【教学】第5章光纤通信系统.ppt

第五讲光纤通信系统整理课件主要内容5.1光通信线路组成5.2光纤通信系统的设计5.3光放大器5.4多路信号复用5.5波分复用5.6同步数字系列（SDH）第5章波分复用光纤通信系统5.1光纤通信系统新技术简述 5.2波分复用（WDM）技术5.3光中继器5.3.1光电转换型中继器5.3.2全光型中继器概述5.3.3掺铒光纤放大器（EDFA）5.3.4光纤拉曼放大器（FRA）5.3.6半导体光放大器（SOA）第6章光纤数字通信系统的传输规范6.1光纤数字通信系统的两种主要传输制式6.1.2同步数字系列（SDH）6.2光纤数字通信系统的基本质量指标6.3光纤数字通信系统的基本设计6.4光纤数字通信系统的测量整理课件5.1光通信线路组成1、点到点单用户线路光发送机光接收机光发送机光接收机光发送机光接收机光接收机光发送机光缆光缆光端机光端机整理课件2、点到点多用户线路多路信号复用多路信号解复用多路信号复用多路信号解复用光端机光端机电端机电端机电源公务、管理整理课件3、远距离线路光端机光端机电端机电端机中继站中继站远距离信号损耗衰减中继站的作用：补偿光纤的损耗和色散1）光信号放大（补偿光纤损耗）2）光信号脉冲再生（消除补偿光纤的色散）中继方式：1）光信号直接放大-光放大器2）光端机光端机光端机整理课件中继器（中继站）中继器（中继站） 随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。

因输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真因此，需要中继器来进行修复此，需要中继器来进行修复3R3R： re-amplifyingre-amplifying 再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能） re-timingre-timing 再定时再定时 （消除时间抖动）（消除时间抖动） re-shapingre-shaping 再整形再整形 （消除波形畸变）（消除波形畸变）光端机光端机电端机电端机中继站中继站通过这通过这3 3个个R R，得到接近于发射端的光信号，得到接近于发射端的光信号从而延长传输距离，提高信号质量从而延长传输距离，提高信号质量整理课件 3R3R再生功能再生功能放大放大消除波消除波形畸变形畸变消除时消除时间抖动间抖动整理课件4、远距离光通信链路终端站中继站分路站枢纽站（中心站）为了节约建设成本，往往是一缆多对光纤，并行传输,m对为了防止线路故障中断，往往留有备份线路因此线路中，应有线路质量检测和倒换设备中间站通信站终端站终端站终端站中间站分路站枢纽站中继站将一系列点到点光纤线路组合并连起来，就形成光通信链路光通信链路也是一种基本的光通信网络整理课件复用段、数字段中继段当发生线路故障中断时，在该复用段倒换线路-用备份线路代替工作线路整理课件5、光纤通信网络光纤通信网络是由光传输系统连接的信息传输网络。

1）基本拓扑结构类型a)点对点(b)线形总线网(c)环形网(d)星形网(e)树形网(f)网格形网光纤通信网络由网络节点和线路组成整理课件（2）网络结构分类城域/本地网多采用环形结构接入网通常是环形和星形的复合结构骨干网多采用网状结构按层次划分：分为骨干网，本地网和接入网按分布区域划分：广域网、城域网，局域网整理课件5.2系统的设计系统设计的主要任务是:选择最佳路由和局站设置传输体制和传输速率光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标以使系统的实施达到最佳的性能价格比在技术上，系统设计的主要问题是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整理课件系统设计的一般步骤1）选定传输速率和传输制式2）选定工作波长3）选定光源和光检测器件4）选定光纤光缆类型5）选定路由、估算中继距离6）估算误码率整理课件S和R两点之间光纤线路总损耗不能超过系统的总功率衰减L为中继距离(km)f光纤损耗系数(dB/km)s光纤平均接头损耗(dB/km)Pt为平均发射光功率(dBm)Pr为接收灵敏度(dBmc为连接器损耗(dB/对)Me为系统功率余量(dB)Mm为系统功率代价(dB)受光纤线路损耗限制的中继距离为5.2.1中继距离受损耗的限制光纤总损耗系统允许总衰减整理课件 连接器损耗一般为0.31 dB/对。

光纤损耗系数f取决于光纤类型和工作波长，例如单模光纤在1310nm,f为0.40.45dB/km;在1550nm,f为0.220.25dB/km平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光纤平均接头损耗s可根据光缆生产长度计算得到光纤系统代价Mm在一个中继段总余量不超过5dB系统余量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整理课件最大色散/psnm-1最大损耗/dB120（多纵模）2424131015504139.264300（多纵模）282813101550139.264不要求（多纵模）35131034.368不要求4013108.448S和R之间的容限BER110-10标称波长/nm标称速率/（Mbs-1）根据ITU-T(原CCITT)G.955建议，用LD作光源的常规单模光纤(G.652)系统，在S和R之间数字光纤线路的容限如表整理课件5.3.2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，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整理课件不归零码归零码T不归零码归零码RZT矩形脉冲高斯脉冲光纤通信传输信号码型有一定占空比高电平在一个周期之内所占的时间比率101011整理课件高斯脉冲t为均方根(rms)脉冲宽度高斯脉冲的码间干扰定义为相对rms脉冲宽度脉冲半高全宽度(FWHM)=/0.4247整理课件13.510-24.410-21.710-23.910-33.410-40.500.400.350.300.25a=/T相对rms脉冲宽度a和码间干扰 的关系当a=0.25时，码间干扰只有峰值的0.034%，完全可以忽略不计当a=0.5时，增加到13.5%，此时功率代价为78dB，难以通过均衡进行补偿一般系统设计选取a=0.250.35，功率代价不超过2dB对于宽光谱光源，在非零色散波长整理课件在这个基础上，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：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。

