1、光纖通信系統的性能與設計光纖通信技術第七章第七章 光纖通信系統的性能與設計7.1 光纖通信系統結構7.2 光纖損耗對系統的限制7.3 光纖色散對系統的限制7.4 光纖中的非線性光學效應對系統的影響7.5 信道串擾7.6 光纖通信系統設計中的功率預算7.1 光纖通信系統結構光纖通信系統的主要組成單元：光纖光器件光發送機光接收機光放大器根據光纖系統的應用可分為點到點連接廣播和分配網局域網RxTxRxRxTxTx再生器RxTxAA放大器采用再生器和光放大器作為周期性損耗補償的點到點連接再生器放大器光發送機光發送機光接收機光接收機7.1.1 點到點的傳輸系統光-電-光中繼：實際上是一個接收機一個發送機

2、對，它將檢測到的微弱變形光信號，變為電信號，經放大整形后變成規則的電比特流，再調制光發送機，恢復原光比特流繼續沿光纖傳輸。光放大器：將接收到的微弱光比特流信號直接放大而不需將其轉換為電信號。(1R)光放大器不能無限制級聯，因為色散導致的脈沖畸變最終限制了系統的性能。光-電-光再生中繼則不存在這種問題。7.1.1 點到點的傳輸系統利用光纖的低損耗、寬帶寬特點性能指標：比特率距離積（BL）BL積與光纖損耗和色散特性有關，而光纖特性又與波長有關，所以BL積與波長有關。第一代光波系統: 0.85m,BL積 1 (Gb/s).km第二代光波系統：1.3m,BL積 100 (Gb/s).km第三代光波系統

3、：1.55m, BL積1000 (Gb/s).km 設計問題中繼距離的選取：在級聯的EDFA系統中， ASE噪聲積累問題是關鍵所在，設計的關鍵在于如何設置EDFA的放大間隔使接收端的OSNR滿足要求色散補償技術：色散補償方案的選擇及設計光纖非線性的避免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EDFA功放線放預放MUXDEMUX典型的點對點光纖通信系統1N 327.1.2 光纖分配網功能：光纖通信系統不僅要求傳送信息，而且要求將信息分配給多個用戶應用：光纜電話網、公用天線電視(CATV)、寬帶綜合業務數字網（B-ISND）特點：傳輸距離較短、帶寬要求寬結構：樹型

4、拓撲、總線拓撲HubHubHubHubHub信道在中心點分配，光纖的作用與點到點連接系統類似。樹形拓撲結構1432NBus單根光纖承載整個業務范圍的多信道光信號，通過光接頭完成分路，光分路器將一小部分功率分送給每個用戶。多路視頻信道分配CATV系統；高清晰度電視HDTV。總線拓撲結構總線拓撲結構缺點：信號損耗隨分路數指數增加。限制了單根光纖總線服務的范圍和用戶數。若忽略光纖自身的損耗，則第N個分支可得到的功率為：PN-第N個分支功率；PT-發送功率；C-分路器的功率分路比；-分路器的插入損耗；并假設每個分路器的C和都相同。若取 =0.05, C=0.05, PT =1mW 和 PN=0.1W,

5、則N的最大值?N=61如何進一步增加分支數？在總線上周期地接入光放大器提升功率，可以克服上述限制，只要光纖色散的影響限制在可忽略的程度，允許分配的用戶數將可大大增加。總線拓撲結構7.1.3 局域網局域網：在光纖通信系統中，要求在網絡中一個局部區域內（如在一個大學校園內）的大量用戶相互連接，使任何用戶可以隨機地進入網絡，將數據傳送給其他任何用戶。LAN中要求對每個用戶提供隨機的收發數據功能，存在網絡協議問題。結構：總線型Bus、 環型Ring、 星型Star例子：“以太網”協議：碰撞檢測的載波偵聽多路存取（CSMA/CD）限制：與每個分支的損耗有關，用戶數不能太多。1N-2N-1N2環形拓撲結構

