器的基本結構泵浦光由半導體激光器（泵浦光由半導體激光器（LD）提供）提供,與被放大信號光一起通過光耦合器或波分復與被放大信號光一起通過光耦合器或波分復用耦合器注入摻鉺光纖（用耦合器注入摻鉺光纖（EDF）光隔離器用于隔離反饋光信號，提高穩定性。光隔離器用于隔離反饋光信號，提高穩定性。光濾波器用于濾除放大過程中產生的噪聲。光濾波器用于濾除放大過程中產生的噪聲。光纖通信系統3種構成結構種構成結構-3種配置方式種配置方式

27、前向泵浦 正向泵浦后向或反向泵結構雙向泵結構光纖通信系統三、三、EDFA工作原理工作原理1、鉺離子的能級結構、鉺離子的能級結構摻鉺光纖能放大光信號的基本原理在于鉺離子能吸收泵浦光的能量，實現粒子數反轉，當波長為1.55m的信號光通過已被激活的摻鉺光纖時，亞穩態上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態。對應于每一次躍遷，都將產生一個與激發該躍遷的光子完全一樣的光子，從而實現了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。2/154I2/134I2/114I2/94I2/112H基態亞穩態激發態nm1550nm1480nm980nm800nm800光纖通信系統有源媒質(幾十米左右長的摻鉺石英光纖，芯徑35m,摻

28、雜濃度(251000)10 6 )(a)EDFA的結構; (b)能級; (c)增益譜泵浦光源( 990或1480nm LD)三能級系統放大的自發發射(ASE)譜，帶寬很大(達2040nm)，且有兩個峰值，分別對應于1530nm和1550nm。2、自發輻射譜光纖通信系統1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信號光的信號光.1E2E3E信號光信號光1550nm1550nm0能級能級 3rE0.80eV1.27eV鉺離子能級圖鉺離子能級圖3、受激輻射、受激輻射光纖通信系統四、四、 EDFAEDFA的特性的特性 EDFAEDFA的增益的增益與許多參數有關，與許多參數有關， ErEr

29、離子濃度與徑向分布、離子濃度與徑向分布、 光纖尺寸、放大器長度、光纖尺寸、放大器長度、 泵浦功率與泵浦功率與 輸入信號功率等輸入信號功率等 1. 增益特性光纖通信系統輸入功率（dBm）0-20-1001020輸出功率(dBm)輸出飽和光功率輸入功率（dBm）G光纖通信系統1.48m泵浦對給定的放大器長度對給定的放大器長度L，放，放大器增益先隨泵浦功率按指大器增益先隨泵浦功率按指數增長，當泵浦功率超過某數增長，當泵浦功率超過某一值時，增長變慢了。一值時，增長變慢了。EDFA的小信號增益隨泵浦功率和放大器長度而變的曲線的小信號增益隨泵浦功率和放大器長度而變的曲線光纖通信系統1.48m泵浦對給定的泵

30、浦功率，放大器增益隨長度變化，并存在一最佳長度，超過此對給定的泵浦功率，放大器增益隨長度變化，并存在一最佳長度，超過此長度后，由于泵浦功率的消耗，最佳點后的鉺光纖不能受到足夠泵浦，而長度后，由于泵浦功率的消耗，最佳點后的鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號能量，導致增益很快降低。且要吸收已放大的信號能量，導致增益很快降低。 從圖中曲線可見，從圖中曲線可見，采用采用1.55m1.55m信號波長、信號波長、5mW5mW的泵浦功率，在的泵浦功率，在L L30m30m時已達到時已達到30dB30dB增益，增益，過長已無意義。過長已無意義。 2、放大器增益隨長度變化、放大器增益隨長度變化光纖通

31、信系統 3、歸一化輸出功率隨歸一化輸入功率的關系、歸一化輸出功率隨歸一化輸入功率的關系outPinPpP光纖通信系統 4、增益隨輸出功率的變化及增益飽和特性、增益隨輸出功率的變化及增益飽和特性光纖通信系統 增益系數)(PPGPPGK增益系數光纖通信系統各種光纖放大器的帶寬比較 GS-EDFA為增益移位為增益移位EDFA，EDTFA為摻碲為摻碲(Te)的硅基摻鉺光纖放大器，的硅基摻鉺光纖放大器，TDFA為摻銩為摻銩(Tm)的光纖放大器，的光纖放大器，GS-TDFA為增益移位摻銩光纖放大器，為增益移位摻銩光纖放大器，RFA為喇曼光纖放大器。為喇曼光纖放大器。光纖通信系統5. 噪聲特性EDFA的輸出

