光纤通信系统第八章重点

第八章
一条完整的点到点通信系统均由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机构成。

一般用比特率—距离积BL 来衡量点到点系统的性能。

光纤损耗和色散特性是影响光波系统通信容量（BL 积）的重要因素。

由于损耗和色散都与系统的工作波长有关，因此工作波长的选择和光纤特性参数对通信容量的影响程度就成为系统设计的一个主要问题。

设光发送机发出的最大平均功率为P T ,比特率为B ，而光接收机的接收灵敏度为P r ，则最大传输距离为：L =10αlg (P T P )，式中，α为光纤损耗，包括对接损耗和活动联接损耗，P r =N p ℎϑB ，ℎϑ为光子能量，N p 为接收机所需要的的每比特率的平均光子数。

在给定工作波长处，L 随比特率B 的增加而呈对数关系减小。

损耗对光波系统传输距离的限制，可用光纤放大器（EDFA ）克服。

用EDFA 作为光发送机的后置功率提升放大器以延长距离；用EDFA 作为光接收机的前置放大器，提高接收灵敏度以延长距离；用EDFA 作为在线光中继器以延长距离；亦可用RFA 或EDFA 和RFA 作为混合在线光中继器延长距离。

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。

模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。

偏振模色散：指单模光纤中偏振色散，简称PMD （=Polarization Mode Dispersion ），起因于实际的单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，展宽量也不确定，便相当于随机的色散。

偏振模色散被认为是限制光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。

材料色散：是由光纤材料自身特性造成的。

波导色散：也称结构色散，由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。

这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。

进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。

把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。

具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。

这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。

当色散限制传输距离比损耗限制距离短时，称这种光波系统通信为色散限制系统。

1. 0.85μm 光波系统（第一代：多模渐变型光纤，主要限制因素是模间色散）
阶跃型多模光纤限制条件为BL =c (2n 1∆)⁄；
多模渐变光纤限制条件为BL =2c (n 1∆2)⁄；
2. 1.3μm 光波系统（第二代：低损耗、低色散）
该系统最大的限制因素是由较大的光源谱宽支配的色散导致的脉冲展宽，这时比特率—距离积限制为：BL ≤(4|D |σλ)−1，式中：D 为色散参数；σλ为光源的均方根谱宽。

当B ≤1Gb/s 时，为损耗限制系统，当B ≥1Gb/s 时为色散限制系统。

3. 1.55μm 光波系统（第三代）
这种系统中光纤色散是主要的限制因素，限制条件为：B 2L <(1
16|β2|)，式中：β2为群速色散，与色散参数D 的关系为D =−(2πc λ2⁄)β2。

实际上，直接调制中产生的光源频率啁啾将引起脉冲频谱展宽，加剧色散限制。

光纤色散导致的信号脉冲畸变，与光源线宽、信号啁啾、调制展宽等因素有关。

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。

对于2.5Gb/s 系统,放大器的积累噪声成为传输距离主要限制。

对于10Gb/s 系统,光纤色散成为传输距离的主要限制。

眼图：如果将输入波形输入示波器的Y 轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图。

眼图是由各段码元波形叠加而成的，“眼”张开的大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。

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脉冲展宽。

用色散补偿光纤进行色散补偿：当满足D L D S +D C L C =0时，群延迟色散被补偿；
当满足D L ·D S +D C ·L C =0时，二阶色散(色散斜率)被补偿。

补偿原则：
a) 大的局部色散，小的平均色散；
b) 采用后置色散补偿而不是前置色散补偿，减小DCF 的非线性效应；
c) 采用非完全补偿而不是完全补偿；
d) 在发射端进行预补偿。

