光纤通信系统课件

1、光纤通信系统第五讲 光纤通信系统光纤通信系统主要内容主要内容5.1光通信线路组成5.2光纤通信系统的设计5.3光放大器5.4多路信号复用5.5波分复用5.6 同步数字系列（SDH）第5章 波分复用光纤通信系统5.1 光纤通信系统新技术简述光纤通信系统新技术简述5.2 波分复用（波分复用（WDM）技术）技术5.3 光中继器光中继器 5.3.1 光电转换型中继器 5.3.2 全光型中继器概述 5.3.3 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA） 5.3.4 光纤拉曼放大器（FRA） 5.3.6 半导体光放大器（SOA）第第 6 章章 光纤数字通信系统的传输规范光纤数字通信系统的传输规范 6.1

2、光纤数字通信系统的两种主要传输制式光纤数字通信系统的两种主要传输制式 6.1.2 同步数字系列（同步数字系列（SDH） 6.2 光纤数字通信系统的基本质量指标光纤数字通信系统的基本质量指标 6.3 光纤数字通信系统的基本设计光纤数字通信系统的基本设计 6.4 光纤数字通信系统的测量光纤数字通信系统的测量光纤通信系统5.1 光通信线路组成1、点到点单用户线路光发送机光接收机光发送机光接收机光发送机光接收机光接收机光发送机光缆光缆光端机光端机光纤通信系统2、点到点多用户线路多路信号复用12n多路信号解复用1n多路信号复用多路信号解复用光端机光端机电端机电端机电源公务、管理光纤通信系统3、远距离线路

3、光端机光端机电端机电端机中继站中继站远距离信号损耗衰减中继站的作用：补偿光纤的损耗和色散1）光信号放大（补偿光纤损耗）2）光信号脉冲再生（消除补偿光纤的色散）中继方式：1）光信号直接放大-光放大器2）光端机光端机光端机光纤通信系统光端机光端机电端机电端机中继站中继站光纤通信系统光纤通信系统4、远距离光通信链路链路终端站中继站分路站枢纽站（中心站）为了节约建设成本，往往是一缆多对光纤，并行传输, m对为了防止线路故障中断，往往留有备份线路因此线路中，应有线路质量检测和倒换设备中间站通信站终端站终端站终端站中间站分路站枢纽站中继站mnm:将一系列点到点光纤线路组合并连起来，就形成光通信链路光通信链

4、路也是一种基本的光通信网络。光纤通信系统复用段、数字段中继段当发生线路故障中断时，在该复用段倒换线路-用备份线路代替工作线路光纤通信系统5、光纤通信网络光光纤通信纤通信网络网络是是由光传输系统由光传输系统连接的信息传输网络连接的信息传输网络。（1）基本拓扑结构类型基本拓扑结构类型a) 点对点点对点(b) 线形总线网线形总线网(c) 环形网环形网(d) 星形网星形网(e) 树形网树形网(f) 网格形网网格形网光纤通信网络由网络节点和线路组成光纤通信网络由网络节点和线路组成光纤通信系统（2）网络结构分类网络结构分类城域城域/ /本地本地网多网多采用环形结构采用环形结构接入网通常是环形接入网通常是环

5、形和星形的复合结构和星形的复合结构骨干网多采骨干网多采用网状结构用网状结构按层次划分：分为骨干网，本地网和接入网按分布区域划分：广域网、城域网，局域网光纤通信系统5.2 系系 统统 的的 设设 计计系统设计的主要任务是系统设计的主要任务是:选择最佳路由和局站设置选择最佳路由和局站设置传输体制和传输速率传输体制和传输速率光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标以使系统的实施达到最佳的性能价格比。以使系统的实施达到最佳的性能价格比。在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，尤其对

6、长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。对系统的性能和经济效益影响很大。光纤通信系统系统设计的一般步骤系统设计的一般步骤1）选定传输速率和传输制式）选定传输速率和传输制式 2）选定工作波长）选定工作波长 3）选定光源和光检测器件）选定光源和光检测器件 4）选定光纤光缆类型）选定光纤光缆类型 5）选定路由、估算中继距离）选定路由、估算中继距离 6）估算误码率）估算误码率 光纤通信系统S和R两点之间光纤线路总损耗不能超过系统的总功率衰减emcrtsfMMPPL2L 为中继距离为中继距离(km)f光纤损耗系数光纤损耗系数(dB/km)s光纤平均接头损耗光纤平均接头损耗

7、(dB/km)Pt 为平均发射光功率平均发射光功率(dBm)Pr为接收灵敏度接收灵敏度(dBmc 为连接器损耗连接器损耗(dB/对对)Me 为系统功率余量系统功率余量(dB)Mm为系统功率代价功率代价(dB)受光纤线路损耗限制的中继距离为受光纤线路损耗限制的中继距离为)/()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt5.2.1 中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制光纤总损耗系统允许总衰减L光纤通信系统 连接器损耗连接器损耗一般为一般为0.31 dB/对。对。光纤损耗系数光纤损耗系数f取决于光纤类型和工作波长，取决于光纤类型和工作波长，

