光纤通信系统及设计

光纤通信系统及设计第一页，共四十三页，2022年，8月28日6.1IM-DD数字光纤通信系统设计

6.1.1总体设计考虑

数字光纤通信系统一般采用强度调制、直接检波的方式，即IM-DD方式。任何复杂的通信系统，其基本单元都是点到点的传输链路。它包括三大部分，即光发送机，光接收机和光纤线路。每一部分都涉及许多的光电器件，所以对链路的设计是一个复杂的工作，而每个元器件的选择都要经过若干次的反复。这里仅对原则性的问题作一下介绍。第二页，共四十三页，2022年，8月28日

光纤通信系统的基本要求有以下几点：

(1)预期的传输距离。

(2)信道带宽或码速率。

(3)系统性能（误码率，信噪比）。为了达到这些要求，需要对以下一些要素进行考虑：

光纤：需要考虑选用单模还是多模光纤，需要考虑的设计参数有：纤芯尺寸、纤芯折射率分布、光纤的带宽或色散特性、损耗特性。光源：可以使用LED或LD，光源器件的参数有发射功率、发射波长、发射频谱宽度等。

检测器：可以使用PIN组件或APD组件，主要参数有工作波长、响应度、接收灵敏度、响应时间等。第三页，共四十三页，2022年，8月28日6.1.2系统设计的一般步骤

1.网络拓扑、线路路由选择一般可以根据网络/系统在通信网中的位置、功能和作用，根据承载业务的生存性要求等选择合适的网络拓扑。一般位于骨干网中的、网络生存性要求较高的网络适合采用网络拓扑；位于城域网的、网络生存性要求较高的网络适合采用环形拓扑；位于接入网的、网络生存性要求不高而要求成本尽可能低廉的网络适合采用星形拓扑或树形拓扑。节点之间的光缆线路路由选择要服从通信网络发展的整体规划，要兼顾当前和未来的需求，而且要便于施工和维护。选定路由的原则：线路尽量短直、地段稳定可靠、与其他线路配合最佳、维护管理方便。第四页，共四十三页，2022年，8月28日2.确定传输体制、网络/系统容量的确定

准同步数字系列(PDH)：主要适用于中、低速率点对点的传输。同步数字系列(SDH)：不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。20世纪90年代中期，SDH设备已经成熟并在通信网中大量使用，由于SDH设备良好的兼容性和组网的灵活性，新建设的骨干网和城域网一般都应选择能够承载多业务的下一代SDH设备。网络/系统容量一般按网络/系统运行后的几年里所需能量来确定，而且网络/系统应方便扩容以满足未来容量需求。目前城域网中系统的单波长速率通常为2.5Gbit/s、骨干网单波长速率通常为10Gbit/s，而且根据容量的需求采用几波到几十波的波分复用。

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3.工作波长的确定

工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。如果是短距离小容量的系统，则可以选择短波长范围，即800～900nm。如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即1310nm和1550nm，因为这两个波长区具有较低的损耗和色散。

另外，还要注意所选用的波长区具有可供选择的相应器件。第六页，共四十三页，2022年，8月28日

4.光纤/光缆的选择

光纤有多模光纤和单模光纤，并有阶跃型和渐变型折射率分布。对于短距离传输和短波长系统可以用多模光纤。对于长距离传输和长波长系统一般使用单模光纤。目前可选择的单模光纤有G.652，G.653，G.654，G.655等。

G.652光纤/光缆对于1310nm波段是最佳选择，是目前最常用的单模光纤。主要应用于城域网和接入网，不需采用大复用路数密集波分复用的骨干网也常采用G.652光纤/光缆。

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G.653光纤/光缆是1550nm波长性能最佳的单模光纤/光缆；G.653光纤将零色散波长由1310nm移到最低衰减的1550nm波长区。主要应用于在1550nm波长区开通长距离10Gbit/s以上速率的系统。但由于工作波长零色散区的非线性影响，不支持波分复用系统，故G.653光纤仅用于单信道高速率系统。目前新建或改建的大容量光纤传输系统均为波分复用系统，G.653光纤基本不采用。

G.654光纤/光缆是1550nm波长衰减最小的单模光纤，一般多用于长距离海底光缆系统，陆地传输一般不采用。

G.655光纤是非零色散位移单模光纤，适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干网中。第八页，共四十三页，2022年，8月28日

