1、8.1 8.1 高速光纖通信系統的概念高速光纖通信系統的概念 8.2 8.2 高速光纖通信系統面臨的挑戰高速光纖通信系統面臨的挑戰 8.3 8.3 高速光纖通信系統的關鍵技術高速光纖通信系統的關鍵技術 8.4 8.4 高速光纖通信系統的應用舉例高速光纖通信系統的應用舉例第八章第八章 高速光纖通信技術高速光纖通信技術8.1 8.1 高速光纖通信系統的概念高速光纖通信系統的概念 人們很早就意識到光波是最理想的信號載體，因人們很早就意識到光波是最理想的信號載體，因為與射頻和微波相比，光波具有更高的頻率，也就為與射頻和微波相比，光波具有更高的頻率，也就是具有更大的可利用帶寬。是具有更大的可利用帶寬。通

2、信方通信方式式載波載波載頻（載頻（HzHz）可利用帶寬可利用帶寬（HzHz）潛在通信容量潛在通信容量（bit/sbit/s）話路數話路數電纜通電纜通信信射頻電波射頻電波1 110109 9（1GHz1GHz）100M100M200M200M30003000微波通微波通信信微波微波1 110101111（3mm3mm）10G10G20G20G3030萬萬光纖通光纖通信信光波光波2 210101414（1.5m1.5m）20000G20000G40000G40000G6 6億億表8.1 三種信號載波的比較光傳輸系統在提高傳輸速率的途徑有哪些？光傳輸系統在提高傳輸速率的途徑有哪些？l提高單信道傳輸速

3、率l使用密集波分復用（DWDM）技術提高DWDM系統傳輸速率的途徑高速光纖系統的定義高速光纖系統的定義l 所謂 “高速”是指光線通信傳輸的數據速率高，究竟多高的數據速率才算高速，ITU-T并沒有明確的規范意見。事實上，在光線通信的不同發展階段，高速的含義是不同的。目前通常把STM-16等級以上的系統統稱為高速光纖通信系統，也有人稱之為超高速光纖通信系統。8.1 8.1 高速光纖通信系統的概念高速光纖通信系統的概念 8.2 8.2 高速光纖通信系統面臨的挑戰高速光纖通信系統面臨的挑戰 8.3 8.3 高速光纖通信系統的關鍵技術高速光纖通信系統的關鍵技術 8.4 8.4 高速光纖通信系統的應用舉例

4、高速光纖通信系統的應用舉例第八章第八章 高速光纖通信技術高速光纖通信技術8.2 8.2 高速光纖通信系統面臨的挑戰高速光纖通信系統面臨的挑戰目前影響高速光纖通信系統的不利因素目前影響高速光纖通信系統的不利因素不利因素光信噪比（光信噪比（OSNR)OSNR)劣化：主要是光放大器的放大自發輻射噪聲劣化：主要是光放大器的放大自發輻射噪聲色散效應色散效應群速度色散（群速度色散（GVD)GVD)偏振模色散偏振模色散(PMD)(PMD)光纖非線性效應光纖非線性效應 受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRSSRS）受激布里淵散射（受激布里淵散射（SBSSBS）自相位調制（自相位調制（SPMSPM）交叉相位調制（交

5、叉相位調制（XPMXPM）四波混頻（四波混頻（FWMFWM）在光纖通信系統中，特別是在光纖通信系統中，特別是WDMWDM系統中，系統中，OSNROSNR是目前衡量是目前衡量高速光纖通信系統性能的重要指標之一，高速光纖通信系統性能的重要指標之一，OSNROSNR的大小決定的大小決定了光信號質量的優劣。了光信號質量的優劣。定義：定義：OSNROSNR定義為光信號功率與噪聲功率的比值（用定義為光信號功率與噪聲功率的比值（用dBdB表表示）。示）。一般對于一般對于10Gbit/s10Gbit/s光纖通信系統，在接收端要求光纖通信系統，在接收端要求OSNROSNR在在25dB25dB以上（沒有前向糾錯編

6、碼以上（沒有前向糾錯編碼FECFEC技術時）。在技術時）。在WDMWDM系統發系統發送端的送端的OSNROSNR一般有一般有353540dB40dB左右。左右。 1 光信噪比（光信噪比（OSNR）在在WDMWDM系統中，噪聲的主要來源是系統中，噪聲的主要來源是光纖放大器光纖放大器。 對于對于EDFAEDFA來說，噪聲的主要來源是來說，噪聲的主要來源是ASEASE噪聲噪聲。EDFAEDFA在對信號光進行放大的同時，還會伴隨著在對信號光進行放大的同時，還會伴隨著對自發輻射光的放大，它不僅會消耗大量反轉對自發輻射光的放大，它不僅會消耗大量反轉粒子數，限制了放大器的增益，而且構成了粒子數，限制了放大器

7、的增益，而且構成了EDFAEDFA的附加噪聲源。的附加噪聲源。EDFAEDFA的附加噪聲由的附加噪聲由噪聲指數噪聲指數（NFNF）來描述，實）來描述，實際應用中際應用中EDFAEDFA的噪聲指數一般是的噪聲指數一般是6dB6dB。 衡量系統性能的接收誤比特率（衡量系統性能的接收誤比特率（BERBER）與光接）與光接收機的收機的OSNROSNR有關，在其他條件不變的情況下，有關，在其他條件不變的情況下，OSNROSNR越大，則越大，則BERBER越低，系統性能越好，相反，越低，系統性能越好，相反， OSNROSNR越小，則越小，則BERBER越高，系統性能越差。越高，系統性能越差。在在WDMWD

8、M傳輸系統中，傳輸系統中，“OSNROSNR容限容限”是衡量系統是衡量系統性能的最重要的光學指標之一，在其他條件不性能的最重要的光學指標之一，在其他條件不變的情況下，傳輸系統的變的情況下，傳輸系統的OSNROSNR容限越低，系統容限越低，系統性能就越優異。性能就越優異。 對于帶光放大器的光纖傳輸鏈路，假設每段光纖對于帶光放大器的光纖傳輸鏈路，假設每段光纖的損耗相同，每段光纖使用的光放大器增益和噪聲的損耗相同，每段光纖使用的光放大器增益和噪聲指數也相同，則在經過指數也相同，則在經過N N段光纖傳輸后，光信號的段光纖傳輸后，光信號的OSNROSNR可以利用一個簡單的公式來估計：可以利用一個簡單的公

