第八章 高速光纤通信技术.ppt

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 XPM 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35 40dB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14 15dB 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 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 LargerEffectiveAreaFiber 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1510nm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 4 m增长到LEAF光纤的9 6 m 从而增加了光纤的有效面积 即从55 m2增加到72 m2 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 nm2 km 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1530 1565nm扩展到1530 1625nm 在这种情况下 如果色散斜率仍维持原来的数值 大约0 07 0 10ps nm2 km 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1310 1600nm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匹配包层光纤一样 然而 由于没有了水峰 光纤可以开放第5个低损窗口 从而带来一系列好处 1 光纤的可用波长范围增加100nm 相当于增加125个波长通道 100GHz通道间隔 使光纤的全部可用波长范围从大约200nm增加到300nm 可复用的波长数大大增加 2 由于在1400nm附近波长范围内 光纤的色散仅为1550nm波长区的一半 因而 容易实现高比特率长距离传输 全波光纤1400nm波段的无色散补偿传输距离将比传统的1550nm波段的无色散补偿传输距离增加1倍 3 可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输 改进网络管理 4 当有效工作波长范围大大扩展后 有利于通过增大波长通道之间的间距来降低对光器件的要求 可以使用波长间隔较宽 波长精度和稳定度要求较低的光源 合波器 分波器和其他元件 使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降 这就降低了整个通信系统的成本 同时可以通过加大波分复用的密度 实现光纤通信系统的超大容量传输 8 3 2高速光器件技术 随着光纤通信系统容量的急剧扩大 对波分复用器件和光放大器的性能指标提出了更加严格的要求 下面主要介绍高速超长距离WDM系统对波分复用器件的新要求以及新的宽带拉曼光纤放大器 1 波分复用器波分复用系统的核心器件之一就是波分复用器件 其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能 通常要求波分复用器件的插入损耗低且各通道的损耗偏差小 通带内损耗平坦 通路间的隔离度高 偏振相关性小 温度稳定性好 目前波分复用主要采用多层介质膜技术 可以满足系统在信道带宽 隔离度 偏振敏感性和插损方面的要求 特别是在少于32波的系统中有比较好的表现 但在信道数特别多的系统中 成本会比较高 而且性能也不能完全满足用户的要求 阵列波导光栅 AWG 波分复用 解复用器和光交叉波分复用 解复用器 Interleaver 器件可以在信道数大于32时满足系统的要求 AWG可以比较方便地实现40波以上的复用 解复用功能 插损 隔离度与多层介质膜的器件相比也基本一样 而且使用可以更为灵活方便 目前存在的问题主要是AWG的温度敏感特性 不过通过良好的温控电路 可以使AWG的温度特性稳定在20GHz的偏差左右 而Interleaver的推出可以说是密集波分复用系统中复用器 解复用器技术的一个重大突破 光交叉波分复用 解复用器件的原理如图8 3 2所示 通过该器件可以将原有的2N个波长信号间插成两个N个信号的复用 或将两个各为N个交错波长的端口复用成一个2N个波长信号的端口 利用Interleaver器件可以使复用器 解复用器的端口密度减小一半 大大减少了系统成本 降低了系统研发难度 图8 3 2Interleaver使用原理 在传统的32 40波DWDM系统中基本采用100GHz间隔的光支路信号 而波分复用 解复用器件大多采用AWG技术 在160波DWDM系统中各支路采用了50GHz间隔的光信号 但要利用单个器件对160波长的光信号进行波分复用 解复用 对器件设计的压力相当大 为此在160波DWDM系统中可采用多级复用的结构 以C波段为例 利用8个10波长的波分复用 解复用 再通过3级间插复用器可实现C波段80波的波分复用 解复用 L波段80波长的复用方式与此类似 目前应用的1 6Tbits s系统C波段和L波段是完全分开的 两个波段复用 解复用是通过波分复用器或耦合器实现的 其中基础的复用 解复用器为40波 在1 6Tbits s光传输系统中 由于波长间隔是50GHz 而原来光复用器 解复用器都是对间隔为100GHz的波长进行复用 解复用 要实现50GHz间隔的波长复用 可以采用Interleaver来实现 Interleaver滤波器是一个三端子器件 两个输入端是两路波长间隔均为100GHz的N个波的群路信号 输出端则为波长间隔为50GHz的2N个波的信号 Interleaver滤波器将两群路信号复用 解复用 图8 3 3所示为160波的复用和放大框图 图8 