第八章 高速光纤通信技术

1、8.1 8.1 高速光纤通信系统的概念高速光纤通信系统的概念 8.2 8.2 高速光纤通信系统面临的挑战高速光纤通信系统面临的挑战 8.3 8.3 高速光纤通信系统的关键技术高速光纤通信系统的关键技术 8.4 8.4 高速光纤通信系统的应用举例高速光纤通信系统的应用举例 第八章第八章 高速光纤通信技术高速光纤通信技术 8.1 8.1 高速光纤通信系统的概念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。是具有更大的可利用

2、带宽。 通信方通信方 式式 载波载波载频（载频（HzHz） 可利用带宽可利用带宽 （HzHz） 潜在通信容量潜在通信容量 （bit/sbit/s） 话路数话路数 电缆通电缆通 信信 射频电波射频电波 1 110109 9 （1GHz1GHz） 100M100M200M200M30003000 微波通微波通 信信 微波微波 1 1101011 11 （3mm3mm） 10G10G20G20G3030万万 光纤通光纤通 信信 光波光波 2 2101014 14 （1.5m1.5m） 20000G20000G40000G40000G6 6亿亿 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

3、途径有哪些？光传输系统在提高传输速率的途径有哪些？ l提高单信道传输速率 l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高速光纤系统的定义 l 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 8.1 高速光纤通信系统的概念高速光纤通信系统的概念 8.2 8.2 高速光纤通信系统面临的挑战高速光纤通信系统面临的挑战 8.3 8.3 高速光

4、纤通信系统的关键技术高速光纤通信系统的关键技术 8.4 8.4 高速光纤通信系统的应用举例高速光纤通信系统的应用举例 第八章第八章 高速光纤通信技术高速光纤通信技术 8.2 8.2 高速光纤通信系统面临的挑战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（光信噪比（OSNR)OSNR)劣化：主要是光放大器的放大自发辐射噪声劣化：主要是光放大器的放大自发辐射噪声 色散效应色散效应 群速度色散（群速度色散（GVD)GVD) 偏振模色散偏振模色散(PMD)(PMD) 光纤非线性效应光纤非线性效应 受激拉曼散射（受激拉曼散射（

5、SRSSRS） 受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBS） 自相位调制（自相位调制（SPMSPM） 交叉相位调制（交叉相位调制（XPMXPM） 四波混频（四波混频（FWMFWM） 在光纤通信系统中，特别是在光纤通信系统中，特别是WDMWDM系统中，系统中，OSNROSNR是目前衡量是目前衡量 高速光纤通信系统性能的重要指标之一，高速光纤通信系统性能的重要指标之一，OSNROSNR的大小决定的大小决定 了光信号质量的优劣。了光信号质量的优劣。 定义：定义：OSNROSNR定义为光信号功率与噪声功率的比值（用定义为光信号功率与噪声功率的比值（用dBdB表表 示）。示）。 一般对于一般对于10G

6、bit/s10Gbit/s光纤通信系统，在接收端要求光纤通信系统，在接收端要求OSNROSNR在在 25dB25dB以上（没有前向纠错编码以上（没有前向纠错编码FECFEC技术时）。在技术时）。在WDMWDM系统发系统发 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系统中，噪声的主要来源是系统中，噪声的主要来源是光纤放大器光纤放大器。 对于对于EDFAEDFA来说，噪声的主要来源是来说，噪声的主要来源是ASEASE噪声噪声。 EDFAEDFA在对信号光进行放大的同时，还会伴随着在对信号光进行放大的同时，还会伴

7、随着 对自发辐射光的放大，它不仅会消耗大量反转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，而且构成了粒子数，限制了放大器的增益，而且构成了 EDFAEDFA的附加噪声源。的附加噪声源。 EDFAEDFA的附加噪声由的附加噪声由噪声指数噪声指数（NFNF）来描述，实）来描述，实 际应用中际应用中EDFAEDFA的噪声指数一般是的噪声指数一般是6dB6dB。 衡量系统性能的接收误比特率（衡量系统性能的接收误比特率（BERBER）与光接）与光接 收机的收机的OSNROSNR有关，在其他条件不变的情况下，有关，在其他条件不变的情况下， OSNROSNR越大，则越大，则BERB