9、式來估計：OSNR=58dB+OSNR=58dB+入纖光功率入纖光功率-NF-NF-每跨段損耗每跨段損耗-10lg-10lg（跨段數目）（跨段數目） OSNR=58dB+OSNR=58dB+入纖光功率入纖光功率-NF-NF-每跨段損耗每跨段損耗-10lg-10lg（跨段數目）（跨段數目） 例：假設單信道入纖光功率為例：假設單信道入纖光功率為0dBm0dBm，每個放大器的噪聲，每個放大器的噪聲指數指數NFNF為為6dB6dB，每個，每個80km80km光纖跨段損耗為光纖跨段損耗為22dB22dB，則根據公，則根據公式可以估計出一個式可以估計出一個8 8跨段光放大傳輸鏈路給出的接收端跨段光放大傳輸

10、鏈路給出的接收端OSNROSNR約為約為21dB21dB。 考慮到考慮到2.5Gbit/s2.5Gbit/s收發機在背靠背配置中的典型收發機在背靠背配置中的典型OSNROSNR容限容限為為141415dB15dB。因此，在不計入傳輸代價時，該傳輸系統。因此，在不計入傳輸代價時，該傳輸系統具有大于具有大于6dB6dB的系統余量。的系統余量。 2 色散色散l 在任何非真空介質及波導結構中，不同頻率在任何非真空介質及波導結構中，不同頻率的電磁波的傳輸速率不同，這就是色散的本質。的電磁波的傳輸速率不同，這就是色散的本質。l1 1、色散的概念、色散的概念l進入光纖的窄脈沖隨著傳輸距離的增加會逐漸進入光纖

11、的窄脈沖隨著傳輸距離的增加會逐漸變形展寬，當脈沖展寬到與相鄰的脈沖發生重疊變形展寬，當脈沖展寬到與相鄰的脈沖發生重疊時，就會導致信號之間的相互干擾，結果增加了時，就會導致信號之間的相互干擾，結果增加了通信系統的誤碼率，這種現象稱為色散。通信系統的誤碼率，這種現象稱為色散。l2 2、發生色散會有什么樣的結果？、發生色散會有什么樣的結果？l色散最終限制了給定長度光纖中的比特傳輸速率。色散最終限制了給定長度光纖中的比特傳輸速率。如果色散很大的話，多個信號之間就會出現重疊如果色散很大的話，多個信號之間就會出現重疊情況，從而導致在接收機處難以提取正常的信號。情況，從而導致在接收機處難以提取正常的信號。圖

12、8.2.1 光纖色散導致的信號失真3.3.色散的種類：色散的種類： 模間色散：多模光纖（模間色散：多模光纖（MMFMMF）中不同模式）中不同模式的傳輸速率不同而引起的。的傳輸速率不同而引起的。 偏振模色散：光纖的不對稱性造成兩偏振偏振模色散：光纖的不對稱性造成兩偏振傳輸軸上的等效折射率隨機不等，導致傳傳輸軸上的等效折射率隨機不等，導致傳輸速率不同。輸速率不同。 色度色散：光源光譜中不同波長在光纖中色度色散：光源光譜中不同波長在光纖中的群時延差所引起的光脈沖展寬現象。的群時延差所引起的光脈沖展寬現象。3 非線性效應非線性效應l1 1、引起非線性效應的原因、引起非線性效應的原因 在高比特率系統中，

13、為了增加中繼距在高比特率系統中，為了增加中繼距離而提高發送光功率，當光纖中傳輸的離而提高發送光功率，當光纖中傳輸的光強密度超過光纖的閾值時，則會出現光強密度超過光纖的閾值時，則會出現非線性效應，從而限制系統容量和中繼非線性效應，從而限制系統容量和中繼距離的進一步增大。距離的進一步增大。 在光系統中只要使用的光功率足夠低，在光系統中只要使用的光功率足夠低，就可以假設這個光系統是線性的。就可以假設這個光系統是線性的。受受激散射引起激散射引起的效應的效應受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRSSRS）受激布里淵散射（受激布里淵散射（SBSSBS）非線性非線性折射率引起折射率引起的效應的效應自自相位調制（相

14、位調制（SPMSPM）交叉交叉相位調制（相位調制（XPMXPM）和）和四波混頻四波混頻（FWMFWM） 2.非線性效應的分類非線性效應的分類1 1、概念、概念 (1) 受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRS） 由光纖中光信號和光纖材料中的分子振動相互作用引起的非線性效應。當一定強度的光入射光纖時會引起光纖中的分子振動，進而當一定強度的光入射光纖時會引起光纖中的分子振動，進而調制入射光強，產生間隔為分子振動頻率的邊帶，低頻邊帶調制入射光強，產生間隔為分子振動頻率的邊帶，低頻邊帶稱為斯托克斯線，高頻邊帶稱為反斯托克斯線。稱為斯托克斯線，高頻邊帶稱為反斯托克斯線。當兩個斯托克斯頻率的光波入射到光纖時，低

15、頻波獲得增益當兩個斯托克斯頻率的光波入射到光纖時，低頻波獲得增益而高頻波被衰減，即較短波長信號的一部分功率轉移到較長而高頻波被衰減，即較短波長信號的一部分功率轉移到較長波長的信號中。波長的信號中。圖8.2.2受激拉曼散射2 2、受激拉曼散射可能引起信噪比性能的劣化、受激拉曼散射可能引起信噪比性能的劣化 當光功率大到一定程度后才出現受激拉曼散射光，當光功率大到一定程度后才出現受激拉曼散射光，即即SRS存在存在閾值特性閾值特性。對單信道系統來說，對單信道系統來說，SRS的閾值約為的閾值約為1W，即，即SRS對對單信道系統沒什么影響。單信道系統沒什么影響。對于高密集的波分復用系統來說，對于高密集的波