3 3160波系统的Interleaver复用器工作原理 要完成80波的复用 需要2个C波段复 波长间隔为50GHz 和1个Interleaver滤波器 160波的复用则需要2个C波段复用器 其中波长间隔为50GHz 1个C波段Interleaver滤波器 2个L波段复用器 其中波长差别为50GHz 1个L波段Interleaver滤波器 以及一个C L滤波器 80 160波解复用与此过程相反 如图8 3 4所示 图8 3 4Interleaver解复用器工作原理 2 拉曼光纤放大器 随着高速光纤传输系统所利用的频段不断的扩大和波长数的不断增加 需要研究新的宽带光放大器 SRS是一种三阶非线性效应 是光子与声子 分子振动模 之间的非弹性散射 把短波长泵浦光的能量转化为长波长信号光的能量 当合适波长的泵浦光注入到光纤中 拉曼频移处的光信号将得到放大 实现对信号光的放大 基于这种原理的放大器称之为拉曼光纤放大器 RFA 与掺铒光纤放大器 EDFA 和半导体光放大器 SOA 相比 拉曼光纤放大器具有如下明显的优势 1 可实现全波放大 2 RFA的增益介质就是传输光纤本身 可以对光信号进行在线放大 构成分布式放大 实现长距离的无中继传输和远程泵浦 同时与光纤系统具有良好的兼容性 可降低非线性效应特别是四波混频 FWM 效应的干扰 3 RFA的放大增益高 信号间差拍噪声小 噪声指数低 拉曼放大器主要分为两大类分立式拉曼放大器分布式拉曼放大器 分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器是指用一个集中的单元来提供增益 所有的泵浦功率都被限制在一个由隔离器作为边界的集中单元中 基本没有泵浦功率进入到外部传输线路中 分立式拉曼放大器采用的增益光纤较短 光纤长度一般为几千米 通常使用拉曼增益系数较高的特种光纤 拉曼放大器的整个放大波段可以是1280nm 1530nm 而这么宽的放大带宽对EDFA来说是不可能做到的 主要用于要求高增益 高功率以及EDFA无法放大的波段 分布式拉曼放大器分布式的拉曼放大器 DRA 是一种可以对传输光纤进行泵浦放大的一种光放大器 分布式拉曼放大器所采用的增益光纤比较长 一般为几十千米 泵浦源的光功率可降低到几百毫瓦 主要辅助EDFA用于提高DWDM通信系统的性能 抑制非线性效应 提高信噪比 使用分布式拉曼放大器有很多的优势 1 能够改善放大器的噪声指数 这样就可以使用较低的信号入射光功率 同时还可以使系统容忍高的损耗或者可以延长再生中继器之间的传输距离 2 在整个光纤谱内具有较为平坦的增益 这样可以改善光信噪比 降低非线性效应的影响 这种特性对于高速以及光孤子传输是相当有利的 3 当DRA和EDFA共同使用时 在光纤线路上的复杂性就可以全部承载在EDFA上 即DRA只充当低噪声的前置放大器 而关于增益均衡 增益校正 上 下路复用器和色散补充等就都可以由中间的EDFA来完成 8 3 3前向纠错编码 FEC 技术 FEC技术很早就应用于电通信系统中 它是数字通信系统中提高通信可靠性 降低误码率的关键技术 FEC在光纤通信系统中的应用是近几年才提出来的 主要原因在于 首先 光纤本身就具有较强的抗干扰性能 其次 在光纤通信初期 传输速率不高 一条光纤只需传一个波长 而且传输业务主要是语音 语音对误码不太敏感 随着光纤通信的快速发展 在长距离 大容量DWDM光纤通信系统中 由于光纤损耗 色散以及非线性效应等因素的影响 引起信号衰减 信道噪声以及信道间的串扰 使系统性能大大降低 因此在光纤传输线路中大约每隔80km就需要进行光中继放大 每隔400km必须进行电信号的再生 致使建网运营成本急剧增大 为解决上述问题 提高系统传输效率 在光纤通信系统中引入了前向纠错编码FEC技术 达到改善系统误码率的目的 FEC技术的出发点是在发射机编码时往信号中加入某些校验比特 这样在已经产生了误码的接收端数字码流中通过对校验比特进行一定计算 解码 以发现并纠正在传输过程中由噪声引起的误码 以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输 达到改善系统误码率的目的 FEC在高速光传输系统中主要有以下优点 1 延长光信号传输距离2 降低光发射机发射功率3 降低链路中线性或非线性因素对系统性能的影响 在WDM光传输系统中 FEC的实现方式主要有三种带内FEC In bandFEC 带外FEC Out of bandFEC 超强FEC Super FEC 带内FEC In bandFEC 是指利用信道本身未使用的传输开销字节 作为FEC纠错编码字节 实施FEC编码后 信道码速不变 这种方法的缺点是帧开销中可利用的字节数和帧长度有限 编码增益较小 纠错容限不高 一般为3dB左右 带内FEC采用的是能够纠正3个比特误码的二进制BCH n k 系统码 典型的应用为BCH 8191 8152 系统码的子码 即缩短的BCH 4359 4320 码 带外FEC Out of bandFEC 是指把FEC纠错冗余字节加入传输信道 实施FEC编码后 信道码速增加 能够较大地改善系统性能 带外FEC的增益远高于带内FEC 具有较高的纠错能力 可以灵活地选择纠错容限以满足系统的需要 因此超长距离系统均采用带外FEC编码 由于会改变调制速率 需要根据码率对整个发送 接收设备作一定的更换 带外FEC采用RS n k 码 单个分组中最大纠错突发误码为r n k 2 编 解码实现较为简单 编码结构和二进制兼容 ITU TG 975标准规定利用RS 255 239 码交织编解码 简称RS 8 即k 239个数据比特加上n k 16个校验比特为一个分组 分组码长度为n 255 可改正最大突发错误码为r 8 线路速率增加7 14 ITU TG 709标准规定使用RS 255 238 编码 编码冗余度更大 开销也有一定的灵活性 带外FEC的编码冗余度大 纠错能力强 编码增益较高 5 6dB 并可方便地插入FEC开销而不受SDH帧格式的限制 具有较强