光纤/光缆是传输网络的基础，光缆网的设计规划必须要考虑在未来15-20年的寿命期内仍能满足传输容量和速率的发展需要。另外，光纤的选择也与光源有关，LED与单模光纤的耦合率很低，所以LED一般用多模光纤，但1310nm的边发光二极管与单模光纤的耦合取得了进展。另外，对于传输距离为数百米的系统，可以用塑料光纤配以LED。第九页，共四十三页，2022年，8月28日5.光源的选择

选择LED还是LD，需要考虑一些系统参数，比如色散、码速率、传输距离和成本等。LED输出频谱的谱宽比起LD来宽得多，这样引起的色散较大，使得LED的传输容量较低，限制在2500（Mb/s）·km以下（1310nm）；而LD的谱线较窄，传输容量可达500（Gb/s）·km（1550nm）。典型情况下，LD耦合进光纤中的光功率比LED高出10～15dB,因此会有更大的无中继传输距离。但是LD的价格比较昂贵，发送电路复杂，并且需要自动功率和温度控制电路。而LED价格便宜，线性好，对温度不敏感，线路简单。设计电路时需要综合考虑这些因素。

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6.光检测器的选择

选择检测器需要看系统在满足特定误码率的情况下所需的最小接收光功率，即接收机的灵敏度，此外还要考虑检测器的可靠性、成本和复杂程度。

PIN-PD比APD结构简单，温度特性更加稳定，成本低廉，低速率小容量系统采用LED+PIN-PD组合。若要检测极其微弱的信号，还需要灵敏度较高的APD，高速率大容量系统采用LD+APD组合。第十一页，共四十三页，2022年，8月28日

7.估算中继距离估算中继距离：根据影响传输距离的主要因素（损耗和色散）来估算。以上是设计步骤的主要内容，另外还有光纤线路码型设计的问题。

中心问题：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，对系统的性能和经济效益影响很大。第十二页，共四十三页，2022年，8月28日

6.1.3最大中继距离光传输的设计方法

光纤通信系统的设计：最坏值设计法和统计设计法。

使用最坏值设计时，所有考虑在内的参数都以最坏的情况考虑。用这种方法设计出来的指标一定满足系统要求，系统的可靠性较高，但由于在实际应用中所有参数同时取最坏值的概率非常小，所以这种方法的富余度较大，总成本偏高。

统计设计方法是按各参数的统计分布特性取值的，即通过事先确定一个系统的可靠性代价来换取较长的中继距离。这种方法考虑各参数统计分布时较复杂，系统可靠性不如最坏值法，但成本相对较低，中继距离可以有所延长。第十三页，共四十三页，2022年，8月28日

另外也可以综合考虑这两种方法，部分参数值按最坏值处理，部分参数取统计值，从而得到相对稳定，成本适中，计算简单的系统。(联合设计法)

中继距离的设计分两种情况讨论：一个光纤链路，如果损耗是限制光中继距离的主要因素，则这个系统就是损耗受限的系统；如果光信号的色散展宽最终成为限制系统中继距离的主要因素，则这个系统就是色散受限的系统。

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T′,T:

光端机和数字复接分接设备的接口；Tx:

光发射机或中继器发射端；Rx:

光接收机或中继器接收端；C1,C2:

光纤连接器；S:

靠近Tx的连接器C1的接收端；R:

靠近Rx的连接器C2的发射端；S-R:

光纤线路，包括接头。1.中继距离受损耗的限制图示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图:(a)无中继器；(b)一个中继器

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如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制。在这种情况下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，即

式中，Pt为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，αc

为连接器损耗(dB/对)，Me为系统余量(dB)，αf为光纤损耗系数(dB/km),αs为每km光纤平均接头损耗(dB/km),αm为每km光纤线路损耗余量(dB/km),L为中继距离(km)。或第十六页，共四十三页，2022年，8月28日