6、點到點連接將節點依次相連以形成單個閉合環。各節點中均設置有發送機接收機對，均可發送和接收數據，也用作中繼器。一個令牌（一個預先確定的比特率）在環內傳遞，每個節點都監視比特率以監聽它自己的地址和接收數據。隨著光纖分布式數據接口FDDI的標準接口的出現，光纖LAN開始普遍采用環形拓撲結構。FDDI雙環結構， superior reliability and robustness星形拓撲結構2N-1N431Starcoupler所有節點都通過點到點連接接到中心站(中樞節點)上。有源星形結構：所有到達的光信號都通過光接收機轉換為電信號，再將電信號分配以驅動各個節點的光發送機。無源星形結構：采用星形耦合

7、器等無源光器件在光域進行分配。由于從一個節點的輸入被分配到許多輸出節點，因此傳送到每個節點的功率將受用戶數的限制。第七章 光纖通信系統的性能與設計7.1 光纖通信系統結構7.2 光纖損耗對系統的限制7.3 光纖色散對系統的限制7.4 光纖中的非線性光學效應對系統的影響7.5 信道串擾7.6 光纖通信系統設計中的功率預算7.2 光纖損耗對系統的限制第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損 耗 (dB/km)波 長 (nm)OH離子吸收峰第三傳輸窗口光纖的損耗譜特性損耗限制光波系統設發送機發出的最大平均功率為Pt ，而光接收機的接收靈敏度為Pr ，則最大

8、傳輸距離為： tot (dB/km)為光纖損耗，包括對接損耗和活動連接損耗。由于接收機靈敏度Pr隨比特率B線性變化： 因此傳輸距離亦與比特率有關。 h為光子能量， Np為接收機所要求的每比特的平均光子數。在給定工作波長處，L隨比特率B的增加而呈對數關系降低。損耗限制色散限制 橫越大西洋的海底光波系統 實際陸地光波系統 采用色散位移光纖的1550nm，B 10Gb/s 的實驗系統第七章 光纖通信系統的性能與設計7.1 光纖通信系統結構7.2 光纖損耗對系統的限制7.3 光纖色散對系統的限制7.4 光纖中的非線性光學效應對系統的影響7.5 信道串擾7.6 光纖通信系統設計中的功率預算光纖色散:信號

9、能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號畸變。色散限制:光纖色散導致的信號畸變限制系統的傳輸距離。色散類型模間色散（僅多模光纖有）波導色散材料色散偏振模色散波長色散一、光纖色散7.3 光纖色散對系統的限制二、色散與光纖G.652（標準單模光纖SMF）: 零色散波長:1300nm1550色散:1617ps/nm.kmG.653（色散位移光纖DSF）:零色散波長:1550nmG.655（非零色散位移光纖NZDSF）: 1550nm色散:26ps/nm.km三、色散限制光纖色散導致的信號畸變限制系統的傳輸距離。導致色散限制的物理機制隨不同波長而不同。1. 0.85m光波系統 第一代光波

10、系統，通常采用低成本的多模光纖作為傳輸媒質。主要限制因素是模間色散。- 色散限制多模階躍光纖， BL=c/(2n1)。典型值n1=1.46、 =0.01，傳輸距離隨比特率的曲線。即使在B1Mb/s 的低比特率，也是色散限制的，其傳輸距離限制在10km內。應用：數據連接，很少用于光纖通信系統中。多模漸變光纖， BL=2c/(n12). 對于 n1=1.46、=0.01，曲線如圖。當比特率小于100 Mb/s 時為損耗限制，大于100 Mb/s 將變為色散限制。第一代陸上光通信系統就是采用多模漸變光纖，比特率在50-100 Mb/s ，中繼距離接近10公里，于1978年投入商業運營。- 色散限制2

