第 6 章 光纤传输系统

1. 第6章 光纤传输系统 www.ysu.edu.com

2. 2 1 3 4 6.2 光纤通信复用系统 6.3 相干光通信 6.4 光孤子通信 第6章 光纤传输系统 6.1 光纤传输系统设计

3. 第6章 光纤传输系统 • 本章第一部分主要从功率和带宽两个方面来讲解如何设计光纤链路。 • 6.2.1节主要介绍了波分复用技术的原理。 • 色散对传输性能的影响越来越显著，光孤子技术可以很好地解决色散问题。6.4节讲述了光孤子通信的原理。

4. 功率预算 6.1.1 带宽预算 6.1.2 6.1 光纤传输系统设计

5. 6.1 光纤传输系统设计 • 一条光纤链路主要包括三大部分，即光发射机、光接收机和光纤线路，如图6.1所示。 图6.1 典型单工点到点光纤链路 • 设计一条光纤链路必须考虑下面的系统要求：最大的传输距离、传输速率或信道带宽和误码率或信噪比。

6. 6.1.1 功率预算 • 点到点链路的光功率损耗模型如图6.2所示。 • 一条光纤链路在功率方面必须满足： 到达光检测器的光功率必须大于光检测器可以检测到的最小光功率，该数值由光检测器的灵敏度参数决定。 而光检测器上接收到的光功率取决于耦合进光纤的光功率以及发生在光纤、连接器和熔接点的损耗。

7. 6.1.1 功率预算 图6.2 点到点链路的光功率损耗模型

8. 6.1.1 功率预算 • 图6.2中， 和 分别为光发射机耦合入光纤的光功率和 光接收机从光纤接收到的光功率，L为传输距离。一般在光发射机和光接收机之前各有一个活动连接器，其损耗为 。每段光纤之间常用固定连接器或熔接的方式连接，每一个接头损耗为，假设每盘光纤长度为，则会有 个连接头。光纤损耗为。

9. 6.1.1 功率预算 • 除此之外，功率预算必须引入链路功率富余度，用于补偿器件老化、温度波动引起的额外的损耗。一般的系统应有 6~8 dB 的链路功率富余度，用M 表示。 • 链路功率预算要保证总光功率A，即光发射机和光接收机之间所允许的功率损耗大于或等于光缆衰减、连接器损耗、熔接点损耗以及系统富余度之和，则

10. 6.1.1 功率预算 (6.1) • 则传输距离为 (6.2) 例6.1 设系统的传输速率为20 Mb/s，误码率为 。如果选择工作在850 nm的Si PIN光电二极管接收机，灵敏度为-42 dB，发送机光源为GaAlAsLED，耦合入光纤的平均功率为-13 dBm(50 W)。 假设在发送机和接收机各有一个损耗为1 dB活动连接器，系统功率富余量为6 dB，光纤损耗为3.5 dB/km，试计算传输距离。

11. 6.1.1 功率预算 • 解 链路上允许总的光功率损耗由式(6.1)可以得到 • 则传输距离为 • 用线图的方式也可以完成功率预算，如图6.3所示。图中横坐标为距离，纵坐标为功率。纵坐标上对应于发送机发射功率点和接收机灵敏度功率点之差即为链路允许的总的用于补偿损耗的光功率。

12. 6.1.1 功率预算 图6.3 功率预算曲线分析方法

13. 6.1.1 功率预算 • 还可以用表格的形式进行功率预算，如表6.1所示。 由表6.1可以推算出传输距离。 表6.1 功率预算表格分析方法

14. 6.1.2 带宽预算 • 光纤的损耗可以接近理论极限。在高速光纤传输系统中，限制传输距离的是光纤的色散因素。 • 一种简单分析色散的方法就是进行系统上升时间的分析。 • 上升时间定义为系统在阶跃脉冲作用下，从幅值的10％上升到90％所需要的响应时间。链路总的脉冲展宽时间等于每一种因素引起的脉冲展宽时间的均方根，即 (6.3)

15. 6.1.2 带宽预算 • 严重限制系统传输速率的4个基本因素是： 光发射机展宽时间 ttx 、光纤材料色散的展宽间 tmat、 光纤模式色散展宽时间 tmod和光接收机展宽时间 trx。 • 单模光纤没有模式色散，所以其色散主要和材料色散有关。 • 通常情况下，一条数字链路总的展宽时间不得超过非归零码(NRZ)比特周期的70％，或归零码(RZ)比特周期的35％。