32、光中，除了有信號光外，還有自發輻射光，它們一起被放大，形成了影響信號光的噪聲源。EDFA的噪聲主要有以下四種：信號光的散粒噪聲；被放大的自發輻射光的散粒噪聲；自發輻射光譜與信號光之間的差拍噪聲；自發輻射光譜間的差拍噪聲。以上四種噪聲中，后兩種影響最大，尤其是第三種。噪聲是決定EDFA性能的主要因素。衡量EDFA的噪聲特性可用噪聲指數F來度量。光纖通信系統光纖通信系統 EDFA EDFA的寬帶放大特性可同時放大多路信號。的寬帶放大特性可同時放大多路信號。 只要多信道的總帶寬小于放大器帶寬。只要多信道的總帶寬小于放大器帶寬。 EDFAEDFA亦非常適用于波分復用（亦非常適用于波分復用（WDMWDM

33、）或光頻分復用光波通信系統。）或光頻分復用光波通信系統。 多路信號通過多路信號通過EDFAEDFA同時放大時一個重要問題是信道間的串音。同時放大時一個重要問題是信道間的串音。串音主要起因有兩個因素：串音主要起因有兩個因素： 一是四波混頻或互調制；一是四波混頻或互調制； 二是交叉調制或交叉飽和。二是交叉調制或交叉飽和。 6 6、多信道放大特性、多信道放大特性 光纖通信系統 多路信號信道四波混頻或互調多路信號信道四波混頻或互調 在多路信號通過在多路信號通過EDFAEDFA同時放大時，鉺光纖中載流子數同時放大時，鉺光纖中載流子數N N將受到將受到jkjk=j j-k k的差頻調制，因此鉺光纖的增益和

34、折射率受到頻率的差頻調制，因此鉺光纖的增益和折射率受到頻率jkjk的調的調制，這種由多路信號產生的調制稱為增益和折射率光柵，此光柵將部分制，這種由多路信號產生的調制稱為增益和折射率光柵，此光柵將部分信號從一個信道散射到另一個信道，稱為信道串音，亦可看作是非線性信號從一個信道散射到另一個信道，稱為信道串音，亦可看作是非線性效應產生的四波混頻或互調。效應產生的四波混頻或互調。 通常，當通常，當jkjkspsp11時，調制頻率很高，載流子壽命很長，相比之時，調制頻率很高，載流子壽命很長，相比之下載流子數因而折射率和增益的變化很慢，信道串音就可忽略。下載流子數因而折射率和增益的變化很慢，信道串音就可忽

35、略。 在在EDFAEDFA中，上能級載流子的壽命典型值為中，上能級載流子的壽命典型值為spsp10ms10ms（半導體激光（半導體激光器的載流子壽命為器的載流子壽命為0.5ns0.5ns），因此信道間隔即使降至），因此信道間隔即使降至jk=10kHzjk=10kHz，條件，條件jkjkspsp11也滿足，實際通信系統中，也滿足，實際通信系統中，jkjk10MHz10MHz，因此完全可忽略這，因此完全可忽略這類串音。類串音。 光纖通信系統 交叉飽和交叉飽和 交叉飽和是指某特定信道的響應不僅是由其自身功率造成（稱自飽交叉飽和是指某特定信道的響應不僅是由其自身功率造成（稱自飽和），而且也受相鄰信道的

36、功率的影響而引起。和），而且也受相鄰信道的功率的影響而引起。 這種效應引起的串音是所有放大器共有的。這種效應引起的串音是所有放大器共有的。 但當放大器用于非飽和區時即可避免這種串音。但當放大器用于非飽和區時即可避免這種串音。 在在EDFAEDFA光放大系統中，由于增益恢復時間光放大系統中，由于增益恢復時間gg較長，一般不存在圖較長，一般不存在圖形效應，即使運用于飽和區，由交叉飽和導致的串音亦可忽略。形效應，即使運用于飽和區，由交叉飽和導致的串音亦可忽略。 光纖通信系統優點（1）工作波長與光纖的最小窗口和目前的波分窗口相對應。（2）耦合效率高。 （3）增益與偏振態無關。 （5） 增益高、輸出功率