11、. 1.3m光波系統第二代光波系統采用最小色散波長在1.3m附近的單模光纖，最大的限制因素是由較大的光源譜寬支配的由色散導致的脈沖展寬。比特率距離積 BL (4|D|)-1 D為色散， 為光源的均方根譜寬。 |D| 典型值為 1-2ps/(km-nm) 當取|D| =2ps/km時，BL 125 (Gb/s)-km 當B1Gb/s時則變為色散限制系統。- 色散限制3. 1.55m光波系統第三代光波系統工作在損耗最小的1.55m波長，光纖色散是系統的主要限制因素。對普通單模光纖，在1.55m處D的典型值為17ps/(km-nm)，色散值比較高，由色散導致的脈沖展寬較大，系統處于色散限制狀態。采用

12、單縱模半導體光源可大大緩解這種限制。 最終限制為：B2L 5Gb/s 時，為色散限制系統。- 色散限制當采用色散位移光纖時，色散和損耗在1.55m附近均最低。 - 色散限制光纖色散導致的信號脈沖畸變，與光源線寬、信號啁啾、調制展寬等因素有關。直接調制系統中，光源的調制啁啾及光纖色散導致信號畸變。對于2.5Gb/s系統,放大器的積累噪聲成為傳輸距離主要限制。對于10Gb/s系統,光纖色散成為傳輸距離的主要限制。比特率NZDSFSSMF2.5Gb/S6000km1000km10Gb/s400km60km四、色散/色散斜率補償技術在WDM系統中，只有進行色散斜率補償，才能保證各個信道都得到補償。 預

13、啁啾技術（PCH） 用色散補償光纖進行色散補償 用啁啾光纖光柵進行色散補償 (1)預啁啾技術PCH光信號在反常色散光纖中傳輸時，所含的高頻成分傳播速率較快，將逐漸集中在脈沖前沿，低頻成分傳播速率較慢，將逐漸集中在脈沖后沿，兩者之間的時差越來越大，脈沖也就越來越寬。預啁啾是通過在光源上附加一個正弦調制，使脈沖前沿的頻率降低，后沿頻率升高，在一定程度上補償色散造成的脈沖展寬。特點：簡單需根據傳輸距離調整正弦調制的深度延長傳輸距離2倍(2) 用色散補償光纖進行色散補償特殊設計光纖的芯徑及折射率分布，利用光纖的波導色散效應，使其零色散波長大于1550nm，即在1550nm處產生較大的負色散（-100p

14、s/nm.km)-色散補償光纖(DCF)。當常規光纖和DCF級聯時，兩者將會互相抵消。常規單模光纖在1550nm 的色散和色散斜率的典型值為：D = 16.5ps/nm.km，D = 0.059ps/(nm2.km) 。用相對色散斜率RD = D/D 表示色散斜率補償, RD1= RD2常規單模光纖的相對色散斜率RD =0.0035nm-1，所以色散補償光纖的RD 也應為0.0035nm-1。當滿足時，群延遲色散被補償當滿足時，二階色散(色散斜率)被補償組合使用正、負色散系數的光纖大的局部色散，小的平均色散,可以較好的抑制四波混頻和XPM的產生基本途徑預補償累計色散LDCF產生的色散變化L光功

15、率光纖損耗DCF中的功率損耗累計色散L傳輸光纖中的色散累積L光功率DCFDCFDCFDCF后補償大的局部色散，小的平均色散。采用后置色散補償而不是前置色散補償，減小DCF的非線性效應采用非完全補償而不是完全補償在發射端進行預補償補償原則DCF色散補償存在的問題較大的損耗(0.5dB/km)較小的有效面積(20m2),相對SSMF,非線性系數大24倍-閾值功率減小36dB色散斜率為-15-20ps/nm2/km遠高于SSMF的0.09ps/nm2/km,要進行色散斜率補償,需專門設計當不能進行斜率補償的DCF用于WDM系統中時,如果設計系統使得中間波長信道實現完全色散補償, 短波長信道則過補償,