平均发射光功率Pt取决于所用光源，对单模光纤通信系统，LD的平均发射光功率一般为-3～-9dBm,LED平均发射光功率一般为-20～-25dBm。

光接收机灵敏度Pr取决于光检测器和前置放大器的类型，并受误码率的限制，随传输速率而变化。表:示出长途光纤通信系统BERav≤1×10-10时的接收灵敏度Pr。-30-33PIN-FETAPD13104139.264-37-42PIN-FETAPD1310139.264-41PIN-FET131034.368-49PIN13108.448灵敏度Pr/dBm光检测器标称波长/nm传输速率/（Mbs-1）第十七页，共四十三页，2022年，8月28日

连接器损耗一般为0.3～1dB/对。设备余量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3dB。光纤损耗系数αf取决于光纤类型和工作波长，例如单模光纤在1310nm,αf为0.4～0.45dB/km;在1550nm,αf为0.22～0.25dB/km。光纤损耗余量αm一般为0.1～0.2dB/km,但一个中继段总余量不超过5dB。平均接头损耗可取0.05dB/个，每千米光纤平均接头损耗αs可根据光缆生产长度计算得到。第十八页，共四十三页，2022年，8月28日

2.中继距离受色散(带宽)的限制

如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散(带宽)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(总带宽)进行规范。

对于数字光纤线路系统而言，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。第十九页，共四十三页，2022年，8月28日

g(t)=exp

式中σ为均方根(rms)脉冲宽度。把σ/T=a定义为相对均方根脉冲宽度，码间干扰δ的定义如图所示。得到：

设传输速率为fb=1/T，发射脉冲为半占空归零(RZ)码，输出脉冲为高斯波形，如图所示。高斯波形可以表示为：

高斯波形的码间干扰

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美国Bell实验室的早期研究中，曾建议采用下列标准来考查光纤线路色散对系统传输性能的限制。当a=0.25时，码间干扰δ只有峰值的0.034%，完全可以忽略不计。当a=0.5时，δ增加到13.5%，此时功率代价为7～8dB，难以通过均衡进行补偿。一般系统设计选取a=0.25～0.35，功率代价不超过2dB。第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日

为确定中继距离和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度(FWHM)τ表示，即

式中,τ=σ/0.4247,σ=aT,a为相对均方根（rms）脉冲宽度，T=1/fb，fb为系统的比特传输速率。Δτf为光纤线路脉冲展宽(FWHM)，取决于所用光纤类型和色散特性。第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示()。因此，Δτf=0.44/B,B为长度等于L的光纤线路总带宽，它与单位长度光纤带宽的关系为B=B1/Lγ。

B1为1km光纤的带宽，通常由测试确定。γ=0.5～1,称为串接因子，取决于系统工作波长，光纤类型和线路长度。把这些关系代入式：并取a=0.25～0.35，得到光纤线路总带宽B和速率fb的关系为：B=(0.83～0.56)fb第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日

中继距离L与1km光纤带宽B1的关系为B1=BLγ,所以L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ

由此可见，中继距离L与传输速率fb的乘积取决于1km光纤的带宽(色散)，这个乘积反映了光纤通信系统的技术水平。或写成Lγfb=(1.21～1.78)B1

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对于单模光纤系统，Δτf=2.355σf,σf为光纤线路均方根（rms）脉冲展宽。

σf=|C0|σλL,C0=C(λ0)为在光源中心波长λ0光纤的色散(ps/(nm·km))，σλ为光源谱线宽度(nm)，L为光纤线路长度(km)。

把这些关系式代入式得到一个简明的公式。设取a=σ/T=0.25，得到中继距离：第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日

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，受色散限制的中继距离L可以表示为：

式中,

是线路码速率(Mb/s)，与系统比特速率不同，它要随线路码型的不同而有所变化。C0是光纤的色散系数(ps/(nm·km))，它取决于工作波长附近的光纤色散特性。σλ为光源谱线宽度(nm)，对多纵模激光器(MLM-LD)，为rms宽度，对单纵模激光器(SLM-LD),为峰值下降20dB的宽度。ε是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLM-LD,ε=0.115,对于SLM-LD，ε=0.306。第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日

3.举例

光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由式确定；中继距离受色散限制时；多模光纤：

单模光纤：确定。

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。第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日以140Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离设系统平均发射功率Pt=-3dBm,接收灵敏度Pr=-42dBm，设备余量Me=3dB，连接器损耗αc=0.3dB/对，光纤损耗系数αf=0.35dB/km,光纤余量αm=0.1dB/km，每km光纤平均接头损耗αs=0.03dB/km。根据这些数据，得到中继距离：第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日

