高速光纤通信技术.ppt
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1、8.1 高速光纤通信系统的概念 8.2 高速光纤通信系统面临的挑战 8.3 高速光纤通信系统的关键技术 8.4 高速光纤通信系统的应用举例,第八章 高速光纤通信技术,8.1 高速光纤通信系统的概念,人们很早就意识到光波是最理想的信号载体,因为与射频和微波相比,光波具有更高的频率,也就是具有更大的可利用带宽。,表8.1 三种信号载波的比较,光传输系统在提高传输速率的途径有哪些?,提高单信道传输速率使用密集波分复用(DWDM)技术,提高DWDM系统传输速率的途径,高速光纤系统的定义,所谓“高速”是指光线通信传输的数据速率高,究竟多高的数据速率才算高速,ITU-T并没有明确的规范意见。事实上,在光线
2、通信的不同发展阶段,高速的含义是不同的。目前通常把STM-16等级以上的系统统称为高速光纤通信系统,也有人称之为超高速光纤通信系统。,8.1 高速光纤通信系统的概念 8.2 高速光纤通信系统面临的挑战 8.3 高速光纤通信系统的关键技术 8.4 高速光纤通信系统的应用举例,第八章 高速光纤通信技术,8.2 高速光纤通信系统面临的挑战,目前影响高速光纤通信系统的不利因素,不利因素,光信噪比(OSNR)劣化:主要是光放大器的放大自发辐射噪声,色散效应,群速度色散(GVD),偏振模色散(PMD),光纤非线性效应,受激拉曼散射(SRS),受激布里渊散射(SBS),自相位调制(SPM),交叉相位调制(X
3、PM),四波混频(FWM),在光纤通信系统中,特别是WDM系统中,OSNR是目前衡量高速光纤通信系统性能的重要指标之一,OSNR的大小决定了光信号质量的优劣。定义:OSNR定义为光信号功率与噪声功率的比值(用dB表示)。一般对于10Gbit/s光纤通信系统,在接收端要求OSNR在25dB以上(没有前向纠错编码FEC技术时)。在WDM系统发送端的OSNR一般有3540dB左右。,1 光信噪比(OSNR),在WDM系统中,噪声的主要来源是光纤放大器。对于EDFA来说,噪声的主要来源是ASE噪声。EDFA在对信号光进行放大的同时,还会伴随着对自发辐射光的放大,它不仅会消耗大量反转粒子数,限制了放大器
4、的增益,而且构成了EDFA的附加噪声源。EDFA的附加噪声由噪声指数(NF)来描述,实际应用中EDFA的噪声指数一般是6dB。,衡量系统性能的接收误比特率(BER)与光接收机的OSNR有关,在其他条件不变的情况下,OSNR越大,则BER越低,系统性能越好,相反,OSNR越小,则BER越高,系统性能越差。在WDM传输系统中,“OSNR容限”是衡量系统性能的最重要的光学指标之一,在其他条件不变的情况下,传输系统的OSNR容限越低,系统性能就越优异。,对于带光放大器的光纤传输链路,假设每段光纤的损耗相同,每段光纤使用的光放大器增益和噪声指数也相同,则在经过N段光纤传输后,光信号的OSNR可以利用一个
5、简单的公式来估计:OSNR=58dB+入纤光功率-NF-每跨段损耗-10lg(跨段数目),OSNR=58dB+入纤光功率-NF-每跨段损耗-10lg(跨段数目)例:假设单信道入纤光功率为0dBm,每个放大器的噪声指数NF为6dB,每个80km光纤跨段损耗为22dB,则根据公式可以估计出一个8跨段光放大传输链路给出的接收端OSNR约为21dB。考虑到2.5Gbit/s收发机在背靠背配置中的典型OSNR容限为1415dB。因此,在不计入传输代价时,该传输系统具有大于6dB的系统余量。,2 色散,在任何非真空介质及波导结构中,不同频率的电磁波的传输速率不同,这就是色散的本质。1、色散的概念进入光纤的
6、窄脉冲随着传输距离的增加会逐渐变形展宽,当脉冲展宽到与相邻的脉冲发生重叠时,就会导致信号之间的相互干扰,结果增加了通信系统的误码率,这种现象称为色散。,2、发生色散会有什么样的结果?色散最终限制了给定长度光纤中的比特传输速率。如果色散很大的话,多个信号之间就会出现重叠情况,从而导致在接收机处难以提取正常的信号。,图8.2.1 光纤色散导致的信号失真,3.色散的种类:模间色散:多模光纤(MMF)中不同模式的传输速率不同而引起的。偏振模色散:光纤的不对称性造成两偏振传输轴上的等效折射率随机不等,导致传输速率不同。色度色散:光源光谱中不同波长在光纤中的群时延差所引起的光脉冲展宽现象。,3 非线性效应
