光纤通信系统的性能与设计

光纤通信系统的性能与光纤通信技术第七章王建萍jpwang@tsinghua.edu.cn信息光电子研究所清华大学电子工程系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：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RxTxRxRxTxTx再生器RxTxAA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:0.85m,BL积1(Gb/s).km第二代光波系统：1.3m,BL积100(Gb/s).km第三代光波系统：1.55m,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：色散补偿的选择及设计光纤非线性的避免光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机EDFA功放线放预放MUXDEMUX典型的点对点光纤通信系统1N327.1.2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HubHubHubHubHub信道在中心点分配，光纤的作用与点到点连接系统类似。树形拓扑结构1432NBus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=0.1W,则N的最大值?N=61如何进一步增加分支数？在总线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。1N-2N-1N2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，superiorreliabilityandrobustness星形拓扑结构2N-1N431Starcoupler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，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13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5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(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: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:1300nm1550色散:16~17ps/nm.kmG.653（色散位移光纤DSF）:零色散波长:1550nmG.655（非零色散位移光纤NZDSF）:1550nm色散:2~6ps/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同。1.0.85m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B1Mb/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/(n12).对于n1=1.46、=0.01，曲线如图。当比特率小于100Mb/s时为损耗限制，大于100Mb/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50-100Mb/s，中继距离接近10公里，于1978年投入商业运营。-------色散限制2.1.3m光波系统第二代光波系统采用最小色散波长在1.3m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|)-1D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B<1Gb/s时，为损耗限制系统，但当B>1Gb/s时则变为色散限制系统。-------色散限制3.1.55m光波系统第三代光波系统工作在损耗最小的1.55m波长，光纤色散是系统的主要限制因素。对普通单模光纤，在1.55m处D的典型值为17ps/(km-nm)，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=-(2c/2)2普通单模光纤的限制线为：B2L=4000(Gb/s)2-km。对理想的1.55m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1.55m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NZDSFSSMF2.5Gb/S6000km1000km10Gb/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LDCF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DCFDCFDCFDCF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(~20m2),相对SSMF,非线性系数大2~4倍-阈值功率减小3~6dB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D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-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)用啁啾光纤光栅进行色散补偿在光纤或光波导上刻上光栅可以控制光在其中的反射，从而实现光信号的延时。如果刻制等间距光栅，则只能反射某一个很窄的频带信号，造成带宽过窄。所以采用啁啾光纤光栅，刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成一个本地布喇格光栅的通带和阻带滤波器。经光纤传输以后的入射光中的长波长分量（低频）位于脉冲后沿，使其在光栅的起始端就反射，而短波长分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射，于是就补偿了色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原。啁啾光纤光栅色散补偿的特点体积小损耗小价格便宜补偿带宽窄,实现宽带的WDM多信道补偿技术:-长啁啾光纤光栅(Southampton大学制出作3米长的光栅-级联光栅-取样光纤光栅需要环型器偏振模色散简介：在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。单模光纤中的偏振模色散国内外研究的现状：偏振模色散对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响，并被认为是限制光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。所以自九十年代以来，已引起业界的广泛关注，并已成为目前国际上光纤通信领域研究的热点。按照国际标准技术规范小组的观点：为保证PMD导致的系统功率代价在1dB以下，偏振模色散的平均值必须小于一比特周期的十分之一。当大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！