16. 6.1.2 带宽预算 • 1．光发射机和光接收机的展宽时间 • 光发射机的展宽时间主要取决于光源及其驱动电路。 光接收机的展宽时间由光检测器响应和光前端3dB带宽决定。 • 光接收机响应的前沿可以用一个一阶低通滤波器来模拟： (6.4) 式中， 为光接收机 3 dB电带宽；u ( t ) 为阶跃函数，当 t ≥ 0时值为1 ，否则为0 。

17. 6.1.2 带宽预算 • 光接收机的展宽时间trx ，通常定义为 g ( t ) = 0.1 和 g ( t ) = 0.9 之间的时间间隔，其实这就是上面提到的上升时间。 • 如果 Brx 用兆赫兹表示，则光接收机的展宽时间用纳秒表示为 (6.5)

18. 6.1.2 带宽预算 • 2．光纤材料色散展宽时间 • 长度为L 的光纤引起的材料色散展宽时间可以表示为 (6.6) 式中，D 为色散系数，由于构成链路的每段光纤的色散系数可能不同，因此应取平均值； 为光源的半功率谱宽(FWHM)。

19. 6.1.2 带宽预算 • 3．光纤模式色散展宽时间 • 长度为L的链路，由模式色散限制的带宽可以近似地表示为 (6.7) • 式中， 为单位长度(1 km )的光纤带宽；q 为光纤质量指数，在0.5 ~ 1之间取值，取 q = 0.5 时表示达到稳定的模式平衡状态，q = 1 表示几乎没有模式混合，一般情况下取q = 0.7 比较合理。

20. 6.1.2 带宽预算 • 光纤模式色散引起的展宽时间为 (6.8) • 式中，时间单位为纳秒，带宽单位为兆赫兹。 • 把式(6.5)、式(6.6)和式(6.8)代入式(6.3)，就可以得到总的系统展宽时间为 (6.9) • 式中，所有的时间用纳秒表示；色散系数 D 的单位为ns/(nm·km)。

21. 6.1.2 带宽预算 • 例6.2 继续使用例 6.1 中功率预算的内容。 • 假设LED及其驱动电路的展宽时间为15 ns。 LED的典型谱宽为 40 nm，6 km光纤长度与材料色散相关的展宽为21 ns。假设接收机的带宽 25 MHz。如果光纤带宽与距离的乘积为 400MHz·km，而且取 q = 0.7。试求系统总的展宽时间。

22. 6.1.2 带宽预算 • 解 根据式(6.5)，可得 = 14 ns，根据式(6.8)，可得 = 3.9 ns，把所有的数值代入式(6.9)，得 • 对于 20 Mb/s 的 NRZ 编码来说，要求的展宽时间应小于 70％×( 1/20 Mb/s ) = 35 ns，所以本系统的器件选择合理。

23. 密集波分复用技术 波分复用技术原理 6.2.1 6.2.3 波分复用技术的特点及研究热点 稀疏波分复用技术 6.2.4 6.2.2 6.2 光纤通信复用系统

24. 6.2 光纤通信复用系统 • 缓和光纤数量不足的一种途径是敷设更多的光纤，不失为一种解决方案。 • 另一种方案是采用时分复用(TDM)方法来提高比特率，但单根光纤的传输容量的利用率仍然是有限的。 • 第三种方案是波分复用(WDM)技术。波分复用能充分利用光纤的带宽，解决通信网络传输能力不足的问题。

25. 6.2.1 波分复用技术原理 • 波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器（也称为合波器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术； • 在接收端，经解复用器（也称为分波器或去复用器，Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机做进一步处理以恢复原信号。 • 这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术称为波分复用。

26. 6.2.1 波分复用技术原理 • 波分复用系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输。 • 单向WDM 是指所有的光通路数据流同时在一根光纤上沿同一个方向传送，如图6.4(a)所示。因此，要实现全双工通信则至少需要两根光纤。 • 而双向WDM 是指光通路数据流在一根光纤上同时向相反的方向传输，如图6.4(b)所示，系统用一根光纤就可以实现全双工通信。

