光纤通信5-线路12

第五章光纤通信系统（线路）主要内容光通信线路组成点到点链路的设计光放大器多路信号复用波分复用线路误码特性§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2、点到点多用户线路多路信号复用12n多路信号解复用1n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和脉冲展宽中继站的作用：1）光信号放大2）脉冲信号再生中继方式：两个光端机只补偿功率衰减：光信号直接放大-------光放大器中继站：功率衰减和脉冲展宽都补偿光端机光端机补偿光纤对光信号的影响：（1）光功率衰减；（2）光脉冲展宽4、远距离光通信链路(网络)终端站终端站终端站终端站终端站分路站枢纽站中间站中间站中继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将多个（城镇）通信站用光纤连起来形成一系列点到点的通信线路，使通信站之间两两互通。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§5.2点到点链路的设计设备主要器件参数的确定,设备选型系统速率的确定路由设计中继距离的确定损耗限制系统色散限制系统链路中继距离设计（1）损耗限制系统)(dBmPt)(dBlc)(dBlc)(dBmPr)(kmL)/(kmdBf)/(kmdBc发送功率接收机灵敏度连接器损耗光纤损耗接续损耗中继段LlPPcfcrt)(2)()(dBPdBP裕量代价代价P由于现场环境等因素引起系统性能变差，导致灵敏度降低的影响如：消光比恶化、激光器噪声、反射噪声、、模式分配噪声、定时抖动、频率Chirp裕量P老化使系统性能的下降损耗限制系统中继距离计算公式cfcRtlPPdBmPdBmPkmL2)()()()(代价余量链路总的展宽时间等于各个因素引起的脉冲展宽时间的平方和的平方根systit2/112Niisystt发送机展宽时间；光纤色散展宽时间；接收机展宽时间。txtrxt（2）展宽时间预算－－色散限制使光脉冲展宽限制系统数据速率的基本因素是：Dt单模光纤的最大传输距离满足DBL41如果不考虑发射和接收机对展宽的影响cfcRslPPdBmPdBmPkmL2)()()()(代价余量损耗限制系统色散限制系统DBL411、光放大器类型§5.3光放大器直接对光信号进行功率放大的器件。在光通信线路中用于补偿光功率损耗。2、掺铒光纤放大器EDFAEDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier掺铒光纤能放大光信号的基本原理在于铒离子能吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转，当波长为1.55μm的信号光通过已被激活的掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与激发该跃迁的光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。（1）EDFA的工作原理2/154I2/134I2/114I2/94I2/112H基态亚稳态激发态nm1550nm1480nm980nm800nm800铒离子的能级EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成（2）EDFA组成EDFA基本配置结构EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。反向泵浦信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦。双向泵浦同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。输入功率（dBm）0-20-1001020输出功率(dBm)输出饱和光功率输入功率（dBm）G（4）EDFA特性1.增益特性2.增益系数)(PPGPPGK增益系数3.噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源。EDFA的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种。噪声是决定EDFA性能的主要因素。衡量EDFA的噪声特性可用噪声指数F来度量。ＥＤＦＡ优点:（1）工作波长与光纤的最小窗口和目前的波分窗口相对应。（2）耦合效率高。（3）增益与偏振态无关。（5）增益高、输出功率大。（4）所需的泵浦功率小。（6）噪声小Nf=4—7dB(7)对信号和传输速率透明，兼容各种制式（8）频带宽工作波长：１５３０nm～１５６０nm（9）WDM无串话EDFA的应用在长距离、大容量、高速率光纤通信系统中，EDFA有多种应用形式，其基本作用是：（1）延长中继距离，使无中继传输达数百公里。（2）与波分复用技术结合，可迅速简便地实现扩容。（3）与光孤子技术结合，可实现超大容量、超长距离光纤通信。基本应用形式3、光纤拉曼放大器FRA从理论上讲，只要有合适功率的高功率泵浦源，它就可以放大任意波长的信号。可以在速率高达40Gbit/s的高速光网络中发挥重要作用。拉曼光纤放大器是利用受激拉曼散射效应，以光纤作为增益介质而实现的全光放大器。适合于任何类型的光纤，且成本较低。它的增益带宽很宽，能在1260nm到1675nm的光谱上进行放大，带宽可达40THz.(FiberRamanAmplifier)光纤拉曼放大原理频率下移量由介质的振动模式决定。光纤拉曼放大器的工作原理是基于光纤中的受激拉曼散射效应。当强泵浦激光输入到光纤中时，被光纤中的一个分子散射成为另一个低频光子，分子完成振动态之间的跃迁。受激拉曼散射将光纤中一部分入射泵浦光频率下移转移到另一频率的信号光功率。这样，当弱信号光与强泵浦光同时在光纤中传输，且信号光波长在泵浦光的拉曼增益谱内，光能量将会从泵浦光转移到信号光，从而实现光放大。