8、ER越低，系统性能越好，相反，越低，系统性能越好，相反， OSNROSNR越小，则越小，则BERBER越高，系统性能越差。越高，系统性能越差。 在在WDMWDM传输系统中，传输系统中，“OSNROSNR容限容限”是衡量系统是衡量系统 性能的最重要的光学指标之一，在其他条件不性能的最重要的光学指标之一，在其他条件不 变的情况下，传输系统的变的情况下，传输系统的OSNROSNR容限越低，系统容限越低，系统 性能就越优异。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损耗相同，每段光纤使用的光放大

9、器增益和噪声指 数也相同，则在经过数也相同，则在经过N N段光纤传输后，光信号的段光纤传输后，光信号的 OSNROSNR可以利用一个简单的公式来估计：可以利用一个简单的公式来估计： OSNR=58dB+OSNR=58dB+入纤光功率入纤光功率-NF-NF-每跨段损耗每跨段损耗-10lg-10lg（跨段数（跨段数 目）目） OSNR=58dB+OSNR=58dB+入纤光功率入纤光功率-NF-NF-每跨段损耗每跨段损耗-10lg-10lg（跨段数目）（跨段数目） 例：假设单信道入纤光功率为例：假设单信道入纤光功率为0dBm0dBm，每个放大器的噪声，每个放大器的噪声 指数指数NFNF为为6dB6d

10、B，每个，每个80km80km光纤跨段损耗为光纤跨段损耗为22dB22dB，则根据公，则根据公 式可以估计出一个式可以估计出一个8 8跨段光放大传输链路给出的接收端跨段光放大传输链路给出的接收端 OSNROSNR约为约为21dB21dB。 考虑到考虑到2.5Gbit/s2.5Gbit/s收发机在背靠背配置中的典型收发机在背靠背配置中的典型OSNROSNR容限容限 为为141415dB15dB。因此，在不计入传输代价时，该传输系统。因此，在不计入传输代价时，该传输系统 具有大于具有大于6dB6dB的系统余量。的系统余量。 2 色散色散 l 在任何非真空介质及波导结构中，不同频率在任何非真空介质及

11、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。的电磁波的传输速率不同，这就是色散的本质。 l1 1、色散的概念、色散的概念 l进入光纤的窄脉冲随着传输距离的增加会逐渐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。通信系统的误码率，这种现象称为色散。 l2 2、发生色散会有什么样的结果？、发生色散会有什么样的结果？ l色散最终限制了给定长度光纤中的比特传输速率。色散最终限制了给

12、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。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 3.3.色散的种类：色散的种类： 模间色散：多模光纤（模间色散：多模光纤（MMFMMF）中不同模式）中不同模式 的传输速率不同而引起的。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，导致传传输轴上的等效折射率随机不等，导致传 输速率不同。输速率不同。 色度色散：光源光谱中

13、不同波长在光纤中色度色散：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。的群时延差所引起的光脉冲展宽现象。 3 非线性效应非线性效应 l1 1、引起非线性效应的原因、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非线性效应，从而限制系统容量和中继 距离的进一步增大。距离的进一步增大。 在光系统中只要使用的光功率足够低，在光系统中只要使用的光功率足够低， 就可以假设这

14、个光系统是线性的。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散射引起的效应 受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRSSRS） 受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBS） 非线性折射率引起的效应非线性折射率引起的效应 自相位调制（自相位调制（SPMSPM） 交叉相位调制（交叉相位调制（XPMXPM）和）和 四波混频（四波混频（FWMFWM） 2.非线性效应的分类非线性效应的分类 1 1、概念、概念 (1) 受激拉曼散射（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，进而当一定强度的光入射光纤时会

15、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。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。波长的信号中。 图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 当光功率大到一定程度后才出现