8、例如单模光纤在1310 nm, f为0.40.45 dB/km; 在1550 nm, f为0.220.25 dB/km。平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光纤平均接头损耗s可根据光缆生产长度计算得到。光纤系统代价Mm在一个中继段总余量不超过5 dB。 系统余量Me包括由于时间和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏度下降， 以及设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。 )/()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt光纤通信系统最大色散最大色散/ps nm-1最大损耗最大损耗/dB120（多纵模）（多纵模）242413

9、1015504 139.264300（多纵模）（多纵模）282813101550139.264不要求（多纵模）不要求（多纵模）35131034.368不要求不要求4013108.448S和和R之间的容限之间的容限BER 1 10-10标称波长标称波长/nm标称速率标称速率/（Mb s-1） 根据ITU-T(原CCITT)G.955建议，用LD作光源的常规单模光纤(G.652)系统，在S和R之间数字光纤线路的容限如表。光纤通信系统 5.3.2 中继距离受色散中继距离受色散(带宽带宽)的限制的限制如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离

10、主要受色散要受色散(带宽带宽)的限制。的限制。为使光接收机灵敏度不受损伤， 保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散对光纤线路总色散(总带宽总带宽)进行规范。进行规范。对于数字光纤线路系统，色散增大，意味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰，使接收灵敏度降低， 或误码率增大。严重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计的性能。光纤通信系统不归零码归零码T不归零码归零码RZT矩形脉冲高斯脉冲TB1光纤通信传输信号码型有一定占空比高电平在一个周期之内所占的时间比率 101011T光纤通信系统高斯脉冲t)(tg222)(tAetg为均方根均方根(rms)脉冲宽度脉冲宽度高斯脉冲的码间干扰定义

11、为相对rms脉冲宽度Ta/脉冲半高全宽度半高全宽度(FWHM)2/A222Te=/0.4247T光纤通信系统13.5 10-24.4 10-21.7 10-23.9 10-3 3.4 10-40.500.400.350.300.25a = /T相对相对rms脉冲宽度脉冲宽度a和码间干扰和码间干扰 的关的关系系当a=0.25时，码间干扰只有峰值的0.034%，完全可以忽略不计。当a=0.5时，增加到13.5%，此时功率代价为78dB，难以通过均衡进行补偿。一般系统设计选取a=0.250.35，功率代价不超过2 dB。TaaTLDBfDaL对于宽光谱光源，在非零色散波长aTLDBfa光纤通信系统

12、在这个基础上，根据原CCITT建议，对于实际的单模光纤通信系统，对于实际的单模光纤通信系统，受色散限制的中继距离受色散限制的中继距离L可以表示为：可以表示为：)()/()/(10)(6nmkmnmpsDsMbfkmLbBfDkmL)(BfDaL为光源谱线宽度光源谱线宽度(nm)，对多纵模激光器多纵模激光器(MLM-LD)， 为rms宽度，对单纵模激光器单纵模激光器(SLM-LD), 为峰值下降20dB的宽度。是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLM-LD, =0.115对于SLM-LD，=0.306a=0.250.35BfD41光纤通信系统 由于光纤制造工艺的偏差，光纤的零色散波长不会全部

13、光纤的零色散波长不会全部等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内。等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内。 光源的峰值波长也是分配在一定波长范围内，并不总是光源的峰值波长也是分配在一定波长范围内，并不总是和光纤的零色散波长度相重合。和光纤的零色散波长度相重合。对于G.652规范的单模光纤波长为12851330 nm，色散系数D不得超过3.5 ps/(nmkm)波长为12701340 nm, D不得超过6 ps/(nmkm) 光纤通信系统 (1)光纤通信系统的中继距离受损耗限制时从损耗限制和色散限制两个计算结果中， 选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。(2)中继距离受色散限制时)/

14、()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt)()/()/(10)(6nmkmnmpsDsMbfkmLb对于MLM-LD, =0.115对于SLM-LD，=0.3065.1光通信线路组成5.2光纤通信系统的设计估算中继距离光纤通信系统设系统平均发射功率Pt=-3 dBm, 接收灵敏度Pr=-42 dBm，功率代价Mm=6 dB，设备余量Me=3 dB，连接器损耗c=0.3dB/对，光纤损耗系数f=0.35 dB/km, 光纤平均接头损耗s=0.04 dB/km。)(3 .7504. 035. 0363 . 02)42(3kmL例：计算例

15、：计算140 Mb/s单模光纤通信系统中继距离。单模光纤通信系统中继距离。得到中继距离)/()/()()()(2)()()(kmdBkmdBdBMdBMdBdBmPdBmPkmLsfemcrt解：线路码速率fb=140Mb/s, |D|=3.0 ps/(nmkm)，MLM-LD =2.5 nm。（1）损耗限制系统Pt=-3 dBmPr=-42 dBmc=0.3dB/对Mm=6 dBMe=3 dBf=0.35 dB/kms=0.04 dB/km光纤通信系统)(5 .1095 . 20 . 314010115. 06kmL 在工程设计中，中继距离应取75.3 km。 在本例中中继距离主要受损耗限制

