光纤通信系统的性能与设计.ppt

光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信技术第七章光纤通信技术第七章第七章第七章 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计7.1 7.1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构7.2 7.2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制7.3 7.3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制7.4 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响7.5 7.5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰7.6 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算7.1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构n n光纤通信系统的主要组成单元：光纤通信系统的主要组成单元：光纤通信系统的主要组成单元：光纤通信系统的主要组成单元：n n光纤光纤光纤光纤n n光器件光器件光器件光器件n n光发送机光发送机光发送机光发送机n n光接收机光接收机光接收机光接收机n n光放大器光放大器光放大器光放大器n n根据光纤系统的应用可分为根据光纤系统的应用可分为根据光纤系统的应用可分为根据光纤系统的应用可分为n n点到点连接点到点连接点到点连接点到点连接n n广播和分配网广播和分配网广播和分配网广播和分配网n n局域网局域网局域网局域网RxRx TxTxRxRxRxRx TxTxTxTx再生器再生器再生器再生器RxRxTxTxAAAA放大器放大器放大器放大器采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接再生器再生器再生器再生器放大器放大器放大器放大器光发送机光发送机光发送机光发送机光发送机光发送机光发送机光发送机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机7.1.1 点到点的传输系统点到点的传输系统光光光光- -电电电电- -光中继：光中继：光中继：光中继：实际上是一个接收机一个发送机对，实际上是一个接收机一个发送机对，实际上是一个接收机一个发送机对，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，经放大它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大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，恢复整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复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。

原光比特流继续沿光纤传输原光比特流继续沿光纤传输原光比特流继续沿光纤传输光放大器：光放大器：光放大器：光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而将接收到的微弱光比特流信号直接放大而将接收到的微弱光比特流信号直接放大而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不需将其转换为电信号不需将其转换为电信号不需将其转换为电信号 (1 1RR) )光放大器不能无限制级联光放大器不能无限制级联光放大器不能无限制级联光放大器不能无限制级联，因为色散导致的脉冲畸变，因为色散导致的脉冲畸变，因为色散导致的脉冲畸变，因为色散导致的脉冲畸变最终限制了系统的性能最终限制了系统的性能最终限制了系统的性能最终限制了系统的性能光光光光- -电电电电- -光再生中继则不存在光再生中继则不存在光再生中继则不存在光再生中继则不存在这种问题这种问题这种问题这种问题7.1.1 点到点的传输系统点到点的传输系统n n利用光纤的利用光纤的低损耗、宽带宽低损耗、宽带宽特点特点n n性能指标：性能指标：比特率－距离积（比特率－距离积（BL））n nBL积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性又与波长有关，所以又与波长有关，所以BL积与波长有关。

积与波长有关n n第一代光波系统第一代光波系统第一代光波系统第一代光波系统: :    m,BLm,BL积积积积 1 (Gb/s).km1 (Gb/s).kmn n第二代光波系统：第二代光波系统：第二代光波系统：第二代光波系统：1 1.3.3   m,BLm,BL积积积积 100 (Gb/s).km100 (Gb/s).kmn n第三代光波系统：第三代光波系统：第三代光波系统：第三代光波系统：1 1.55.55   m, BLm, BL积积积积1000 1000 (Gb/s).km(Gb/s).km• 设计问题设计问题n n中继距离的选取：中继距离的选取：中继距离的选取：中继距离的选取：在级联的在级联的在级联的在级联的EDFAEDFA系统中，系统中，系统中，系统中， ASEASE噪声积累噪声积累噪声积累噪声积累问题是关键所在，设计的关键在于如何设置问题是关键所在，设计的关键在于如何设置问题是关键所在，设计的关键在于如何设置问题是关键所在，设计的关键在于如何设置EDFAEDFA的放大的放大的放大的放大间隔使接收端的间隔使接收端的间隔使接收端的间隔使接收端的OSNROSNR满足要求满足要求满足要求满足要求n n色散补偿技术：色散补偿技术：色散补偿技术：色散补偿技术：色散补偿方案的选择及设计色散补偿方案的选择及设计色散补偿方案的选择及设计色散补偿方案的选择及设计n n光纤非线性的避免光纤非线性的避免光纤非线性的避免光纤非线性的避免光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机   NN    1 1   2 2   3 3光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机EDFAEDFA功放功放功放功放线放线放线放线放预放预放预放预放MUXMUXDEMUXDEMUX典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统   1 1   NN    3 3   2 27.1.2 光纤分配网光纤分配网n n功能：功能：功能：功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要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求将信息分配给多个用户求将信息分配给多个用户求将信息分配给多个用户n n应用：应用：应用：应用：光缆网、公用天线电视光缆网、公用天线电视光缆网、公用天线电视光缆网、公用天线电视( (CATV)CATV)、、、、宽带宽带宽带宽带综合业务数字网（综合业务数字网（综合业务数字网（综合业务数字网（B-ISNDB-ISND））））n n特点：特点：特点：特点：传输距离较短、带宽要求宽传输距离较短、带宽要求宽传输距离较短、带宽要求宽传输距离较短、带宽要求宽n n结构：结构：结构：结构：树型拓扑、总线拓扑树型拓扑、总线拓扑树型拓扑、总线拓扑树型拓扑、总线拓扑HubHubHubHubHub信道在中心点分配，光纤的信道在中心点分配，光纤的信道在中心点分配，光纤的信道在中心点分配，光纤的作用与点到点连接系统类似。

作用与点到点连接系统类似作用与点到点连接系统类似作用与点到点连接系统类似•树形拓扑结构树形拓扑结构1432NBus单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户多路视成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户多路视成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户多路视成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户多路视频信道分配频信道分配频信道分配频信道分配CATVCATV系统；高清晰度电视系统；高清晰度电视系统；高清晰度电视系统；高清晰度电视HDTVHDTV•总线拓扑结构总线拓扑结构•总线拓扑结构总线拓扑结构n n缺点：缺点：信号损耗随分路数指数增加限制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了单根光纤总线服务的范围和用户数n n若忽略光纤自身的损耗，则第若忽略光纤自身的损耗，则第若忽略光纤自身的损耗，则第若忽略光纤自身的损耗，则第NN个分支可得到的个分支可得到的个分支可得到的个分支可得到的功率为：功率为：功率为：功率为：n nP PNN--------第第第第NN个分支功率；个分支功率；个分支功率；个分支功率；P PT T--------发送功率；发送功率；发送功率；发送功率；C----C----分路器的功分路器的功分路器的功分路器的功率分路比；率分路比；率分路比；率分路比；   --------分路器的插入损耗；并假设每个分路器分路器的插入损耗；并假设每个分路器分路器的插入损耗；并假设每个分路器分路器的插入损耗；并假设每个分路器的的的的CC和和和和   都相同。