16、受激拉曼散射光，当光功率大到一定程度后才出现受激拉曼散射光， 即即SRS存在存在阈值特性阈值特性。 对单信道系统来说，对单信道系统来说，SRS的阈值约为的阈值约为1W，即，即SRS对对 单信道系统没什么影响。单信道系统没什么影响。 对于高密集的波分复用系统来说，对于高密集的波分复用系统来说，SRS将成为限制将成为限制 光信道数的主要因素之一。光信道数的主要因素之一。 (2) 受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBS） 1 1、概念、概念 受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBS）是一种由光纤中的光信）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。号和声波的相互作用引起的非线性效应

17、。SBSSBS会使会使 部分前向传输光向后散射，消耗了信号功率，如图部分前向传输光向后散射，消耗了信号功率，如图 所示：所示： 图图8.8.2.3 2.3 受激布里渊散射受激布里渊散射 SBSSBS效应不仅会给系统带来噪声，而且会造成信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降低系统的光信噪比，严重限制传输系统性能的 提高。提高。 2 2、解决方法、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设置光源线宽明显大于布里渊带宽或者信号功率 低于低于SBSSBS门限

18、功率。门限功率。 由于由于SBSSBS阈值随着光源线宽的加宽而升高，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用窄而低频的正弦信号调制光源很容易提高SBSSBS 阈值。阈值。因此，虽然因此，虽然SBSSBS是最容易产生的非线性效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。应，但也最容易消除的非线性效应。 (3) 自相位调制（自相位调制（SPM） l信号光功率的波动引起信号本身相位的调制。信号光功率的波动引起信号本身相位的调制。 l光强度变化导致相位变化时，所有的频率成分都将产生频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

19、频移比较低频率成分的要大，移，但较高频率成分的绝对频移比较低频率成分的要大， SPM效应将逐渐效应将逐渐展宽光信号的频谱展宽光信号的频谱。 l正常色散区中，由于色度色散效应，一旦正常色散区中，由于色度色散效应，一旦SPM效应引起频效应引起频 谱展宽，沿着光纤传输的信号将经历较大的展宽。谱展宽，沿着光纤传输的信号将经历较大的展宽。 l异常色散区，光纤的色度色散效应和自相位调制效应可能异常色散区，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。会互相补偿，从而使信号的展宽会小一些。 (4) 交叉相位调制（交叉相位调制（XPM） lWDM系统中系统中，由于相邻波长之间存

20、在相互作用，某个波，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号频谱的离散化，对其他信道的相位产生调制作用。 lXPM效应一旦造成相邻信道信号频谱的交迭，就会引起邻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。道信号之间的串扰，导致脉冲波形畸变。 l减小减小XPM 信号串扰的办法：信号串扰的办法： l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

21、发生；容易发生； l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，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。减弱信号频谱的离散程度。 (5) 四波混频（四波混频（FWM） l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。在其他波长上产生混频成分的效应。 l当这些混频产物落在信道内时，将会引起信道间的串扰，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，也会给系统导致信噪比降低；当混频产物落在信道外时，也会给系统 带

22、来噪声。带来噪声。 对于光纤非线性效应，一般可以通过降低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，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。增加非线性受限传输距离。 第八章第八章 高速光纤通信技术高速光纤通信技术 l8.1 8.1 高速光纤通信系统的概念高速光纤通信系统的概念 l8.2 8.2 高速光纤通信系统面临的挑战高速光纤通信系统面临的挑战 l8.3 8.3 高速光纤

23、通信系统的关键技术高速光纤通信系统的关键技术 l8.4 8.4 高速光纤通信系统的应用举例高速光纤通信系统的应用举例 8.3 8.3 高速光纤通信系统的关键技术高速光纤通信系统的关键技术 l新型光纤技术新型光纤技术 l拉曼（拉曼（RamanRaman）放大器）放大器 l前向纠错编码（前向纠错编码（FECFEC）技术）技术 l归零（归零（RZRZ）码或其他调制格式）码或其他调制格式 l色散补偿技术色散补偿技术 8.3.1 高速光纤技术高速光纤技术 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