16、。在本例中中继距离主要受损耗限制。MLM-LD, =0.115（2）色散限制系统)()/()/(10)(6nmkmnmpsDsMbfkmLbfb=140Mb/s, |D|=3.0 ps/(nmkm)，MLM-LD =2.5 nm得到中继距离光纤通信系统中继距离和传输速率的关系，包括损耗限制和色散限制的结果Gb/s对于波长为0.85 m的多模光纤，由于损耗大，中继距离一般在20 km以内。传输速率很低，传输速率很低，SI光纤的速率不如同轴线，光纤的速率不如同轴线，GI光纤的速率在光纤的速率在0.1 Gb/s以上就受到色以上就受到色散限制。散限制。单模光纤在长波长工作， 损耗大幅度降低，中继距离可

17、达100200 km在1.31m零色散波长附近，当速率超过1 Gb/s时， 中继距离才受色散限制。在1.55 m波长上，由于色散大，通常要用单纵模激光器，理想系统速率可达5 Gb/s光纤通信系统 0.85m,SIF光纤，fbL0.011=0.01 (Gb/s)km 0.85m, GIF光纤，fbL0.120=2.0 (Gb/s)km 1.31 m, SMF光纤，fbL1125=125 (Gb/s)km 1.55m, SMF光纤，fbL275=150 (Gb/s)km 1.55m, DSF光纤，fbL2080=1600 (Gb/s)km 把反映光纤传输系统技术水平的指标：速率把反映光纤传输系统技

18、术水平的指标：速率距离距离(fbL)乘积大体归纳如下：乘积大体归纳如下：光纤通信系统5.3 光放大器 光放大器分类光放大器分类 半导体光放大器半导体光放大器 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 光纤光纤拉曼放大器拉曼放大器光纤通信系统5.3.1光放大器分类光纤通信系统5.3.2 半导体光放大器 1 半导体光放大器原理半导体光放大器原理 2 半导体光放大器特性半导体光放大器特性 3 半导体光放大器的应用半导体光放大器的应用( SOA , Semiconductor Optical Amplifier)光纤通信系统半导体光放大器外形半导体光放大器外形光纤通信系统 半导体光放大器的机理与激光器的相同，通过

19、受激半导体光放大器的机理与激光器的相同，通过受激发射放大入射光信号。发射放大入射光信号。 光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。 增益不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且增益不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。与光增益的关系又取决于放大器介质。注入电流注入电流输入输入光信号光信号输出光信号输出光信号有源区有源区Lz = 0z

20、= Lz z1 、半导体光放大器原理、半导体光放大器原理光纤通信系统 行波光放大器是一行波光放大器是一个没有反馈的激光个没有反馈的激光器。器。 其核心是当放大器其核心是当放大器被光或电泵浦时，被光或电泵浦时，使粒子数反转获得使粒子数反转获得光增益。光增益。行波半导体光放大器行波半导体光放大器注注入入电电流流输输入入光光信信号号输输出出光光信信号号有有源源区区Lz = 0z = Lz z光纤通信系统 减小半导体激光器腔体界减小半导体激光器腔体界面反射，可使激光器变为面反射，可使激光器变为放大器。放大器就称为放大器。放大器就称为 F-P 放大器。放大器。F-P谐振腔反射率谐振腔反射率 R 越越大，

21、大，SOA的增益越大。的增益越大。但是，当但是，当 R 超过一定超过一定值后，光放大器将变为值后，光放大器将变为激光器。激光器。F-P SOA光纤通信系统2 半导体激光放大器半导体激光放大器（SOA）特性特性 增益：芯片增益：芯片30 35 dB, 除除 8 10 dB的耦合的耦合损耗外，还有损耗外，还有22 25 dB的增益；的增益； 带宽：很宽带宽：很宽，3 dB带宽约为带宽约为70 nm（9 THz）可以对窄至几个可以对窄至几个ps ps 的超窄光脉冲进的超窄光脉冲进行放大；行放大； 噪声：典型值为噪声：典型值为 57 dB； 可与光发射机和接收机一起单片集成在一可与光发射机和接收机一起

22、单片集成在一起起； 缺点：对偏振方向非常敏感。缺点：对偏振方向非常敏感。 光纤通信系统 半导体光放大器带宽和增益频谱曲线半导体光放大器带宽和增益频谱曲线法布里法布里-玻罗放大器玻罗放大器(F-PA)和和行波放大器行波放大器(TWA)的带宽比较的带宽比较 行波光放大器的增益与波长的行波光放大器的增益与波长的关系关系光纤通信系统波长可调激光器波长可调激光器 + 光放大光放大+ 调制器调制器 集成化器件集成化器件可可调调谐谐光光栅栅滤滤波波器器增增益益区区D DB BR R调调谐谐半半导导体体光光放放大大探探测测E EA A调调制制抗抗反反射射膜膜高高反反射射膜膜后后镜镜面面前前镜镜面面I I光纤通