16、分復用系統來說，SRS將成為限制將成為限制光信道數的主要因素之一。光信道數的主要因素之一。 (2) 受激布里淵散射（受激布里淵散射（SBS）1 1、概念、概念 受激布里淵散射（受激布里淵散射（SBSSBS）是一種由光纖中的光信）是一種由光纖中的光信號和聲波的相互作用引起的非線性效應。號和聲波的相互作用引起的非線性效應。SBSSBS會使會使部分前向傳輸光向后散射，消耗了信號功率，如圖部分前向傳輸光向后散射，消耗了信號功率，如圖所示：所示：圖圖8.2.3 8.2.3 受激布里淵散射受激布里淵散射SBSSBS效應不僅會給系統帶來噪聲，而且會造成信效應不僅會給系統帶來噪聲，而且會造成信號的一種非線性損

17、耗，限制入纖功率的提高，并號的一種非線性損耗，限制入纖功率的提高，并降低系統的光信噪比，嚴重限制傳輸系統性能的降低系統的光信噪比，嚴重限制傳輸系統性能的提高。提高。2 2、解決方法、解決方法設置光源線寬明顯大于布里淵帶寬或者信號功率設置光源線寬明顯大于布里淵帶寬或者信號功率低于低于SBSSBS門限功率。門限功率。 由于由于SBSSBS閾值隨著光源線寬的加寬而升高，閾值隨著光源線寬的加寬而升高，用窄而低頻的正弦信號調制光源很容易提高用窄而低頻的正弦信號調制光源很容易提高SBSSBS閾值。閾值。因此，雖然因此，雖然SBSSBS是最容易產生的非線性效是最容易產生的非線性效應，但也最容易消除的非線性效

18、應。應，但也最容易消除的非線性效應。(3) 自相位調制（自相位調制（SPM）l信號光功率的波動引起信號本身相位的調制。信號光功率的波動引起信號本身相位的調制。l光強度變化導致相位變化時，所有的頻率成分都將產生頻光強度變化導致相位變化時，所有的頻率成分都將產生頻移，但較高頻率成分的絕對頻移比較低頻率成分的要大，移，但較高頻率成分的絕對頻移比較低頻率成分的要大，SPM效應將逐漸效應將逐漸展寬光信號的頻譜展寬光信號的頻譜。l正常色散區中，由于色度色散效應，一旦正常色散區中，由于色度色散效應，一旦SPM效應引起頻效應引起頻譜展寬，沿著光纖傳輸的信號將經歷較大的展寬。譜展寬，沿著光纖傳輸的信號將經歷較大

19、的展寬。l異常色散區，光纖的色度色散效應和自相位調制效應可能異常色散區，光纖的色度色散效應和自相位調制效應可能會互相補償，從而使信號的展寬會小一些。會互相補償，從而使信號的展寬會小一些。(4) 交叉相位調制（交叉相位調制（XPM）lWDM系統中系統中，由于相鄰波長之間存在相互作用，某個波，由于相鄰波長之間存在相互作用，某個波長的信號場強如果大到一定的程度，就會引起相鄰波長信長的信號場強如果大到一定的程度，就會引起相鄰波長信號頻譜的離散化，對其他信道的相位產生調制作用。號頻譜的離散化，對其他信道的相位產生調制作用。lXPM效應一旦造成相鄰信道信號頻譜的交迭，就會引起鄰效應一旦造成相鄰信道信號頻譜

20、的交迭，就會引起鄰道信號之間的串擾，導致脈沖波形畸變。道信號之間的串擾，導致脈沖波形畸變。l減小減小XPM 信號串擾的辦法：信號串擾的辦法：l控制信道間隔，信道間隔越大，相鄰信道信號的頻譜交迭就越不控制信道間隔，信道間隔越大，相鄰信道信號的頻譜交迭就越不容易發生；容易發生；l實行色散補償，色散補償的結果可以使光纖的色散系數最小化，實行色散補償，色散補償的結果可以使光纖的色散系數最小化，減弱信號頻譜的離散程度。減弱信號頻譜的離散程度。(5) 四波混頻（四波混頻（FWM）l四波混頻是指兩個或三個不同波長的光波相互作用而導致四波混頻是指兩個或三個不同波長的光波相互作用而導致在其他波長上產生混頻成分的

21、效應。在其他波長上產生混頻成分的效應。l當這些混頻產物落在信道內時，將會引起信道間的串擾，當這些混頻產物落在信道內時，將會引起信道間的串擾，導致信噪比降低；當混頻產物落在信道外時，也會給系統導致信噪比降低；當混頻產物落在信道外時，也會給系統帶來噪聲。帶來噪聲。 對于光纖非線性效應，一般可以通過降低對于光纖非線性效應，一般可以通過降低入纖光功率、采用新型大孔徑光纖、拉曼放大入纖光功率、采用新型大孔徑光纖、拉曼放大器等方法加以抑制。特殊的碼型調制技術也可器等方法加以抑制。特殊的碼型調制技術也可以有效地提高光脈沖抵抗非線性效應的能力，以有效地提高光脈沖抵抗非線性效應的能力，增加非線性受限傳輸距離。增

22、加非線性受限傳輸距離。 第八章第八章 高速光纖通信技術高速光纖通信技術l8.1 8.1 高速光纖通信系統的概念高速光纖通信系統的概念l8.2 8.2 高速光纖通信系統面臨的挑戰高速光纖通信系統面臨的挑戰l8.3 8.3 高速光纖通信系統的關鍵技術高速光纖通信系統的關鍵技術l8.4 8.4 高速光纖通信系統的應用舉例高速光纖通信系統的應用舉例8.3 8.3 高速光纖通信系統的關鍵技術高速光纖通信系統的關鍵技術l新型光纖技術新型光纖技術l拉曼（拉曼（RamanRaman）放大器）放大器l前向糾錯編碼（前向糾錯編碼（FECFEC）技術）技術l歸零（歸零（RZRZ）碼或其他調制格式）碼或其他調制格式l