24、输最有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，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要求新一代光纤应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 积积、低的偏振模色散低的偏振模色散。 G.655 G.655 光纤光纤 大有效面积大有效面积G.655G.655型光纤型光纤 低色散斜率低色散斜率G.655G.655型光纤型光纤 1.1.全波光纤全波光纤 1 1、G.655G.655光纤光纤 G.655G.655光纤是非零色散位移光纤（光纤是非零色散位移光纤（NZ

25、-DSFNZ-DSF），）， 主要特点是在主要特点是在1550nm1550nm的色散值接近零，但不是零，的色散值接近零，但不是零， 是一种改进的色散位移光纤，以抑制自相位调制、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。交叉相位调制和四波混频等非线性效应。 l 正色散系数正色散系数G.655G.655型光纤型光纤 l 负色散系数负色散系数G.655G.655型光纤型光纤 类型类型正色散正色散G.655G.655光纤光纤 负色散负色散G.655G.655光纤光纤 优点色散系数较小不存在调制不稳定性问题 缺点有可能存在调制 不稳定性问题 1310nm窗口色散较

26、大，色散受限 距离短，不利于与电信现有光传 输设备兼容，产生四波混频问题 2 2、大有效面积光纤、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，光纤的模场直径变小，有效面积也减小有效面积也减小，光纤，光纤 更容易产生更容易产生非线性非线性。 大有效面积光纤（大有效面积光纤（LEAFLEAF，LargerLarger Effective Area Effective Area FiberFiber）是一种）是一种改进型改进型G.655G.655光纤。与普通光纤。与普通G.655G.655光纤一光纤一 样，它也

27、对光纤的零色散点进行了移动，零色散点处样，它也对光纤的零色散点进行了移动，零色散点处 于于1 510nm1 510nm左右，左右，当当色散为正值，避开了零色散区，维色散为正值，避开了零色散区，维 持了一个起码的色散值。持了一个起码的色散值。其弯曲性能、极化模色散和其弯曲性能、极化模色散和 衰减性能均可达到常规衰减性能均可达到常规G.655G.655光纤的水平，但色散系数光纤的水平，但色散系数 规范已大为改进，提高了下限值。规范已大为改进，提高了下限值。 LEAFLEAF光纤的特殊之处在于大大增加了光纤的模场光纤的特殊之处在于大大增加了光纤的模场 直径，从普通直径，从普通G.655G.655光纤

28、的光纤的8.4m8.4m增长到增长到LEAFLEAF光纤光纤 的的9.6m9.6m，从而增加了光纤的有效面积，即从，从而增加了光纤的有效面积，即从 55m55m2 2增加到增加到72m72m2 2。在相同的入纤功率时，降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，可以得到更好的扰，可以得到更好的OSNROSNR，改善了系统的光信噪，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比，延长了光放大器距离，增加了密集波分复用 的信

29、道数。的信道数。 l由于由于LEAFLEAF光纤具有较高的额定最高功率，在系统要求相同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，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。放大器间隔就越长。 lLEAFLEAF光纤可以减轻色散的线性和高功率的非线性影响，提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。但是高入纤功率，增加波分复用数目。但是LEAFLEAF光纤的有效面光纤的有效面 积变大后导致其色散斜率比常规光纤偏大，大约为积变大后导致其色散斜率比常规光纤偏大，大约为 0.1ps/(nm

30、2km)0.1ps/(nm2km)。当我们采用许多波长的超高密度。当我们采用许多波长的超高密度WDMWDM系系 统时，有可能给处于高端统时，有可能给处于高端L L波段的通道带来较大的色散。波段的通道带来较大的色散。 3 3 低色散斜率光纤低色散斜率光纤 所谓所谓色散斜率色散斜率指光纤的色散随波长变化的速率，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。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

31、散斜率的作会随着传输距离的延长而增大，由于色散斜率的作 用用，各信道的色散积累量是不同的，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 l 由上图可知，由上图可知，其中位于两侧的边缘信道之间的色散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，从而限制了大色散积累量的信道的色散值将会超标，从而限制了 整个整个WDMWDM系统的传输距离。系统的传输距离。 lWDMWDM系统的应用范围已经从系统的应用范围已经从C C波段扩展到波

32、段扩展到L L波段，全部波段，全部 可用频带可以从可用频带可以从153015301565nm1565nm扩展到扩展到153015301625nm1625nm。 在这种情况下，如果色散斜率仍维持原来的数值（大在这种情况下，如果色散斜率仍维持原来的数值（大 约约0.070.070.10ps/(nm2km)0.10ps/(nm2km)），长距离传输时短波长），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，势必和长波长之间的色散差异将随距离增长而增加，势必 造成造成L L波段高端过大的色散系数，需要利用代价较高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

33、小，多波长传的色散补偿措施，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输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的非线性影 响。响。因此，开发了低色散斜率的因此，开发了低色散斜率的G.655光纤。光纤。 4 4 全波光纤全波光纤 城域网面临更加复杂多变的业务环境，城域网面临更加复杂多变的业务环境，开发具有尽可能开发具有尽可能 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 因素是因素是1385nm附近的氢氧根离子（附近的氢氧根离子（OH）吸收峰，造成）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，

34、则光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。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全波光纤（也称作无水峰光纤）基本消除了常规光纤在 1385nm1385nm附近由于附近由于OHOH造成的损耗峰，将损耗从原来的造成的损耗峰，将损耗从原来的2dB/km 2dB/km 降到降到0.3dB/km0.3dB/km，这使光纤的损耗在，这使光纤的损耗在1 3101 3101 600nm1 600nm范围内范围内 都趋于平坦。其主要方法是采用了一种全新的光纤制造工都趋于

35、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。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除了没有水峰以外，全波光纤与普通的标准 G.652G.652匹配包层光纤一样。然而，由于没有了水峰，匹配包层光纤一样。然而，由于没有了水峰， 光纤可以开放第光纤可以开放第5 5个低损窗口，从而带来一系列好个低损窗口，从而带来一系列好 处：处： （1 1）光纤的可用波长范围增加）光纤的可用波长范围增加100nm100nm，相当，相当 于增加于增加125125个波长

36、通道（个波长通道（100GHz100GHz通道间隔），使光通道间隔），使光 纤的全部可用波长范围从大约纤的全部可用波长范围从大约200nm200nm增加到增加到300nm300nm， 可复用的波长数大大增加；可复用的波长数大大增加； （2 2）由于在）由于在1 1400nm400nm附近波长范围内，光纤的色散仅为附近波长范围内，光纤的色散仅为1550nm1550nm波波 长区的一半，因而，容易实现高比特率长距离传输；全波光长区的一半，因而，容易实现高比特率长距离传输；全波光 纤纤1 400nm1 400nm波段的无色散补偿传输距离将比传统的波段的无色散补偿传输距离将比传统的1 550nm1 5

37、50nm波波 段的无色散补偿传输距离增加段的无色散补偿传输距离增加1 1倍。倍。 （3 3）可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改）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；进网络管理； （4 4）当有效工作波长范围大大扩展后，有利于通过增大波长）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，和其他元

38、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用的密度，实现光纤通信系统的超大容量传输超大容量传输。 8.3.2 8.3.2 高速光器件技术高速光器件技术 l 随着光纤通信系统容量的急剧扩大，对波分复用器件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 介绍高速超长距离介绍高速超长距离WDMWDM系统对波分复用器件的新要求系统对波分复用器件的新要求以及以及 新的

39、宽带拉曼光纤放大器。新的宽带拉曼光纤放大器。 l1 1 波分复用器波分复用器 l 波分复用系统的核心器件之一就是波分复用系统的核心器件之一就是波分复用器件波分复用器件，其，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 波分复用器件的波分复用器件的插入损耗低插入损耗低且各通道的且各通道的损耗偏差小损耗偏差小，通带通带 内损耗平坦内损耗平坦，通路间的隔离度高通路间的隔离度高，偏振相关性小偏振相关性小，温度稳温度稳 定性好定性好。 目前波分复用主要采用目前波分复用主要采用多层介质膜技术多层介质膜技术。可以满足。可以满足 系统在信道带宽、隔离

40、度、偏振敏感性和插损方面的要系统在信道带宽、隔离度、偏振敏感性和插损方面的要 求，特别是在求，特别是在少于少于3232波的系统中有比较好的表现。但在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。能完全满足用户的要求。 阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWGAWG）波分复用波分复用/ /解复用器和光交叉解复用器和光交叉 波分复用波分复用/ /解复用器解复用器（InterleaverInterleaver）器件可以在信道数）器件可以在信道数 大于大于32 32 时满足系统的要求。时满足系统的要求。

41、 AWGAWG可以比较方便地实现可以比较方便地实现4040波以上的复用波以上的复用/ /解复用功解复用功 能，插损、隔离度与多层介质膜的器件相比也基本一样，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而且使用可以更为灵活方便。目前存在的问题主要是 AWGAWG的温度敏感特性，不过通过良好的温控电路，可以的温度敏感特性，不过通过良好的温控电路，可以 使使AWGAWG的温度特性稳定在的温度特性稳定在20GHz20GHz的偏差左右。的偏差左右。 而而InterleaverInterleaver的推出可以说是密集波分复用系统中的推出可以说是密集波分

42、复用系统中 复用器复用器/ /解复用器技术的一个重大突破。解复用器技术的一个重大突破。 光交叉波分复用光交叉波分复用/ /解复用器件的原理如图解复用器件的原理如图8.8.3.23.2所示，所示， 通过该器件可以将原有的通过该器件可以将原有的2N2N个波长信号间插成两个个波长信号间插成两个N N个个 信号的复用，或将两个各为信号的复用，或将两个各为N N个交错波长的端口复用成个交错波长的端口复用成 一个一个2N2N个波长信号的端口。利用个波长信号的端口。利用InterleaverInterleaver器件可以器件可以 使复用器使复用器/ /解复用器的端口密度减小一半，大大减少了解复用器的端口密度

43、减小一半，大大减少了 系统成本，降低了系统研发难度。系统成本，降低了系统研发难度。 图图8.8.3.2 3.2 InterleaverInterleaver使用原理使用原理 l在传统的在传统的32/40波波DWDM系统中基本采用系统中基本采用100GHz间间 隔的光支路信号，而波分复用隔的光支路信号，而波分复用/解复用器件大多采用解复用器件大多采用 AWG技术，在技术，在160波波DWDM系统中各支路采用了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间隔的光信号，但要利用单个器件对160波长波长 的光信号进行波分复用的光信号进行波分复用/解复用，对器件设计的压力解复用，对器件

44、设计的压力 相当大。相当大。 l为此在为此在160波波DWDM系统中可采用多级复用的结构，系统中可采用多级复用的结构， 以以C波段为例，利用波段为例，利用8个个10波长的波分复用波长的波分复用/解复用，解复用， 再通过再通过3级间插复用器可实现级间插复用器可实现C波段波段80波的波分复用波的波分复用/ 解复用，解复用，L波段波段80波长的复用方式与此类似。波长的复用方式与此类似。 l目前应用的目前应用的1.6Tbits/s1.6Tbits/s系统系统C C波段和波段和L L波段是完波段是完 全分开的，两个波段复用全分开的，两个波段复用/ /解复用是通过波分解复用是通过波分 复用器或耦合器实现的

45、。其中基础的复用复用器或耦合器实现的。其中基础的复用/ /解解 复用器为复用器为4040波。在波。在1.6Tbits/s1.6Tbits/s光传输系统中，光传输系统中， 由于波长间隔是由于波长间隔是50GHz50GHz，而原来光复用器，而原来光复用器/ /解复解复 用器都是对间隔为用器都是对间隔为100GHz100GHz的波长进行复用（解的波长进行复用（解 复用），要实现复用），要实现50GHz50GHz间隔的波长复用，可以间隔的波长复用，可以 采用采用InterleaverInterleaver来实现。来实现。 lI Interleavernterleaver滤波器是一个三端子器件，两个滤波

46、器是一个三端子器件，两个 输入端是两路波长间隔均为输入端是两路波长间隔均为100GHz100GHz的的N N个波的个波的 群路信号，输出端则为波长间隔为群路信号，输出端则为波长间隔为50GHz50GHz的的2N2N 个波的信号。个波的信号。InterleaverInterleaver滤波器将两群路信滤波器将两群路信 号复用号复用/ /解复用，图解复用，图8.8.3.33.3所示为所示为160160波的复用波的复用 和放大框图。和放大框图。 l图图8.3.3 1608.3.3 160波系统的波系统的InterleaverInterleaver复用器工作复用器工作 原理原理 要完成要完成8080波

47、的复用，需要波的复用，需要2 2个个C C波段复波段复 （波长间隔为（波长间隔为50GHz50GHz）和）和1 1个个InterleaverInterleaver滤滤 波器。波器。160160波的复用则需要波的复用则需要2 2个个C C波段复用器波段复用器 （其中波长间隔为（其中波长间隔为50GHz50GHz）、）、1 1个个C C波段波段 InterleaverInterleaver滤波器、滤波器、2 2个个L L波段复用器（其波段复用器（其 中 波 长 差 别 为中 波 长 差 别 为 5 0 G H z5 0 G H z ） 、） 、 1 1 个个 L L 波 段波 段 Interlea

48、verInterleaver滤波器，以及一个滤波器，以及一个C/LC/L滤波器。滤波器。 80/16080/160波解复用与此过程相反，如图波解复用与此过程相反，如图8.8.3.43.4 所示。所示。 图8.3.4 Interleaver解复用器工作原理 2 2、拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器 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大和波长数的不断增加，需要研究新的宽带光放大 器。器。 SRSSRS是一种三阶非线性效应，是光子与声子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

49、浦（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（大器称之为拉曼光纤放大器（RFARFA）。）。 与掺铒光纤放大器（与掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）和半导体光放大器）和半导体光放大器 （SOASOA）相比，拉曼光纤放大器具有如下明显的优）相比，拉曼光纤放大器具有如下明显的优 势：势： 1 1）可实现全

50、波放大。）可实现全波放大。 2 2）RFARFA的增益介质就是传输光纤本身，可以对光信号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（性；可降低非线性效应特别是四波混频（FWMFWM）效应的）效应的 干扰。干扰。 3 3）RFARFA的放大增益高，信号间差拍噪声小，噪声指数的放大增益高，信号间差拍噪声小，噪声指数 低。低。 l拉曼放大器主要分为两大类拉曼放大器主要分为两大类 l

51、分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器 l分布式拉分布式拉曼曼放大器放大器 l分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器 l分立式拉曼放大器是指用一个集中的单元来提供增益，所有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，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基本没有泵浦功率进入到外部传输线路中 。 l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千米，通常使用拉曼增益系数较高的特种光纤。 l拉曼

52、放大器的整个放大波段可以是拉曼放大器的整个放大波段可以是1 280 nm1 530nm， 而这么宽的放大带宽对而这么宽的放大带宽对EDFA 来说是不可能做到的。主要用来说是不可能做到的。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 无法放大的波段。无法放大的波段。 l分布式拉分布式拉曼曼放大器放大器 l分布式的拉曼放大器（分布式的拉曼放大器（DRA）是一种可以对传输光纤）是一种可以对传输光纤 进行泵浦放大的一种光放大器。进行泵浦放大的一种光放大器。 l分布式拉曼放大器所采用的增益光纤比较长，一般为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

53、到几百毫瓦，主要几十千米，泵浦源的光功率可降低到几百毫瓦，主要 辅助辅助EDFA 用于提高用于提高DWDM通信系统的性能，抑制非通信系统的性能，抑制非 线性效应，提高信噪比。线性效应，提高信噪比。 l使用分布式拉曼放大器有很多的优势：使用分布式拉曼放大器有很多的优势： l（1）能够改善放大器的噪声指数。这样就可以使用）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。损耗或者可以延长再生中继器之间的传输距离。 l（2）在整个光纤谱内具有较为平坦的增益。这样可）在整个光

54、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。对于高速以及光孤子传输是相当有利的。 l（3）当）当DRA和和EDFA共同使用时，在光纤线路上的共同使用时，在光纤线路上的 复杂性就可以全部承载在复杂性就可以全部承载在EDFA上，即上，即DRA只充当低只充当低 噪声的前置放大器，而关于增益均衡、增益校正、上噪声的前置放大器，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下路复用器和色散补充等就都可以由中间的EDFA 来来 完成。完成。 8.3.3 前向纠错编

55、码（前向纠错编码（FEC）技术）技术 lFECFEC技术很早就应用于电通信系统中，它是数字通信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。系统中提高通信可靠性、降低误码率的关键技术。 lFEC在光纤通信系统中的应用是近几年才提出来的，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：主要原因在于： l首先，光纤本身就具有较强的抗干扰性能；首先，光纤本身就具有较强的抗干扰性能； l其次，在光纤通信初期，传输速率不高，一条光纤只需其次，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，语音对误码不传一个波长，而且传输

56、业务主要是语音，语音对误码不 太敏感。太敏感。 l随着光纤通信的快速发展，在长距离、大容量随着光纤通信的快速发展，在长距离、大容量DWDM光光 纤通信系统中，由于光纤损耗、色散以及非线性效应等因纤通信系统中，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，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。使系统性能大大降低。 l因此在光纤传输线路中大约每隔因此在光纤传输线路中大约每隔80km就需要进行光中继就需要进行光中继 放大，每隔放大，每隔400km必须进行电信号的再生，致使建网运营必须进行电信号的再生，致使建网运营 成本急剧增

57、大。成本急剧增大。 l为解决上述问题，提高系统传输效率，在光纤通信系统中为解决上述问题，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引入了前向纠错编码FEC技术，达到改善系统误码率的目技术，达到改善系统误码率的目 的。的。 lFEC技术的出发点是在发射机编码时往信号中加入某些校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程中由噪声

58、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。换取高质量的传输，达到改善系统误码率的目的。 lFEC在高速光传输系统中主要有以下优点：在高速光传输系统中主要有以下优点： l1）延长光信号传输距离）延长光信号传输距离 l2）降低光发射机发射功率）降低光发射机发射功率 l3）降低链路中线性或非线性因素对系统性能的影响）降低链路中线性或非线性因素对系统性能的影响 l在在WDMWDM光传输系统中，光传输系统中，FECFEC的实现方式主要有三的实现方式主要有三 种种 l带内带内FECFEC（In-band FECIn-band FEC） l带外带外FECFEC（O

59、ut-of-band FECOut-of-band FEC） l超强超强FECFEC（Super-FECSuper-FEC） l带内带内FECFEC（In-band FECIn-band FEC） l是指利用信道本身未使用的传输开销字节，作为是指利用信道本身未使用的传输开销字节，作为FECFEC 纠错编码字节，实施纠错编码字节，实施FECFEC编码后，信道码速不变。编码后，信道码速不变。 l这种方法的缺点是帧开销中可利用的字节数和帧长度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，一般为有限，编码增益较小，纠错容限不高，一般为3dB左左 右。右。 l带内带内

60、FEC采用的是能够纠正采用的是能够纠正3个比特误码的二进制个比特误码的二进制 BCH（n，k）系统码，典型的应用为）系统码，典型的应用为BCH（8191， 8152）系统码的子码，即缩短的）系统码的子码，即缩短的BCH（4359，4320） 码。码。 l带外带外FECFEC（Out-of-band FECOut-of-band FEC） l是指把是指把FEC纠错冗余字节加入传输信道，实施纠错冗余字节加入传输信道，实施FEC编码后，编码后， 信道码速增加，能够较大地改善系统性能。信道码速增加，能够较大地改善系统性能。 l带外带外FEC的增益远高于带内的增益远高于带内FEC，具有较高的纠错能力，具