都相同若取若取若取若取    =0.05, =0.05, C=0.05, PC=0.05, PT T =1mW =1mW 和和和和 P PNN=0.1=0.1   W,W,则则则则NN的最大值的最大值的最大值的最大值? ?N=61如何进一步增加分支数？如何进一步增加分支数？在总线上周期地接入光放大器提升功率，可以克在总线上周期地接入光放大器提升功率，可以克在总线上周期地接入光放大器提升功率，可以克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服上述限制，只要光纤色散的影响限制在可忽略服上述限制，只要光纤色散的影响限制在可忽略服上述限制，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的程度，允许分配的用户数将可大大增加的程度，允许分配的用户数将可大大增加的程度，允许分配的用户数将可大大增加•总线拓扑结构总线拓扑结构7.1.3 局域网局域网n n局域网：局域网：局域网：局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个在光纤通信系统中，要求在网络中一个在光纤通信系统中，要求在网络中一个在光纤通信系统中，要求在网络中一个局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户局部区域内（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，将相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将相互连接，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。

数据传送给其他任何用户数据传送给其他任何用户数据传送给其他任何用户n nLANLAN中要求对每个用户提供中要求对每个用户提供中要求对每个用户提供中要求对每个用户提供随机的收发数据功能，随机的收发数据功能，随机的收发数据功能，随机的收发数据功能，存在网络协议问题存在网络协议问题存在网络协议问题存在网络协议问题n n结构：结构：结构：结构：总线型总线型总线型总线型BusBus、、、、 环型环型环型环型RingRing、、、、 星型星型星型星型StarStar例子：例子：例子：例子：“ “以太网以太网以太网以太网” ”协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（CSMA/CDCSMA/CD））））限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多1N-2N-1N2•环形拓扑结构环形拓扑结构• •点到点连接将节点依次相点到点连接将节点依次相点到点连接将节点依次相点到点连接将节点依次相连以形成单个闭合环。

各节连以形成单个闭合环各节连以形成单个闭合环各节连以形成单个闭合环各节点中均设置有发送机－接收点中均设置有发送机－接收点中均设置有发送机－接收点中均设置有发送机－接收机对，均可发送和接收数据，机对，均可发送和接收数据，机对，均可发送和接收数据，机对，均可发送和接收数据，也用作中继器也用作中继器也用作中继器也用作中继器• •一个一个一个一个令牌令牌令牌令牌（一个预先确定（一个预先确定（一个预先确定（一个预先确定的比特率）在环内传递，每的比特率）在环内传递，每的比特率）在环内传递，每的比特率）在环内传递，每个节点都监视比特率以监听个节点都监视比特率以监听个节点都监视比特率以监听个节点都监视比特率以监听它自己的地址和接收数据它自己的地址和接收数据它自己的地址和接收数据它自己的地址和接收数据• •随着光纤分布式数据接口随着光纤分布式数据接口随着光纤分布式数据接口随着光纤分布式数据接口FDDIFDDI的标准接口的出现，的标准接口的出现，的标准接口的出现，的标准接口的出现，光纤光纤光纤光纤LANLAN开始普遍采用环开始普遍采用环开始普遍采用环开始普遍采用环形拓扑结构形拓扑结构形拓扑结构形拓扑结构•FDDI双环结构，双环结构，双环结构，双环结构， superior reliability and robustnesssuperior reliability and robustness•星形拓扑结构星形拓扑结构2N-1N431Starcoupler• •所有节点都通过点到点连接所有节点都通过点到点连接所有节点都通过点到点连接所有节点都通过点到点连接接到中心站接到中心站接到中心站接到中心站( (中枢节点中枢节点中枢节点中枢节点) )上。

上• •有源星形结构：有源星形结构：有源星形结构：有源星形结构：所有到达的所有到达的所有到达的所有到达的光信号都通过光接收机转换为光信号都通过光接收机转换为光信号都通过光接收机转换为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电信号，再将电信号分配以驱电信号，再将电信号分配以驱电信号，再将电信号分配以驱动各个节点的光发送机动各个节点的光发送机动各个节点的光发送机动各个节点的光发送机• •无源星形结构：无源星形结构：无源星形结构：无源星形结构：采用星形耦采用星形耦采用星形耦采用星形耦合器等无源光器件在光域进行合器等无源光器件在光域进行合器等无源光器件在光域进行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分配由于从一个节点的输入分配由于从一个节点的输入分配由于从一个节点的输入被分配到许多输出节点，因此被分配到许多输出节点，因此被分配到许多输出节点，因此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传送到每个节点的功率将受用传送到每个节点的功率将受用传送到每个节点的功率将受用户数的限制户数的限制户数的限制户数的限制第七章第七章 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计7.1 7.1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构7.2 7.2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制7.3 7.3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制7.4 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响7.5 7.5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰7.6 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算7.2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射损损损损 耗耗耗耗 ( (dB/km)dB/km)波波波波 长长长长 ( (nm)nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口光纤的损耗谱特性光纤的损耗谱特性光纤的损耗谱特性光纤的损耗谱特性•损耗限制光波系统损耗限制光波系统n n设发送机发出的最大平均功率为设发送机发出的最大平均功率为设发送机发出的最大平均功率为设发送机发出的最大平均功率为P Pt t ，而光接收机的接收灵，而光接收机的接收灵，而光接收机的接收灵，而光接收机的接收灵敏度为敏度为敏度为敏度为P Pr r ，则最大传输距离为：，则最大传输距离为：，则最大传输距离为：，则最大传输距离为：    tottot (dB/km) (dB/km)为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。

为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗n n由于接收机灵敏度由于接收机灵敏度由于接收机灵敏度由于接收机灵敏度P Pr r随比特率随比特率随比特率随比特率BB线性变化：线性变化：线性变化：线性变化： 因此传输距离亦与比特率有关因此传输距离亦与比特率有关因此传输距离亦与比特率有关因此传输距离亦与比特率有关 h h   为光子能量，为光子能量，为光子能量，为光子能量， NNp p为为为为接收机所要求的每比特的平均光子数接收机所要求的每比特的平均光子数接收机所要求的每比特的平均光子数接收机所要求的每比特的平均光子数n n在给定工作波长处，在给定工作波长处，在给定工作波长处，在给定工作波长处，L L随比特率随比特率随比特率随比特率BB的增加而呈对数关系降低的增加而呈对数关系降低的增加而呈对数关系降低的增加而呈对数关系降低损耗限制损耗限制色散限制色散限制 横越大西洋的海底光波系统横越大西洋的海底光波系统 实际陆地光波系统实际陆地光波系统 采用色散位移光纤的采用色散位移光纤的1550nm，，B >10Gb/s 的实验系统的实验系统第七章第七章 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计7.1 7.1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构7.2 7.2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制7.3 7.3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制7.4 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响7.5 7.5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰7.6 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算•光纤色散光纤色散光纤色散光纤色散: : : :信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中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。

