DWDM光纤结构和传输特性

1、第二章 光纤结构和传输特性 2.1 光纤结构和分类 按照截面积折射率的不同分为：阶跃光纤、渐变光纤； 按照传输模式数量的不同分为：单模光纤、多模光纤； 为解决单模光纤色散和非线性问题开发的特殊光纤： 色散位移光纤; 非零色散位移光纤; 色散平坦光纤; 色散补偿光纤; 根据G.652光纤的工作波长范围以及支持的不同 传输速率SDH系统，对PMD和1385nm的衰减系数的 要求区分，将G.652分成4个子类：G.652A、G.652B、G.652C、G.652D。 其中G.652A、G.652B支持10Gbit/s和40Gbit/s传输。相对于前两者，G.652C在1550nm处的衰减更小，消除了

2、1385nm附近的水吸收峰，系统可以工作在13601530nm。光纤类型光纤名称主要特性应用场所G.652A非色散位移单模光纤（SSMF）零色散波长为1300-1324nm，1550nm处色散最大2.5Gbit/s以下中距离传输，在1550nm窗口，2.5Gbit/s以上长距离传输需要用色散补偿措施，支持单信道系统。G.652B非色散位移单模光纤（SSMF）零色散波长为1300-1324nm，1550nm处色散最大2.5Gbit/s以下中距离传输，在1550nm窗口，2.5Gbit/s以上长距离传输需要用色散补偿措施，支持单信道系统和多信道系统。G.652C波长段扩展的非色散位移单模光纤（EB

3、-SSMF）零色散波长为1300-1324nm，1550nm处色散最大，消除了1385nm水峰，工作波长为1310nm1625nm2.5Gbit/s以下中距离传输，支持CWDM系统。G.652D波长段扩展的非色散位移单模光纤（EB-SSMF）零色散波长为1300-1324nm，1550nm处色散最大，消除了1385nm水峰，工作波长为1310nm1625nm2.5Gbit/s以上中距离传输，需要用色散补偿措施，支持多信道CWDM系统。光纤类型光纤名称主要特性应用场所G.655A非零色散位移单模光纤（ND-DSF）在1500nm处有一定的色散，可以抑制四波混频等非线性效应支持C波段，信道间隔20

4、0GHZ以上，10Gbit/s的DWDM系统G.655B非零色散位移单模光纤（ND-DSF）在1500nm处有一定的色散，可以抑制四波混频等非线性效应，消除1385nm水峰，工作波长为1310nm1625nm支持C、L波段，信道间隔等于100GHZ，10Gbit/s DWDM系统G.655D非零色散位移单模光纤（ND-DSF）在1500nm处有一定的色散，可以抑制四波混频等非线性效应，消除1385nm水峰，工作波长为1530nm1625nm支持C、L波段，信道间隔小于100GHZ，10Gbit/s DWDM系统光纤选择工作波长工作方式G.652AG.652BG.652CG.652DG.655A

5、G.655BG.655D1.31或1.55单波长1.31&1.55波分复用1.31&1.552.5Gbit/s以上单波长C+L2.5Gbit/s CWDME+S+C+L2.5Gbit/s CWDMC+L10Gbit/s DWDMC+L10Gbit/s CWDM &DWDMC+L40Gbit/s DWDM光纤发展 应用：城域网-最后一公里-大楼； 制造工艺：通信光纤大多数选用石英玻璃， 通过脱水消除石英玻璃光纤1385nm的水峰; 核心网: (1) G.655A只支持200GHz以上间隔,在C波段 的应用，也可以支持10Gbit/s速率为基础 的DWDM系统。 (2) G

6、.655B只支持100GHz以下间隔,在C和L 波段应用，又能使N * 10Gbits系统传输 3000KM以上。城域网 & 局域网中的光纤技术： 城域网通信：更关注光纤的制造工艺，消除石英玻 璃光纤在1385nm的水峰，将工作波长 范围拓宽为12601670nm，通过降 低DWDM系统成本，使价格相对低廉 的CWDM能够应用于城域网的汇聚层 和接入层。 局域网通信：通过提高多模光纤梯度折射率分布来控 制精度和改善光源注入条件来提高石英 玻璃多模光纤的带宽和减小光纤衰减。 2.3 光纤的特性 2.3.1 衰耗 1、衰减表征: 2、衰减系数: (/10)( )(0)10aLP LP10(