23、色散補償技術色散補償技術8.3.1 高速光纖技術高速光纖技術 光纖是光信號的物理傳輸媒質，其特性直接影響光纖傳輸光纖是光信號的物理傳輸媒質，其特性直接影響光纖傳輸系統的帶寬和傳輸距離，采用新型光纖是得到高容量傳輸最有系統的帶寬和傳輸距離，采用新型光纖是得到高容量傳輸最有效的途徑之一。為克服光纖帶來的色散限制和非線性效應問題，效的途徑之一。為克服光纖帶來的色散限制和非線性效應問題，要求新一代光纖應具有要求新一代光纖應具有所需的色散值所需的色散值和和低色散斜率低色散斜率、大有效面大有效面積積、低的偏振模色散低的偏振模色散。1.1.G.655 G.655 光纖光纖2.2.大有效面積大有效面積G.65

24、5G.655型光纖型光纖3.3.低色散斜率低色散斜率G.655G.655型光纖型光纖4.4.全波光纖全波光纖1 1、G.655G.655光纖光纖 G.655G.655光纖是非零色散位移光纖（光纖是非零色散位移光纖（NZ-DSFNZ-DSF），），主要特點是在主要特點是在1550nm1550nm的色散值接近零，但不是零，的色散值接近零，但不是零，是一種改進的色散位移光纖，以抑制自相位調制、是一種改進的色散位移光纖，以抑制自相位調制、交叉相位調制和四波混頻等非線性效應。交叉相位調制和四波混頻等非線性效應。l 正色散系數正色散系數G.655G.655型光纖型光纖l 負色散系數負色散系數G.655G.

25、655型光纖型光纖類型類型正色散正色散G.655G.655光纖光纖 負色散負色散G.655G.655光纖光纖優點色散系數較小不存在調制不穩定性問題缺點有可能存在調制不穩定性問題1310nm窗口色散較大，色散受限距離短，不利于與電信現有光傳輸設備兼容，產生四波混頻問題2 2、大有效面積光纖、大有效面積光纖 NZ-DSF光纖大大地改善了光纖的色散特性，但是光纖大大地改善了光纖的色散特性，但是NZ-DSF光纖的模場直徑變小，光纖的模場直徑變小，有效面積也減小有效面積也減小，光纖，光纖更容易產生更容易產生非線性非線性。 大有效面積光纖（大有效面積光纖（LEAFLEAF，LargerLarger Eff

26、ective Area Effective Area FiberFiber）是一種）是一種改進型改進型G.655G.655光纖。與普通光纖。與普通G.655G.655光纖一光纖一樣，它也對光纖的零色散點進行了移動，零色散點處樣，它也對光纖的零色散點進行了移動，零色散點處于于1 510nm1 510nm左右，當色散為正值，避開了零色散區，維左右，當色散為正值，避開了零色散區，維持了一個起碼的色散值。其彎曲性能、極化模色散和持了一個起碼的色散值。其彎曲性能、極化模色散和衰減性能均可達到常規衰減性能均可達到常規G.655G.655光纖的水平，但色散系數光纖的水平，但色散系數規范已大為改進，提高了下限

27、值。規范已大為改進，提高了下限值。 LEAFLEAF光纖的特殊之處在于大大增加了光纖的模場光纖的特殊之處在于大大增加了光纖的模場直徑，從普通直徑，從普通G.655G.655光纖的光纖的8.4m8.4m增長到增長到LEAFLEAF光纖光纖的的9.6m9.6m，從而增加了光纖的有效面積，即從，從而增加了光纖的有效面積，即從55m55m2 2增加到增加到72m72m2 2。在相同的入纖功率時，降。在相同的入纖功率時，降低了光纖中傳播的功率密度，減少了光纖的非線低了光纖中傳播的功率密度，減少了光纖的非線性效應。在相同的中繼距離時，減少了非線性干性效應。在相同的中繼距離時，減少了非線性干擾，可以得到更好

28、的擾，可以得到更好的OSNROSNR，改善了系統的光信噪改善了系統的光信噪比，延長了光放大器距離，增加了密集波分復用比，延長了光放大器距離，增加了密集波分復用的信道的信道數。數。l由于由于LEAFLEAF光纖具有較高的額定最高功率，在系統要求相同光纖具有較高的額定最高功率，在系統要求相同的信噪比和相同的非線性作用的條件下，有效面積越大，的信噪比和相同的非線性作用的條件下，有效面積越大，放大器間隔就越長。放大器間隔就越長。lLEAFLEAF光纖可以減輕色散的線性和高功率的非線性影響，提光纖可以減輕色散的線性和高功率的非線性影響，提高入纖功率，增加波分復用數目。但是高入纖功率，增加波分復用數目。但

29、是LEAFLEAF光纖的有效面光纖的有效面積變大后導致其色散斜率比常規光纖偏大，大約為積變大后導致其色散斜率比常規光纖偏大，大約為0.1ps/(nm2km)0.1ps/(nm2km)。當我們采用許多波長的超高密度。當我們采用許多波長的超高密度WDMWDM系系統時，有可能給處于高端統時，有可能給處于高端L L波段的通道帶來較大的色散。波段的通道帶來較大的色散。3 3 低色散斜率光纖低色散斜率光纖 所謂所謂色散斜率色散斜率指光纖的色散隨波長變化的速率，指光纖的色散隨波長變化的速率，又稱為高階色散。色散對光脈沖信號傳輸的直觀影又稱為高階色散。色散對光脈沖信號傳輸的直觀影響是導致光脈沖信號的展寬。響是