传输速度不同，而引起的信号畸变传输速度不同，而引起的信号畸变传输速度不同，而引起的信号畸变•色散限制色散限制色散限制色散限制: : : :光纤色散导致的信号畸变限制系统的光纤色散导致的信号畸变限制系统的光纤色散导致的信号畸变限制系统的光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离传输距离传输距离传输距离•色散类型色散类型色散类型色散类型•模间色散（仅多模光纤有）模间色散（仅多模光纤有）模间色散（仅多模光纤有）模间色散（仅多模光纤有）•波导色散波导色散波导色散波导色散•材料色散材料色散材料色散材料色散•偏振模色散偏振模色散偏振模色散偏振模色散波长色散波长色散波长色散波长色散一、光纤色散一、光纤色散一、光纤色散一、光纤色散7.3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制二、色散与光纤二、色散与光纤二、色散与光纤二、色散与光纤G.652G.652（（（（标准单模光纤标准单模光纤标准单模光纤标准单模光纤SMFSMF））））: : 零色散波长零色散波长零色散波长零色散波长:1300:1300nmnm15501550色散色散色散色散:16~17:16~17pspsG.653G.653（（（（色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤DSFDSF））））: :零色散波长零色散波长零色散波长零色散波长:1550:1550nmnmG.655G.655（（（（非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤NZDSFNZDSF））））: : 1550nm1550nm色散色散色散色散:2~6:2~6psps三、色散限制三、色散限制n n光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。

光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离n n导致色散限制的物理机制随不同波长而不同导致色散限制的物理机制随不同波长而不同导致色散限制的物理机制随不同波长而不同导致色散限制的物理机制随不同波长而不同 m光波系统光波系统 第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作第一代光波系统，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为传输媒质主要限制因素是模间色散为传输媒质主要限制因素是模间色散为传输媒质主要限制因素是模间色散------- ------- 色散限制色散限制色散限制色散限制多模阶跃光纤，多模阶跃光纤，多模阶跃光纤，多模阶跃光纤， BL=c/(2nBL=c/(2n1 1   ) )典型值典型值典型值典型值n n1 1=1.46=1.46、、、、    =0.01=0.01，，，，传输距离随比特率的曲线传输距离随比特率的曲线传输距离随比特率的曲线传输距离随比特率的曲线即使在即使在即使在即使在BB   1Mb/s 1Mb/s 的低比特率，也是色散限制的，其传输距离的低比特率，也是色散限制的，其传输距离的低比特率，也是色散限制的，其传输距离的低比特率，也是色散限制的，其传输距离限制在限制在限制在限制在10km10km内。

应用：数据连接，很少用于光纤通信系统中应用：数据连接，很少用于光纤通信系统中应用：数据连接，很少用于光纤通信系统中应用：数据连接，很少用于光纤通信系统中ØØ多模渐变光纤，多模渐变光纤，多模渐变光纤，多模渐变光纤， BL=2c/(nBL=2c/(n1 1   2 2). ). ØØ对于对于对于对于 n n1 1=1.46=1.46、、、、   =0.01=0.01，，，，曲线如图当比特率小于曲线如图当比特率小于曲线如图当比特率小于曲线如图当比特率小于100 100 Mb/s Mb/s 时时时时为损耗限制，大于为损耗限制，大于为损耗限制，大于为损耗限制，大于100 100 Mb/s Mb/s 将变为色散限制将变为色散限制将变为色散限制将变为色散限制ØØ第一代陆上光通信系统就是采用多模渐变光纤，比特率在第一代陆上光通信系统就是采用多模渐变光纤，比特率在第一代陆上光通信系统就是采用多模渐变光纤，比特率在第一代陆上光通信系统就是采用多模渐变光纤，比特率在50-50-100 Mb/s 100 Mb/s ，中继距离接近，中继距离接近，中继距离接近，中继距离接近1010公里，于公里，于公里，于公里，于19781978年投入商业运营。

年投入商业运营年投入商业运营年投入商业运营 ------- 色散限制色散限制色散限制色散限制2.  m光波系统光波系统n n第二代光波系统采用最小色散波长在第二代光波系统采用最小色散波长在第二代光波系统采用最小色散波长在第二代光波系统采用最小色散波长在   mm附近的单附近的单附近的单附近的单模光纤，最大的限制因素是由较大的光源谱宽支模光纤，最大的限制因素是由较大的光源谱宽支模光纤，最大的限制因素是由较大的光源谱宽支模光纤，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配的由色散导致的脉冲展宽配的由色散导致的脉冲展宽配的由色散导致的脉冲展宽n n比特率－距离积比特率－距离积比特率－距离积比特率－距离积 BL BL    (4|D|(4|D|      ) )-1-1 DD为色散，为色散，为色散，为色散，       为光源的均方根谱宽为光源的均方根谱宽为光源的均方根谱宽为光源的均方根谱宽 |D| |D| 典型值为典型值为典型值为典型值为 1-2 1-2ps/(km-nm)ps/(km-nm) n n当取当取当取当取|D| |D|        =2ps/km =2ps/km时，时，时，时，BL BL     125 (Gb/s)-km 125 (Gb/s)-km 当当当当B<1Gb/sB<1Gb/s时，为损耗限制系统，时，为损耗限制系统，时，为损耗限制系统，时，为损耗限制系统，但当但当但当但当B>1Gb/sB>1Gb/s时则变为色散限制系统。

时则变为色散限制系统时则变为色散限制系统时则变为色散限制系统 ------- 色散限制色散限制色散限制色散限制3.  m光波系统光波系统n n第三代光波系统工作在损耗最小的第三代光波系统工作在损耗最小的第三代光波系统工作在损耗最小的第三代光波系统工作在损耗最小的   mm波长，光纤色波长，光纤色波长，光纤色波长，光纤色散是系统的主要限制因素散是系统的主要限制因素散是系统的主要限制因素散是系统的主要限制因素n n对普通单模光纤，在对普通单模光纤，在对普通单模光纤，在对普通单模光纤，在   mm处处处处DD的典型值为的典型值为的典型值为的典型值为1717ps/(km-ps/(km-nm)nm)，，，，色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，系统处于系统处于系统处于系统处于色散限制状态色散限制状态色散限制状态色散限制状态采用单纵模半导体光源可采用单纵模半导体光源可采用单纵模半导体光源可采用单纵模半导体光源可大大缓解这种限制大大缓解这种限制大大缓解这种限制。

大大缓解这种限制n n 最终限制为：最终限制为：最终限制为：最终限制为：BB2 2L < (16|L < (16|   2 2|) |)-1-1 式中，式中，式中，式中，   2 2为群速为群速为群速为群速色散，与色散参数色散，与色散参数色散，与色散参数色散，与色散参数DD的关系为：的关系为：的关系为：的关系为： D=-(2D=-(2   c/c/   2 2) )    2 2普通单模光纤的限制线为：普通单模光纤的限制线为：普通单模光纤的限制线为：普通单模光纤的限制线为：BB2 2L = 4000 (Gb/s)L = 4000 (Gb/s)2 2-km-km对理想的对理想的对理想的对理想的   mm系统，系统，系统，系统， BB2 2L L 可达可达可达可达6000 (6000 (Gb/s)Gb/s)2 2-km-km当当当当 B> 5Gb/sB> 5Gb/s 时，为色散限制系统时，为色散限制系统时，为色散限制系统时，为色散限制系统 ------- 色散限制色散限制色散限制色散限制   mm附近均最低附近均最低。