光纤拉曼放大器结构光纤拉曼放大器的分类集中式光纤拉曼放大器是将拉曼光纤放大器与传输线分开，作为独立元件。集中式所用增益光纤相对较短，泵浦功率很高，可产生40dB以上的高增益，放大EDFA不能放大的波段。依据泵浦方式的不同，拉曼光纤放大器可分为三种结构:前向泵浦后向泵浦双向泵浦光纤拉曼放大器具有两种类型：集中式分布式分布式光纤拉曼放大器使用传输光纤本身作增益介质，与集中式相比，具有更低的噪声系数，主要和EDFA配合使用，提高系统的整体性能。光纤拉曼放大器的特性(1)拉曼放大是一个非谐振过程，其增益响应仅依赖于泵浦光波长及其带宽，选择合适的泵浦源就可得到任意波长的放大。对于开发光纤的整个低损耗区具有无可替代的作用。(2)增益介质为传输光纤本身，与光纤系统具有良好的兼容性，它可利用现已大量铺设的G．652或G．655光纤作为增益介质，对光信号进行分布式放大，从而实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。(3)串扰小、温度稳定性好、噪声指数低。(4)光纤拉曼放大器的饱合功率高，增益谱调整的方式直接而且多样，放大作用的时间短，可实现对超短脉冲的放大。缺点：需要特大功率的泵浦源，这是一个比较苛刻的要求；对光的偏振态较敏感，可以通过增加偏振光耦合器来解决；拉曼放大器的噪声特性光纤拉曼放大器中主要有三种噪声，一是放大器自发辐射（ASE）噪声，二是串话噪声，三是瑞利散射噪声。另外，拉曼放大器还会受非线性和受激布里渊散射造成的噪声影响。§5.4多路信号复用技术1、多路信号复用方式的分类FDMTDMCDM多路电信号复用方式多路光信号复用方式WDM----DWDM(OFDM)OTDMOCDM频分复用时分复用码分复用密集波分复用2、TDM同步时分复用准同步时分复用异步时分复用在频域划分子信道在时域划分子信道正交编码，不同信道码型正交收发同步时钟时钟111122223333同步时分复用112233异步时分复用11322PDHSDHATMIP3、PDH速率等级数字复用等级包含64Kb/s信道的数目数据率（Mb/s）北美欧洲日本010.0640.0640.0641（次群）241.5541.554302.048483.1523.1522（次群）966.3126.3121208.4483（次群）48034.36832.06467244.376134491.053144097.7284（次群）1920139.2644032274.1765760397.200skBit/3064skb/6424/048.2sMb4/4488.8sMb4/368.34sMbsMb/264.139一次群二次群三次群四次群4、PDH数字复接正码速调整速率调整同步复用定时系统时钟帧同步发生器分路恢复定时提取低速码流高速码流4/048.2sMbsMb/4488.8§5.5波分复用技术WDM，WavelengthDivisionMultiplexing1、光波分复用的基本概念2、WDM系统的特点3、WDM系统的基本结构与工作原理4、光波分复用系统的关键技术光波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技术是在一根光纤上能同时传送多波长光信号的一项技术。1、光波分复用的基本概念它是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用）并作进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。因此，此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用（WDM）技术。单模光纤的带宽100nm100nmDWDM在光纤同一低损耗窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用。两个波长之间的间隔为0.8nm、1.6nm或更低。密集波分复用DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing8n1550nm波长WDM系统的基本形式1.双纤单向传输2.单纤双向传输3.光分路插入传输双纤单向传输单纤双向传输光分路插入传输波分复用器解复用器光纤λ1λ2λ3λnλ1λ2λ3λn……λ1λ2...λnTTTRR波分复用器（也称合波器Multiplexer）解复用器(也称为分波器De-multiplexer)光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机N123复用器解复用器EDFA•波长稳定、窄线宽•高速、小啁啾调制窄带、小串话、稳定滤波增益平坦、宽带、较高输出功率•高灵敏度•宽动态范围2、WDM系统的特点充分利用光纤的带宽资源􀂆可以在一根光纤同时传输多种电信业务􀂆可实现单纤双向传输􀂆节省大量光纤􀂆降低器件的超高速要求􀂆适用于多种网络形式􀂆引入宽带业务方便􀂆高度的组网灵活性、经济性和可靠性3、WDM系统总体结构4、光波长的分配目前在SiO2光纤上，光信号的传输都在光纤的两个低损耗区段，即1310nm和1550nm。但由于目前常用的EDFA的工作波长范围为1530～1565nm。因此，光波分复用系统的工作波长应该在1530～1565nm。在这有限的波长区内如何有效地进行通路分配，关系到提高带宽资源的利用率及减少相邻通路间的非线性影响等。标称中心频率和最小通路间隔为了保证不同WDM系统之间的横向兼容性，必须对各个通路的中心频率进行规范。标称中心频率是指光波分复用系统中每个通路对应的中心波长。目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系列。16通路和8通路WDM系统中心频率通路分配表WDM系统要解决的技术问题1.光源的波长准确度和稳定度问题2.光信道的串扰问题3.光纤色散对传输的影响问题4.光纤的非线性效应问题5.EDFA的动态可调整增益与锁定问题6.ED