光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計課件

1、光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計光纖通信技術(shù)第七章第七章 光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計7.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2 光纖損耗對系統(tǒng)的限制7.3 光纖色散對系統(tǒng)的限制7.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)對系統(tǒng)的影響7.5 信道串?dāng)_7.6 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中的功率預(yù)算7.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖通信系統(tǒng)的主要組成單元：光纖光器件光發(fā)送機光接收機光放大器根據(jù)光纖系統(tǒng)的應(yīng)用可分為點到點連接廣播和分配網(wǎng)局域網(wǎng)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?shù)狞c到點連接再生器放大器光發(fā)送機光發(fā)送機光接收機光接收機7.1.1 點到點的傳輸系統(tǒng)光-電-光中繼：實際上是一個接收機一個發(fā)送機

2、對，它將檢測到的微弱變形光信號，變?yōu)殡娦盘?，?jīng)放大整形后變成規(guī)則的電比特流，再調(diào)制光發(fā)送機，恢復(fù)原光比特流繼續(xù)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(zhuǎn)換為電信號。(1R)光放大器不能無限制級聯(lián)，因為色散導(dǎo)致的脈沖畸變最終限制了系統(tǒng)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(tǒng)利用光纖的低損耗、寬帶寬特點性能指標(biāo)：比特率距離積（BL）BL積與光纖損耗和色散特性有關(guān)，而光纖特性又與波長有關(guān)，所以BL積與波長有關(guān)。第一代光波系統(tǒng): 0.85m,BL積 1 (Gb/s).km第二代光波系統(tǒng)：1.3m,BL積 100 (Gb/s).km第三代光波系統(tǒng)

3、：1.55m, BL積1000 (Gb/s).km 設(shè)計問題中繼距離的選取：在級聯(lián)的EDFA系統(tǒng)中， ASE噪聲積累問題是關(guān)鍵所在，設(shè)計的關(guān)鍵在于如何設(shè)置EDFA的放大間隔使接收端的OSNR滿足要求色散補償技術(shù)：色散補償方案的選擇及設(shè)計光纖非線性的避免光發(fā)射機光發(fā)射機光發(fā)射機光發(fā)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(yù)放MUXDEMUX典型的點對點光纖通信系統(tǒng)1N 327.1.2 光纖分配網(wǎng)功能：光纖通信系統(tǒng)不僅要求傳送信息，而且要求將信息分配給多個用戶應(yīng)用：光纜電話網(wǎng)、公用天線電視(CATV)、寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISND）特點：傳輸距離較短、帶寬要求寬結(jié)構(gòu)：樹型

4、拓?fù)?、總線拓?fù)銱ubHubHubHubHub信道在中心點分配，光纖的作用與點到點連接系統(tǒng)類似。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1432NBus單根光纖承載整個業(yè)務(wù)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(tǒng)；高清晰度電視HDTV。總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺點：信號損耗隨分路數(shù)指數(shù)增加。限制了單根光纖總線服務(wù)的范圍和用戶數(shù)。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(fā)送功率；C-分路器的功率分路比；-分路器的插入損耗；并假設(shè)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(shù)？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(shù)將可大大增加?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)7.1.3 局域網(wǎng)局域網(wǎng)：在光纖通信系統(tǒng)中，要求在網(wǎng)絡(luò)中一個局部區(qū)域內(nèi)（如在一個大學(xué)校園內(nèi)）的大量用戶相互連接，使任何用戶可以隨機地進入網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)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(fā)數(shù)據(jù)功能，存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議問題。結(jié)構(gòu)：總線型Bus、 環(huán)型Ring、 星型Star例子：“以太網(wǎng)”協(xié)議：碰撞檢測的載波偵聽多路存?。–SMA/CD）限制：與每個分支的損耗有關(guān)，用戶數(shù)不能太多。1N-2N-1N2環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