附近均最低附近均最低 ------- ------- 色散限制色散限制色散限制色散限制• •光纤色散导致的信号脉冲畸变，光纤色散导致的信号脉冲畸变，光纤色散导致的信号脉冲畸变，光纤色散导致的信号脉冲畸变，与与与与光源线宽、信号啁啾、调制展光源线宽、信号啁啾、调制展光源线宽、信号啁啾、调制展光源线宽、信号啁啾、调制展宽宽宽宽等因素有关等因素有关等因素有关等因素有关• •直接调制系统中，光源的调制直接调制系统中，光源的调制直接调制系统中，光源的调制直接调制系统中，光源的调制啁啾及光纤色散导致信号畸变啁啾及光纤色散导致信号畸变啁啾及光纤色散导致信号畸变啁啾及光纤色散导致信号畸变• •GbGb/s/s系统系统系统系统, ,放大器的积累噪声放大器的积累噪声放大器的积累噪声放大器的积累噪声成为传输距离主要限制成为传输距离主要限制成为传输距离主要限制成为传输距离主要限制• •对于对于对于对于1010GbGb/s/s系统系统系统系统, ,光纤色散成光纤色散成光纤色散成光纤色散成为传输距离的主要限制为传输距离的主要限制为传输距离的主要限制为传输距离的主要限制比特率比特率比特率比特率NZDSFNZDSFSSMFSSMF2.5Gb/S2.5Gb/S6000km6000km1000km1000km10Gb/s10Gb/s400km400km60km60km四、色散四、色散/ /色散斜率补偿技术色散斜率补偿技术在在在在WDMWDM系统中，只有进行色散斜率补偿，才系统中，只有进行色散斜率补偿，才系统中，只有进行色散斜率补偿，才系统中，只有进行色散斜率补偿，才能保证各个信道都得到补偿。

能保证各个信道都得到补偿能保证各个信道都得到补偿能保证各个信道都得到补偿• • 预啁啾技术（预啁啾技术（预啁啾技术（预啁啾技术（PCHPCH））））• 用色散补偿光纤进行色散补偿用色散补偿光纤进行色散补偿用色散补偿光纤进行色散补偿用色散补偿光纤进行色散补偿• 用啁啾光纤光栅进行色散补偿用啁啾光纤光栅进行色散补偿用啁啾光纤光栅进行色散补偿用啁啾光纤光栅进行色散补偿 (1)预啁啾技术预啁啾技术PCHn n光信号在反常色散光纤中传输时，所含的高频成分传播速光信号在反常色散光纤中传输时，所含的高频成分传播速光信号在反常色散光纤中传输时，所含的高频成分传播速光信号在反常色散光纤中传输时，所含的高频成分传播速率较快，将逐渐集中在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，率较快，将逐渐集中在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，率较快，将逐渐集中在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，率较快，将逐渐集中在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，将逐渐集中在脉冲后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲将逐渐集中在脉冲后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲将逐渐集中在脉冲后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲将逐渐集中在脉冲后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲也就越来越宽。

也就越来越宽也就越来越宽也就越来越宽n n预啁啾是通过在光源上附加一个正弦调制，使脉冲前沿的预啁啾是通过在光源上附加一个正弦调制，使脉冲前沿的预啁啾是通过在光源上附加一个正弦调制，使脉冲前沿的预啁啾是通过在光源上附加一个正弦调制，使脉冲前沿的频率降低，后沿频率升高，在一定程度上补偿色散造成的频率降低，后沿频率升高，在一定程度上补偿色散造成的频率降低，后沿频率升高，在一定程度上补偿色散造成的频率降低，后沿频率升高，在一定程度上补偿色散造成的脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽n n特点：特点：特点：特点：n n简单简单简单简单n n需根据传输距离调整正弦调制的深度需根据传输距离调整正弦调制的深度需根据传输距离调整正弦调制的深度需根据传输距离调整正弦调制的深度n n延长传输距离延长传输距离延长传输距离延长传输距离~2~2倍倍倍倍(2) 用色散补偿光纤进行色散补偿用色散补偿光纤进行色散补偿n n特殊设计光纤的芯径及折射率分布，利用光纤的波导色特殊设计光纤的芯径及折射率分布，利用光纤的波导色特殊设计光纤的芯径及折射率分布，利用光纤的波导色特殊设计光纤的芯径及折射率分布，利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于散效应，使其零色散波长大于散效应，使其零色散波长大于散效应，使其零色散波长大于1550155015501550nmnmnmnm，，，，即在即在即在即在1550155015501550nmnmnmnm处产处产处产处产生较大的负色散（生较大的负色散（生较大的负色散（生较大的负色散（-100-100-100-100)--)--)--)--色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤( ( ( (DCF)DCF)DCF)DCF)。

当常规当常规当常规当常规光纤和光纤和光纤和光纤和DCFDCFDCFDCF级联时，两者将会互相抵消级联时，两者将会互相抵消级联时，两者将会互相抵消级联时，两者将会互相抵消n n常规单模光纤在常规单模光纤在常规单模光纤在常规单模光纤在1550155015501550nm nm nm nm 的色散和色散斜率的典型值为的色散和色散斜率的典型值为的色散和色散斜率的典型值为的色散和色散斜率的典型值为：：：：D = 16.5ps/nm.kmD = 16.5ps/nm.kmD = 16.5ps/nm.kmD = 16.5ps/nm.km，，，，D’ = 0.059ps/(nmD’ = 0.059ps/(nmD’ = 0.059ps/(nmD’ = 0.059ps/(nm2 2 2 2.km) .km) .km) .km) n n用相对色散斜率用相对色散斜率用相对色散斜率用相对色散斜率R R R RD D D D = D’/D = D’/D = D’/D = D’/D 表示色散斜率补偿表示色散斜率补偿表示色散斜率补偿表示色散斜率补偿, , , , R R R RD1D1D1D1= = = = R R R RD2D2D2D2n n常规单模光纤的相对色散斜率常规单模光纤的相对色散斜率常规单模光纤的相对色散斜率常规单模光纤的相对色散斜率R R R RD D D D-1-1-1-1，，，，所以色散补偿光纤的所以色散补偿光纤的所以色散补偿光纤的所以色散补偿光纤的R R R RD D D D nm nm nm nm-1-1-1-1。

当满足当满足当满足当满足时，群延迟色散被补偿时，群延迟色散被补偿时，群延迟色散被补偿时，群延迟色散被补偿当满足当满足当满足当满足时，二阶色散时，二阶色散时，二阶色散时，二阶色散( ( ( (色散斜率色散斜率色散斜率色散斜率) ) ) )被补偿被补偿被补偿被补偿n n组合使用正、负色散系数的光纤组合使用正、负色散系数的光纤组合使用正、负色散系数的光纤组合使用正、负色散系数的光纤n n大的局部色散，小的平均色散大的局部色散，小的平均色散大的局部色散，小的平均色散大的局部色散，小的平均色散, ,可以较好的抑制可以较好的抑制可以较好的抑制可以较好的抑制四波混频和四波混频和四波混频和四波混频和XPMXPM的产生的产生的产生的产生•基本途径基本途径预补偿预补偿累累累累计计计计色色色色散散散散L LDCFDCFDCFDCF产生的色散变化产生的色散变化产生的色散变化产生的色散变化L L光光光光功功功功率率率率光纤损耗光纤损耗光纤损耗光纤损耗DCFDCF中的中的中的中的功率损耗功率损耗功率损耗功率损耗累累累累计计计计色色色色散散散散L L传输光纤中的色散累积传输光纤中的色散累积传输光纤中的色散累积传输光纤中的色散累积L L光光光光功功功功率率率率DCFDCFDCFDCFDCFDCFDCFDCF后补偿后补偿•大的局部色散，小的平均色散。