16、而長波長信道則欠補償D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-水下系統新方案：D+/D-光纖對D+在前：非線性小；D-在后且足夠長，有益于RA。作為傳輸光纖使用的方案，用于陸上系統時應特別慎重。(3) 用啁啾光纖光柵進行色散補償在光纖或光波導上刻上光柵可以控制光在其中的反射，從而實現光信號的延時。如果刻制等間距光柵，則只能反射某一個很窄的頻帶信號，造成帶寬過窄。所以采用啁啾光纖光柵，刻出一系列不等間距的光柵，光柵上的每一點都可以看成一個本地布喇格光柵的通帶和阻帶濾波器。經光纖傳輸以后的入射光中的長波長分量（低頻）位于脈沖后沿，使其在光柵的起始端就反射，而短波長分量位于脈沖的前沿，使其在光柵的末端

17、才被反射，于是就補償了色散效應，使脈沖寬度被壓縮甚至還原。啁啾光纖光柵色散補償的特點體積小損耗小價格便宜補償帶寬窄,實現寬帶的WDM多信道補償技術:-長啁啾光纖光柵(Southampton 大學制出作3米長的光柵-級聯光柵-取樣光纖光柵需要環型器偏振模色散簡介： 在理想的單模光纖中，基模是由兩個相互垂直的簡并偏振模組成。如果由于某種因素使這兩個偏振模有不同的群速度，出纖后兩偏振模的迭加使得信號脈沖展寬，從而形成偏振模色散。單模光纖中的偏振模色散國內外研究的現狀： 偏振模色散對高速大容量光纖通信系統有著不可忽視的影響，并被認為是限制光纖通信系統傳輸容量和距離的最終因素。所以自九十年代以來，已引起

18、業界的廣泛關注，并已成為目前國際上光纖通信領域研究的熱點。 按照國際標準技術規范小組的觀點：為保證PMD導致的系統功率代價在1dB以下，偏振模色散的平均值必須小于一比特周期的十分之一。 當大于這一規定值時，需對系統偏振模色散進行補償！在單信道速率達40Gb/s的系統中,PMD問題較為突出.有關PMD的補償技術處于研究階段.偏振模色散對信號傳輸的影響第七章 光纖通信系統的性能與設計7.1 光纖通信系統結構7.2 光纖損耗對系統的限制7.3 光纖色散對系統的限制7.4 光纖中的非線性光學效應對系統的影響7.5 信道串擾7.6 光纖通信系統設計中的功率預算7.4 光纖中的非線性光學效應對系統的影響受

19、激非彈性散射-受激布里淵散射(SBS)-受激喇曼散射(SRS)非線性折射率-自相位調制(SPM)-互相位調制(XPM)-四波混頻(FWM)一、SBS特點：只有后向散射增益帶寬窄，只影響本信道功率功率閾值與光源線寬有關，光源線寬越窄，功率閾值越低減小SBS對系統影響的主要措施（避免）：減低入纖功率（減小中繼間隔）增加光源線寬（色散限制）二、SRS特點：以前向散射為主，但也有后向散射增益帶寬寬（約125nm），影響其它信道功率在WDM系統中，較高頻率的信號成為所有較低頻率信號的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大，減小SRS對系統影響的主要措施：減低入纖功率（減小中繼間隔）減小信道間隔減小光纖的非線

20、性系數1 2 3 41 2 3 4fiber三、SPM and XPM來源：折射率對光強的依賴關系導致光場在光纖中傳輸引起光場的非線性相移影響：非線性相移通過色散的作用轉變為信號強度的畸變由于色散和非線性（主要是SPM、XPM）的相互作用，色散補償不能僅僅考慮補償色散，非線性效應的影響必須被考慮色散管理綜合考慮GVD,SPM和XPM的色散管理方案欠補償（總色散以及各光纖段均欠補償）發射端預補償（減小色散積累）接收端后補償DCF-1320ps/nmDCF-671ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-671ps/nmOMUODUboost特