23、信系统表表 几种商用半导体光放大器（几种商用半导体光放大器（SOA）性能指标性能指标光纤通信系统 3 半导体光放大器的应用半导体光放大器的应用 SOA存在增益受偏振影响、信道交叉串扰以及耦存在增益受偏振影响、信道交叉串扰以及耦合损耗较大等缺点，所以不能作为在线放大器使用。合损耗较大等缺点，所以不能作为在线放大器使用。 SOA可以在可以在1.3 m光纤系统中作为光放大使用，光纤系统中作为光放大使用，因为一般的因为一般的EDFA不能在该窗口使用。不能在该窗口使用。 SOA芯片具有高达芯片具有高达3035 dB的增益，除输入和输的增益，除输入和输出端存在总共出端存在总共810 dB的耦合损耗外，还有

24、的耦合损耗外，还有2225 dB的增益。的增益。 另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对窄至几个窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。的超窄光脉冲进行放大。 在在DWDM光纤通信中，可作为波长路由器中的波光纤通信中，可作为波长路由器中的波长转换和快速交换器件使用。长转换和快速交换器件使用。 在在OTDM中，也可以用作时钟恢复和解复用器的非中，也可以用作时钟恢复和解复用器的非线性器件。线性器件。光纤通信系统在石英光纤中在石英光纤中掺入掺入稀土离子作为增益介质稀土离子作为增益介质在泵浦光的激发下实现光信号的放大。在泵浦光的激发下实现光信号的放大。放大器

25、的特性主要由掺杂元素决定。放大器的特性主要由掺杂元素决定。5.3.3 5.3.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器有许多不同的稀土元素，如有许多不同的稀土元素，如铒（铒（Er），镨（），镨（Pr）,钬（钬（Ho），钕（），钕（Nd），钐（），钐（Sm），），铥（铥（Tm），和镱（），和镱（Yb）等。）等。都可用于实现不同波长的光放大器，这些波长覆盖了从可见光到红外的很宽范都可用于实现不同波长的光放大器，这些波长覆盖了从可见光到红外的很宽范围，直至围，直至2.8m。Erbium Doped Fiber AmpliferEDFA掺铒光纤放大器工作于掺铒光纤放大器工作于1.55m具有高增益、高功率和宽带

26、宽等优良特性，具有高增益、高功率和宽带宽等优良特性，光纤通信系统一、掺铒光纤掺铒光纤EDFEDF结构和折射率分布结构和折射率分布光纤通信系统二、掺铒光纤放大器的基本结构二、掺铒光纤放大器的基本结构泵浦光由半导体激光器（泵浦光由半导体激光器（LD）提供）提供,与被放大信号光一起通过光耦合器或波分复与被放大信号光一起通过光耦合器或波分复用耦合器注入掺铒光纤（用耦合器注入掺铒光纤（EDF）光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。光纤通信系统3种构成结构种构成结构-3种配置方式种配置方式

27、前向泵浦 正向泵浦后向或反向泵结构双向泵结构光纤通信系统三、三、EDFA工作原理工作原理1、铒离子的能级结构、铒离子的能级结构掺铒光纤能放大光信号的基本原理在于铒离子能吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转，当波长为1.55m的信号光通过已被激活的掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与激发该跃迁的光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。2/154I2/134I2/114I2/94I2/112H基态亚稳态激发态nm1550nm1480nm980nm800nm800光纤通信系统有源媒质(几十米左右长的掺铒石英光纤，芯径35m,掺

28、杂浓度(251000)10 6 )(a)EDFA的结构; (b)能级; (c)增益谱泵浦光源( 990或1480nm LD)三能级系统放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(达2040nm)，且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm。2、自发辐射谱光纤通信系统1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信号光的信号光.1E2E3E信号光信号光1550nm1550nm0能级能级 3rE0.80eV1.27eV铒离子能级图铒离子能级图3、受激辐射、受激辐射光纤通信系统四、四、 EDFAEDFA的特性的特性 EDFAEDFA的增益的增益与许多参数有关，与许多参数有关， ErEr

29、离子浓度与径向分布、离子浓度与径向分布、 光纤尺寸、放大器长度、光纤尺寸、放大器长度、 泵浦功率与泵浦功率与 输入信号功率等输入信号功率等 1. 增益特性光纤通信系统输入功率（dBm）0-20-1001020输出功率(dBm)输出饱和光功率输入功率（dBm）G光纤通信系统1.48m泵浦对给定的放大器长度对给定的放大器长度L，放，放大器增益先随泵浦功率按指大器增益先随泵浦功率按指数增长，当泵浦功率超过某数增长，当泵浦功率超过某一值时，增长变慢了。一值时，增长变慢了。EDFA的小信号增益随泵浦功率和放大器长度而变的曲线的小信号增益随泵浦功率和放大器长度而变的曲线光纤通信系统1.48m泵浦对给定的泵

30、浦功率，放大器增益随长度变化，并存在一最佳长度，超过此对给定的泵浦功率，放大器增益随长度变化，并存在一最佳长度，超过此长度后，由于泵浦功率的消耗，最佳点后的铒光纤不能受到足够泵浦，而长度后，由于泵浦功率的消耗，最佳点后的铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快降低。且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快降低。 从图中曲线可见，从图中曲线可见，采用采用1.55m1.55m信号波长、信号波长、5mW5mW的泵浦功率，在的泵浦功率，在L L30m30m时已达到时已达到30dB30dB增益，增益，过长已无意义。过长已无意义。 2、放大器增益随长度变化、放大器增益随长度变化光纤通

