光纤通信报告

系统设计之

系统结构和限制

目录系统结构损耗限制系统色散限制系统系统结构1光纤通信系统的主要组成单元：光纤光器件(有源和无源)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WDM系统点对点的传输系统1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。

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。全光中继系统：？点对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:

0.85μm,BL积1(Gb/s).km第二代光波系统：1.3μm,BL积100(Gb/s).km第三代光波系统：1.55μm,BL积1000(Gb/s).km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

广播分配网络2树形拓扑结构总线拓扑结构总线型缺点：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；δ----分路器的插入损耗；并假设每个分路器的C和δ都相同。若取δ=0.05,C=0.05,

PT=1mW和PN=0.1μW,则N的最大值?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。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，存在网络协议问题。结构：总线型Bus、环型Ring、星型Star

局域网3环形拓扑结构5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。星形拓扑结构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。WDM系统3对于许多点对点光纤通信系统，WDM的作用是简单地增加总的比特率。DWDM系统主要有四种结构：中间含有（也可能没有）光分插复用（OADM）器的点对点系统；全连接的网状网络；星状网络；具有OADM节点和集线器的环网；为了降低系统和网络设计的复杂性，方法一：对不同种类的业务打包，然后复用它们，在同一个波长上传输。方法二：把不同种类的业务用不同的波长传输，如图8.1.6所示:一个使用星型耦合器的多信道分配网络，每个信道使用单独的光载波频率发送电信号，所有发送机的输出功率复合进无源星型耦合器，并且分配相等的功率到所有的接收机。每个用户接收所有信道，使用调谐光接收机选择它们中的一个，这种网络有时也叫广播-选择网络。如下图所示：损耗限制系统2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：

αtot(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。hv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的实验系统色散限制系统3一.光纤色散光纤色散: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。1.0.85μm光波系统2.1.3μm光波系统3.1.55μm光波系统1、0.85μm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。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B1Mb/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/(n12).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。2、1.3μm光波系统第二代光波系统采用最小色散波长在1.3m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|)-1

D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，BL125(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、1.55μm光波系统第三代光波系统工作在损耗最小的1.55m波长，光纤色散是系统的主要限制因素。对普通单模光纤，在1.55m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=-(2c/2)2普通单模光纤的限制线为：B2L=4000(Gb/s)2-km。对理想的1.55m系统，B2L可达6000(Gb/s)2-km。当B>5Gb/s

时，为色散限制系统。-------色