在单信道速率达40Gb/s的系统中,PMD问题较为突出.有关PMD的补偿技术处于研究阶段.偏振模色散对信号传输的影响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7.4光纤中的非线性光学效应对系统的影响受激非弹性散射-受激布里渊散射(SBS)-受激喇曼散射(SRS)非线性折射率-自相位调制(SPM)-互相位调制(XPM)-四波混频(FWM)一、SBS特点：只有后向散射增益带宽窄，只影响本信道功率功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低减小SBS对系统影响的主要措施（避免）：减低入纤功率（减小中继间隔）增加光源线宽（色散限制）二、SRS特点：以前向散射为主，但也有后向散射增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率在WDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大，减小SRS对系统影响的主要措施：减低入纤功率（减小中继间隔）减小信道间隔减小光纤的非线性系数12341234fiber三、SPMandXPM来源：折射率对光强的依赖关系导致光场在光纤中传输引起光场的非线性相移影响：非线性相移通过色散的作用转变为信号强度的畸变由于色散和非线性（主要是SPM、XPM）的相互作用，色散补偿不能仅仅考虑补偿色散，非线性效应的影响必须被考虑色散管理综合考虑GVD,SPM和XPM的色散管理方案欠补偿（总色散以及各光纤段均欠补偿）发射端预补偿（减小色散积累）接收端后补偿DCF-1320ps/nmDCF-671ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-671ps/nmOMUODUboost特点：小的色散光纤，相位匹配易于满足，FWM越加严重，色散能够破坏相位匹配，减小FWM。故应在色散与FWM之间取折衷--NZDSF减小影响的措施：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减小光功率、相邻信道正交偏振、色散欠补偿四、FWM对系统的影响：形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。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7.5信道串扰信道串扰Crosstalk：WDM系统中的器件均会引起信道串扰，包括滤波器、波长复用器/解复用器、光开关及半导体光放大器等，连光纤本身也会由于非线性效应而引起串扰。这会引起功率代价。同频串扰Intrachannelcrosstalk与信号光频率相同(非常接近)的串扰，均落入接收机带宽内无法滤除，对系统影响严重，最终限制系统的传输距离异频串扰Interchannelcrosstalk与信号光频率有较大偏离的串扰，表现为一种加性的噪声，恶化信号消光比，可通过滤波器滤除的串扰，对系统影响较小一、同频串扰来源：复用/解复用器对、光开关等1signalsignalleakage111signalcrosstalk1signal11signalcrosstalkOpticalswitchAlthoughbothsignalscontainthesamedata,theyarenotinphasewitheachother,duetodifferentdelaysencounteredbythem.MuxDemux12Cascadedwavelengthdemultiplexerandmultiplexer同频串扰功率代价对于有N个同频串扰源的情况，上式中的替代为假定串扰光频率与信号频率完全相同，P表示信号光功率，P代表平均串扰光功率。在带有光预放大或APD接收机中，如果只考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入的功率代价为：二、异频串扰来源：解复用器、光开关等。12signalcrosstalkcrosstalksignal2signal1Opticalswitchwithinputsatdifferentwavelengths1signalcrosstalk2Demux12Anopticaldemultiplexer异频串扰会导致信号消光比恶化，同样令为串扰功率对信号功率的比值，在带有光预放大或APD接收机中，如果只考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入的功率代价为：异频串扰功率代价对于有N个同频串扰源的情况，上式中的替代为模噪声:LD+多模光纤中的噪声(千兆以太网、光纤接入网)与斑图相关的强度不均匀分布自身是无害的，因为接收机性能由探测器面积分所得总功率决定。然而如果斑图随时间波动，将导致接收功率的波动并附加到总的接收机噪声中，导致信噪比降低。光源的相干性越大(小)，噪声越强(弱)。在多模光纤中，由于振动和微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光检测器受光面上产生了一个斑纹图样，称为斑图。模分配噪声:多纵模半导体激光器在调制时，其各个模式一般是不稳定的，即使各模式功率的总和（总功率）不随时间而变，但各个模式的功率却随时间呈随机波动。当不存在色散时，所有模式在传输和检测中保持同步，这种波动是无害的。但在实际有色散光纤中，工作于不同波长的模式将以不同的速度传播，造成各模式间不同步，引起接收机电流附加的随机波动，信噪比降低，这种现象称为模分配噪声，需要付出功率代价。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7.6光纤通信系统设计中的功率预算光纤损耗与色散对系统的传输距离L和比特率B具有固有的限制。还需考虑其他问题，如：工作波长、光纤、光发送机、光接收机、各种光无源器件的性能价格比、系统可靠性及扩容升级要求等。功率预算目的：使光纤通信系统在整个寿命期间，确保有足够的光功率到达光接收机，以保证系统有稳定可靠的性能。功率预算（用dBm表示）信道损耗包括：光纤损耗(dB/km)连接损耗（固定连接0.1~0.2dB,活动连接<1dB)发射功率接收灵敏度系统功率余量信道总损耗功率余量：元器件老化温度变化其他不可预知事件引起的功率亏损设计时通常取6-8dB传输距离:传输距离(km)功率预算示例长距离单模光纤通信系统，工作波长在1.3m.发射功率PT=-4dBm光纤损耗=0.3dB/km熔接损耗=0.2dB/km发射机和接收机端的连接损耗=1dB（每个）APD接收机所需的平均功率：比特率400Mbit/s(BER10-9)=-44dBm比特率40Mbit/s(BER10-9)=-52dBm功率余量=6dB比特率为400Mbit/s(BER10-9)时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）解答：比特率为400Mbit/s(BER10-9)最大允许链路损耗=-4–(-44)=40dB光纤损耗(光纤+熔接)=(0.3dB+0.2dB)xL连接器损耗=2dB(2个连接器,每个1dB)系统余量=6dB因此，总体链路损耗=(0.5L+2+6)dB最大传输距离=(40-2-6)/0.5km=64km()比特率为40Mbit/s(BER10-9)时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）80km