30、導致光脈沖信號的展寬。 由于色散的積累，每一信道（波長）的色散都由于色散的積累，每一信道（波長）的色散都會隨著傳輸距離的延長而增大，由于色散斜率的作會隨著傳輸距離的延長而增大，由于色散斜率的作用用，各信道的色散積累量是不同的各信道的色散積累量是不同的。圖8.3.1低色散斜率NZDF光纖在C波段和L波段都具有很好的色散特性l 由上圖可知，其中位于兩側的邊緣信道之間的色散由上圖可知，其中位于兩側的邊緣信道之間的色散積累量差別最大。當傳輸距離超過一定值后，具有較積累量差別最大。當傳輸距離超過一定值后，具有較大色散積累量的信道的色散值將會超標，從而限制了大色散積累量的信道的色散值將會超標，從而限制了整

31、個整個WDMWDM系統的傳輸距離。系統的傳輸距離。lWDMWDM系統的應用范圍已經從系統的應用范圍已經從C C波段擴展到波段擴展到L L波段，全部波段，全部可用頻帶可以從可用頻帶可以從153015301565nm1565nm擴展到擴展到153015301625nm1625nm。在這種情況下，如果色散斜率仍維持原來的數值（大在這種情況下，如果色散斜率仍維持原來的數值（大約約0.070.070.10ps/(nm2km)0.10ps/(nm2km)），長距離傳輸時短波長），長距離傳輸時短波長和長波長之間的色散差異將隨距離增長而增加，勢必和長波長之間的色散差異將隨距離增長而增加，勢必造成造成L L波段

32、高端過大的色散系數，需要利用代價較高波段高端過大的色散系數，需要利用代價較高的色散補償措施，而低波段的色散又太小，多波長傳的色散補償措施，而低波段的色散又太小，多波長傳輸時不足以壓制四波混合和交叉相位調制的非線性影輸時不足以壓制四波混合和交叉相位調制的非線性影響。響。因此，開發了低色散斜率的因此，開發了低色散斜率的G.655光纖。光纖。 4 4 全波光纖全波光纖 城域網面臨更加復雜多變的業務環境，城域網面臨更加復雜多變的業務環境，開發具有盡可能開發具有盡可能寬的可用波段的光纖成為關鍵。目前影響可用波段的主要寬的可用波段的光纖成為關鍵。目前影響可用波段的主要因素是因素是1385nm附近的氫氧根離

33、子（附近的氫氧根離子（OH）吸收峰，造成）吸收峰，造成了光功率的嚴重損失，因而若能設法消除這一水峰，則光了光功率的嚴重損失，因而若能設法消除這一水峰，則光纖的可用頻譜可望大大擴展，全波光纖就是在這種形勢下纖的可用頻譜可望大大擴展，全波光纖就是在這種形勢下誕生的。誕生的。 全波光纖（也稱作無水峰光纖）基本消除了常規光纖在全波光纖（也稱作無水峰光纖）基本消除了常規光纖在1385nm1385nm附近由于附近由于OHOH造成的損耗峰，將損耗從原來的造成的損耗峰，將損耗從原來的2dB/km 2dB/km 降到降到0.3dB/km0.3dB/km，這使光纖的損耗在，這使光纖的損耗在1 3101 3101

34、600nm1 600nm范圍內范圍內都趨于平坦。其主要方法是采用了一種全新的光纖制造工都趨于平坦。其主要方法是采用了一種全新的光纖制造工藝，基本消除了光纖制造過程中引入的水份，幾乎可以完藝，基本消除了光纖制造過程中引入的水份，幾乎可以完全消除由水峰引起的衰減。全消除由水峰引起的衰減。 除了沒有水峰以外，全波光纖與普通的標準除了沒有水峰以外，全波光纖與普通的標準G.652G.652匹配包層光纖一樣。然而，由于沒有了水峰，匹配包層光纖一樣。然而，由于沒有了水峰，光纖可以開放第光纖可以開放第5 5個低損窗口，從而帶來一系列好個低損窗口，從而帶來一系列好處：處： （1 1）光纖的可用波長范圍增加）光纖

35、的可用波長范圍增加100nm100nm，相當，相當于增加于增加125125個波長通道（個波長通道（100GHz100GHz通道間隔），使光通道間隔），使光纖的全部可用波長范圍從大約纖的全部可用波長范圍從大約200nm200nm增加到增加到300nm300nm，可復用的波長數大大增加；可復用的波長數大大增加；（2 2）由于在）由于在1 1400nm400nm附近波長范圍內，光纖的色散僅為附近波長范圍內，光纖的色散僅為1550nm1550nm波波長區的一半，因而，容易實現高比特率長距離傳輸；全波光長區的一半，因而，容易實現高比特率長距離傳輸；全波光纖纖1 400nm1 400nm波段的無色散補償傳

36、輸距離將比傳統的波段的無色散補償傳輸距離將比傳統的1 550nm1 550nm波波段的無色散補償傳輸距離增加段的無色散補償傳輸距離增加1 1倍。倍。 （3 3）可以分配不同的業務給最適合這種業務的波長傳輸，改）可以分配不同的業務給最適合這種業務的波長傳輸，改進網絡管理；進網絡管理； （4 4）當有效工作波長范圍大大擴展后，有利于通過增大波長）當有效工作波長范圍大大擴展后，有利于通過增大波長通道之間的間距來降低對光器件的要求，可以使用波長間隔通道之間的間距來降低對光器件的要求，可以使用波長間隔較寬、波長精度和穩定度要求較低的光源、合波器、分波器較寬、波長精度和穩定度要求較低的光源、合波器、分波器

37、和其他元件，使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降，和其他元件，使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降，這就降低了整個通信系統的成本，同時可以通過加大波分復這就降低了整個通信系統的成本，同時可以通過加大波分復用的密度，實現光纖通信系統的用的密度，實現光纖通信系統的超大容量傳輸超大容量傳輸。8.3.2 8.3.2 高速光器件技術高速光器件技術l 隨著光纖通信系統容量的急劇擴大，對波分復用器件隨著光纖通信系統容量的急劇擴大，對波分復用器件和光放大器的性能指標提出了更加嚴格的要求。下面主要和光放大器的性能指標提出了更加嚴格的要求。下面主要介紹高速超長距離介紹高速超長距離WDMWDM系統對波分復用器件

