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1、光纤通信系统的性能与设计,光纤通信技术第七章,第七章 光纤通信系统的性能与设计,7.1 光纤通信系统结构 7.2 光纤损耗对系统的限制 7.3 光纤色散对系统的限制 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响 7.5 信道串扰 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算,7.1 光纤通信系统结构,光纤通信系统的主要组成单元： 光纤 光器件 光发送机 光接收机 光放大器 根据光纤系统的应用可分为 点到点连接 广播和分配网 局域网,Rx,Tx,Rx,Rx,Tx,Tx,再生器,Rx,Tx,A,A,放大器,采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接,再生器,放大器,光发送机,光发送机,光接收机,光接
2、收机,7.1.1 点到点的传输系统,光-电-光中继：实际上是一个接收机一个发送机对，它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续沿光纤传输。,光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而不需将其转换为电信号。(1R) 光放大器不能无限制级联，因为色散导致的脉冲畸变最终限制了系统的性能。光-电-光再生中继则不存在这种问题。,7.1.1 点到点的传输系统,利用光纤的低损耗、宽带宽特点 性能指标：比特率距离积（BL） BL积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性又与波长有关，所以BL积与波长有关。 第一代光波系统: 0.85m,BL积 1
3、 (Gb/s).km 第二代光波系统：1.3m,BL积 100 (Gb/s).km 第三代光波系统：1.55m, BL积1000 (Gb/s).km,设计问题,中继距离的选取：在级联的EDFA系统中， ASE噪声积累问题是关键所在，设计的关键在于如何设置EDFA的放大间隔使接收端的OSNR满足要求 色散补偿技术：色散补偿方案的选择及设计 光纤非线性的避免,7.1.2 光纤分配网,功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要求将信息分配给多个用户 应用：光缆电话网、公用天线电视(CATV)、宽带综合业务数字网（B-ISND） 特点：传输距离较短、带宽要求宽 结构：树型拓扑、总线拓扑,信道在中心点分
4、配，光纤的作用与点到点连接系统类似。,树形拓扑结构,单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视频信道分配CATV系统；高清晰度电视HDTV。,总线拓扑结构,总线拓扑结构,缺点：信号损耗随分路数指数增加。限制了单根光纤总线服务的范围和用户数。 若忽略光纤自身的损耗，则第N个分支可得到的功率为： PN-第N个分支功率；PT-发送功率；C-分路器的功率分路比；-分路器的插入损耗；并假设每个分路器的C和都相同。,若取 =0.05, C=0.05, PT =1mW 和 PN=0.1W,则N的最大值?,N=61,如何进一步增加分支数？,在总线上
5、周期地接入光放大器提升功率，可以克服上述限制，只要光纤色散的影响限制在可忽略的程度，允许分配的用户数将可大大增加。,总线拓扑结构,7.1.3 局域网,局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将数据传送给其他任何用户。 LAN中要求对每个用户提供随机的收发数据功能，存在网络协议问题。 结构：总线型Bus、 环型Ring、 星型Star,例子：“以太网” 协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD） 限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。,环形拓扑结构,点到点连接将节点依次相连以形成单个闭合环。各节点中
6、均设置有发送机接收机对，均可发送和接收数据，也用作中继器。 一个令牌（一个预先确定的比特率）在环内传递，每个节点都监视比特率以监听它自己的地址和接收数据。 随着光纤分布式数据接口FDDI的标准接口的出现，光纤LAN开始普遍采用环形拓扑结构。,FDDI,双环结构， superior reliability and robustness,星形拓扑结构,所有节点都通过点到点连接接到中心站(中枢节点)上。 有源星形结构：所有到达的光信号都通过光接收机转换为电信号，再将电信号分配以驱动各个节点的光发送机。 无源星形结构：采用星形耦合器等无源光器件在光域进行分配。由于从一个节点的输入被分配到许多输出节点，
7、因此传送到每个节点的功率将受用户数的限制。,第七章 光纤通信系统的性能与设计,7.1 光纤通信系统结构 7.2 光纤损耗对系统的限制 7.3 光纤色散对系统的限制 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响 7.5 信道串扰 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算,7.2 光纤损耗对系统的限制,第二传输窗口,第一传输窗口,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗 (dB/km),波 长 (nm),OH离子吸收峰,第三传输窗口,光纤的损耗谱特性,损耗限制光波系统,设发送机发出的最大平均功率为Pt ，而光接收机的接收灵敏度为Pr ，则最大传输距离为： tot
8、(dB/km)为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。 由于接收机灵敏度Pr随比特率B线性变化： 因此传输距离亦与比特率有关。 h为光子能量， Np为接收机所要求的每比特的平均光子数。 在给定工作波长处，L随比特率B的增加而呈对数关系降低。,损耗限制 色散限制, 横越大西洋的海底光波系统 实际陆地光波系统 采用色散位移光纤的1550nm，B 10Gb/s 的实验系统,第七章 光纤通信系统的性能与设计,7.1 光纤通信系统结构 7.2 光纤损耗对系统的限制 7.3 光纤色散对系统的限制 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响 7.5 信道串扰 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算,光纤色散:
9、信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。 色散限制:光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。,色散类型 模间色散（仅多模光纤有） 波导色散 材料色散 偏振模色散,波长色散,一、光纤色散,7.3 光纤色散对系统的限制,二、色散与光纤,G.652（标准单模光纤SMF）: 零色散波长:1300nm 1550色散:1617ps/nm.km G.653（色散位移光纤DSF）: 零色散波长:1550nm G.655（非零色散位移光纤NZDSF）: 1550nm色散:26ps/nm.km,三、色散限制,光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。 导致色散限制的物理机制随不同波长而不
10、同。 1. 0.85m光波系统 第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作为传输媒质。主要限制因素是模间色散。,- 色散限制,多模阶跃光纤， BL=c/(2n1)。 典型值n1=1.46、 =0.01，传输距离随比特率的曲线。 即使在B1Mb/s 的低比特率，也是色散限制的，其传输距离限制在10km内。应用：数据连接，很少用于光纤通信系统中。,多模渐变光纤， BL=2c/(n12). 对于 n1=1.46、=0.01，曲线如图。当比特率小于100 Mb/s 时为损耗限制，大于100 Mb/s 将变为色散限制。 第一代陆上光通信系统就是采用多模渐变光纤，比特率在50-100 Mb/s ，中继距离
11、接近10公里，于1978年投入商业运营。,- 色散限制,2. 1.3m光波系统,第二代光波系统采用最小色散波长在1.3m附近的单模光纤，最大的限制因素是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉冲展宽。 比特率距离积 BL (4|D|)-1 D为色散， 为光源的均方根谱宽。 |D| 典型值为 1-2ps/(km-nm) 当取|D| =2ps/km时，BL 125 (Gb/s)-km,当B1Gb/s时则变为色散限制系统。,- 色散限制,3. 1.55m光波系统,第三代光波系统工作在损耗最小的1.55m波长，光纤色散是系统的主要限制因素。 对普通单模光纤，在1.55m处D的典型值为17ps/(km-nm
12、)，色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，系统处于色散限制状态。采用单纵模半导体光源可大大缓解这种限制。 最终限制为：B2L (16|2|)-1 式中，2为群速色散，与色散参数D的关系为：D=-(2c/2) 2,普通单模光纤的限制线为：B2L = 4000 (Gb/s)2-km。 对理想的1.55m系统， B2L 可达6000 (Gb/s)2-km。 当 B 5Gb/s 时，为色散限制系统。,- 色散限制,当采用色散位移光纤时，色散和损耗在1.55m附近均最低。,- 色散限制,光纤色散导致的信号脉冲畸变，与光源线宽、信号啁啾、调制展宽等因素有关。 直接调制系统中，光源的调制啁啾及光纤色散导致
13、信号畸变。 对于2.5Gb/s系统,放大器的积累噪声成为传输距离主要限制。 对于10Gb/s系统,光纤色散成为传输距离的主要限制。,比特率NZDSFSSMF 2.5Gb/S6000km1000km 10Gb/s400km60km,四、色散/色散斜率补偿技术,在WDM系统中，只有进行色散斜率补偿，才能保证各个信道都得到补偿。 预啁啾技术（PCH） 用色散补偿光纤进行色散补偿 用啁啾光纤光栅进行色散补偿,(1)预啁啾技术PCH,光信号在反常色散光纤中传输时，所含的高频成分传播速率较快，将逐渐集中在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，将逐渐集中在脉冲后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲也就越来越宽。 预啁
14、啾是通过在光源上附加一个正弦调制，使脉冲前沿的频率降低，后沿频率升高，在一定程度上补偿色散造成的脉冲展宽。 特点： 简单 需根据传输距离调整正弦调制的深度 延长传输距离2倍,(2) 用色散补偿光纤进行色散补偿,特殊设计光纤的芯径及折射率分布，利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于1550nm，即在1550nm处产生较大的负色散（-100ps/nm.km)-色散补偿光纤(DCF)。当常规光纤和DCF级联时，两者将会互相抵消。 常规单模光纤在1550nm 的色散和色散斜率的典型值为：D = 16.5ps/nm.km，D = 0.059ps/(nm2.km) 。 用相对色散斜率RD = D/D
15、表示色散斜率补偿, RD1= RD2 常规单模光纤的相对色散斜率RD =0.0035nm-1，所以色散补偿光纤的RD 也应为0.0035nm-1。,当满足,时，群延迟色散被补偿,当满足,时，二阶色散(色散斜率)被补偿,组合使用正、负色散系数的光纤 大的局部色散，小的平均色散,可以较好的抑制四波混频和XPM的产生,基本途径,预补偿,累计色散,L,DCF产生的色散变化,L,光功率,光纤损耗,DCF中的功率损耗,累计色散,L,传输光纤中的色散累积,L,光功率,DCF,DCF,DCF,DCF,后补偿,大的局部色散，小的平均色散。 采用后置色散补偿而不是前置色散补偿，减小DCF的非线性效应 采用非完全补偿而不是完全补偿 在发射端进行预补偿,补偿原则,DCF色散补偿存在的问题,较大的损耗(0.5dB/km) 较小的有效面积(20m2),相对SSMF,非线性系数大24倍 -阈值功率减小36dB 色散斜率为-15-20ps/nm2/km远高于SSMF的0.09ps/nm2/km,要进行色散斜率补偿,需专门设计 当不能进行斜率补偿的DCF用于WDM系统中时,如果设计系统使得中间波长信道实现完全色散补偿, 短波长信道则过补偿,而长波长信道则欠补偿,水下系统新方案：D+/D-光纤对,D+在前：非线性小；D-在后且足够长，有益于RA。 作为传输光纤使用的方案，用于陆上系统时应特别慎重。,(3) 用啁啾