31、信系统 3、归一化输出功率随归一化输入功率的关系、归一化输出功率随归一化输入功率的关系outPinPpP光纤通信系统 4、增益随输出功率的变化及增益饱和特性、增益随输出功率的变化及增益饱和特性光纤通信系统 增益系数)(PPGPPGK增益系数光纤通信系统各种光纤放大器的带宽比较 GS-EDFA为增益移位为增益移位EDFA，EDTFA为掺碲为掺碲(Te)的硅基掺铒光纤放大器，的硅基掺铒光纤放大器，TDFA为掺铥为掺铥(Tm)的光纤放大器，的光纤放大器，GS-TDFA为增益移位掺铥光纤放大器，为增益移位掺铥光纤放大器，RFA为喇曼光纤放大器。为喇曼光纤放大器。光纤通信系统5. 噪声特性EDFA的输出

32、光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源。EDFA的噪声主要有以下四种：信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射光谱间的差拍噪声。以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种。噪声是决定EDFA性能的主要因素。衡量EDFA的噪声特性可用噪声指数F来度量。光纤通信系统光纤通信系统 EDFA EDFA的宽带放大特性可同时放大多路信号。的宽带放大特性可同时放大多路信号。 只要多信道的总带宽小于放大器带宽。只要多信道的总带宽小于放大器带宽。 EDFAEDFA亦非常适用于波分复用（亦非常适用于波分复用（WDMWDM

33、）或光频分复用光波通信系统。）或光频分复用光波通信系统。 多路信号通过多路信号通过EDFAEDFA同时放大时一个重要问题是信道间的串音。同时放大时一个重要问题是信道间的串音。串音主要起因有两个因素：串音主要起因有两个因素： 一是四波混频或互调制；一是四波混频或互调制； 二是交叉调制或交叉饱和。二是交叉调制或交叉饱和。 6 6、多信道放大特性、多信道放大特性 光纤通信系统 多路信号信道四波混频或互调多路信号信道四波混频或互调 在多路信号通过在多路信号通过EDFAEDFA同时放大时，铒光纤中载流子数同时放大时，铒光纤中载流子数N N将受到将受到jkjk=j j-k k的差频调制，因此铒光纤的增益和

34、折射率受到频率的差频调制，因此铒光纤的增益和折射率受到频率jkjk的调的调制，这种由多路信号产生的调制称为增益和折射率光栅，此光栅将部分制，这种由多路信号产生的调制称为增益和折射率光栅，此光栅将部分信号从一个信道散射到另一个信道，称为信道串音，亦可看作是非线性信号从一个信道散射到另一个信道，称为信道串音，亦可看作是非线性效应产生的四波混频或互调。效应产生的四波混频或互调。 通常，当通常，当jkjkspsp11时，调制频率很高，载流子寿命很长，相比之时，调制频率很高，载流子寿命很长，相比之下载流子数因而折射率和增益的变化很慢，信道串音就可忽略。下载流子数因而折射率和增益的变化很慢，信道串音就可忽

35、略。 在在EDFAEDFA中，上能级载流子的寿命典型值为中，上能级载流子的寿命典型值为spsp10ms10ms（半导体激光（半导体激光器的载流子寿命为器的载流子寿命为0.5ns0.5ns），因此信道间隔即使降至），因此信道间隔即使降至jk=10kHzjk=10kHz，条件，条件jkjkspsp11也满足，实际通信系统中，也满足，实际通信系统中，jkjk10MHz10MHz，因此完全可忽略这，因此完全可忽略这类串音。类串音。 光纤通信系统 交叉饱和交叉饱和 交叉饱和是指某特定信道的响应不仅是由其自身功率造成（称自饱交叉饱和是指某特定信道的响应不仅是由其自身功率造成（称自饱和），而且也受相邻信道的

36、功率的影响而引起。和），而且也受相邻信道的功率的影响而引起。 这种效应引起的串音是所有放大器共有的。这种效应引起的串音是所有放大器共有的。 但当放大器用于非饱和区时即可避免这种串音。但当放大器用于非饱和区时即可避免这种串音。 在在EDFAEDFA光放大系统中，由于增益恢复时间光放大系统中，由于增益恢复时间gg较长，一般不存在图较长，一般不存在图形效应，即使运用于饱和区，由交叉饱和导致的串音亦可忽略。形效应，即使运用于饱和区，由交叉饱和导致的串音亦可忽略。 光纤通信系统优点（1）工作波长与光纤的最小窗口和目前的波分窗口相对应。（2）耦合效率高。 （3）增益与偏振态无关。 （5） 增益高、输出功率

37、大。 （4）所需的泵浦功率小。（6）噪声小 Nf=47dB(7)对信号和传输速率透明，兼容各种制式（8）频带宽 30-35nm（9）WDM串话很小光纤通信系统 EDFAEDFA具有高增益、高功率、宽带宽、低噪声、低串音、具有高增益、高功率、宽带宽、低噪声、低串音、低插损等优良特性。低插损等优良特性。 五、五、EDFAEDFA的系统应用的系统应用 光纤通信系统光放大器在光波系统中的可能应用 光纤通信系统EDFA在干线光波系统中的应用采用不设在线采用不设在线EDFA或再或再生中继器的方案生中继器的方案 已使已使2Gb/s的信号传的信号传输距离超过输距离超过300km光纤通信系统3R3R中继器的级联