37、大。 （4）所需的泵浦功率小。（6）噪聲小 Nf=47dB(7)對信號和傳輸速率透明，兼容各種制式（8）頻帶寬 30-35nm（9）WDM串話很小光纖通信系統 EDFAEDFA具有高增益、高功率、寬帶寬、低噪聲、低串音、具有高增益、高功率、寬帶寬、低噪聲、低串音、低插損等優良特性。低插損等優良特性。 五、五、EDFAEDFA的系統應用的系統應用 光纖通信系統光放大器在光波系統中的可能應用 光纖通信系統EDFA在干線光波系統中的應用采用不設在線采用不設在線EDFA或再或再生中繼器的方案生中繼器的方案 已使已使2Gb/s的信號傳的信號傳輸距離超過輸距離超過300km光纖通信系統3R3R中繼器的級聯

38、，每段間接入中繼器的級聯，每段間接入3R3R混合中繼，以提高系統性混合中繼，以提高系統性能，延長通信距離。能，延長通信距離。 采用在線多級采用在線多級1R1R光中繼器，光中繼器，3R3R混合中繼器組合系統，以延長通信距離；混合中繼器組合系統，以延長通信距離； 光纖通信系統 EDFA在寬帶光波分配系統中的應用光纖通信系統 EDFA在寬帶光波分配系統中的應用光纖通信系統EDFA在寬帶光波分配系統中的應用 (c) 當采用當采用1.5m1.5m的光放大器作為的光放大器作為AM-FDMAM-FDM光發送機的功率提升放大器和光發送機的功率提升放大器和分配中心光接收機的前置放大器時，傳輸距離可達分配中心光接

39、收機的前置放大器時，傳輸距離可達20km20km，而且采用星形，而且采用星形耦合器可提供耦合器可提供N15N15個光分路，服務范圍擴大很多（。個光分路，服務范圍擴大很多（。 光纖通信系統5.3 光放大器 光放大器分類光放大器分類 半導體光放大器半導體光放大器 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 光纖光纖拉曼放大器拉曼放大器光纖通信系統5.3.4 光纖拉曼放大器1、分布式拉曼放大器工作原理2、拉曼放大器的增益個帶寬3、拉曼放大器的構成光纖通信系統利用強泵浦光通過光纖傳輸時產生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格利用強泵浦光通過光纖傳輸時產生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動和泵浦光之間發生相互作用，

40、產生比泵浦光波長還長的散射光（斯托振動和泵浦光之間發生相互作用，產生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光）。克斯光）。如果散射光波長和信號光波長相同，就使如果散射光波長和信號光波長相同，就使弱信號光得到放大。弱信號光得到放大。一、分布式光纖拉曼放大器的工作原理一、分布式光纖拉曼放大器的工作原理利用非線性光學效應，受激拉曼散射對信號光放大利用非線性光學效應，受激拉曼散射對信號光放大ppRss光纖通信系統如果一個弱信號光與一個強泵浦光同時在一根光纖中傳輸，如果一個弱信號光與一個強泵浦光同時在一根光纖中傳輸，產生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光），產生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光），并且

41、弱信號光的并且弱信號光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內，波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內， 該散射光與波長相同的信號光重疊，該散射光與波長相同的信號光重疊，從而使弱信號光放大，獲得拉曼增益。從而使弱信號光放大，獲得拉曼增益。對石英光纖對石英光纖泵浦光波長與待放大信號光波長之間的頻率差大約為泵浦光波長與待放大信號光波長之間的頻率差大約為13 THz，在在1.5 m波段，它相當于約波段，它相當于約100 nm的波長差。的波長差。二、拉曼放大器（FRA）組成光纖通信系統可以采用前向泵浦可以采用前向泵浦, ,也可以采用后向泵浦，因也可以采用后向泵浦，因后向泵浦后向泵浦減小了泵浦光和信號光相互作用的長度，從而

42、也就減小減小了泵浦光和信號光相互作用的長度，從而也就減小了了泵浦噪聲對泵浦噪聲對信號的影響，所以通常采用后向泵浦信號的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式喇曼放大器（光纖分布式喇曼放大器（DRA）構成）構成-后向泵浦后向泵浦WDMWDM傳輸光纖傳輸光纖信號光信號光泵浦光泵浦光光復光復用器用器泵浦光泵浦光增益平坦增益平坦濾波器濾波器入1入1入2入2光纖通信系統三、光纖拉曼放大器的特性光纖拉曼放大器的特性1、拉曼增益和帶寬、拉曼增益和帶寬拉曼增益系數頻譜曲線當 時，THzspR2 .13增益 達到最大。)(Rg增益帶寬 達到 。gvTHz8光纖通信系統 小信號光在長光纖內的喇曼增益小信號光在長光