7、 )( )lg(/)(0)P LdB kmLP 3、衰减谱G.652在1550nm处的衰减最小0.2dB/km，色散高达G.653在1550nm色散为零，衰减最小。但不适合用于DWDM系统G655满足DWDM系统多方面的要求。17/PS nm km4、衰减的起因金属离子_OH损耗本征非本征吸收紫外吸收红外吸收金属离子OH- 离子 波导缺陷散射瑞利散射受激布里渊散射受激拉曼散射光纤的可用波段资源: 波段波长（nm）使用光纤应用系统第一传输窗口850多模光纤单通道O12601360标准单模光纤单通道、WDME13601460波长扩展光纤WDMSCLU146015301530156515651625

8、16251675非零色散位移光纤DWDM和CWDM工程设计法之（跨段）最坏值设计（跨段）最坏值设计: 发送机在S点最小平均发送光功率（dBm）； 接收机在R点最差灵敏度（dBm）； 设备富余度，取3dB。在光接口参数中已考虑； 最大光通道代价（dB）； 为什么要考虑光通道代价？ 光纤连接器损耗，通常一个中继段两端各1个连接 器，损耗取0.5dB/个；max2sRecpfjcPPMPLMsPRPMepPc 光纤衰减系数，干线用G.652光纤，分1、2两级, 1级光纤：1310nm 、1550nm 2级光纤：1310nm 、1550nm 每千米光纤平均接头损耗，取0.03dB/km； 线路富余度，

9、取0.04dB/km；fjMcmax2sRecpfjcPPMPLM0.36/fdB km0.22/fdB km0.4/fdB km0.25 /fdB km WDM系统光复用段的距离不是无限的，与之对应的再生段的配置也不同，如: 克服光纤衰耗的方法：高输出功率的激光源; 高灵敏度的光端机; 光放大器; 光放大器解决了什么问题，又引发了什么问题？8 22dB5 30dB3 33dB2.3.2 色散光纤色散主要有:模间色散、材料色散、波导色散、偏振模色散。波长色散: ( )mwpDDDD 色散,在光纤通信系统中表现为光源光谱中不同波长分量因在光纤中的群速不同所引起的光脉冲展宽，正色散使得光脉冲被展宽

10、，负色散使得光脉冲被缩窄。 思考：色散损耗和传输损耗对光通信系统的影响相同吗？ 答：不同。色散主要造成脉冲展宽和啁啾效应。 （1）脉冲展宽：脉冲展宽是光纤色散对系统性能影响的最主要表现。当传输距离超过色散长度时，脉冲展宽过大，这时系统将产生严重的码间干扰和误码 （2）啁啾效应：色散不仅仅是脉冲展宽，还使脉冲产生了相位调制。这种相位调制使得脉冲的不同部位对中心频率产生了不同的偏离量，具有不同的频率，即脉冲的啁啾效应。 关于PMD 什么是PMD？ 造成PMD的原因？2.3.3 色散补偿 一、什么是色散补偿？ 色散参数的意义： 色散补偿的实施：在G652中每隔一定距离插入 长度调整好的色散补偿光纤

11、对色散进行补偿，使整个传输 线路总色散为零。/ps nm km二、色散补偿原理 色散补偿是当光脉冲信号经长距离传输后由于色散效应而产生脉冲展宽畸变。这时可以通过色散补偿光纤来修正，目的是消除展宽畸变。 三、色散补偿光纤结构四、DCF性能 （a）色散 （b）传输损耗 （c）连接损耗 （d）弯曲损耗五、DCF主要特点（1）DCF可放在线路中的两个EDFA之间的任何位置；（2）DCF色散补偿量可以控制，性能稳定；（3）DCF在1550nm处具有很大的负色散。（4）DCF虽然引入插入损耗，但可通过EDFA弥补。DCF品质因素: 可用于确定由DCF所引发的光信噪比OSNR (/)(/)(/)ccDps