27. 6.2.1 波分复用技术原理 (a) 双纤单向WDM

28. 6.2.1 波分复用技术原理 (b) 单纤双向WDM 图6.4 波分复用系统原理图

29. 6.2.1 波分复用技术原理 • 单向WDM 系统在开发和应用方面都比较广泛。双向 WDM 系统的开发和应用相对来说要求更高。 • 按照通道间隔不同，WDM可以细分为稀疏波分复用、粗波分复用 (CWDM) 和密集波分复用 (DWDM）。 CWDM的信道间隔一般为20 nm，而 DWDM的信道间隔从 0.2 nm 到 1.2 nm。

30. 6.2.1 波分复用技术原理 • CWDM和DWDM的区别主要有两点： • 一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5~6个波长的光波（信道），“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来； • 二是CWDM调制激光采用非冷却激光器，而DWDM采用的是冷却激光器。冷却激光器采用温度控制，非冷却激光器采用电子控制。 • CWDM系统成本只有DWDM的30％。

31. 6.2.2 波分复用技术的特点及研究热点 • 1．WDM 技术具有的优点 • WDM 技术具有如下优点： • (1) 传输容量大，可以节约宝贵的光纤资源。 • (2) 对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型的信号，并能对其进行合成和分解。 • (3) WDM 技术是理想的扩容手段。 • (4) 组建动态可重构的光网络。

32. 6.2.2 波分复用技术的特点及研究热点 • 2．波分复用技术目前存在的问题 • 以WDM技术为基础的具有分插复用功能和交叉连接功能的光传输网，具有易于重构和良好的扩展性等巨大优势，已成为未来高速传输网的发展方向。 • 但在真正实现之前，还必须解决下列问题： • （1）网络管理 （2）互连互通 （3）光器件

33. 6.2.3 密集波分复用技术 • 1．DWDM 对光纤性能的要求 • DWDM 是密集的多波长光信道复用技术，光纤的非线性效应是影响 WDM 传输系统性能的主要因素。 • 克服非线性效应的主要方法是改进光纤的性能： 如（1）增加光纤的有效传光面积，以减小光功率密度；

34. 6.2.3 密集波分复用技术 • （2）在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应； • （3）减小光纤的色散斜率，以扩大DWDM 系统的工作波长范围，增加波长间隔； • （4）同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散，以及在减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上的色散，以适应单信道速率的不断提高。

35. 6.2.3 密集波分复用技术 • 2．DWDM 系统中的光源 • 密集波分复用系统中的光源应满足以下4点要求： (1)波长范围很宽； (2)尽可能多的信道数； (3)每信道波长的光谱宽度应尽可能窄； (4)各信道波长及其间隔应高度稳定。

36. 6.2.3 密集波分复用技术 • 因此，在波分复用系统中使用的激光光源，几乎都是分布反馈激光器 (DFB-LD)，而且目前多为量子阱 DFB激光器。 • 随着科学技术的发展与进步，用在波分复用系统中的光源除了分立的 DFB-LD、可调谐激光器、面发射激光器外，还有另外两种形式。 • 其一是激光二极管阵列，或是阵列激光器与电子器件的集成，实际是光电集成回路(OEIC)。

37. 6.2.3 密集波分复用技术 • 3．实现 DWDM 的关键技术和设备 • 实现光波分复用和传输的设备种类很多。 • 总体上看，在DWDM系统当中有 ：光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。 • (1) 光发送/接收器 • 光发送/接收器主要产生和接收光信号。 • (2) 波分复用器 • 波分复用器包括光合波器和光分波器。

38. 6.2.3 密集波分复用技术 • (3) 光放大器 • 光放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。 • 目前使用的光放大器分为：光纤放大器( OFA)和半导体光放大器( SOA)两大类。 • 光纤放大器又分为掺铒光纤放大器( EDFA)、掺镨光纤放大器( PDFA)、掺钕光纤放大器( NDFA)。其中，掺铒光纤放大器的性能优越，已成为现阶段光放大器的主流。

39. 6.2.3 密集波分复用技术 • (4) 光监控通道 • ITU-TG.692 建议要求，DWDM 系统要利用 EDFA 工作 频带以外的一个波长对 EDFA 进行监控和管理。 • 目前，在这个技术上的差异主要体现在光监控通道(OSC)波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。 • 4．DWDM 应用 • DWDM 既可以用于陆地与海底干线，也可以用于市内通信网，还可以用于全光通信网。

