光纤通信系统

第一章

光纤通信概述及光纤的传输理论

1.光纤通信概述

光纤通信的发展及现状

光纤通信的主要优点

光纤通信系统的基本组成1.1光纤通信的发展及现状

光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。

第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85μm)发展到长波长(1.31μm和1.55μm)，实现了工作波长为1.31μm、传输速率为140~565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为100~50km。

第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了1.55μm色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.5~10Gb/s，无中继传输距离可达150~100km。

目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容量的波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)光纤通信系统和超长距离的光孤子(Soliton)通信系统。光纤通信发展的现状：光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发展到1.31μm和1.55μm，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。另一方面，着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)，从单一类型信息的传输到多种业务的传输。1.2光纤通信的主要优点传输频带极宽，通信容量很大传输衰减小，距离远信号串扰小，传输质量高抗电磁干扰，保密性好光纤尺寸小，重量轻，便于运输和敷设耐化学腐蚀，适用于特殊环境原材料资源丰富,节约有色金属1.3光纤通信系统的基本组成

一个基本的光纤通信系统由三大部分构成：光发射设备、光纤光缆、光接收设备。

系统中光发射机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。光源调制器驱动电路光发射机光纤光纤中继器放大器光电二极管判决器光接收机2.光纤的传输理论

光纤的基本性质

介质平板波导

阶跃折射率光纤的模式理论

单模光纤2.1光纤的基本性质2.1.1光纤的结构和分类

光纤主要是由纤心、包层和涂覆层构成。纤心是由高度透明的材料制成的；包层的折射率略小于纤心，从而造成一种光波导效应，使大部分的电磁场被束缚在纤心中传输。涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的损伤套层一次涂覆层包层纤芯

按照光纤的横截面上折射率分布的情况来分类，光纤以分为阶跃折射率型和渐变折射率型以及w型光纤。

2b2b

2b

2c2a

2a

2a

n

n

nn1

n1n1

n2

n2

n2

n3

0

abr0

abr0

acbr

（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤

光纤按照工作波长可分为紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤（0.85μm、1.3μm和1.55μm）等。光纤按传输模式数量分类，又可以分为多模光纤和单模光纤。在一定的工作波长下，多模能传输许多介质波导，而单模只传输基模。2.1.2光的传输光在空气中传播的几种情况：光的反射和折射以及全反射。

光的反射服从反射定理：θ1=θ3，即反射角等于入射角。光的折射服从折射定律：n1sinθ1=n2sinθ2。全反射定理：光从光密媒质进入光疏媒质，当入射角增大到一定的角度时，折射光就会全部消失。即θin>=arcsin（n2/n1）。其中θc＝arcsin（n2/n1），称为临界角。三种主类型的光纤传播路径：多模渐变折射率光纤多模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤子午光线在阶跃光纤中的传输：光线以入射角θi>θmax入射，其传输途径如图所示。图中的红线传输途径表示θi=θmax的路径。光线以入射角θi<θmax入射，光纤在纤心中产生多次全反射。其传输途径如图所示。以不同的入射角进入光纤中，传输路径的对比情况。由此可见，只有在半锥角为θi≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角θi的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。

i数值孔径式中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。最大时延差近似为：根据定义和斯奈尔定律：

NA=n0sinθi=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°可以得到数值孔径：定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积，即：2.1.3光纤的传输特性损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性。（1）光纤的损耗所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB／km。所有的损耗机理可以分为两种不同的情况：一是石英光纤的固有损耗机理。二是由于材料和工艺所引起的非固有损耗机理。第二传输窗口第一传输窗外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰光纤损耗谱特性损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗第三传输窗口在1.55