38、的新要求系統對波分復用器件的新要求以及以及新的寬帶拉曼光纖放大器。新的寬帶拉曼光纖放大器。l1 1 波分復用器波分復用器l 波分復用系統的核心器件之一就是波分復用系統的核心器件之一就是波分復用器件波分復用器件，其，其特性好壞在很大程度上決定了整個系統的性能。通常要求特性好壞在很大程度上決定了整個系統的性能。通常要求波分復用器件的波分復用器件的插入損耗低插入損耗低且各通道的且各通道的損耗偏差小損耗偏差小，通帶通帶內損耗平坦內損耗平坦，通路間的隔離度高通路間的隔離度高，偏振相關性小偏振相關性小，溫度穩溫度穩定性好定性好。 目前波分復用主要采用目前波分復用主要采用多層介質膜技術多層介質膜技術。可以滿

39、足。可以滿足系統在信道帶寬、隔離度、偏振敏感性和插損方面的要系統在信道帶寬、隔離度、偏振敏感性和插損方面的要求，特別是在求，特別是在少于少于3232波的系統中有比較好的表現。但在波的系統中有比較好的表現。但在信道數特別多的系統中，成本會比較高，而且性能也不信道數特別多的系統中，成本會比較高，而且性能也不能完全滿足用戶的要求。能完全滿足用戶的要求。 陣列波導光柵（陣列波導光柵（AWGAWG）波分復用波分復用/ /解復用器和光交叉解復用器和光交叉波分復用波分復用/ /解復用器解復用器（InterleaverInterleaver）器件可以在信道數）器件可以在信道數大于大于32 32 時滿足系統的要

40、求。時滿足系統的要求。 AWGAWG可以比較方便地實現可以比較方便地實現4040波以上的復用波以上的復用/ /解復用功解復用功能，插損、隔離度與多層介質膜的器件相比也基本一樣，能，插損、隔離度與多層介質膜的器件相比也基本一樣，而且使用可以更為靈活方便。目前存在的問題主要是而且使用可以更為靈活方便。目前存在的問題主要是AWGAWG的溫度敏感特性，不過通過良好的溫控電路，可以的溫度敏感特性，不過通過良好的溫控電路，可以使使AWGAWG的溫度特性穩定在的溫度特性穩定在20GHz20GHz的偏差左右。的偏差左右。 而而InterleaverInterleaver的推出可以說是密集波分復用系統中的推出可

41、以說是密集波分復用系統中復用器復用器/ /解復用器技術的一個重大突破。解復用器技術的一個重大突破。 光交叉波分復用光交叉波分復用/ /解復用器件的原理如圖解復用器件的原理如圖8.3.28.3.2所示，所示，通過該器件可以將原有的通過該器件可以將原有的2N2N個波長信號間插成兩個個波長信號間插成兩個N N個個信號的復用，或將兩個各為信號的復用，或將兩個各為N N個交錯波長的端口復用成個交錯波長的端口復用成一個一個2N2N個波長信號的端口。利用個波長信號的端口。利用InterleaverInterleaver器件可以器件可以使復用器使復用器/ /解復用器的端口密度減小一半，大大減少了解復用器的端口

42、密度減小一半，大大減少了系統成本，降低了系統研發難度。系統成本，降低了系統研發難度。圖圖8.3.2 Interleaver8.3.2 Interleaver使用原理使用原理l在傳統的在傳統的32/40波波DWDM系統中基本采用系統中基本采用100GHz間間隔的光支路信號，而波分復用隔的光支路信號，而波分復用/解復用器件大多采用解復用器件大多采用AWG技術，在技術，在160波波DWDM系統中各支路采用了系統中各支路采用了50GHz間隔的光信號，但要利用單個器件對間隔的光信號，但要利用單個器件對160波長波長的光信號進行波分復用的光信號進行波分復用/解復用，對器件設計的壓力解復用，對器件設計的壓力

43、相當大。相當大。l為此在為此在160波波DWDM系統中可采用多級復用的結構，系統中可采用多級復用的結構，以以C波段為例，利用波段為例，利用8個個10波長的波分復用波長的波分復用/解復用，解復用，再通過再通過3級間插復用器可實現級間插復用器可實現C波段波段80波的波分復用波的波分復用/解復用，解復用，L波段波段80波長的復用方式與此類似。波長的復用方式與此類似。l目前應用的目前應用的1.6Tbits/s1.6Tbits/s系統系統C C波段和波段和L L波段是完波段是完全分開的，兩個波段復用全分開的，兩個波段復用/ /解復用是通過波分解復用是通過波分復用器或耦合器實現的。其中基礎的復用復用器或耦

44、合器實現的。其中基礎的復用/ /解解復用器為復用器為4040波。在波。在1.6Tbits/s1.6Tbits/s光傳輸系統中，光傳輸系統中，由于波長間隔是由于波長間隔是50GHz50GHz，而原來光復用器，而原來光復用器/ /解復解復用器都是對間隔為用器都是對間隔為100GHz100GHz的波長進行復用（解的波長進行復用（解復用），要實現復用），要實現50GHz50GHz間隔的波長復用，可以間隔的波長復用，可以采用采用InterleaverInterleaver來實現。來實現。lInterleaverInterleaver濾波器是一個三端子器件，兩個濾波器是一個三端子器件，兩個輸入端是兩路波長

45、間隔均為輸入端是兩路波長間隔均為100GHz100GHz的的N N個波的個波的群路信號，輸出端則為波長間隔為群路信號，輸出端則為波長間隔為50GHz50GHz的的2N2N個波的信號。個波的信號。InterleaverInterleaver濾波器將兩群路信濾波器將兩群路信號復用號復用/ /解復用，圖解復用，圖8.3.38.3.3所示為所示為160160波的復用波的復用和放大框圖。和放大框圖。l圖圖8.3.3 1608.3.3 160波系統的波系統的InterleaverInterleaver復用器工作復用器工作原理原理 要完成要完成8080波的復用，需要波的復用，需要2 2個個C C波段復波段復