6、點到點連接將節(jié)點依次相連以形成單個閉合環(huán)。各節(jié)點中均設(shè)置有發(fā)送機接收機對，均可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，也用作中繼器。一個令牌（一個預(yù)先確定的比特率）在環(huán)內(nèi)傳遞，每個節(jié)點都監(jiān)視比特率以監(jiān)聽它自己的地址和接收數(shù)據(jù)。隨著光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI的標(biāo)準(zhǔn)接口的出現(xiàn)，光纖LAN開始普遍采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FDDI雙環(huán)結(jié)構(gòu)， superior reliability and robustness星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2N-1N431Starcoupler所有節(jié)點都通過點到點連接接到中心站(中樞節(jié)點)上。有源星形結(jié)構(gòu)：所有到達的光信號都通過光接收機轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號分配以驅(qū)動各個節(jié)點的光發(fā)送機。無源星形結(jié)構(gòu)：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(jié)點的輸入被分配到許多輸出節(jié)點，因此傳送到每個節(jié)點的功率將受用戶數(shù)的限制。第七章 光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計7.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2 光纖損耗對系統(tǒng)的限制7.3 光纖色散對系統(tǒng)的限制7.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)對系統(tǒng)的影響7.5 信道串?dāng)_7.6 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中的功率預(yù)算7.2 光纖損耗對系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)發(fā)送機發(fā)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(guān)。 h為光子能量， Np為接收機所要求的每比特的平均光子數(shù)。在給定工作波長處，L隨比特率B的增加而呈對數(shù)關(guān)系降低。損耗限制色散限制 橫越大西洋的海底光波系統(tǒng) 實際陸地光波系統(tǒng) 采用色散位移光纖的1550nm，B 10Gb/s 的實驗系統(tǒng)第七章 光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計7.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2 光纖損耗對系統(tǒng)的限制7.3 光纖色散對系統(tǒng)的限制7.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)對系統(tǒng)的影響7.5 信道串?dāng)_7.6 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中的功率預(yù)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(dǎo)致的信號畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。色散類型模間色散（僅多模光纖有）波導(dǎo)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(tǒng)的限制二、色散與光纖G.652（標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致的信號畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。導(dǎo)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(tǒng) 第一代光波

10、系統(tǒng)，通常采用低成本的多模光纖作為傳輸媒質(zhì)。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(nèi)。應(yīng)用：數(shù)據(jù)連接，很少用于光纖通信系統(tǒng)中。多模漸變光纖， BL=2c/(n12). 對于 n1=1.46、=0.01，曲線如圖。當(dāng)比特率小于100 Mb/s 時為損耗限制，大于100 Mb/s 將變?yōu)樯⑾拗?。第一代陸上光通信系統(tǒng)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(yè)運營。- 色散限制2

11、. 1.3m光波系統(tǒng)第二代光波系統(tǒng)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(dǎo)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(dāng)取|D| =2ps/km時，BL 125 (Gb/s)-km 當(dāng)B1Gb/s時則變?yōu)樯⑾拗葡到y(tǒng)。- 色散限制3. 1.55m光波系統(tǒng)第三代光波系統(tǒng)工作在損耗最小的1.55m波長，光纖色散是系統(tǒng)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(dǎo)致的脈沖展寬較大，系統(tǒng)處于色散限制狀態(tài)。采用

12、單縱模半導(dǎo)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(tǒng)。- 色散限制當(dāng)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(dǎo)致的信號脈沖畸變，與光源線寬、信號啁啾、調(diào)制展寬等因素有關(guān)。直接調(diào)制系統(tǒng)中，光源的調(diào)制啁啾及光纖色散導(dǎo)致信號畸變。對于2.5Gb/s系統(tǒng),放大器的積累噪聲成為傳輸距離主要限制。對于10Gb/s系統(tǒng),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(shù)在WDM系統(tǒng)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(yù)

13、啁啾技術(shù)（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(yù)啁啾技術(shù)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(yù)啁啾是通過在光源上附加一個正弦調(diào)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(jù)傳輸距離調(diào)整正弦調(diào)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(shè)計光纖的芯徑及折射率分布，利用光纖的波導(dǎo)色散效應(yīng)，使其零色散波長大于1550nm，即在1550nm處產(chǎn)生較大的負(fù)色散（-100p