12、nm kmFOM ps nm dBdB kmgg六、DCF放置注意事项 a）无须破坏光缆； b）光信号进入DCF前先进行功率放大； c）应限制DCF最大注入光功率。七、DCF优势与不足 a）带宽大，能同时对多个WDM信道进行色散补偿； b）色散补偿能力是固定的； c）有效面积只有19m； d）需要的DCF的长度长增加了传输衰耗。八、色散补偿距离 色散补偿距离=传输距离-光源色散受限距离+调整； 其中，调整量一般为 030km “色散受限距离” 与 “色散补偿距离”？色散平坦光纤 DFF 特点：长波长波段低损耗、低色散。（13001600nm） 分类：W型DFF、多包层DFF；布拉格光栅光纤 原

13、理：通过三端口光环形器，使长波长分量在布拉格光栅初始端发生反射，进而提升群速；使短波长分量在末端才反射，降低群速；来扼制波长分量的展宽，达到色散补偿目的。高阶模色散补偿光栅 HOM-DCF两种负色散光纤：一、DCF 工作波长基于基模LP01；二、HOM 工作波长基于高阶模LP11 通过在接近截止波长处工作的LP11模的负色散来实现 色散补偿； HOM面积较DCF大； 通过改变模的截止波长或HOM的长度来改变其补偿能 力，在整个波长范围内对色散和色散斜率同时补偿 ；其他色散补偿方法： 超长宽带光栅、采样离散信道光栅、可调色散补偿 色散管理方法 （1）控制系统工作波长使其尽量在零色散波长附近； （

14、2）设法对色散进行补偿，使总色散减小甚至等于零； （3）充分利用色散来抵消非线性效应的影响。 光通道的色散使不同的载频传输时延发生差异，造成接收波形失真，这种影响就是自相位调制SPM。SPM使得光波形变窄，补偿了光通道色散对波形展宽的效应。 色散管理在全光网中的应用 （1）负色散光纤 广域网和城域网：首选负色散光纤； 接入层局域网 ：首选窄谱线的激光器；（2）啁啾光栅光纤 补偿能力与带宽成反比，当用于WDM全光网， 难以同时补偿多路波分复用信号。 2.4 非线性效应 原因：在光场的作用下，光波信号和光纤介质相互 作用的一种物理效应。弱光场入纤时，介质 呈现线性变化。强光场入纤时，介质表现出 非

15、线性物理效应。 分类：散射效应、折射率效应一、散射效应 之 受激拉曼散射（SRS）在G652光纤上SRS导致1dB光功率代价的条件为： N：通道数 P:每个通道的光功率 (1)500N PNfGHz W g gggSRS效应对WDM系统的影响： (1) 导致各复用通路的信号出现不均衡。 (2) 引入串话。 消除SRS效应:降低入纤光功率; 调整放大器的增益曲线； 增设光功率均衡站 ;如何利用SRS效应？利用拉曼增益制作分布式拉曼放大器提供分布式放大。一、散射效应 之 受激布里渊散射（SBS） SBS & SRS： (1) 峰值SBS增益比SRS大2个数量级； (2) SBS频移（101

16、3GHz）和增益带宽20100MHz远远 小于SRS的相应值； (3) SBS只出现在后向散射方向，其影响大于SRS的影响。 当泵浦光的谱线宽比布里渊带宽小很多时，产生SBS影响的门限功率可以表示为： ：激光器发射光谱的线宽（MHz）； ：单位mW 减缓SBS的影响，通过提高SBS门限 。0.03thPthP提高SBS门限的方法？ 方法一，通过利用一个重复频率为1020KHz、频偏为 1001000MHz的信号对中心波长进行弱频调制 方法二，SBS功率阈值与信号调制方式和码速率有关，采 用适当的调制技术也可以提高SBS功率阈值。二、折射率效应 折射率效应也称为克尔效应。即光纤的折射率n随着光强

17、的变化而变化的非线性现象。 表达式：克尔效应引起三种不同的非线性效应：SPM、XPM、FWM 02/effnnn P A二、折射率效应 之 自相位调制（SPM） 在强光脉冲持续的时间内，折射率发生变化， 脉冲峰值的相位对前沿、后沿来说产生延迟、加速。 随着传输距离加大，相移不断积累，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使得光谱脉冲缩窄 自相位调制SPM。 注：相位的导数是频率 G652光纤的1550nm窗口处由SPM引起的非线性影响的结果有两种可能： 当D为正值 ，光载波的群速度与载波频率成正比，脉冲被压缩变窄 ，延长了色散受限距离 ； 当D为负值 ，缩短了色散受限距离 ； SPM的效果