46、（波長間隔為（波長間隔為50GHz50GHz）和）和1 1個個InterleaverInterleaver濾濾波器。波器。160160波的復用則需要波的復用則需要2 2個個C C波段復用器波段復用器（其中波長間隔為（其中波長間隔為50GHz50GHz）、）、1 1個個C C波段波段InterleaverInterleaver濾波器、濾波器、2 2個個L L波段復用器（其波段復用器（其中 波 長 差 別 為中 波 長 差 別 為 5 0 G H z5 0 G H z ） 、） 、 1 1 個個 L L 波 段波 段InterleaverInterleaver濾波器，以及一個濾波器，以及一個C/L

47、C/L濾波器。濾波器。80/16080/160波解復用與此過程相反，如圖波解復用與此過程相反，如圖8.3.48.3.4所示。所示。圖8.3.4 Interleaver解復用器工作原理 2 2、拉曼光纖放大器、拉曼光纖放大器 隨著高速光纖傳輸系統所利用的頻段不斷的擴隨著高速光纖傳輸系統所利用的頻段不斷的擴大和波長數的不斷增加，需要研究新的寬帶光放大大和波長數的不斷增加，需要研究新的寬帶光放大器。器。 SRSSRS是一種三階非線性效應，是光子與聲子是一種三階非線性效應，是光子與聲子（分子振動模）之間的非彈性散射，把短波長泵浦（分子振動模）之間的非彈性散射，把短波長泵浦光的能量轉化為長波長信號光的能

48、量，當合適波長光的能量轉化為長波長信號光的能量，當合適波長的泵浦光注入到光纖中，拉曼頻移處的光信號將得的泵浦光注入到光纖中，拉曼頻移處的光信號將得到放大，實現對信號光的放大，基于這種原理的放到放大，實現對信號光的放大，基于這種原理的放大器稱之為拉曼光纖放大器（大器稱之為拉曼光纖放大器（RFARFA）。）。與摻鉺光纖放大器（與摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）和半導體光放大器）和半導體光放大器（SOASOA）相比，拉曼光纖放大器具有如下明顯的優）相比，拉曼光纖放大器具有如下明顯的優勢：勢：1 1）可實現全波放大。）可實現全波放大。2 2）RFARFA的增益介質就是傳輸光纖本身，可以對光信號的增益

49、介質就是傳輸光纖本身，可以對光信號進行在線放大，構成分布式放大，實現長距離的無中進行在線放大，構成分布式放大，實現長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦，同時與光纖系統具有良好的兼容繼傳輸和遠程泵浦，同時與光纖系統具有良好的兼容性；可降低非線性效應特別是四波混頻（性；可降低非線性效應特別是四波混頻（FWMFWM）效應的）效應的干擾。干擾。3 3）RFARFA的放大增益高，信號間差拍噪聲小，噪聲指數的放大增益高，信號間差拍噪聲小，噪聲指數低。低。l拉曼放大器主要分為兩大類拉曼放大器主要分為兩大類l分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器l分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器l分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器l分立式拉

50、曼放大器是指用一個集中的單元來提供增益，所有分立式拉曼放大器是指用一個集中的單元來提供增益，所有的泵浦功率都被限制在一個由隔離器作為邊界的集中單元中，的泵浦功率都被限制在一個由隔離器作為邊界的集中單元中，基本沒有泵浦功率進入到外部傳輸線路中基本沒有泵浦功率進入到外部傳輸線路中 。l分立式拉曼放大器采用的增益光纖較短，光纖長度一般為幾分立式拉曼放大器采用的增益光纖較短，光纖長度一般為幾千米，通常使用拉曼增益系數較高的特種光纖千米，通常使用拉曼增益系數較高的特種光纖。l拉曼放大器的整個放大波段可以是拉曼放大器的整個放大波段可以是1 280 nm1 530nm，而這么寬的放大帶寬對而這么寬的放大帶寬

51、對EDFA 來說是不可能做到的。主要用來說是不可能做到的。主要用于要求高增益，高功率以及于要求高增益，高功率以及EDFA 無法放大的波段。無法放大的波段。 l分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器l分布式的拉曼放大器（分布式的拉曼放大器（DRA）是一種可以對傳輸光纖）是一種可以對傳輸光纖進行泵浦放大的一種光放大器。進行泵浦放大的一種光放大器。l分布式拉曼放大器所采用的增益光纖比較長，一般為分布式拉曼放大器所采用的增益光纖比較長，一般為幾十千米，泵浦源的光功率可降低到幾百毫瓦，主要幾十千米，泵浦源的光功率可降低到幾百毫瓦，主要輔助輔助EDFA 用于提高用于提高DWDM通信系統的性能，抑制非通信系統的性

52、能，抑制非線性效應，提高信噪比。線性效應，提高信噪比。 l使用分布式拉曼放大器有很多的優勢：使用分布式拉曼放大器有很多的優勢：l（1）能夠改善放大器的噪聲指數。這樣就可以使用）能夠改善放大器的噪聲指數。這樣就可以使用較低的信號入射光功率，同時還可以使系統容忍高的較低的信號入射光功率，同時還可以使系統容忍高的損耗或者可以延長再生中繼器之間的傳輸距離。損耗或者可以延長再生中繼器之間的傳輸距離。l（2）在整個光纖譜內具有較為平坦的增益。這樣可）在整個光纖譜內具有較為平坦的增益。這樣可以改善光信噪比，降低非線性效應的影響。這種特性以改善光信噪比，降低非線性效應的影響。這種特性對于高速以及光孤子傳輸是相

53、當有利的。對于高速以及光孤子傳輸是相當有利的。l（3）當）當DRA和和EDFA共同使用時，在光纖線路上的共同使用時，在光纖線路上的復雜性就可以全部承載在復雜性就可以全部承載在EDFA上，即上，即DRA只充當低只充當低噪聲的前置放大器，而關于增益均衡、增益校正、上噪聲的前置放大器，而關于增益均衡、增益校正、上/下路復用器和色散補充等就都可以由中間的下路復用器和色散補充等就都可以由中間的EDFA 來來完成。完成。8.3.3 前向糾錯編碼（前向糾錯編碼（FEC）技術）技術lFECFEC技術很早就應用于電通信系統中，它是數字通信技術很早就應用于電通信系統中，它是數字通信系統中提高通信可靠性、降低誤碼率