m处最小损耗约为0.dB/km光纤通信中常用的低损窗口有0.85μm，1.3μm和1.55μm。（2）光纤的色散

光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。色散的种类：模式色散：同一频率下有不同的群速度。材料色散：石英的折射率随波长而变所引起。波导色散：模式本身的色散。材料色散引起的脉冲展宽渐变型光纤的模式色散2.2介质平板波导（1）波动方程法拉第电磁感应定律：安培环路定律：高斯定律：磁通连续性定律：其中2.2.1基本波导方程式（2）波动方程式其中2.2.2对称介质平板波导的传输模式（1）对称介质板波导方程式和模式对称介质平板报的的形状及坐标轴取向如下图所示。电磁波沿z方向传输，z方向波导的几何形状不变，在y方向波导无限伸展。同时由于对称性场分量在y方向没有变化。对称平板波导的几何形状也就是波导中电场表达式可写为（2）TE模式所谓模式，就是波导中容许存在的一种场结构的形式，这种场结构形式既满足麦氏方程组也满足电磁场的边界条件，它的传输常数和波导尺寸间的关系由特征方程式给出。下图是各种不同的模式类型。TE模式的特征方程式偶TE模式的特征方程式式中：n=0,1,2,3…..分别对应着TE0,TE1,TE2,….模式，n称为偶TE模的模数。TE0模的场分量TE0模场型TE2模的Ey分量奇TE模式的特征方程式：(3)传输常数的确定由导模传输条件和奇偶TE模特征方程可得：设由图即可求得TE模式的传输常数。若设计一个多模介质板波导，则应按下式选择介质平板的半宽度，即单模的条件：2.3阶跃折射率光纤的模式理论（1）光纤中的各种导模对应V=0有两套波型，TE0m模和TM0m模，由波导方程式可知。对于TM0m模，Hz=E

=Hr=0,仅有Ez,H

，

Er分量,叫做横磁模（TE模）对于TE0m模，Ez=H

=Er=0,仅有Hz，E

，

Hr分量,叫做横电模（TM模）当V≠0时，Hz和Ez分量都不为零，为混合模。混合模依据横向场中Hz和Ez的分量哪个更强，分为HE模和EH模.

TE0m模和TM0m模：（2）各模式截止值的方程

HE1m模和EHVm模：

HEVm(V>1)模：贝塞尔函数前三个根（不包括零根）2.404833.831715.135625.520087.015598.417248.6537310.1734711.61984J0（u）J1（u）J2（u）

贝塞尔函数图形贝塞尔函数的根从图中可以看到：如果光纤的归一化频率V<2.405时，光纤中只有HE11模。从图中可以看到：当V>2.405时，较低次模式随V的变化依次出现。2.4单模光纤单模光纤是在一定工作波长下，传输基膜HE11模的光纤。2.4.1单模光纤的结构常规型W型凹陷型单模光纤采用多层结构的作用是：减少基膜的损耗和得到纤心半径较大的单模光纤。2.4.2单模光纤的频率色散单模光纤中只存在LP01模，因而基本上消除了模式色散，只剩下材料色散和波导色散。波导色散DW由于光纤中某一导模在不同光波长下，相位常数（传播常数β）不同。波导色散取决于波导的结构参数和波长。波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯－包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。

材料色散DM是由于光纤的折射率随波长而改变，实际光源不是纯单色光，模内不同波长成分的光，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。单模光纤的材料色散和波导色散在适当的波长可以互相抵消，而得到零频率色散。此结论从右图中就可以看出。2.4.3单模光纤的发展与演变图中的光纤均为单模光纤。（1）常规单模光纤

常规单模光纤(G.652光纤)，其结构多采用阶跃型或者下陷包层型折射率分布。这种光纤的零色散波长在1.31μm，在该波长上有较低的损耗和很大的带宽，曾经大量敷设，在光纤通信中扮演过重要角色。（2）色散位移光纤

G.653光纤。这种光纤的基本设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1.3lμm移到1.55μm,G.653光纤在80年代末和90年代初被认为是富有应用前景的理想光纤。（3）非零色散位移光纤（NZ-DSF）

G.655光纤，在1.53μm--1.565μm波长区域内具有较小的但非零的色散（1—6ps/nm.km），从而既能适应高速系统对带宽的要求，又能使FWM效率不高。

NZ—DSF光纤的纤芯采用三角形或梯形折射率分布，如下图所示。它的色散在1530—1565nm(EDFA的工作波长)范围内可以是正的，也可以是负的。若零色散波长小于1530nm，则为正色散：若零色散波长大于1565nm，则为负色散。从而实现长距离上的色散管理。理想的三角形折射率分布光纤第二章