18、与输入信号的光强度成正比，与光纤衰减系数以及有效纤芯面积成反比。 当信号传输15-40km时，光功率已经衰减到不足以产生非线性的阈值。 另外，利用低色散光纤也能够减少SPM对系统性能的影响。 二、折射率效应 之 交叉相位调制（XPM） 由于XPM引入了信号谱展宽，再加上光纤介质色散影响，会使得信号脉冲在经过光纤传输后产生较大的时域展宽并在相邻波长通路产生干扰。 XPM造成的系统代价与复用通路的间隔成反比，与复用通路数量成正比。 多波长系统中，为了抑制XPM引起的串音代价，采用G652光纤的WDM系统的最小通路间隔用下式来评估：2fAWB D Mg g二、折射率效应 之 四波混频（FWM ) 通

19、常FWM效率取决于通路间隔和光纤色散。 随着WDM系统的波长数量越来越多，为了在同样光放大器频带内部容纳更多的波长数，波长信道间隔趋向于越来越小，FWM的影响也随之增加。 为了克服FWM效应引起的串音干扰，不同波长之间的最小通路间隔应满足下列式子： 在所有的非线性效应中，只有FWM的门限功率最低，0dBm左右。 0.25M PWDgG652：在1550nm有足够的色散，可以抑制FWM，可以 用于支持WDM系统应用。但色散太大，对于长距 离或者高比特率的传输需要进行色散补偿。G653：1550nm窗口为零色散窗口，不能抑制FWM，不 能用在WDM系统中；G655：既达到对非线性抑制的作用，又小到

20、足以进行长 距离的高速传输，是WDM系统的理想首选。非线性效应对（含有OA）传输系统的影响主要影响SRSSBSSPMXPMFWM减小信道间隔增加信道数增加信道功率增加区段数增加信道比特率非线性效应对（含有OA）传输系统的影响主要影响SRSSBSSPMXPMFWM减小信道间隔增加信道数增加信道功率增加区段数增加信道比特率三、解决非线性效应的方案（1）不等间距信道间隔方案。通过选择通道频率来实现（2）部分等间距信道间隔方案。 （3）等间距信道间隔方案。常用于WDM系统.2.4.3 光孤子 1、光孤子的概念 某个相干光脉冲在通过光纤时，其脉冲前沿部分 作用光纤使之激活，而后沿部分则受到光纤的作用获得

21、增益。 前沿失去的和后沿获得的能量相互抵消。结果使得光脉冲传输时没有任何形状上的变化，即形成一个稳定的光孤子。这样的光孤立子能够传输很长距离而不发生波形变化。2、光孤子通信系统 孤子源：是增益开关分布反馈半导体激光器， 该激光器依靠大电流的注入形成窄脉冲，结构 简单，而且重复频率可调 。3、光孤子通信系统放大方式工作原理：周期性地置入光放大器，通过调整光放大器的增益 补偿光纤损耗，使得由于非线性效应所导致脉冲压 缩补偿群色散带来的影响，以确保光孤子宽度稳定。 缺点：光孤子传输受动态调整，加之色散因素影响，放大 级数越多，色散效应越强。解决方法：减小放大器间距。工作原理：向光纤注入泵浦光使其产生

22、拉曼效应。当拉曼增益 与光纤损耗等同时，光孤子将在任意距离上传输。 缺点：无法确保每处泵浦光功率都相同。解决方法：每隔一定的距离注入泵浦光对拉曼放大提供能量。4、光孤子通信特点 （1）容量大 （2）误码率低、抗干扰能力强 （3）无需电中继站 5、色散控制光孤子方案 概念：色散管理孤子DMS，就是非线性系统中的 周期色散补偿，通过周期性地配置正负色 散光纤从而使得传输线上的平均GVD很小 ，这就大大简化了对传输光纤的特殊要求。 色散控制光孤子方案： 色散补偿技术用于光孤子通信系统可对ASE噪音、孤子相互作用与色散波等进行控制，达到提高系统传输速率，增大传输距离和通信容量的目的。 补偿方案有：终端正色散补偿与在线滤波控制混合补； 周期性集中式色散补偿 ； 周期性分布式补偿。2.5 光波长分配 1、为什么要实现波长标准化？（1）波长标准化是达成横向兼容的第一步；（2）为不同厂家的产品在物理层上互连提供可能；（3）为全光网络的“虚