功率预算的目的在于使光波系统在整个寿命期间，确保有足够的光功率到达接收机以保证系统有稳定可靠的性能。

功率预算可表示为：P T =P r +C L +M S ，式中：C L 为信道总损耗；M S 为系统裕量。

保留裕量的目的在于分配一定量的功率，给因系统中元器件退化或其他不可预知的事件引起的功率亏损在系统寿命期内的增加。

信道总损耗应包括所有的功率损耗源，包括光纤的分布损耗、连接器损耗、对接损耗。

系统展宽时间的定义：链路总的展宽时间t sys 等于每种因素引起的脉冲展宽时间t i 的平方和的平方根： t sys =(∑t i 2N i=1)12⁄
上升时间的预算的目的在于检验选用的光源，光纤和检测器的响应速度是否满足系统设计的要求，以确保系统在预定的比特率时能正常工作。

上升时间定义为当突然加上一个输入（一个阶跃函数）时，系统响应从其最终输出值的10%上升到90%所需的时间。

线性系统的带宽∆f 与上升时间T r 成反比，T r =0.35∆f ，对于任何线性系统均成立。

T r ≤{0.35/B 0.70/B (RZ 归零码)(NRZ:非归零码)
光波系统的总上升时间决定于系统各组成单元的上升时间，可表示为T r 2=T Tr 2+T fr 2+T rr 2，T Tr 、T fr 、T rr 分别表示为光发送机、光纤和光接收机相应的上升时间。

光纤的上升时间主要由色散参数决定，包括模式色散和材料色散，可表示为T fr 2=T mod 2+T mat 2，对单模光纤，模式色散可忽略，故T fr =T mat ；对多模阶跃光纤，T mod 可近似表示为T mod ≈n 1∆c L a ；对多模渐变光纤，可近似为T mor ≈n 1∆28c L a ；通常a=0.7；材料色散可近似表示为T mat ≈|D |L∆λ，∆λ为光源谱宽。

色散预算的目的在于检验某实际系统是受功率限制还是受色散限制。

考虑到模式转换的影响后，长度为L 的多模光纤的模式色散展宽为：σmod =σ1L a 光纤的总色散展宽：σT 2=σmod 2+σmat 2+σwag 2
为确定光波系统是受功率或损耗限制还是受色散限制，定义参量W ：W=P T −P r −C L −M S 若选用多模光纤，模式色散占主导影响，则传输距离为W/ 时，系统不受色散限制所决定
的临界比特率为：B cr =14σ1(W α⁄)a {若B >Bcr ，为色散限制L max =1(4σ1B
)1a ⁄
信道串扰：WDM 系统中的器件均会引起信道串扰，包括滤波器、波长复用器/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效应而引起串扰。

这会引起功率代价。

同频串扰：与信号光频率相同(非常接近)的串扰，均落入接收机带宽内无法滤除，对系统影响严重，最终限制系统的传输距离。

异频串扰：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，对系统影响较小。

中继距离的三种设计方法：最坏情况法 (参数完全已知)；统计法 (所有参数都是统计定义)；半统计法 (只有某些参数是统计定义)。

斑图：在多模光纤中，由于振动和微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光检测器受光面上产生了一个斑纹图样，称为斑图。

造成模式噪声的因素为：光源的相干性光纤；链路上的随机振动、微弯。

消除模式噪声的措施：
a) 使用LED 光源，避免相干性；
b) 使用多纵模激光器，这将增加光斑图的粒状性，从而降低链路中因机械干扰而引起的光
强度起伏；
c) 使用数值孔径较大的光纤，因为它支持很多模式，从而导致光斑数目增多； d) 使用单模光纤，不存在模式间的干涉
解决啁啾的办法：选择使用输出波长接近光纤的零色散波长的激光器；让激光器工作在输出直流光的状态，然后采用外调制的办法加载数据。

反射噪声带来两种损伤：(1)光功率反馈回激光器谐振腔，导致激光器输出频谱展宽；(2)多条光路径导致接收端出现不同时延的伪信号，造成码间串扰。

反射噪声带来两种损伤解决措施：(1)光纤末端制成曲面或与发光面有一定夹角(如APC 连接头)；(2)在光纤与空气的交界面上涂上折射率匹配的材料；(3)使用连接器和隔离器。