54、的關鍵技術。系統中提高通信可靠性、降低誤碼率的關鍵技術。lFEC在光纖通信系統中的應用是近幾年才提出來的，在光纖通信系統中的應用是近幾年才提出來的，主要原因在于：主要原因在于：l首先，光纖本身就具有較強的抗干擾性能；首先，光纖本身就具有較強的抗干擾性能；l其次，在光纖通信初期，傳輸速率不高，一條光纖只需其次，在光纖通信初期，傳輸速率不高，一條光纖只需傳一個波長，而且傳輸業務主要是語音，語音對誤碼不傳一個波長，而且傳輸業務主要是語音，語音對誤碼不太敏感。太敏感。 l隨著光纖通信的快速發展，在長距離、大容量隨著光纖通信的快速發展，在長距離、大容量DWDM光光纖通信系統中，由于光纖損耗、色散以及非線

55、性效應等因纖通信系統中，由于光纖損耗、色散以及非線性效應等因素的影響，引起信號衰減、信道噪聲以及信道間的串擾，素的影響，引起信號衰減、信道噪聲以及信道間的串擾，使系統性能大大降低。使系統性能大大降低。l因此在光纖傳輸線路中大約每隔因此在光纖傳輸線路中大約每隔80km就需要進行光中繼就需要進行光中繼放大，每隔放大，每隔400km必須進行電信號的再生，致使建網運營必須進行電信號的再生，致使建網運營成本急劇增大。成本急劇增大。l為解決上述問題，提高系統傳輸效率，在光纖通信系統中為解決上述問題，提高系統傳輸效率，在光纖通信系統中引入了前向糾錯編碼引入了前向糾錯編碼FEC技術，達到改善系統誤碼率的目技術

56、，達到改善系統誤碼率的目的。的。 lFEC技術的出發點是在發射機編碼時往信號中加入某些校技術的出發點是在發射機編碼時往信號中加入某些校驗比特，這樣在已經產生了誤碼的接收端數字碼流中通過驗比特，這樣在已經產生了誤碼的接收端數字碼流中通過對校驗比特進行一定計算（解碼）以發現并糾正在傳輸過對校驗比特進行一定計算（解碼）以發現并糾正在傳輸過程中由噪聲引起的誤碼，以較低的成本和較小的帶寬損失程中由噪聲引起的誤碼，以較低的成本和較小的帶寬損失換取高質量的傳輸，達到改善系統誤碼率的目的。換取高質量的傳輸，達到改善系統誤碼率的目的。 lFEC在高速光傳輸系統中主要有以下優點：在高速光傳輸系統中主要有以下優點：

57、l1）延長光信號傳輸距離）延長光信號傳輸距離l2）降低光發射機發射功率）降低光發射機發射功率l3）降低鏈路中線性或非線性因素對系統性能的影響）降低鏈路中線性或非線性因素對系統性能的影響l在在WDMWDM光傳輸系統中，光傳輸系統中，FECFEC的實現方式主要有三的實現方式主要有三種種l帶內帶內FECFEC（In-band FECIn-band FEC）l帶外帶外FECFEC（Out-of-band FECOut-of-band FEC）l超強超強FECFEC（Super-FECSuper-FEC）l帶內帶內FECFEC（In-band FECIn-band FEC）l是指利用信道本身未使用的傳輸

58、開銷字節，作為是指利用信道本身未使用的傳輸開銷字節，作為FECFEC糾錯編碼字節，實施糾錯編碼字節，實施FECFEC編碼后，信道碼速不變。編碼后，信道碼速不變。l這種方法的缺點是幀開銷中可利用的字節數和幀長度這種方法的缺點是幀開銷中可利用的字節數和幀長度有限，編碼增益較小，糾錯容限不高，一般為有限，編碼增益較小，糾錯容限不高，一般為3dB左左右。右。 l帶內帶內FEC采用的是能夠糾正采用的是能夠糾正3個比特誤碼的二進制個比特誤碼的二進制BCH（n，k）系統碼，典型的應用為）系統碼，典型的應用為BCH（8191，8152）系統碼的子碼，即縮短的）系統碼的子碼，即縮短的BCH（4359，4320）

59、碼。碼。 l帶外帶外FECFEC（Out-of-band FECOut-of-band FEC）l是指把是指把FEC糾錯冗余字節加入傳輸信道，實施糾錯冗余字節加入傳輸信道，實施FEC編碼后，編碼后，信道碼速增加，能夠較大地改善系統性能。信道碼速增加，能夠較大地改善系統性能。l帶外帶外FEC的增益遠高于帶內的增益遠高于帶內FEC，具有較高的糾錯能力，具有較高的糾錯能力，可以靈活地選擇糾錯容限以滿足系統的需要，因此超長距可以靈活地選擇糾錯容限以滿足系統的需要，因此超長距離系統均采用帶外離系統均采用帶外FEC編碼。編碼。l由于會改變調制速率，需要根據碼率對整個發送由于會改變調制速率，需要根據碼率對整

60、個發送/接收設接收設備作一定的更換。備作一定的更換。l帶外帶外FEC采用采用RS（n，k）碼，單個分組中最大糾錯突發）碼，單個分組中最大糾錯突發誤碼為誤碼為r=(nk)/2，編，編/解碼實現較為簡單，編碼結構和二解碼實現較為簡單，編碼結構和二進制兼容。進制兼容。ITU-T G. 975標準規定利用標準規定利用RS（255，239）碼交織編解碼，簡稱碼交織編解碼，簡稱RS-8，即，即k=239個數據比特加上個數據比特加上nk =16個校驗比特為一個分組，分組碼長度為個校驗比特為一個分組，分組碼長度為n=255，可改，可改正最大突發錯誤碼為正最大突發錯誤碼為r=8，線路速率增加，線路速率增加7.1