38、，每段间接入中继器的级联，每段间接入3R3R混合中继，以提高系统性混合中继，以提高系统性能，延长通信距离。能，延长通信距离。 采用在线多级采用在线多级1R1R光中继器，光中继器，3R3R混合中继器组合系统，以延长通信距离；混合中继器组合系统，以延长通信距离； 光纤通信系统 EDFA在宽带光波分配系统中的应用光纤通信系统 EDFA在宽带光波分配系统中的应用光纤通信系统EDFA在宽带光波分配系统中的应用 (c) 当采用当采用1.5m1.5m的光放大器作为的光放大器作为AM-FDMAM-FDM光发送机的功率提升放大器和光发送机的功率提升放大器和分配中心光接收机的前置放大器时，传输距离可达分配中心光接

39、收机的前置放大器时，传输距离可达20km20km，而且采用星形，而且采用星形耦合器可提供耦合器可提供N15N15个光分路，服务范围扩大很多（。个光分路，服务范围扩大很多（。 光纤通信系统5.3 光放大器 光放大器分类光放大器分类 半导体光放大器半导体光放大器 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 光纤光纤拉曼放大器拉曼放大器光纤通信系统5.3.4 光纤拉曼放大器1、分布式拉曼放大器工作原理2、拉曼放大器的增益个带宽3、拉曼放大器的构成光纤通信系统利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的石英晶格利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生相互作用，

40、产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光）。克斯光）。如果散射光波长和信号光波长相同，就使如果散射光波长和信号光波长相同，就使弱信号光得到放大。弱信号光得到放大。一、分布式光纤拉曼放大器的工作原理一、分布式光纤拉曼放大器的工作原理利用非线性光学效应，受激拉曼散射对信号光放大利用非线性光学效应，受激拉曼散射对信号光放大ppRss光纤通信系统如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光），产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光），并且

41、弱信号光的并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，波长在泵浦光的拉曼增益带宽内， 该散射光与波长相同的信号光重叠，该散射光与波长相同的信号光重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。对石英光纤对石英光纤泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为13 THz，在在1.5 m波段，它相当于约波段，它相当于约100 nm的波长差。的波长差。二、拉曼放大器（FRA）组成光纤通信系统可以采用前向泵浦可以采用前向泵浦, ,也可以采用后向泵浦，因也可以采用后向泵浦，因后向泵浦后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而

42、也就减小减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了了泵浦噪声对泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦信号的影响，所以通常采用后向泵浦。光纤分布式喇曼放大器（光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成）构成-后向泵浦后向泵浦WDMWDM传输光纤传输光纤信号光信号光泵浦光泵浦光光复光复用器用器泵浦光泵浦光增益平坦增益平坦滤波器滤波器入1入1入2入2光纤通信系统三、光纤拉曼放大器的特性光纤拉曼放大器的特性1、拉曼增益和带宽、拉曼增益和带宽拉曼增益系数频谱曲线当 时，THzspR2 .13增益 达到最大。)(Rg增益带宽 达到 。gvTHz8光纤通信系统 小信号光在长光纤内的喇曼增益小信号光在长光

43、纤内的喇曼增益 泵浦功率为泵浦功率为200mW时，时，最大增益值最大增益值为为7.78 dB 泵浦功率为泵浦功率为100 mW时，时，最大增益值最大增益值为为3.6 dB。 在增益峰值在增益峰值附近的增益附近的增益带宽约为带宽约为78THz。喇喇曼曼增增益益波波长长051015202501234561443 1470 1500 1530 1560 1590 162078200mW泵泵浦浦功功率率泵泵浦浦光光和和信信号号光光的的频频率率差差泵泵浦浦C(THz)（nm）泵泵浦浦功功率率100mW(dB)波波段段窗窗口口光纤通信系统 2、多波长泵浦增益带宽、多波长泵浦增益带宽 增益波长由泵浦光波长决

44、定，增益波长由泵浦光波长决定， 选择适当的泵浦光波长，可得到任意波长选择适当的泵浦光波长，可得到任意波长的光信号放大。的光信号放大。 分布式光纤拉曼放大器的增益频谱是每个分布式光纤拉曼放大器的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它是由泵浦光波长的数量和种结果，所以它是由泵浦光波长的数量和种类决定的。类决定的。 光纤通信系统5个泵浦波长个泵浦波长单独泵浦时，单独泵浦时，产生的增益频产生的增益频谱和总的增益谱和总的增益频谱曲线。频谱曲线。3、多波长泵浦增益频谱、多波长泵浦增益频谱1 14 48 80 01 15 52 20 01 15 5

45、6 60 01 16 60 00 01 16 64 40 00 05 51 10 01 15 52 20 02 25 5增增益益( (d dB B) )波波长长（n nm m）喇喇曼曼总总增增益益是是各各泵泵浦浦波波长长光光产产生生的的增增益益之之和和1464nm1402nm1423nm1443nm1495nm泵浦产生的增益总总增增益益nmp14021nmp14232nmp14433nmp14644nmp14955光纤通信系统5.5 多路信号复用技术1、多路信号复用方式的分类FDMTDMCDM多路电信号复用方式多路光信号复用方式WDM-DWDM(OFDM)OTDMOCDM频分复用时分复用码分复