大的局部色散，小的平均色散大的局部色散，小的平均色散大的局部色散，小的平均色散•采用后置色散补偿而不是前置色散补偿，减小采用后置色散补偿而不是前置色散补偿，减小采用后置色散补偿而不是前置色散补偿，减小采用后置色散补偿而不是前置色散补偿，减小DCFDCF的非线性效应的非线性效应的非线性效应的非线性效应•采用非完全补偿而不是完全补偿采用非完全补偿而不是完全补偿采用非完全补偿而不是完全补偿采用非完全补偿而不是完全补偿•在发射端进行预补偿在发射端进行预补偿在发射端进行预补偿在发射端进行预补偿• •补偿原则补偿原则补偿原则补偿原则•DCF色散补偿存在的问题色散补偿存在的问题• •dB/km)dB/km)• •较小的有效面积较小的有效面积较小的有效面积较小的有效面积(~20(~20   mm2 2), ),相对相对相对相对SSMF,SSMF,非线性系数大非线性系数大非线性系数大非线性系数大2~42~4倍倍倍倍- -阈值功率减小阈值功率减小阈值功率减小阈值功率减小3~63~6dBdB• •色散斜率为色散斜率为色散斜率为色散斜率为-15~-20-15~-20psps/nm/nm2 2/km/km远高于远高于远高于远高于SSMFSSMFpsps/nm/nm2 2/km,/km,要要要要进行色散斜率补偿进行色散斜率补偿进行色散斜率补偿进行色散斜率补偿, ,需专门设计需专门设计需专门设计需专门设计• •当不能进行斜率补偿的当不能进行斜率补偿的当不能进行斜率补偿的当不能进行斜率补偿的DCFDCF用于用于用于用于WDMWDM系统中时系统中时系统中时系统中时, ,如果设如果设如果设如果设计系统使得中间波长信道实现完全色散补偿计系统使得中间波长信道实现完全色散补偿计系统使得中间波长信道实现完全色散补偿计系统使得中间波长信道实现完全色散补偿, , 短波长信道短波长信道短波长信道短波长信道则过补偿则过补偿则过补偿则过补偿, ,而长波长信道则欠补偿而长波长信道则欠补偿而长波长信道则欠补偿而长波长信道则欠补偿D+D+D-D-D+D+D-D-D+D+D-D-D+D+D-D-D+D+D-D-水下系统新方案：水下系统新方案：水下系统新方案：水下系统新方案：D+/D-D+/D-光纤对光纤对光纤对光纤对•D+D+在前：非线性小；在前：非线性小；在前：非线性小；在前：非线性小；D-D-在后且足够长，有在后且足够长，有在后且足够长，有在后且足够长，有益于益于益于益于RARA。

•作为传输光纤使用的方案，用于陆上系统作为传输光纤使用的方案，用于陆上系统作为传输光纤使用的方案，用于陆上系统作为传输光纤使用的方案，用于陆上系统时应特别慎重时应特别慎重时应特别慎重时应特别慎重(3) 用啁啾光纤光栅进行色散补偿用啁啾光纤光栅进行色散补偿n n在光纤或光波导上刻上光栅可以控制光在其中的反射，在光纤或光波导上刻上光栅可以控制光在其中的反射，在光纤或光波导上刻上光栅可以控制光在其中的反射，在光纤或光波导上刻上光栅可以控制光在其中的反射，从而实现光信号的延时从而实现光信号的延时从而实现光信号的延时从而实现光信号的延时n n如果刻制等间距光栅，则只能反射某一个很窄的频带如果刻制等间距光栅，则只能反射某一个很窄的频带如果刻制等间距光栅，则只能反射某一个很窄的频带如果刻制等间距光栅，则只能反射某一个很窄的频带信号，造成带宽过窄所以采用啁啾光纤光栅，刻出信号，造成带宽过窄所以采用啁啾光纤光栅，刻出信号，造成带宽过窄所以采用啁啾光纤光栅，刻出信号，造成带宽过窄所以采用啁啾光纤光栅，刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成一个本地布喇格光栅的通带和阻带滤波器。

一个本地布喇格光栅的通带和阻带滤波器一个本地布喇格光栅的通带和阻带滤波器一个本地布喇格光栅的通带和阻带滤波器n n经光纤传输以后的入射光中的长波长分量（低频）位经光纤传输以后的入射光中的长波长分量（低频）位经光纤传输以后的入射光中的长波长分量（低频）位经光纤传输以后的入射光中的长波长分量（低频）位于脉冲后沿，使其在光栅的起始端就反射，而短波长于脉冲后沿，使其在光栅的起始端就反射，而短波长于脉冲后沿，使其在光栅的起始端就反射，而短波长于脉冲后沿，使其在光栅的起始端就反射，而短波长分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射，分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射，分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射，分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射，于是就补偿了色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原于是就补偿了色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原于是就补偿了色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原于是就补偿了色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原•啁啾光纤光栅色散补偿的特点啁啾光纤光栅色散补偿的特点•体积小体积小体积小体积小•损耗小损耗小损耗小损耗小•价格便宜价格便宜价格便宜价格便宜•补偿带宽窄补偿带宽窄补偿带宽窄补偿带宽窄, , , ,实现宽带的实现宽带的实现宽带的实现宽带的WDMWDMWDMWDM多信道补偿技术多信道补偿技术多信道补偿技术多信道补偿技术: : : :- - - -长啁啾光纤光栅长啁啾光纤光栅长啁啾光纤光栅长啁啾光纤光栅( ( ( (Southampton Southampton Southampton Southampton 大学制出作大学制出作大学制出作大学制出作3 3 3 3米长的光栅米长的光栅米长的光栅米长的光栅- - - -级联光栅级联光栅级联光栅级联光栅- - - -取样光纤光栅取样光纤光栅取样光纤光栅取样光纤光栅•需要环型器需要环型器需要环型器需要环型器•偏振模色散简介：偏振模色散简介： 在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。

如果由于某种因素使这两直的简并偏振模组成如果由于某种因素使这两直的简并偏振模组成如果由于某种因素使这两直的简并偏振模组成如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散单模光纤中的偏振模色散单模光纤中的偏振模色散单模光纤中的偏振模色散单模光纤中的偏振模色散•国内外研究的现状：国内外研究的现状： 偏振模色散对高速大容量光纤通信系统有着不可忽偏振模色散对高速大容量光纤通信系统有着不可忽偏振模色散对高速大容量光纤通信系统有着不可忽偏振模色散对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响，并被认为是视的影响，并被认为是视的影响，并被认为是视的影响，并被认为是限制光纤通信系统传输容量和距限制光纤通信系统传输容量和距限制光纤通信系统传输容量和距限制光纤通信系统传输容量和距离的最终因素离的最终因素离的最终因素离的最终因素。