43、纖內的喇曼增益 泵浦功率為泵浦功率為200mW時，時，最大增益值最大增益值為為7.78 dB 泵浦功率為泵浦功率為100 mW時，時，最大增益值最大增益值為為3.6 dB。 在增益峰值在增益峰值附近的增益附近的增益帶寬約為帶寬約為78THz。喇喇曼曼增增益益波波長長051015202501234561443 1470 1500 1530 1560 1590 162078200mW泵泵浦浦功功率率泵泵浦浦光光和和信信號號光光的的頻頻率率差差泵泵浦浦C(THz)（nm）泵泵浦浦功功率率100mW(dB)波波段段窗窗口口光纖通信系統 2、多波長泵浦增益帶寬、多波長泵浦增益帶寬 增益波長由泵浦光波長決

44、定，增益波長由泵浦光波長決定， 選擇適當的泵浦光波長，可得到任意波長選擇適當的泵浦光波長，可得到任意波長的光信號放大。的光信號放大。 分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每個分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每個波長的泵浦光單獨產生的增益頻譜疊加的波長的泵浦光單獨產生的增益頻譜疊加的結果，所以它是由泵浦光波長的數量和種結果，所以它是由泵浦光波長的數量和種類決定的。類決定的。 光纖通信系統5個泵浦波長個泵浦波長單獨泵浦時，單獨泵浦時，產生的增益頻產生的增益頻譜和總的增益譜和總的增益頻譜曲線。頻譜曲線。3、多波長泵浦增益頻譜、多波長泵浦增益頻譜1 14 48 80 01 15 52 20 01 15 5

45、6 60 01 16 60 00 01 16 64 40 00 05 51 10 01 15 52 20 02 25 5增增益益( (d dB B) )波波長長（n nm m）喇喇曼曼總總增增益益是是各各泵泵浦浦波波長長光光產產生生的的增增益益之之和和1464nm1402nm1423nm1443nm1495nm泵浦產生的增益總總增增益益nmp14021nmp14232nmp14433nmp14644nmp14955光纖通信系統5.5 多路信號復用技術1、多路信號復用方式的分類FDMTDMCDM多路電信號復用方式多路光信號復用方式WDM-DWDM(OFDM)OTDMOCDM頻分復用時分復用碼分復

46、用密集波分復用2、TDM 同步時分復用準同步時分復用 異步時分復用在頻域劃分子信道在時域劃分子信道正交編碼，不同信道碼型正交收發同步光纖通信系統時鐘時鐘111122223333同步時分復用112233異步時分復用11322PDHSDHATMIP光纖通信系統3、PDH 速率等級數字復用等數字復用等級級包含包含64Kb/s信道的信道的數目數目數據率（數據率（Mb/s）北美北美歐洲歐洲日本日本010.0640.0640.0641（次群）（次群）241.5541.554302.048483.1523.1522（次群）（次群）966.3126.3121208.4483（次群）（次群）48034.3683

47、2.06467244.376134491.053144097.7284（次群）（次群）1920139.2644032274.1765760397.200光纖通信系統skBit /3064skb/6424/048. 2sMb4/4488. 8sMb4/368.34sMbsMb /264.139一次群二次群三次群四次群光纖通信系統4、PDH 數字復接正碼速調整速率調整同步復用定時系統時鐘幀同步發生器分路恢復定時提取低速碼流高速碼流4/048. 2sMbsMb/4488. 8光纖通信系統5.6 波分復用技術波分復用技術WDM，Wavelength Division Multiplexing1光波分復

48、用的基本概念和分類2 WDM系統的特點3WDM系統的結構4光波分復用系統的技術要求5 WDM多信道信號傳輸性能多信道信號傳輸性能光纖通信系統光波分復用（WDM，Wavelength DivisionMultiplexing）技術是在一根光纖上能同時傳送多波長光信號的一項技術。一、光波分復用的基本概念與分類在發送端將不同波長的光信號組合起來（復用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用）并作進一步處理，恢復出原信號送入不同的終端。因此，此項技術稱為光波長分割復用， 簡稱光波分復用（WDM）技術。光纖通信系統單模光纖的帶寬100nm100nm光纖通信系