是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLM-LD,=0.115对于SLM-LD，=0.306a=0.250.35整理课件由于光纤制造工艺的偏差，光纤的零色散波长不会全部等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内光源的峰值波长也是分配在一定波长范围内，并不总是和光纤的零色散波长度相重合对于G.652规范的单模光纤波长为12851330nm，色散系数D不得超过3.5ps/(nmkm)波长为12701340nm,D不得超过6ps/(nmkm)整理课件(1)光纤通信系统的中继距离受损耗限制时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2)中继距离受色散限制时对于MLM-LD,=0.115对于SLM-LD，=0.3065.1光通信线路组成5.2光纤通信系统的设计估算中继距离整理课件设系统平均发射功率Pt=-3dBm,接收灵敏度Pr=-42dBm，功率代价Mm=6dB，设备余量Me=3dB，连接器损耗c=0.3dB/对，光纤损耗系数f=0.35dB/km,光纤平均接头损耗s=0.04dB/km例：计算140Mb/s单模光纤通信系统中继距离得到中继距离解：线路码速率fb=140Mb/s,|D|=3.0ps/(nmkm)，MLM-LD=2.5nm。

1）损耗限制系统Pt=-3dBmPr=-42dBmc=0.3dB/对Mm=6dBMe=3dBf=0.35dB/kms=0.04dB/km整理课件在工程设计中，中继距离应取75.3km在本例中中继距离主要受损耗限制MLM-LD,=0.115（2）色散限制系统fb=140Mb/s,|D|=3.0ps/(nmkm)，MLM-LD=2.5nm得到中继距离整理课件中继距离和传输速率的关系，包括损耗限制和色散限制的结果Gb/s对于波长为0.85m的多模光纤，由于损耗大，中继距离一般在20km以内传输速率很低，SI光纤的速率不如同轴线，GI光纤的速率在0.1Gb/s以上就受到色散限制单模光纤在长波长工作，损耗大幅度降低，中继距离可达100200km在1.31m零色散波长附近，当速率超过1Gb/s时，中继距离才受色散限制在1.55m波长上，由于色散大，通常要用单纵模激光器，理想系统速率可达5Gb/s整理课件0.85m,SIF光纤，fbL0.011=0.01(Gb/s)km0.85m,GIF光纤，fbL0.120=2.0(Gb/s)km1.31m,SMF光纤，fbL1125=125(Gb/s)km1.55m,SMF光纤，fbL275=150(Gb/s)km1.55m,DSF光纤，fbL2080=1600(Gb/s)km 把反映光纤传输系统技术水平的指标：速率距离(fbL)乘积大体归纳如下：整理课件5.3光放大器光放大器分类半导体光放大器掺铒光纤放大器光纤拉曼放大器整理课件5.3.1光放大器分类整理课件5.3.2半导体光放大器 1 半导体光放大器原理 2 半导体光放大器特性 3 半导体光放大器的应用(SOA,SemiconductorOpticalAmplifier)整理课件半导体光放大器外形整理课件 半导体光放大器的机理与激光器的相同，通过受激发射放大入射光信号。

光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益 增益不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质1、半导体光放大器原理整理课件 行波光放大器是一个没有反馈的激光器 其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益行波半导体光放大器整理课件 减小半导体激光器腔体界面反射，可使激光器变为放大器放大器就称为F-P放大器F-P谐振腔反射率R 越大，SOA的增益越大但是，当R 超过一定值后，光放大器将变为激光器F-PSOA整理课件2半导体激光放大器（SOA）特性 增益：芯片3035dB,除810dB的耦合损耗外，还有2225dB的增益； 带宽：很宽，3dB带宽约为70nm（9THz）可以对窄至几个ps 的超窄光脉冲进行放大； 噪声：典型值为57dB； 可与光发射机和接收机一起单片集成在一起； 缺点：对偏振方向非常敏感整理课件半导体光放大器带宽和增益频谱曲线法布里-玻罗放大器(F-PA)和行波放大器(TWA)的带宽比较行波光放大器的增益与波长的关系整理课件波长可调激光器+光放大+调制器集成化器件整理课件表几种商用半导体光放大器（SOA）性能指标整理课件3半导体光放大器的应用 SOA存在增益受偏振影响、信道交叉串扰以及耦合损耗较大等缺点，所以不能作为放大器使用。

SOA可以在1.3m光纤系统中作为光放大使用，因为一般的EDFA不能在该窗口使用 SOA芯片具有高达3035dB的增益，除输入和输出端存在总共810dB的耦合损耗外，还有2225dB的增益 另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大 在DWDM光纤通信中，可作为波长路由器中的波长转换和快速交换器件使用 在OTDM中，也可以用作时钟恢复和解复。