所以自九十年代以来，已引起业界的广所以自九十年代以来，已引起业界的广所以自九十年代以来，已引起业界的广所以自九十年代以来，已引起业界的广泛关注，并已成为目前国际上光纤通信领域研究的热点泛关注，并已成为目前国际上光纤通信领域研究的热点泛关注，并已成为目前国际上光纤通信领域研究的热点泛关注，并已成为目前国际上光纤通信领域研究的热点 按照国际标准技术规范小组的观点：为保证按照国际标准技术规范小组的观点：为保证按照国际标准技术规范小组的观点：为保证按照国际标准技术规范小组的观点：为保证PMDPMDPMDPMD导致导致导致导致的系统功率代价在的系统功率代价在的系统功率代价在的系统功率代价在1 1 1 1dBdBdBdB以下，偏振模色散的平均值必须小以下，偏振模色散的平均值必须小以下，偏振模色散的平均值必须小以下，偏振模色散的平均值必须小于一比特周期的十分之一于一比特周期的十分之一于一比特周期的十分之一于一比特周期的十分之一 当大于这一规定值时，需对当大于这一规定值时，需对当大于这一规定值时，需对当大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！在单信道速率达系统偏振模色散进行补偿！在单信道速率达系统偏振模色散进行补偿！在单信道速率达系统偏振模色散进行补偿！在单信道速率达40404040Gb/sGb/sGb/sGb/s的系统的系统的系统的系统中中中中, , , ,PMDPMDPMDPMDPMDPMDPMDPMD的补偿技术处于研究阶段的补偿技术处于研究阶段的补偿技术处于研究阶段的补偿技术处于研究阶段. . . .偏振模色散对信号传输的影响偏振模色散对信号传输的影响偏振模色散对信号传输的影响偏振模色散对信号传输的影响第七章第七章 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计7.1 7.1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构7.2 7.2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制7.3 7.3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制7.4 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响7.5 7.5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰7.6 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响•受激非弹性散射受激非弹性散射受激非弹性散射受激非弹性散射- -受激布里渊散射受激布里渊散射受激布里渊散射受激布里渊散射( (SBS)SBS)- -受激喇曼散射受激喇曼散射受激喇曼散射受激喇曼散射( (SRS)SRS)•非线性折射率非线性折射率非线性折射率非线性折射率- -自相位调制自相位调制自相位调制自相位调制( (SPM)SPM)- -互相位调制互相位调制互相位调制互相位调制( (XPM)XPM)- -四波混频四波混频四波混频四波混频( (FWM)FWM)一、一、SBS特点：特点：特点：特点：•只有后向散射只有后向散射只有后向散射只有后向散射•增益带宽窄增益带宽窄增益带宽窄增益带宽窄，，，，只影响本信道功率只影响本信道功率只影响本信道功率只影响本信道功率•功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低功率阈值越低功率阈值越低功率阈值越低减小减小减小减小SBSSBS对系统影响的主要措施对系统影响的主要措施对系统影响的主要措施对系统影响的主要措施（避免）（避免）（避免）（避免）：：：：•减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）•增加光源线宽（色散限制）增加光源线宽（色散限制）增加光源线宽（色散限制）增加光源线宽（色散限制）二、二、SRS特点：特点：特点：特点：• •以前向散射为主，但也有后向散射以前向散射为主，但也有后向散射以前向散射为主，但也有后向散射以前向散射为主，但也有后向散射• •增益带宽宽（约增益带宽宽（约增益带宽宽（约增益带宽宽（约125125nmnm），），），），影响其它信道功率影响其它信道功率影响其它信道功率影响其它信道功率• •在在在在WDMWDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频系统中，较高频率的信号成为所有较低频系统中，较高频率的信号成为所有较低频系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大，率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大，率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大，率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大，减小减小减小减小SRSSRSSRSSRS对系统影响的主要措施：对系统影响的主要措施：对系统影响的主要措施：对系统影响的主要措施：• •减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）• •减小信道间隔减小信道间隔减小信道间隔减小信道间隔• •减小光纤的非线性系数减小光纤的非线性系数减小光纤的非线性系数减小光纤的非线性系数   1 1    2 2    3 3    4 4   1 1    2 2    3 3    4 4fiberfiber三、三、SPM and XPM来源：来源：折射率对光强的依赖关系导致折射率对光强的依赖关系导致光场在光纤中传输引起光场的光场在光纤中传输引起光场的非线性相移非线性相移影响：影响：非线性相移非线性相移通过色散的作用转变为通过色散的作用转变为信号强度的畸变信号强度的畸变由于色散和非线性（主要是由于色散和非线性（主要是SPM、、XPM））的相互作用，的相互作用，色散补偿不能仅仅考虑补偿色散，色散补偿不能仅仅考虑补偿色散，非线性效应的影响必须被考虑非线性效应的影响必须被考虑色散管理色散管理综合考虑综合考虑综合考虑综合考虑GVD,SPMGVD,SPM和和和和XPMXPM的色散管理方案的色散管理方案的色散管理方案的色散管理方案• •欠补偿（总色散以及各光纤段均欠补偿）欠补偿（总色散以及各光纤段均欠补偿）欠补偿（总色散以及各光纤段均欠补偿）欠补偿（总色散以及各光纤段均欠补偿）• •发射端预补偿（减小色散积累）发射端预补偿（减小色散积累）发射端预补偿（减小色散积累）发射端预补偿（减小色散积累）• •接收端后补偿接收端后补偿接收端后补偿接收端后补偿DCFDCF-1320-1320ps/nmps/nmDCFDCF-671-671ps/nmps/nmDCFDCF-1320-1320ps/nmps/nmDCFDCF-1320-1320ps/nmps/nmDCFDCF-1320-1320ps/nmps/nmDCFDCF-671-671ps/nmps/nmOMUOMUODUODUboostboost特点：特点：特点：特点：小的色散光纤，相位匹配易于满足，小的色散光纤，相位匹配易于满足，小的色散光纤，相位匹配易于满足，小的色散光纤，相位匹配易于满足，FWMFWM越越越越加严重，色散能够破坏相位匹配，减小加严重，色散能够破坏相位匹配，减小加严重，色散能够破坏相位匹配，减小加严重，色散能够破坏相位匹配，减小FWMFWM。

故应在色散与故应在色散与故应在色散与故应在色散与FWMFWM之间取折衷之间取折衷之间取折衷之间取折衷-- --NZDSFNZDSF减小影响的措施：减小影响的措施：减小影响的措施：减小影响的措施：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减小光功率、减小光功率、减小光功率、减小光功率、 相邻信道正交偏振、色散欠补偿相邻信道正交偏振、色散欠补偿相邻信道正交偏振、色散欠补偿相邻信道正交偏振、色散欠补偿四、四、FWM对系统的影响对系统的影响对系统的影响对系统的影响：：：：形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能第七章第七章 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计7.1 7.1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构7.2 7.2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制7.3 7.3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制7.4 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响7.5 7.5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰7.6 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算7.5 信道串扰信道串扰n n信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰CrosstalkCrosstalk：：：：WDMWDM系统中的器件均会引起系统中的器件均会引起系统中的器件均会引起系统中的器件均会引起信道串扰，包括滤波器、波长复用器信道串扰，包括滤波器、波长复用器信道串扰，包括滤波器、波长复用器信道串扰，包括滤波器、波长复用器/ /解复用器、光开解复用器、光开解复用器、光开解复用器、光开关及半导体光放大器等，连光纤本身也会由于非线性关及半导体光放大器等，连光纤本身也会由于非线性关及半导体光放大器等，连光纤本身也会由于非线性关及半导体光放大器等，连光纤本身也会由于非线性效应而引起串扰。