49、統DWDM把在光纖同一低損耗窗口中信道間隔較小的波分復用稱為密集波分復用 。兩個波長之間的間隔為0.8nm、1.6nm或更低。密集波分復用DWDM，DenseWavelength Division Multiplexing8n1550nm波長光纖通信系統WDM系統的基本形式1. 雙纖單向傳輸2. 單纖雙向傳輸3. 光分路插入傳輸光纖通信系統雙纖單向傳輸光纖通信系統單纖雙向傳輸光纖通信系統光分路插入傳輸光纖通信系統波分復用器解復用器光纖123n123n12.nTTTRR波分復用器（也稱合波器Multiplexer）解復用器(也稱為分波器De-multiplexer)光纖通信系統WDM系統的分類系

50、統的分類 稀疏或粗波復用稀疏或粗波復用CWDM，通道數，通道數2個個8個，個， 通道間隔通道間隔10nm100nm, 間隔最大的為間隔最大的為1310/1550nm復用器。復用器。(2) 密集波分復用密集波分復用DWDM，通道數，通道數8個個32個，個， 通道間隔通道間隔1nm10nm， 現在商用系統較多采用現在商用系統較多采用8個、個、16個和個和32個復用通道。個復用通道。(3) 致密波分復用或稱光頻分復用致密波分復用或稱光頻分復用OFDM， 通道數通道數40個個1000個，個， 通道間隔通道間隔0.1nm1nm，是進一步發展的方向。是進一步發展的方向。光纖通信系統二、二、WDM系統的特點

51、 充分利用光纖的帶寬資源 可以在一根光纖同時傳輸多種電信業務 可實現單纖雙向傳輸 節省大量光纖 降低器件的超高速要求 適用于多種網絡形式 引入寬帶業務方便 高度的組網靈活性、經濟性和可靠性光纖通信系統三、三、 WDM系統總體結構光纖通信系統光波長的分配目前在SiO2光纖上，光信號的傳輸都在光纖的兩個低損耗區段，即1310nm和1550nm。但由于目前常用的EDFA的工作波長范圍為15301565nm。因此，光波分復用系統的工作波長應該在15301565nm。在這有限的波長區內如何有效地進行通路分配，關系到提高帶寬資源的利用率及減少相鄰通路間的非線性影響等。光纖通信系統標稱中心頻率和最小通路間隔

52、為了保證不同WDM系統之間的橫向兼容性，必須對各個通路的中心頻率進行規范。標稱中心頻率標稱中心頻率是指光波分復用系統中每個通路對應的中心波長。目前國際上規定的通路頻率是基于參考頻率為193.1THz，最小間隔為100GHz的頻率間隔系列。光纖通信系統16通路和8通路WDM系統中心頻率通路分配表光纖通信系統光發射機中繼器中繼器中繼器光接收機光發射機中繼器中繼器中繼器光接收機光發射機中繼器中繼器中繼器光接收機光發射機中繼器中繼器中繼器光接收機光發射機光發射機光發射機光發射機N 123光接收機光接收機光接收機光接收機N 123復用器解復用器EDFA波長穩定、窄線寬高速、小啁啾調制窄帶、小串話、穩定濾

53、波增益平坦、寬帶、較高輸出功率高靈敏度寬動態范圍四、復用系統的技術要求四、復用系統的技術要求光纖通信系統（1）光纖光纜光纖光纜為避免為避免1550nm處的高色散產生的色散展寬和非線處的高色散產生的色散展寬和非線性四波混頻性四波混頻FWM效應引起的信道間串擾，應采用效應引起的信道間串擾，應采用非零色散位移光纖非零色散位移光纖NZDSF（即即G.655光纖光纖）。）。G.655光纖光纖能同時克服能同時克服G.652光纖在光纖在1550nm波長處波長處高色散展寬和高色散展寬和G.653光纖在同一波長處的非線性光纖在同一波長處的非線性FWM導致的信道間的串擾。導致的信道間的串擾。DWDM復用系統需要提

54、供幾項重要的配套條件復用系統需要提供幾項重要的配套條件光纖通信系統（2 2）光發送和接收機技術性能光發送和接收機技術性能為在實際摻鉺光纖放大器為在實際摻鉺光纖放大器 EDFA 35nm EDFA 35nm 或更寬的波譜寬度的增或更寬的波譜寬度的增益譜寬內減小信道間隔，增加復用波長通道數，益譜寬內減小信道間隔，增加復用波長通道數，要求：要求： 光發送機的發光波長要可調，穩定性要高，譜線要窄，消光發送機的發光波長要可調，穩定性要高，譜線要窄，消光比要高，輸出功率可調控。光比要高，輸出功率可調控。 光接收機的信噪比光接收機的信噪比 OSNR OSNR 和靈敏度要高，動態范圍和電帶和靈敏度要高，動態范