46、用密集波分复用2、TDM 同步时分复用准同步时分复用 异步时分复用在频域划分子信道在时域划分子信道正交编码，不同信道码型正交收发同步光纤通信系统时钟时钟111122223333同步时分复用112233异步时分复用11322PDHSDHATMIP光纤通信系统3、PDH 速率等级数字复用等数字复用等级级包含包含64Kb/s信道的信道的数目数目数据率（数据率（Mb/s）北美北美欧洲欧洲日本日本010.0640.0640.0641（次群）（次群）241.5541.554302.048483.1523.1522（次群）（次群）966.3126.3121208.4483（次群）（次群）48034.3683

47、2.06467244.376134491.053144097.7284（次群）（次群）1920139.2644032274.1765760397.200光纤通信系统skBit /3064skb/6424/048. 2sMb4/4488. 8sMb4/368.34sMbsMb /264.139一次群二次群三次群四次群光纤通信系统4、PDH 数字复接正码速调整速率调整同步复用定时系统时钟帧同步发生器分路恢复定时提取低速码流高速码流4/048. 2sMbsMb/4488. 8光纤通信系统5.6 波分复用技术波分复用技术WDM，Wavelength Division Multiplexing1光波分复

48、用的基本概念和分类2 WDM系统的特点3WDM系统的结构4光波分复用系统的技术要求5 WDM多信道信号传输性能多信道信号传输性能光纤通信系统光波分复用（WDM，Wavelength DivisionMultiplexing）技术是在一根光纤上能同时传送多波长光信号的一项技术。一、光波分复用的基本概念与分类在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用）并作进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。因此，此项技术称为光波长分割复用， 简称光波分复用（WDM）技术。光纤通信系统单模光纤的带宽100nm100nm光纤通信系

49、统DWDM把在光纤同一低损耗窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用 。两个波长之间的间隔为0.8nm、1.6nm或更低。密集波分复用DWDM，DenseWavelength Division Multiplexing8n1550nm波长光纤通信系统WDM系统的基本形式1. 双纤单向传输2. 单纤双向传输3. 光分路插入传输光纤通信系统双纤单向传输光纤通信系统单纤双向传输光纤通信系统光分路插入传输光纤通信系统波分复用器解复用器光纤123n123n12.nTTTRR波分复用器（也称合波器Multiplexer）解复用器(也称为分波器De-multiplexer)光纤通信系统WDM系统的分类系

50、统的分类 稀疏或粗波复用稀疏或粗波复用CWDM，通道数，通道数2个个8个，个， 通道间隔通道间隔10nm100nm, 间隔最大的为间隔最大的为1310/1550nm复用器。复用器。(2) 密集波分复用密集波分复用DWDM，通道数，通道数8个个32个，个， 通道间隔通道间隔1nm10nm， 现在商用系统较多采用现在商用系统较多采用8个、个、16个和个和32个复用通道。个复用通道。(3) 致密波分复用或称光频分复用致密波分复用或称光频分复用OFDM， 通道数通道数40个个1000个，个， 通道间隔通道间隔0.1nm1nm，是进一步发展的方向。是进一步发展的方向。光纤通信系统二、二、WDM系统的特点

51、 充分利用光纤的带宽资源 可以在一根光纤同时传输多种电信业务 可实现单纤双向传输 节省大量光纤 降低器件的超高速要求 适用于多种网络形式 引入宽带业务方便 高度的组网灵活性、经济性和可靠性光纤通信系统三、三、 WDM系统总体结构光纤通信系统光波长的分配目前在SiO2光纤上，光信号的传输都在光纤的两个低损耗区段，即1310nm和1550nm。但由于目前常用的EDFA的工作波长范围为15301565nm。因此，光波分复用系统的工作波长应该在15301565nm。在这有限的波长区内如何有效地进行通路分配，关系到提高带宽资源的利用率及减少相邻通路间的非线性影响等。光纤通信系统标称中心频率和最小通路间隔

52、为了保证不同WDM系统之间的横向兼容性，必须对各个通路的中心频率进行规范。标称中心频率标称中心频率是指光波分复用系统中每个通路对应的中心波长。目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系列。光纤通信系统16通路和8通路WDM系统中心频率通路分配表光纤通信系统光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机光发射机光发射机光发射机N 123光接收机光接收机光接收机光接收机N 123复用器解复用器EDFA波长稳定、窄线宽高速、小啁啾调制窄带、小串话、稳定滤

53、波增益平坦、宽带、较高输出功率高灵敏度宽动态范围四、复用系统的技术要求四、复用系统的技术要求光纤通信系统（1）光纤光缆光纤光缆为避免为避免1550nm处的高色散产生的色散展宽和非线处的高色散产生的色散展宽和非线性四波混频性四波混频FWM效应引起的信道间串扰，应采用效应引起的信道间串扰，应采用非零色散位移光纤非零色散位移光纤NZDSF（即即G.655光纤光纤）。）。G.655光纤光纤能同时克服能同时克服G.652光纤在光纤在1550nm波长处波长处高色散展宽和高色散展宽和G.653光纤在同一波长处的非线性光纤在同一波长处的非线性FWM导致的信道间的串扰。导致的信道间的串扰。DWDM复用系统需要提