7、,1、引起非线性效应的原因 在高比特率系统中,为了增加中继距离而提高发送光功率,当光纤中传输的光强密度超过光纤的阈值时,则会出现非线性效应,从而限制系统容量和中继距离的进一步增大。在光系统中只要使用的光功率足够低,就可以假设这个光系统是线性的。,受激散射引起的效应受激拉曼散射(SRS)受激布里渊散射(SBS)非线性折射率引起的效应自相位调制(SPM)交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM),2.非线性效应的分类,1、概念,(1)受激拉曼散射(SRS),由光纤中光信号和光纤材料中的分子振动相互作用引起的非线性效应。,当一定强度的光入射光纤时会引起光纤中的分子振动,进而调制入射光强,产生间隔为分
8、子振动频率的边带,低频边带称为斯托克斯线,高频边带称为反斯托克斯线。当两个斯托克斯频率的光波入射到光纤时,低频波获得增益而高频波被衰减,即较短波长信号的一部分功率转移到较长波长的信号中。,图8.2.2受激拉曼散射,2、受激拉曼散射可能引起信噪比性能的劣化 当光功率大到一定程度后才出现受激拉曼散射光,即SRS存在阈值特性。对单信道系统来说,SRS的阈值约为1W,即SRS对单信道系统没什么影响。对于高密集的波分复用系统来说,SRS将成为限制光信道数的主要因素之一。,(2)受激布里渊散射(SBS),1、概念 受激布里渊散射(SBS)是一种由光纤中的光信号和声波的相互作用引起的非线性效应。SBS会使部
9、分前向传输光向后散射,消耗了信号功率,如图所示:,图8.2.3 受激布里渊散射,SBS效应不仅会给系统带来噪声,而且会造成信号的一种非线性损耗,限制入纤功率的提高,并降低系统的光信噪比,严重限制传输系统性能的提高。2、解决方法设置光源线宽明显大于布里渊带宽或者信号功率低于SBS门限功率。由于SBS阈值随着光源线宽的加宽而升高,用窄而低频的正弦信号调制光源很容易提高SBS阈值。因此,虽然SBS是最容易产生的非线性效应,但也最容易消除的非线性效应。,(3)自相位调制(SPM),信号光功率的波动引起信号本身相位的调制。光强度变化导致相位变化时,所有的频率成分都将产生频移,但较高频率成分的绝对频移比较
10、低频率成分的要大,SPM效应将逐渐展宽光信号的频谱。正常色散区中,由于色度色散效应,一旦SPM效应引起频谱展宽,沿着光纤传输的信号将经历较大的展宽。异常色散区,光纤的色度色散效应和自相位调制效应可能会互相补偿,从而使信号的展宽会小一些。,(4)交叉相位调制(XPM),WDM系统中,由于相邻波长之间存在相互作用,某个波长的信号场强如果大到一定的程度,就会引起相邻波长信号频谱的离散化,对其他信道的相位产生调制作用。XPM效应一旦造成相邻信道信号频谱的交迭,就会引起邻道信号之间的串扰,导致脉冲波形畸变。减小XPM 信号串扰的办法:控制信道间隔,信道间隔越大,相邻信道信号的频谱交迭就越不容易发生;实行
11、色散补偿,色散补偿的结果可以使光纤的色散系数最小化,减弱信号频谱的离散程度。,(5)四波混频(FWM),四波混频是指两个或三个不同波长的光波相互作用而导致在其他波长上产生混频成分的效应。当这些混频产物落在信道内时,将会引起信道间的串扰,导致信噪比降低;当混频产物落在信道外时,也会给系统带来噪声。,对于光纤非线性效应,一般可以通过降低入纤光功率、采用新型大孔径光纤、拉曼放大器等方法加以抑制。特殊的码型调制技术也可以有效地提高光脉冲抵抗非线性效应的能力,增加非线性受限传输距离。,第八章 高速光纤通信技术,8.1 高速光纤通信系统的概念8.2 高速光纤通信系统面临的挑战8.3 高速光纤通信系统的关键
12、技术8.4 高速光纤通信系统的应用举例,8.3 高速光纤通信系统的关键技术,新型光纤技术拉曼(Raman)放大器前向纠错编码(FEC)技术归零(RZ)码或其他调制格式色散补偿技术,8.3.1 高速光纤技术,光纤是光信号的物理传输媒质,其特性直接影响光纤传输系统的带宽和传输距离,采用新型光纤是得到高容量传输最有效的途径之一。为克服光纤带来的色散限制和非线性效应问题,要求新一代光纤应具有所需的色散值和低色散斜率、大有效面积、低的偏振模色散。G.655 光纤大有效面积G.655型光纤低色散斜率G.655型光纤全波光纤,1、G.655光纤 G.655光纤是非零色散位移光纤(NZ-DSF),主要特点是在