55、圍和電帶寬要寬。寬要寬。光纖通信系統（3 3）光放大器的技術性能光放大器的技術性能對于在目前應用較多的對于在目前應用較多的C C波段（波段（1530nm1530nm1565nm1565nm）復用系統中，）復用系統中，應采用寬帶應采用寬帶EDFAEDFA，對于對于L L波段（波段（1570nm1570nm1610nm1610nm）的復用系統則采用增益移位的）的復用系統則采用增益移位的GS-EDFAGS-EDFA，而對于而對于S S波段（波段（1490nm1490nm1530nm1530nm）的復用系統可采用增益移位）的復用系統可采用增益移位摻銩光纖放大器摻銩光纖放大器GS-TDFAGS-TDFA

56、，亦可以采用分布式超寬帶喇曼放大，亦可以采用分布式超寬帶喇曼放大器器RFARFA。不管使用哪一類不管使用哪一類OAOA，均要求有良好的增益平坦特性，低的噪聲，均要求有良好的增益平坦特性，低的噪聲指數，并具有增益鎖定和自定增益控制功能指數，并具有增益鎖定和自定增益控制功能。光纖通信系統1985年 Bellcore 提出了SONETSynchronous Optical Network1988年 CCITT 接受了 SONET 更名為SDHSynchronous Digital HierarchyPDH Pseudosynchronous Digital HierarchySDH的速率的速率SDH

57、的幀結構與開銷功能的幀結構與開銷功能SDH的主要設備的主要設備光纖通信系統1. 標準速率標準速率SDH具有統一規范的接口速率。具有統一規范的接口速率。SDH以同步傳送模塊以同步傳送模塊（STM Synchromous Transport module）的形式傳輸）的形式傳輸。最基本的同步傳送模塊是最基本的同步傳送模塊是STM-1 速率是速率是155.520Mbit/s更高等級的更高等級的STM-N模塊可以近似看作是將模塊可以近似看作是將N個基本模塊個基本模塊STM-1按同步復用，經過字節間插后的結果。按同步復用，經過字節間插后的結果。STM-N的速率是的速率是STM-1速率速率155.520M

58、bit/s的的N倍，倍，N值只能是4的整數次冪，目前目前SDH僅支持僅支持N1，4，16，64和和256。STM-N N=4i，i=0, 1, 2, 3, 4光纖通信系統SDH標準標準速率速率（表（表1.2）SDHSONET等級速率（Mbit/s）等級（光載波電信號）速率（Mbit/s）STM-051.840OC-1STS-151.840STM-1155.520OC-3STS-3155.520OC-9STS-9466.560STM-4622.080OC-12STS-12622.080OC-18STS-18933.120OC-24STS-241244.160OC-36STS-361866.240

59、STM-162488.320OC-48STS-482488.320OC-96*STS-96*4976.640STM-649953.280OC-192STS-1929953.280STM-25639813.120OC-576STS-57639813.120光纖通信系統2幀結構幀結構幀結構是一種按規律有序排列的重復性圖案。幀結構是一種按規律有序排列的重復性圖案。STM-N幀由幀由270N列、列、9行字節組成，每個字節為行字節組成，每個字節為8比特。幀周期是比特。幀周期是125s，即幀的重復頻率為，即幀的重復頻率為8000Hz，這與話音信號的取樣頻率一致。，這與話音信號的取樣頻率一致。再生段開再生段

60、開銷銷RSOHRSOH復用段開復用段開銷銷MSOHMSOH管理單元指針管理單元指針AU PTRAU PTR幀周期s1252進制數據流82709NPOH Path Overhead光纖通信系統3段開銷的字節安排與功能段開銷的字節安排與功能豐富的段開銷是豐富的段開銷是SDH的一個重要特點的一個重要特點。段開銷字節段開銷字節幀定位字節：幀定位字節：A1A1、A2A2再生段蹤跡字節：再生段蹤跡字節：J0J0BIP-8BIP-8字節字節：B1B1公務字節：公務字節：E1E1、E2E2使用者通路字節：使用者通路字節：F1F1DCCDCC字節：字節：D1D1D12D12BIP-BIP-N N2424字節：字