21、點：小的色散光纖，相位匹配易于滿足，FWM越加嚴重，色散能夠破壞相位匹配，減小FWM。故應在色散與FWM之間取折衷-NZDSF減小影響的措施：增加信道間隔、適當加大色散、非等間隔信道、減小光功率、 相鄰信道正交偏振、色散欠補償四、FWM對系統的影響：形成信道之間的串擾，嚴重影響系統的性能。第七章 光纖通信系統的性能與設計7.1 光纖通信系統結構7.2 光纖損耗對系統的限制7.3 光纖色散對系統的限制7.4 光纖中的非線性光學效應對系統的影響7.5 信道串擾7.6 光纖通信系統設計中的功率預算7.5 信道串擾信道串擾Crosstalk：WDM系統中的器件均會引起信道串擾，包括濾波器、波長復用器/

22、解復用器、光開關及半導體光放大器等，連光纖本身也會由于非線性效應而引起串擾。這會引起功率代價。同頻串擾 Intrachannel crosstalk 與信號光頻率相同(非常接近)的串擾，均落入接收機帶寬內無法濾除，對系統影響嚴重，最終限制系統的傳輸距離異頻串擾 Interchannel crosstalk 與信號光頻率有較大偏離的串擾，表現為一種加性的噪聲，惡化信號消光比，可通過濾波器濾除的串擾，對系統影響較小一、同頻串擾來源：復用/解復用器對、光開關等1signalsignalleakage111signalcrosstalk1signal11signalcrosstalkOptical s

23、witchAlthough both signals contain the same data, they are not in phase with each other, due to different delays encountered by them.MuxDemux12Cascaded wavelength demultiplexer and multiplexer同頻串擾功率代價對于有N個同頻串擾源的情況，上式中的替代為假定串擾光頻率與信號頻率完全相同，P表示信號光功率，P代表平均串擾光功率。在帶有光預放大或APD接收機中，如果只考慮與信號功率相關的噪聲的情況下，引入的功率代

24、價為：二、異頻串擾來源：解復用器、光開關等。12signalcrosstalkcrosstalksignal2signal1Optical switch with inputs at different wavelengths1signalcrosstalk2Demux12An optical demultiplexer異頻串擾會導致信號消光比惡化，同樣令為串擾功率對信號功率的比值，在帶有光預放大或APD接收機中，如果只考慮與信號功率相關的噪聲的情況下，引入的功率代價為：異頻串擾功率代價對于有N個同頻串擾源的情況，上式中的替代為模噪聲: LD+多模光纖中的噪聲(千兆以太網、光纖接入網)與斑圖相

25、關的強度不均勻分布自身是無害的，因為接收機性能由探測器面積分所得總功率決定。然而如果斑圖隨時間波動，將導致接收功率的波動并附加到總的接收機噪聲中，導致信噪比降低。光源的相干性越大(小)，噪聲越強(弱)。在多模光纖中，由于振動和微彎等機械擾動，各傳輸模式間的干涉在光檢測器受光面上產生了一個斑紋圖樣，稱為斑圖。模分配噪聲: 多縱模半導體激光器在調制時，其各個模式一般是不穩定的，即使各模式功率的總和（總功率）不隨時間而變，但各個模式的功率卻隨時間呈隨機波動。當不存在色散時，所有模式在傳輸和檢測中保持同步，這種波動是無害的。但在實際有色散光纖中，工作于不同波長的模式將以不同的速度傳播，造成各模式間不同步，引起接收機電流附加的隨機波動，信噪比降低，這種現象稱為模分配噪聲，需要付出功率代價。第七章 光纖通信系統的性能與設計7.1 光纖通信系統結構7.2 光纖損耗對系統的