这会引起功率代价效应而引起串扰这会引起功率代价效应而引起串扰这会引起功率代价效应而引起串扰这会引起功率代价gg同频串扰同频串扰同频串扰同频串扰 Intrachannel crosstalkIntrachannel crosstalk 与信号光频率相同与信号光频率相同与信号光频率相同与信号光频率相同( (非常接近非常接近非常接近非常接近) )的串扰，均落入接收机的串扰，均落入接收机的串扰，均落入接收机的串扰，均落入接收机带宽内无法滤除，对系统影响严重，最终限制系统的带宽内无法滤除，对系统影响严重，最终限制系统的带宽内无法滤除，对系统影响严重，最终限制系统的带宽内无法滤除，对系统影响严重，最终限制系统的传输距离传输距离传输距离传输距离gg异频串扰异频串扰异频串扰异频串扰 Interchannel crosstalkInterchannel crosstalk 与信号光频率有较大偏离的串扰，表现为一种加性的与信号光频率有较大偏离的串扰，表现为一种加性的与信号光频率有较大偏离的串扰，表现为一种加性的与信号光频率有较大偏离的串扰，表现为一种加性的噪声，恶化信号消光比，可通过滤波器滤除的串扰，噪声，恶化信号消光比，可通过滤波器滤除的串扰，噪声，恶化信号消光比，可通过滤波器滤除的串扰，噪声，恶化信号消光比，可通过滤波器滤除的串扰，对系统影响较小对系统影响较小对系统影响较小对系统影响较小一、同频串扰一、同频串扰n n来源：复用来源：复用来源：复用来源：复用/ /解复用器对、光开关等解复用器对、光开关等解复用器对、光开关等解复用器对、光开关等   1 1signalsignalsignalsignalleakageleakage   1 1   1 1   1 1signalsignalcrosstalkcrosstalk   1 1signalsignal   1 1   1 1signalsignalcrosstalkcrosstalkOptical switchOptical switchAlthough both signals contain the same data, they are not in phase with each other, due to different delays encountered by them.MuxMuxDemuxDemux   1 1   2 2Cascaded wavelength Cascaded wavelength demultiplexer and multiplexerdemultiplexer and multiplexer•同频串扰功率代价同频串扰功率代价同频串扰功率代价同频串扰功率代价• •对于有对于有对于有对于有NN个同频串扰源的情况，上式中的个同频串扰源的情况，上式中的个同频串扰源的情况，上式中的个同频串扰源的情况，上式中的替代为替代为替代为替代为假定串扰光频率与信号频率完全相同，假定串扰光频率与信号频率完全相同，假定串扰光频率与信号频率完全相同，假定串扰光频率与信号频率完全相同，P P表示信号光功率，表示信号光功率，表示信号光功率，表示信号光功率，   P P代表平均串扰光功率。

代表平均串扰光功率代表平均串扰光功率代表平均串扰光功率在带有光预放大或在带有光预放大或在带有光预放大或在带有光预放大或APDAPD接收机接收机接收机接收机中，如果只考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入中，如果只考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入中，如果只考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入中，如果只考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入的功率代价为：的功率代价为：的功率代价为：的功率代价为：二、异频串扰二、异频串扰n n来源：解复用器、光开关等来源：解复用器、光开关等   1 1   2 2signalsignalcrosstalkcrosstalkcrosstalkcrosstalksignalsignal   2 2signalsignal   1 1Optical switch with inputs Optical switch with inputs at different wavelengthsat different wavelengths   1 1signalsignalcrosstalkcrosstalk   2 2DemuxDemux   1 1   2 2An optical demultiplexerAn optical demultiplexer异频串扰会导致信号消光比恶化，同样令异频串扰会导致信号消光比恶化，同样令异频串扰会导致信号消光比恶化，同样令异频串扰会导致信号消光比恶化，同样令   为串扰功率对信为串扰功率对信为串扰功率对信为串扰功率对信号功率的比值，号功率的比值，号功率的比值，号功率的比值，在带有光预放大或在带有光预放大或在带有光预放大或在带有光预放大或APDAPD接收机中，如果只接收机中，如果只接收机中，如果只接收机中，如果只考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入的功率代价为：考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入的功率代价为：考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入的功率代价为：考虑与信号功率相关的噪声的情况下，引入的功率代价为：•异频串扰功率代价异频串扰功率代价异频串扰功率代价异频串扰功率代价• •对于有对于有对于有对于有NN个同频串扰源的情况，上式中的个同频串扰源的情况，上式中的个同频串扰源的情况，上式中的个同频串扰源的情况，上式中的   替代为替代为替代为替代为•模噪声模噪声: LD+ LD+多模光纤中的噪声多模光纤中的噪声多模光纤中的噪声多模光纤中的噪声( (千兆以太网、光纤接入网千兆以太网、光纤接入网千兆以太网、光纤接入网千兆以太网、光纤接入网) )与斑图相关的强度不均匀分布自身是无害的，因为接收机性与斑图相关的强度不均匀分布自身是无害的，因为接收机性与斑图相关的强度不均匀分布自身是无害的，因为接收机性与斑图相关的强度不均匀分布自身是无害的，因为接收机性能由探测器面积分所得总功率决定。

然而如果斑图随时间波能由探测器面积分所得总功率决定然而如果斑图随时间波能由探测器面积分所得总功率决定然而如果斑图随时间波能由探测器面积分所得总功率决定然而如果斑图随时间波动，将导致接收功率的波动并附加到总的接收机噪声中，导动，将导致接收功率的波动并附加到总的接收机噪声中，导动，将导致接收功率的波动并附加到总的接收机噪声中，导动，将导致接收功率的波动并附加到总的接收机噪声中，导致信噪比降低致信噪比降低致信噪比降低致信噪比降低光源的相干性越大光源的相干性越大光源的相干性越大光源的相干性越大( (小小小小) )，噪声越强，噪声越强，噪声越强，噪声越强( (弱弱弱弱) )在多模光纤中，由于振动和微弯在多模光纤中，由于振动和微弯在多模光纤中，由于振动和微弯在多模光纤中，由于振动和微弯等机械扰动，各传输模式间的干等机械扰动，各传输模式间的干等机械扰动，各传输模式间的干等机械扰动，各传输模式间的干涉在光检测器受光面上产生了一涉在光检测器受光面上产生了一涉在光检测器受光面上产生了一涉在光检测器受光面上产生了一个斑纹图样，称为斑图个斑纹图样，称为斑图个斑纹图样，称为斑图个斑纹图样，称为斑图•模分配噪声模分配噪声: : 多纵模半导体激光器在调制时，其各个模式一般是多纵模半导体激光器在调制时，其各个模式一般是多纵模半导体激光器在调制时，其各个模式一般是多纵模半导体激光器在调制时，其各个模式一般是不稳定的，即使各模式功率的总和（总功率）不随时间不稳定的，即使各模式功率的总和（总功率）不随时间不稳定的，即使各模式功率的总和（总功率）不随时间不稳定的，即使各模式功率的总和（总功率）不随时间而变，但各个模式的功率却随时间呈随机波动。