40. 6.2.3 密集波分复用技术 • 同时，WDM 系统还具有多路复用保护功能，对运行安全有利。 • 利用DWDM 系统传输的不同波长可以提供选寻路由和交换功能。 • DWDM在构建AON 中起了关键的作用。 全光通信网(All Optical Network,AON)，即多波长光通信网：整个通信网包括交换在内可以完全在光域中完成的通信网。

41. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • 目前建议草案考虑的CWDM 系统波长栅格分为三个波段。 • “O 波段”包括4个波长：1290 nm , 1310 nm , 1330 nm 和1350 nm；“E 波段”包括4个波长：1380 nm , 1400 nm , 1420 nm 和1440 nm；“S + C + L”波段包括从 1470 nm 到 1610 nm 的范围，间距为20 nm的8个波长。 • CWDM 的复用/解复用器和激光器正在逐渐形成自己的标准。目前已经成立 CWDM 用户组开始结束 CWDM 城域网标准的混乱状态。

42. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • 1．CWDM 系统的关键技术与模块 • (1) 新型光纤 • 为了扩展光纤的可用波长范围，提高复用信道数量，许多公司纷纷推出各种新型的 G.652C 光纤。其中，零水峰光纤( ZWPF)有效地消除了氢氧根吸收峰的影响，提供了更低的相邻信道信号衰减。 • ZWPF 光纤提供的有效波长范围比传统单模光纤多出 100 nm，使 CWDM 信道数量增加33％ 以上。同时，G.652C 光纤完全与传统单模光纤兼容，支持所有标准的系统规范。

43. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • (2) 光收发模块 • 光收发模块是光通信系统的主要部件。 • 目前常见的光收发模块有分立的光发射模块、光接收模块和光收发一体模块三种。 • CWDM 收发模块通常采用DFB 激光器或垂直腔表面发射激光器( VCSEL )作为光源。 • CWDM 系统使用的DFB 激光器无需集成致冷器。而DWDM 系统采用的DFB 激光器波长容差。

44. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • 除温度外，CWDM 无致冷激光器还需要考虑的问题就是色散代价。激光器芯片的优化设计能够延长色散受限系统的传输距离。 • VCSEL 是一种新型的半导体激光器,具有低功耗和高效的光纤耦合特性，能够便利地制成二维阵列，实现大规模光电集成。 • VCSEL 有望取代DFB 激光器，成为光通信领域最理想、最有前途的低成本光源。

45. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • (3) 复用器/解复用器(MUX/DEMUX) • 复用器/解复用器是波分复用光传输系统的关键器件。 • 目前常用的 MUX/DEMUX 有干涉膜滤波器型、光纤光栅型和阵列波导光栅 AWG 型和熔融拉锥耦合型等。 • 其中，干涉膜滤波技术近年来发展较为成熟，适合信道数量不多的波分复用系统。

46. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • 2．CWDM 的优势 • 从纯技术角度来讲，CWDM 技术存在着明显的劣势，然而，CWDM 产品能有效地降低成本。 • (1) CWDM 的硬件成本低 • (2) CWDM 结构简单 • (3) CWDM 的功耗低 • (4) CWDM 器件的物理尺寸更小 • (5) CWDM 对传输介质要求较低 • (6) 应用环境的比较

47. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • 3．CWDM 存在的不足 • CWDM 目前尚存在以下不足： • (1) CWDM 在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高； • (2) 复用器、复用解调器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是 DMDM 相应设备的简单改型。

48. 6.2.4 稀疏波分复用技术 • 4．CWDM系统的应用 • 新型城域网建设引进CWDM系统将带来许多优势。 • CWDM技术能应用于无源光网络系统,它用很低的成本提供了很高的接入带宽， • 适用于点对点、以太网、SONET (Synchronous Optical NETwork)环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合。 • 目前，CWDM 越来越受到大家的认可并逐渐成为日益增长的城域网市场的主流技术。

49. 相干光通信的基本工作原理 相干光通信的优点 6.3.2 6.3.1 相干光通信的关键技术 6.3.3 6.3 相干光通信

50. 6.3 相干光通信 • 目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制/直接探测 ( Intensity Modulation with Direct Detection, IM-DD ) 方式， • 其原理简单，成本低，但不能充分发挥光纤通信的优越性，存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离短等缺点。 • 为了充分利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信中的相干通信方式应用于光纤通信。于是，相干光通信便产生了。