14、s/nm.km)-色散補償光纖(DCF)。當(dāng)常規(guī)光纖和DCF級聯(lián)時，兩者將會互相抵消。常規(guī)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(guī)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(yīng)為0.0035nm-1。當(dāng)滿足時，群延遲色散被補償當(dāng)滿足時，二階色散(色散斜率)被補償組合使用正、負(fù)色散系數(shù)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(chǎn)生基本途徑預(yù)補償累計色散LDCF產(chǎn)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(yīng)采用非完全補償而不是完全補償在發(fā)射端進行預(yù)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(shù)大24倍-閾值功率減小36dB色散斜率為-15-20ps/nm2/km遠(yuǎn)高于SSMF的0.09ps/nm2/km,要進行色散斜率補償,需專門設(shè)計當(dāng)不能進行斜率補償?shù)腄CF用于WDM系統(tǒng)中時,如果設(shè)計系統(tǒng)使得中間波長信道實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)時應(yīng)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(dǎo)上刻上光柵可以控制光在其中的反射，從而實現(xiàn)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(jīng)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(yīng)，使脈沖寬度被壓縮甚至還原。啁啾光纖光柵色散補償?shù)奶攸c體積小損耗小價格便宜補償帶寬窄,實現(xiàn)寬帶的WDM多信道補償技術(shù):-長啁啾光纖光柵(Southampton 大學(xué)制出作3米長的光柵-級聯(lián)光柵-取樣光纖光柵需要環(huán)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(nèi)外研究的現(xiàn)狀： 偏振模色散對高速大容量光纖通信系統(tǒng)有著不可忽視的影響，并被認(rèn)為是限制光纖通信系統(tǒng)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(yè)界的廣泛關(guān)注，并已成為目前國際上光纖通信領(lǐng)域研究的熱點。 按照國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范小組的觀點：為保證PMD導(dǎo)致的系統(tǒng)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(dāng)大于這一規(guī)定值時，需對系統(tǒng)偏振模色散進行補償！在單信道速率達40Gb/s的系統(tǒng)中,PMD問題較為突出.有關(guān)PMD的補償技術(shù)處于研究階段.偏振模色散對信號傳輸?shù)挠绊懙谄哒?光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計7.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2 光纖損耗對系統(tǒng)的限制7.3 光纖色散對系統(tǒng)的限制7.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)對系統(tǒng)的影響7.5 信道串?dāng)_7.6 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中的功率預(yù)算7.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)對系統(tǒng)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(diào)制(SPM)-互相位調(diào)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(guān)，光源線寬越窄，功率閾值越低減小SBS對系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)1 2 3 41 2 3 4fiber三、SPM and XPM來源：折射率對光強的依賴關(guān)系導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)樾盘枏姸鹊幕冇捎谏⒑头蔷€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(yīng)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(fā)射端預(yù)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，F(xiàn)WM越加嚴(yán)重，色散能夠破壞相位匹配，減小FWM。故應(yīng)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(dāng)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(tǒng)的影響：形成信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。第七章 光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計7.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2 光纖損耗對系統(tǒng)的限制7.3 光纖色散對系統(tǒng)的限制7.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)對系統(tǒng)的影響7.5 信道串?dāng)_7.6 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中的功率預(yù)算7.5 信道串?dāng)_信道串?dāng)_Crosstalk：WDM系統(tǒng)中的器件均會引起信道串?dāng)_，包括濾波器、波長復(fù)用器/

22、解復(fù)用器、光開關(guān)及半導(dǎo)體光放大器等，連光纖本身也會由于非線性效應(yīng)而引起串?dāng)_。這會引起功率代價。同頻串?dāng)_ Intrachannel crosstalk 與信號光頻率相同(非常接近)的串?dāng)_，均落入接收機帶寬內(nèi)無法濾除，對系統(tǒng)影響嚴(yán)重，最終限制系統(tǒng)的傳輸距離異頻串?dāng)_ Interchannel crosstalk 與信號光頻率有較大偏離的串?dāng)_，表現(xiàn)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?dāng)_，對系統(tǒng)影響較小一、同頻串?dāng)_來源：復(fù)用/解復(fù)用器對、光開關(guān)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?dāng)_功率代價對于有N個同頻串?dāng)_源的情況，上式中的替代為假定串?dāng)_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?dāng)_光功率。在帶有光預(yù)放大或APD接收機中，如果只考慮與信號功率相關(guān)的噪聲的情況下，引入的功率代

24、價為：二、異頻串?dāng)_來源：解復(fù)用器、光開關(guān)等。12signalcrosstalkcrosstalksignal2signal1Optical switch with inputs at different wavelengths1signalcrosstalk2Demux12An optical demultiplexer異頻串?dāng)_會導(dǎo)致信號消光比惡化，同樣令為串?dāng)_功率對信號功率的比值，在帶有光預(yù)放大或APD接收機中，如果只考慮與信號功率相關(guān)的噪聲的情況下，引入的功率代價為：異頻串?dāng)_功率代價對于有N個同頻串?dāng)_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(wǎng)、光纖接入網(wǎng))與斑圖相

25、關(guān)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(dǎo)致接收功率的波動并附加到總的接收機噪聲中，導(dǎo)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(chǎn)生了一個斑紋圖樣，稱為斑圖。模分配噪聲: 多縱模半導(dǎo)體激光器在調(diào)制時，其各個模式一般是不穩(wěn)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(dāng)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(xiàn)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(tǒng)的性能與設(shè)計7.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2 光纖損耗對系統(tǒng)的