光纤通信系统主要内容：

光纤通信系统的整体设计

光同步数字传输网

数字光纤通信系统

光放大器

波分复用系统1.数字光纤通信系统1.1数字光纤通信系统数字光纤通信系统的基本框架图如下图所示：输入接口TXRX输入接口电接收端用户电发射端用户备用系统辅助系统光缆光中继器光缆TX：光发射端机RX：光接收端机从上图中可以看到：用户进去的信号都是模拟信号，经过电发射端机后出来的就是数字信号，而模拟信号转为数字信号要经过取样、量化、编码。输入接口的作用是进行适当的码型变换以适合光发射端得要求。光发射端机的组成如下图所示：线路编码调制电路光源控制电路数字信号

光信号

常用的光线路码型大体可以归纳为三类：扰码二进制、字变换码、插入码型。1.2系统性能及其测试系统的性能参数主要有两种：误码性能和抖动性能。系统的误码性能是衡量系统优劣的一个非常重要的指标，反映数字信息在传输过程中受到损伤的程度，通常用长期平均误码率、误码的时间百分数和误码秒百分数来表示。数字信号(包括时钟信号）的各个有效对于标准时间位置的偏差，称为抖动（或飘动）。抖动的性能参数主要有：输入抖动容限、输出抖动和抖动转移特性。2.光同步数字传输网2.1SDH的帧结构

SDH是一整套可进行同步数字传输、复用和交叉连接的标准化数字信号的等级结构。其帧结构如下图所示。同步传输模块STM-1是SDH的第一个等级，又叫做基本同步传输模块，比特率为155.520Mbit/s。

STM-N是第N个等级的同步传送模块，比特率是STM-1的N倍（N=4，n=1,2，……)。光纤大容量数字传输系统的两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。

SDH分为两个部分，第1行至第3行为再生段开销（RSOH)，第5行至第9行为复用段开销（MSOH)，第4行是管理单元指针（AUPER),这是一个指示符，主要用来指示信息净负荷的第一个字节的STM-N帧内的准确位置，以便在接收端正确的分解。2.2SDH基本复用映射结构STM-NAUGAU-4VC-4TU-3VC-3C-3C-4TUG-2TU-12VC-12C-12TUG-3×N139264kbit/s44736kbit/s2048kbit/s指针处理映射对齐复用C-2C-11VC-2VC-116312kbit/s1544kbit/sTU-2TU-11AU-3VC-4

SDH中的指针在服用映射过程中的作用有三条：

（1）当网络处于同步工作状态时，指针用来进行同步信号间的相位校准；（2）当网络失去同步时，指针用作频率和相位校准，当网络异步工作时，指针用作频率跟踪校准；（3）指针还可以用来容纳网络中的频率抖动和漂移。

网同步是指网络中所有节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内，以便使网的歌交换节点的全部数字流实现正确、有效的变换。SDH通常采用主从同步方式。同步分配在局内采用星形拓扑，局间采用树形拓扑。局内G.81s钟G.81s钟节点钟G.81s钟G.81s钟G.812节点钟G.812节点钟G.812节点钟G.812节点钟G.812节点钟G.812节点钟G.811PRC同步链路去局外的其他G.81s钟去局外的其他G.81s钟去局外的其他G.81s钟去局外的其他G.81s钟局外（a）局内分配的同步网结构（b）局间分配的同步网结构