13、1550nm的色散值接近零,但不是零,是一种改进的色散位移光纤,以抑制自相位调制、交叉相位调制和四波混频等非线性效应。正色散系数G.655型光纤 负色散系数G.655型光纤,2、大有效面积光纤,NZ-DSF光纤大大地改善了光纤的色散特性,但是NZ-DSF光纤的模场直径变小,有效面积也减小,光纤更容易产生非线性。大有效面积光纤(LEAF,Larger Effective Area Fiber)是一种改进型G.655光纤。与普通G.655光纤一样,它也对光纤的零色散点进行了移动,零色散点处于1 510nm左右,当色散为正值,避开了零色散区,维持了一个起码的色散值。其弯曲性能、极化模色散和衰减性能均
14、可达到常规G.655光纤的水平,但色散系数规范已大为改进,提高了下限值。,LEAF光纤的特殊之处在于大大增加了光纤的模场直径,从普通G.655光纤的8.4m增长到LEAF光纤的9.6m,从而增加了光纤的有效面积,即从55m2增加到72m2。在相同的入纤功率时,降低了光纤中传播的功率密度,减少了光纤的非线性效应。在相同的中继距离时,减少了非线性干扰,可以得到更好的OSNR,改善了系统的光信噪比,延长了光放大器距离,增加了密集波分复用的信道数。,由于LEAF光纤具有较高的额定最高功率,在系统要求相同的信噪比和相同的非线性作用的条件下,有效面积越大,放大器间隔就越长。LEAF光纤可以减轻色散的线性和
15、高功率的非线性影响,提高入纤功率,增加波分复用数目。但是LEAF光纤的有效面积变大后导致其色散斜率比常规光纤偏大,大约为0.1ps/(nm2km)。当我们采用许多波长的超高密度WDM系统时,有可能给处于高端L波段的通道带来较大的色散。,3 低色散斜率光纤,所谓色散斜率指光纤的色散随波长变化的速率,又称为高阶色散。色散对光脉冲信号传输的直观影响是导致光脉冲信号的展宽。由于色散的积累,每一信道(波长)的色散都会随着传输距离的延长而增大,由于色散斜率的作用,各信道的色散积累量是不同的。,图8.3.1低色散斜率NZDF光纤在C波段和L波段都具有很好的色散特性,由上图可知,其中位于两侧的边缘信道之间的色
16、散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后,具有较大色散积累量的信道的色散值将会超标,从而限制了整个WDM系统的传输距离。WDM系统的应用范围已经从C波段扩展到L波段,全部可用频带可以从15301565nm扩展到15301625nm。在这种情况下,如果色散斜率仍维持原来的数值(大约0.070.10ps/(nm2km)),长距离传输时短波长和长波长之间的色散差异将随距离增长而增加,势必造成L波段高端过大的色散系数,需要利用代价较高的色散补偿措施,而低波段的色散又太小,多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的非线性影响。因此,开发了低色散斜率的G.655光纤。,4 全波光纤,城域网面临更加复杂
17、多变的业务环境,开发具有尽可能宽的可用波段的光纤成为关键。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的氢氧根离子(OH)吸收峰,造成了光功率的严重损失,因而若能设法消除这一水峰,则光纤的可用频谱可望大大扩展,全波光纤就是在这种形势下诞生的。全波光纤(也称作无水峰光纤)基本消除了常规光纤在1385nm附近由于OH造成的损耗峰,将损耗从原来的2dB/km 降到0.3dB/km,这使光纤的损耗在1 3101 600nm范围内都趋于平坦。其主要方法是采用了一种全新的光纤制造工艺,基本消除了光纤制造过程中引入的水份,几乎可以完全消除由水峰引起的衰减。,除了没有水峰以外,全波光纤与普通的标准G.652匹
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