当不存而变，但各个模式的功率却随时间呈随机波动当不存而变，但各个模式的功率却随时间呈随机波动当不存而变，但各个模式的功率却随时间呈随机波动当不存在色散时，所有模式在传输和检测中保持同步，这种波在色散时，所有模式在传输和检测中保持同步，这种波在色散时，所有模式在传输和检测中保持同步，这种波在色散时，所有模式在传输和检测中保持同步，这种波动是无害的但在实际有色散光纤中，工作于不同波长动是无害的但在实际有色散光纤中，工作于不同波长动是无害的但在实际有色散光纤中，工作于不同波长动是无害的但在实际有色散光纤中，工作于不同波长的模式将以不同的速度传播，造成各模式间不同步，引的模式将以不同的速度传播，造成各模式间不同步，引的模式将以不同的速度传播，造成各模式间不同步，引的模式将以不同的速度传播，造成各模式间不同步，引起接收机电流附加的随机波动，信噪比降低，这种现象起接收机电流附加的随机波动，信噪比降低，这种现象起接收机电流附加的随机波动，信噪比降低，这种现象起接收机电流附加的随机波动，信噪比降低，这种现象称为模分配噪声，需要付出功率代价称为模分配噪声，需要付出功率代价称为模分配噪声，需要付出功率代价。

称为模分配噪声，需要付出功率代价第七章第七章 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计7.1 7.1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构7.2 7.2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制7.3 7.3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制7.4 7.4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响7.5 7.5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰7.6 7.6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算7.6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算n n光纤损耗与色散对系统的传输距离光纤损耗与色散对系统的传输距离光纤损耗与色散对系统的传输距离光纤损耗与色散对系统的传输距离L L和比特率和比特率和比特率和比特率BB具具具具有固有的限制有固有的限制有固有的限制。

有固有的限制n n还需考虑其他问题，如：工作波长、光纤、光发还需考虑其他问题，如：工作波长、光纤、光发还需考虑其他问题，如：工作波长、光纤、光发还需考虑其他问题，如：工作波长、光纤、光发送机、光接收机、各种光无源器件的性能价格比、送机、光接收机、各种光无源器件的性能价格比、送机、光接收机、各种光无源器件的性能价格比、送机、光接收机、各种光无源器件的性能价格比、系统可靠性及扩容升级要求等系统可靠性及扩容升级要求等系统可靠性及扩容升级要求等系统可靠性及扩容升级要求等n n功率预算目的：功率预算目的：功率预算目的：功率预算目的：使光纤通信系统在整个寿命期间，使光纤通信系统在整个寿命期间，使光纤通信系统在整个寿命期间，使光纤通信系统在整个寿命期间，确保有足够的光功率到达光接收机，以保证系统确保有足够的光功率到达光接收机，以保证系统确保有足够的光功率到达光接收机，以保证系统确保有足够的光功率到达光接收机，以保证系统有稳定可靠的性能有稳定可靠的性能有稳定可靠的性能有稳定可靠的性能• 功率预算功率预算 （用（用dBm表示）表示）信道损耗包括：信道损耗包括：信道损耗包括：信道损耗包括：光纤损耗光纤损耗光纤损耗光纤损耗( ( ( (dB/km)dB/km)dB/km)dB/km)连接损耗连接损耗连接损耗连接损耗dB,dB,dB,dB,活动连接活动连接活动连接活动连接<1<1<1<1dB)dB)dB)dB)发射功率发射功率发射功率发射功率接收灵敏度接收灵敏度接收灵敏度接收灵敏度系统功率余量系统功率余量系统功率余量系统功率余量信道总损耗信道总损耗信道总损耗信道总损耗功率余量：功率余量：功率余量：功率余量：• • 元器件老化元器件老化元器件老化元器件老化• • 温度变化温度变化温度变化温度变化• • 其他不可预知事件引其他不可预知事件引其他不可预知事件引其他不可预知事件引起的功率亏损起的功率亏损起的功率亏损起的功率亏损• • 设计时通常取设计时通常取设计时通常取设计时通常取6-86-86-86-8dBdBdBdB传输距离传输距离传输距离传输距离: : : :传输距离传输距离传输距离传输距离( ( ( (km)km)km)km)•功率预算示例功率预算示例长距离单模光纤通信系统，工作波长在长距离单模光纤通信系统，工作波长在长距离单模光纤通信系统，工作波长在长距离单模光纤通信系统，工作波长在   m.m.• • 发射功率发射功率发射功率发射功率 P PT T = -4dBm = -4dBm• • dB/kmdB/km• • dB/kmdB/km• • 发射机和接收机端的连接损耗发射机和接收机端的连接损耗发射机和接收机端的连接损耗发射机和接收机端的连接损耗= 1= 1dB dB （（（（每个）每个）每个）每个）• • APD APD接收机所需的平均功率：接收机所需的平均功率：接收机所需的平均功率：接收机所需的平均功率： 比特率比特率比特率比特率 400 400MbitMbit/s (BER 10/s (BER 10-9-9) = -44dBm) = -44dBm比特率比特率比特率比特率 40 40MbitMbit/s (BER 10/s (BER 10-9-9) = -52dBm) = -52dBm• • 功率余量功率余量功率余量功率余量 = 6 = 6dBdB比特率为比特率为比特率为比特率为400 Mbit/s (BER 10400 Mbit/s (BER 10-9-9) ) 时，无需中继器，时，无需中继器，时，无需中继器，时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）• 解答：解答：n n比特率为比特率为比特率为比特率为400 Mbit/s (BER 10400 Mbit/s (BER 10-9-9) ) 最大允许链路损耗最大允许链路损耗最大允许链路损耗最大允许链路损耗= -4 – (-44) = 40= -4 – (-44) = 40dBdB 光纤损耗光纤损耗光纤损耗光纤损耗 ( (光纤光纤光纤光纤+dB+0.2dB) x L+dB+0.2dB) x L 连接器损耗连接器损耗连接器损耗连接器损耗 = 2 = 2dB ( 2dB ( 2个连接器个连接器个连接器个连接器, , 每个每个每个每个1 1 dB)dB) 系统余量系统余量系统余量系统余量= 6dB= 6dB L+2+6)dB L+2+6)dB最大传输距离最大传输距离最大传输距离最大传输距离= (40-2-6)/0.5 km = 64km (= (40-2-6)/0.5 km = 64km (答案答案答案答案) )比特率为比特率为比特率为比特率为40 Mbit/s (BER 1040 Mbit/s (BER 10-9-9) ) 时，无需中继器，所时，无需中继器，所时，无需中继器，所时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）能传输的最长距离？（不考虑色散代价）能传输的最长距离？（不考虑色散代价）能传输的最长距离？（不考虑色散代价）8080kmkm。