SDH的网的物理拓扑结构有：线形、星形、树形、环形以及网孔形。（a）线形（c）树形（b）星形（d）环形（e）网孔形

SDH网络物理层可分为干线网（BackboneNetwork）、中继网（JunctionNetwork）和接入网（AccessNerwork）。下图为我国的SDH传送网。3.光纤通信系统的总体设计设计一个光纤通信系统时，要对下述问题进行具体的考虑和设计：（1）选择路由，设置局站（2）确定系统的制式、速率（3）光纤选型（4）选择合适的设备，核实设备的性能指标（5）对中继段进行功率和色散预算单信道光纤通信系统功率预算和色散预算的设计方法有两种：最坏值计法和统计设计法。再生段距离设计可分为两种情况来讨论：一种是损耗受限系统，即再生距离由发、收之间光通道的损耗决定；一种是色散受限系统，即再生段距离有S和R点之间光通道总色散所限定。LTXOROFNNC1C2PRRRXSDH光纤通信系统通道损耗的组成对于损耗受限的系统，可达到的最大再生距离可用下式来估算：式中：pp为通道代价；Af为光纤的平均损耗；As是每个光纤接头的平均损耗；Lf是每盘光缆的长度。色散损耗可用下面的公式来进行计算：式中：B为线路码速率；D为色散速率。4.光放大器光放大器按工作原理可以分为受激辐射光放大器、受激散射光放大器和参量放大器三大类。有源介质泵浦源光纤与放大器间光耦合光放大器输出光输入光信号光放大器的通用结构4.1EDFA的工作原理和基本性能

铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68，原子量是167.3。EDFA在980nm泵浦时，是一个典型的三级能级系统，在1480nm泵浦时，是一个准二级能级系统。从右图可以看到，在掺铒光纤(EDFA)中，铒离子(Er3+)有三个能级，其中：能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。

下图为参铒光纤放大器的工作原理图以及铒的能级图和掺铒光纤在信号光的感应下，粒子在不同能级上的跃迁。可见这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，下图示出EDFA增益和吸收频谱。4.2EDFA的结构

EDFA的光路结构图主要有三种：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦结构。同向泵浦即在掺铒光纤的输入端加一个泵浦激光器，信号光和泵浦光经波分复用器后合在一起，在掺铒光纤中同向传输。下图为同向泵浦型。反向泵浦即信号光和泵浦光在掺铒光纤中反向向传输。下图为反向泵浦型。双向泵浦即在掺铒光纤的两端各加一个泵浦激光器。下图为双向泵浦型。EDFA的基本特性有：增益特性和噪声特性

EDFA的增益是输入与输出的信号功率之比，不包括泵浦光或自发辐射光。下图示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到92.6％。当泵浦光功率为60mw时，吸收效率

[(信号输出光功率－信号输入光功率)／泵浦光功率]为88％。

EDFA工作在线性范围区时的增益称为小信号增益。增益比小信号降低3dB时的波长间隔，称为小信号增益波长带宽，可以达到35nm以上。在信号波长上，EDFA的增益相对小信号增益减少3dB时输出信号的光功率称为饱和输出功率，在正常的工作条件下，从EDFA能够得到的输出信号的最大光功率称为最大输出信号功率。下图示出小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵浦光功率小于6mw时，增益线性增加，增益系数为6.3dB／mw。在光纤通信系统中，EDFA有3中基本的应用方式，分别是功率放大器、前置放大器和在线放大器。光中继：TransmitterreceiverEDFAEDFA光接收机前置放大器：TransmitterreceiverEDFA光发射机后置放大器：receiverTransmitterEDFA波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）和光频分复用（OFDM）本质上都是光波长分割复用，所不同的是复用信道波长间隔不同。ITU-T建议标准的波长间隔为0.8nm(在1.55um波段对应100GH频率间隔)的整数倍。如0.8nm，1.6nm，2.4nm，3.6nm。复用技术光信道间隔采用关键技术CWDM10nm-100nm普通光纤耦合器DWDM0.8nm-8nm衍射光栅、薄膜滤光片OFDM0.1nm以下阵列波导光栅、相干接收机5.波分复用系统光发送机λ1光发送机λ2光发送机λ3光接收机λ3光接收机λ2光接收机λ1复用器解复用器λ1λ2…λN单根光纤光波分复用的基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。下图为波分复用的原理图。

下图为波分复用系统的基本结构：光转发器1光转发器n光合波器BALAPA光分波器光接收器1光接收器n光监控信道发送器光监控信道接收/发送器光监控信道接收器光发送机光接收机光中继放大光纤光纤网络管理系统λsλsλsλsλ1λnλnλ1n1n1

WDM系统由光发送机、光中继放大、光接收机、光监控信道（OSC）以及网络管理系统组成。光发送机——将来自不同终端的多路光信号分别由光转