54、供几项重要的配套条件复用系统需要提供几项重要的配套条件光纤通信系统（2 2）光发送和接收机技术性能光发送和接收机技术性能为在实际掺铒光纤放大器为在实际掺铒光纤放大器 EDFA 35nm EDFA 35nm 或更宽的波谱宽度的增或更宽的波谱宽度的增益谱宽内减小信道间隔，增加复用波长通道数，益谱宽内减小信道间隔，增加复用波长通道数，要求：要求： 光发送机的发光波长要可调，稳定性要高，谱线要窄，消光发送机的发光波长要可调，稳定性要高，谱线要窄，消光比要高，输出功率可调控。光比要高，输出功率可调控。 光接收机的信噪比光接收机的信噪比 OSNR OSNR 和灵敏度要高，动态范围和电带和灵敏度要高，动态范

55、围和电带宽要宽。宽要宽。光纤通信系统（3 3）光放大器的技术性能光放大器的技术性能对于在目前应用较多的对于在目前应用较多的C C波段（波段（1530nm1530nm1565nm1565nm）复用系统中，）复用系统中，应采用宽带应采用宽带EDFAEDFA，对于对于L L波段（波段（1570nm1570nm1610nm1610nm）的复用系统则采用增益移位的）的复用系统则采用增益移位的GS-EDFAGS-EDFA，而对于而对于S S波段（波段（1490nm1490nm1530nm1530nm）的复用系统可采用增益移位）的复用系统可采用增益移位掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器GS-TDFAGS-TDFA

56、，亦可以采用分布式超宽带喇曼放大，亦可以采用分布式超宽带喇曼放大器器RFARFA。不管使用哪一类不管使用哪一类OAOA，均要求有良好的增益平坦特性，低的噪声，均要求有良好的增益平坦特性，低的噪声指数，并具有增益锁定和自定增益控制功能指数，并具有增益锁定和自定增益控制功能。光纤通信系统1985年 Bellcore 提出了SONETSynchronous Optical Network1988年 CCITT 接受了 SONET 更名为SDHSynchronous Digital HierarchyPDH Pseudosynchronous Digital HierarchySDH的速率的速率SDH

57、的帧结构与开销功能的帧结构与开销功能SDH的主要设备的主要设备光纤通信系统1. 标准速率标准速率SDH具有统一规范的接口速率。具有统一规范的接口速率。SDH以同步传送模块以同步传送模块（STM Synchromous Transport module）的形式传输）的形式传输。最基本的同步传送模块是最基本的同步传送模块是STM-1 速率是速率是155.520Mbit/s更高等级的更高等级的STM-N模块可以近似看作是将模块可以近似看作是将N个基本模块个基本模块STM-1按同步复用，经过字节间插后的结果。按同步复用，经过字节间插后的结果。STM-N的速率是的速率是STM-1速率速率155.520M

58、bit/s的的N倍，倍，N值只能是4的整数次幂，目前目前SDH仅支持仅支持N1，4，16，64和和256。STM-N N=4i，i=0, 1, 2, 3, 4光纤通信系统SDH标准标准速率速率（表（表1.2）SDHSONET等级速率（Mbit/s）等级（光载波电信号）速率（Mbit/s）STM-051.840OC-1STS-151.840STM-1155.520OC-3STS-3155.520OC-9STS-9466.560STM-4622.080OC-12STS-12622.080OC-18STS-18933.120OC-24STS-241244.160OC-36STS-361866.240

59、STM-162488.320OC-48STS-482488.320OC-96*STS-96*4976.640STM-649953.280OC-192STS-1929953.280STM-25639813.120OC-576STS-57639813.120光纤通信系统2帧结构帧结构帧结构是一种按规律有序排列的重复性图案。帧结构是一种按规律有序排列的重复性图案。STM-N帧由帧由270N列、列、9行字节组成，每个字节为行字节组成，每个字节为8比特。帧周期是比特。帧周期是125s，即帧的重复频率为，即帧的重复频率为8000Hz，这与话音信号的取样频率一致。，这与话音信号的取样频率一致。再生段开再生段

60、开销销RSOHRSOH复用段开复用段开销销MSOHMSOH管理单元指针管理单元指针AU PTRAU PTR帧周期s1252进制数据流82709NPOH Path Overhead光纤通信系统3段开销的字节安排与功能段开销的字节安排与功能丰富的段开销是丰富的段开销是SDH的一个重要特点的一个重要特点。段开销字节段开销字节帧定位字节：帧定位字节：A1A1、A2A2再生段踪迹字节：再生段踪迹字节：J0J0BIP-8BIP-8字节字节：B1B1公务字节：公务字节：E1E1、E2E2使用者通路字节：使用者通路字节：F1F1DCCDCC字节：字节：D1D1D12D12BIP-BIP-N N2424字节：字