又设线路码型为5B6B,线路码速率Ｆb=140×(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0ps/(nm·km)，σλ=2.5nm。根据这些数据得到中继距离：

在工程设计中，中继距离应取74km。在本例中中继距离主要受损耗限制。但是，如果假设|C0|=3.5ps/(nm·km)，σλ=3nm，而上述其他参数不变，计算得到的中继距离L≈65km，则此时中继距离主要受色散限制，中继距离应确定为65km。第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日6.2WDM+EDFA数字光纤链路

光波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing）技术是高速全光通信中传输容量潜力最大的一种多信道复用方式。它可以在一根光纤中传输多个波长的光信号。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，耦合到光缆线路中在同一根光纤上传输，在接收端将组合的光波长分开，不同波长的信号送入不同的终端。

EDFA是这种多波长系统走向实用化的关键技术，它可以在几个太赫兹的波长范围内同时给多个波长提供增益。第三十页，共四十三页，2022年，8月28日

1.波分复用系统的基本形式

WDM系统的组成结构基本上有以下两种形式。

1)多路复用双纤单向传输如图示，N个不同波长的发送机经过复用器M耦合到一根光纤中进行传输。在接收端经过解复用器D把不同波长分离开，送到不同的光接收机。

第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日

2)光双向单纤传输如图所示，在一根光纤中实现两个方向信号的同时传输。MD是具有波长选路功能的复用/解复用器。其中λ1和λ2是两个不同方向的光信号。也可以实现λ1,…，λn为一个方向，而λn+1，…,λ2n为另一个方向的多波长双向传输。T1R1MDR1T2MDl1l2l1l2l1l2第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日

根据波分复用器和系统应用需求的不同，可以复用的波长数也不同，可分为三类：稀疏或粗波复用CWDM，通道数2—8个，通道间隔10—100nm；密集波分复用DWDM，通道数8—32个，通道间隔1—10nm，现在商用系统较多使用8个、16个和32个复用通道；致密波分复用或称光频分复用OFDM，通道数40—1000个，通道间隔0.1—1nm，是进一步发展的方向。第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日

2.波分复用系统的技术特点

(1)提高了光纤的频带利用率。过去的通信系统只能在一根光纤中传输一个光波长的信号，但光纤本身在长波长区具有很宽的低损耗区，而波分复用技术提高了低损耗区的利用率，降低了传输成本。

(2)对不同的信号具有很好的兼容性。利用WDM技术，不同性质的信号（音频、视频、数据、文字、图像等）可以调制在不同的波长上，各个波长相互独立，对数据格式、速率的传输是透明的，因此可以同时进行传输。第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日

(3)节约投资。可以实现单根光纤的双向传输，对于全双工通信可以节约大量的线路资源，并且如果现有线路的富余度允许，可以在现有的线路上方便地实现扩容，而不必对原系统做较大改动。

(4)降低光电器件的超高速要求。使用WDM技术，可适当降低对器件高速响应的要求而同时又实现大容量传输。

(5)可以灵活组网。使用WDM技术选路，可以在不改变光纤设施的条件下，调整光通信系统的网络结构，在通信网设计中具有灵活性和自由度，便于对系统功能和应用范围的扩展。

第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日

3.WDM系统的基本结构

实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日

•光发射机位于WDM系统的发送端。在发送端首先将来自终端设备(如SDH端机)输出的光信号，利用光转发器(OTU)把符合ITU-TG.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-TG.692建议的具有稳定的特定波长的光信号。

OTU对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大输出多路光信号。要求：发光波长可调，稳定性高，谱线窄，消光比高，输出功率可调控。第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日

•

用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继放大。在应用时可根据具体情况，将EDFA用作“线放(LA：LineAmplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系统中，对EDFA必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。在接收端，光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的带宽。

第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日

•光监控信道(OpticalSupervisoryChannel)的主要功能是：

监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本节点产生的波长为λs(1510nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出λs(1510nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。

帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的。

•

网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统相连。第三十九页，共四十三页，2022年，8月28日

目前国际上已商用的系统有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。

实验室已实现了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，传输距离达3×100km=300km。

OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情况有：

①BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave