DWDM 第2章 光纖結(jié)構(gòu)和傳輸特性

1、第二章 光纖結(jié)構(gòu)和傳輸特性 2.1 光纖結(jié)構(gòu)和分類 按照截面積折射率的不同分為：階躍光纖、漸變光纖； 按照傳輸模式數(shù)量的不同分為：單模光纖、多模光纖； 為解決單模光纖色散和非線性問題開發(fā)的特殊光纖： 色散位移光纖; 非零色散位移光纖; 色散平坦光纖; 色散補(bǔ)償光纖; 根據(jù)G.652光纖的工作波長范圍以及支持的不同 傳輸速率SDH系統(tǒng)，對PMD和1385nm的衰減系數(shù)的 要求區(qū)分，將G.652分成4個子類：G.652A、G.652B、G.652C、G.652D。 其中G.652A、G.652B支持10Gbit/s和40Gbit/s傳輸。相對于前兩者，G.652C在1550nm處的衰減更小，消除了

2、1385nm附近的水吸收峰，系統(tǒng)可以工作在13601530nm。光纖類型光纖名稱主要特性應(yīng)用場所G.652A非色散位移單模光纖（SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大2.5Gbit/s以下中距離傳輸，在1550nm窗口，2.5Gbit/s以上長距離傳輸需要用色散補(bǔ)償措施，支持單信道系統(tǒng)。G.652B非色散位移單模光纖（SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大2.5Gbit/s以下中距離傳輸，在1550nm窗口，2.5Gbit/s以上長距離傳輸需要用色散補(bǔ)償措施，支持單信道系統(tǒng)和多信道系統(tǒng)。G.652C波長段擴(kuò)展的非色散位移單模光纖（EB

3、-SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大，消除了1385nm水峰，工作波長為1310nm1625nm2.5Gbit/s以下中距離傳輸，支持CWDM系統(tǒng)。G.652D波長段擴(kuò)展的非色散位移單模光纖（EB-SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大，消除了1385nm水峰，工作波長為1310nm1625nm2.5Gbit/s以上中距離傳輸，需要用色散補(bǔ)償措施，支持多信道CWDM系統(tǒng)。光纖類型光纖名稱主要特性應(yīng)用場所G.655A非零色散位移單模光纖（ND-DSF）在1500nm處有一定的色散，可以抑制四波混頻等非線性效應(yīng)支持C波段，信道間隔20

4、0GHZ以上，10Gbit/s的DWDM系統(tǒng)G.655B非零色散位移單模光纖（ND-DSF）在1500nm處有一定的色散，可以抑制四波混頻等非線性效應(yīng)，消除1385nm水峰，工作波長為1310nm1625nm支持C、L波段，信道間隔等于100GHZ，10Gbit/s DWDM系統(tǒng)G.655D非零色散位移單模光纖（ND-DSF）在1500nm處有一定的色散，可以抑制四波混頻等非線性效應(yīng)，消除1385nm水峰，工作波長為1530nm1625nm支持C、L波段，信道間隔小于100GHZ，10Gbit/s DWDM系統(tǒng)光纖選擇工作波長工作方式G.652AG.652BG.652CG.652DG.655A

5、G.655BG.655D1.31或1.55單波長1.31&1.55波分復(fù)用1.31&1.552.5Gbit/s以上單波長C+L2.5Gbit/s CWDME+S+C+L2.5Gbit/s CWDMC+L10Gbit/s DWDMC+L10Gbit/s CWDM &DWDMC+L40Gbit/s DWDM光纖發(fā)展 應(yīng)用：城域網(wǎng)-最后一公里-大樓； 制造工藝：通信光纖大多數(shù)選用石英玻璃， 通過脫水消除石英玻璃光纖1385nm的水峰; 核心網(wǎng): (1) G.655A只支持200GHz以上間隔,在C波段 的應(yīng)用，也可以支持10Gbit/s速率為基礎(chǔ) 的DWDM系統(tǒng)。 (2) G

6、.655B只支持100GHz以下間隔,在C和L 波段應(yīng)用，又能使N * 10Gbits系統(tǒng)傳輸 3000KM以上。城域網(wǎng) & 局域網(wǎng)中的光纖技術(shù)： 城域網(wǎng)通信：更關(guān)注光纖的制造工藝，消除石英玻 璃光纖在1385nm的水峰，將工作波長 范圍拓寬為12601670nm，通過降 低DWDM系統(tǒng)成本，使價格相對低廉 的CWDM能夠應(yīng)用于城域網(wǎng)的匯聚層 和接入層。 局域網(wǎng)通信：通過提高多模光纖梯度折射率分布來控 制精度和改善光源注入條件來提高石英 玻璃多模光纖的帶寬和減小光纖衰減。 2.3 光纖的特性 2.3.1 衰耗 1、衰減表征: 2、衰減系數(shù): (/10)( )(0)10aLP LP10(

7、 )( )lg(/)(0)P LdB kmLP 3、衰減譜G.652在1550nm處的衰減最小0.2dB/km，色散高達(dá)G.653在1550nm色散為零，衰減最小。但不適合用于DWDM系統(tǒng)G655滿足DWDM系統(tǒng)多方面的要求。17/PS nm km4、衰減的起因金屬離子_OH損耗本征非本征吸收紫外吸收紅外吸收金屬離子OH- 離子 波導(dǎo)缺陷散射瑞利散射受激布里淵散射受激拉曼散射光纖的可用波段資源: 波段波長（nm）使用光纖應(yīng)用系統(tǒng)第一傳輸窗口850多模光纖單通道O12601360標(biāo)準(zhǔn)單模光纖單通道、WDME13601460波長擴(kuò)展光纖WDMSCLU146015301530156515651625

8、16251675非零色散位移光纖DWDM和CWDM工程設(shè)計法之（跨段）最壞值設(shè)計（跨段）最壞值設(shè)計: 發(fā)送機(jī)在S點(diǎn)最小平均發(fā)送光功率（dBm）； 接收機(jī)在R點(diǎn)最差靈敏度（dBm）； 設(shè)備富余度，取3dB。在光接口參數(shù)中已考慮； 最大光通道代價（dB）； 為什么要考慮光通道代價？ 光纖連接器損耗，通常一個中繼段兩端各1個連接 器，損耗取0.5dB/個；max2sRecpfjcPPMPLMsPRPMepPc 光纖衰減系數(shù)，干線用G.652光纖，分1、2兩級, 1級光纖：1310nm 、1550nm 2級光纖：1310nm 、1550nm 每千米光纖平均接頭損耗，取0.03dB/km； 線路富余度，

9、取0.04dB/km；fjMcmax2sRecpfjcPPMPLM0.36/fdB km0.22/fdB km0.4/fdB km0.25 /fdB km WDM系統(tǒng)光復(fù)用段的距離不是無限的，與之對應(yīng)的再生段的配置也不同，如: 克服光纖衰耗的方法：高輸出功率的激光源; 高靈敏度的光端機(jī); 光放大器; 光放大器解決了什么問題，又引發(fā)了什么問題？8 22dB5 30dB3 33dB2.3.2 色散光纖色散主要有:模間色散、材料色散、波導(dǎo)色散、偏振模色散。波長色散: ( )mwpDDDD 色散,在光纖通信系統(tǒng)中表現(xiàn)為光源光譜中不同波長分量因在光纖中的群速不同所引起的光脈沖展寬，正色散使得光脈沖被展寬

10、，負(fù)色散使得光脈沖被縮窄。 思考：色散損耗和傳輸損耗對光通信系統(tǒng)的影響相同嗎？ 答：不同。色散主要造成脈沖展寬和啁啾效應(yīng)。 （1）脈沖展寬：脈沖展寬是光纖色散對系統(tǒng)性能影響的最主要表現(xiàn)。當(dāng)傳輸距離超過色散長度時，脈沖展寬過大，這時系統(tǒng)將產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾和誤碼 （2）啁啾效應(yīng)：色散不僅僅是脈沖展寬，還使脈沖產(chǎn)生了相位調(diào)制。這種相位調(diào)制使得脈沖的不同部位對中心頻率產(chǎn)生了不同的偏離量，具有不同的頻率，即脈沖的啁啾效應(yīng)。 關(guān)于PMD 什么是PMD？ 造成PMD的原因？2.3.3 色散補(bǔ)償 一、什么是色散補(bǔ)償？ 色散參數(shù)的意義： 色散補(bǔ)償?shù)膶?shí)施：在G652中每隔一定距離插入 長度調(diào)整好的色散補(bǔ)償光纖

11、對色散進(jìn)行補(bǔ)償，使整個傳輸 線路總色散為零。/ps nm km二、色散補(bǔ)償原理 色散補(bǔ)償是當(dāng)光脈沖信號經(jīng)長距離傳輸后由于色散效應(yīng)而產(chǎn)生脈沖展寬畸變。這時可以通過色散補(bǔ)償光纖來修正，目的是消除展寬畸變。 三、色散補(bǔ)償光纖結(jié)構(gòu)四、DCF性能 （a）色散 （b）傳輸損耗 （c）連接損耗 （d）彎曲損耗五、DCF主要特點(diǎn)（1）DCF可放在線路中的兩個EDFA之間的任何位置；（2）DCF色散補(bǔ)償量可以控制，性能穩(wěn)定；（3）DCF在1550nm處具有很大的負(fù)色散。（4）DCF雖然引入插入損耗，但可通過EDFA彌補(bǔ)。DCF品質(zhì)因素: 可用于確定由DCF所引發(fā)的光信噪比OSNR (/)(/)(/)ccDps

12、nm kmFOM ps nm dBdB kmgg六、DCF放置注意事項(xiàng) a）無須破壞光纜； b）光信號進(jìn)入DCF前先進(jìn)行功率放大； c）應(yīng)限制DCF最大注入光功率。七、DCF優(yōu)勢與不足 a）帶寬大，能同時對多個WDM信道進(jìn)行色散補(bǔ)償； b）色散補(bǔ)償能力是固定的； c）有效面積只有19m； d）需要的DCF的長度長增加了傳輸衰耗。八、色散補(bǔ)償距離 色散補(bǔ)償距離=傳輸距離-光源色散受限距離+調(diào)整； 其中，調(diào)整量一般為 030km “色散受限距離” 與 “色散補(bǔ)償距離”？色散平坦光纖 DFF 特點(diǎn)：長波長波段低損耗、低色散。（13001600nm） 分類：W型DFF、多包層DFF；布拉格光柵光纖 原

13、理：通過三端口光環(huán)形器，使長波長分量在布拉格光柵初始端發(fā)生反射，進(jìn)而提升群速；使短波長分量在末端才反射，降低群速；來扼制波長分量的展寬，達(dá)到色散補(bǔ)償目的。高階模色散補(bǔ)償光柵 HOM-DCF兩種負(fù)色散光纖：一、DCF 工作波長基于基模LP01；二、HOM 工作波長基于高階模LP11 通過在接近截止波長處工作的LP11模的負(fù)色散來實(shí)現(xiàn) 色散補(bǔ)償； HOM面積較DCF大； 通過改變模的截止波長或HOM的長度來改變其補(bǔ)償能 力，在整個波長范圍內(nèi)對色散和色散斜率同時補(bǔ)償 ；其他色散補(bǔ)償方法： 超長寬帶光柵、采樣離散信道光柵、可調(diào)色散補(bǔ)償 色散管理方法 （1）控制系統(tǒng)工作波長使其盡量在零色散波長附近； （

14、2）設(shè)法對色散進(jìn)行補(bǔ)償，使總色散減小甚至等于零； （3）充分利用色散來抵消非線性效應(yīng)的影響。 光通道的色散使不同的載頻傳輸時延發(fā)生差異，造成接收波形失真，這種影響就是自相位調(diào)制SPM。SPM使得光波形變窄，補(bǔ)償了光通道色散對波形展寬的效應(yīng)。 色散管理在全光網(wǎng)中的應(yīng)用 （1）負(fù)色散光纖 廣域網(wǎng)和城域網(wǎng)：首選負(fù)色散光纖； 接入層局域網(wǎng) ：首選窄譜線的激光器；（2）啁啾光柵光纖 補(bǔ)償能力與帶寬成反比，當(dāng)用于WDM全光網(wǎng)， 難以同時補(bǔ)償多路波分復(fù)用信號。 2.4 非線性效應(yīng) 原因：在光場的作用下，光波信號和光纖介質(zhì)相互 作用的一種物理效應(yīng)。弱光場入纖時，介質(zhì) 呈現(xiàn)線性變化。強(qiáng)光場入纖時，介質(zhì)表現(xiàn)出 非

15、線性物理效應(yīng)。 分類：散射效應(yīng)、折射率效應(yīng)一、散射效應(yīng) 之 受激拉曼散射（SRS）在G652光纖上SRS導(dǎo)致1dB光功率代價的條件為： N：通道數(shù) P:每個通道的光功率 (1)500N PNfGHz W g gggSRS效應(yīng)對WDM系統(tǒng)的影響： (1) 導(dǎo)致各復(fù)用通路的信號出現(xiàn)不均衡。 (2) 引入串話。 消除SRS效應(yīng):降低入纖光功率; 調(diào)整放大器的增益曲線； 增設(shè)光功率均衡站 ;如何利用SRS效應(yīng)？利用拉曼增益制作分布式拉曼放大器提供分布式放大。一、散射效應(yīng) 之 受激布里淵散射（SBS） SBS & SRS： (1) 峰值SBS增益比SRS大2個數(shù)量級； (2) SBS頻移（101

16、3GHz）和增益帶寬20100MHz遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于SRS的相應(yīng)值； (3) SBS只出現(xiàn)在后向散射方向，其影響大于SRS的影響。 當(dāng)泵浦光的譜線寬比布里淵帶寬小很多時，產(chǎn)生SBS影響的門限功率可以表示為： ：激光器發(fā)射光譜的線寬（MHz）； ：單位mW 減緩SBS的影響，通過提高SBS門限 。0.03thPthP提高SBS門限的方法？ 方法一，通過利用一個重復(fù)頻率為1020KHz、頻偏為 1001000MHz的信號對中心波長進(jìn)行弱頻調(diào)制 方法二，SBS功率閾值與信號調(diào)制方式和碼速率有關(guān)，采 用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制技術(shù)也可以提高SBS功率閾值。二、折射率效應(yīng) 折射率效應(yīng)也稱為克爾效應(yīng)。即光纖的折射率n隨著光強(qiáng)

17、的變化而變化的非線性現(xiàn)象。 表達(dá)式：克爾效應(yīng)引起三種不同的非線性效應(yīng)：SPM、XPM、FWM 02/effnnn P A二、折射率效應(yīng) 之 自相位調(diào)制（SPM） 在強(qiáng)光脈沖持續(xù)的時間內(nèi)，折射率發(fā)生變化， 脈沖峰值的相位對前沿、后沿來說產(chǎn)生延遲、加速。 隨著傳輸距離加大，相移不斷積累，達(dá)到一定距離后顯示出相當(dāng)大的相位調(diào)制，從而使得光譜脈沖縮窄 自相位調(diào)制SPM。 注：相位的導(dǎo)數(shù)是頻率 G652光纖的1550nm窗口處由SPM引起的非線性影響的結(jié)果有兩種可能： 當(dāng)D為正值 ，光載波的群速度與載波頻率成正比，脈沖被壓縮變窄 ，延長了色散受限距離 ； 當(dāng)D為負(fù)值 ，縮短了色散受限距離 ； SPM的效果

18、與輸入信號的光強(qiáng)度成正比，與光纖衰減系數(shù)以及有效纖芯面積成反比。 當(dāng)信號傳輸15-40km時，光功率已經(jīng)衰減到不足以產(chǎn)生非線性的閾值。 另外，利用低色散光纖也能夠減少SPM對系統(tǒng)性能的影響。 二、折射率效應(yīng) 之 交叉相位調(diào)制（XPM） 由于XPM引入了信號譜展寬，再加上光纖介質(zhì)色散影響，會使得信號脈沖在經(jīng)過光纖傳輸后產(chǎn)生較大的時域展寬并在相鄰波長通路產(chǎn)生干擾。 XPM造成的系統(tǒng)代價與復(fù)用通路的間隔成反比，與復(fù)用通路數(shù)量成正比。 多波長系統(tǒng)中，為了抑制XPM引起的串音代價，采用G652光纖的WDM系統(tǒng)的最小通路間隔用下式來評估：2fAWB D Mg g二、折射率效應(yīng) 之 四波混頻（FWM ) 通

19、常FWM效率取決于通路間隔和光纖色散。 隨著WDM系統(tǒng)的波長數(shù)量越來越多，為了在同樣光放大器頻帶內(nèi)部容納更多的波長數(shù)，波長信道間隔趨向于越來越小，F(xiàn)WM的影響也隨之增加。 為了克服FWM效應(yīng)引起的串音干擾，不同波長之間的最小通路間隔應(yīng)滿足下列式子： 在所有的非線性效應(yīng)中，只有FWM的門限功率最低，0dBm左右。 0.25M PWDgG652：在1550nm有足夠的色散，可以抑制FWM，可以 用于支持WDM系統(tǒng)應(yīng)用。但色散太大，對于長距 離或者高比特率的傳輸需要進(jìn)行色散補(bǔ)償。G653：1550nm窗口為零色散窗口，不能抑制FWM，不 能用在WDM系統(tǒng)中；G655：既達(dá)到對非線性抑制的作用，又小到

20、足以進(jìn)行長 距離的高速傳輸，是WDM系統(tǒng)的理想首選。非線性效應(yīng)對（含有OA）傳輸系統(tǒng)的影響主要影響SRSSBSSPMXPMFWM減小信道間隔增加信道數(shù)增加信道功率增加區(qū)段數(shù)增加信道比特率非線性效應(yīng)對（含有OA）傳輸系統(tǒng)的影響主要影響SRSSBSSPMXPMFWM減小信道間隔增加信道數(shù)增加信道功率增加區(qū)段數(shù)增加信道比特率三、解決非線性效應(yīng)的方案（1）不等間距信道間隔方案。通過選擇通道頻率來實(shí)現(xiàn)（2）部分等間距信道間隔方案。 （3）等間距信道間隔方案。常用于WDM系統(tǒng).2.4.3 光孤子 1、光孤子的概念 某個相干光脈沖在通過光纖時，其脈沖前沿部分 作用光纖使之激活，而后沿部分則受到光纖的作用獲得

21、增益。 前沿失去的和后沿獲得的能量相互抵消。結(jié)果使得光脈沖傳輸時沒有任何形狀上的變化，即形成一個穩(wěn)定的光孤子。這樣的光孤立子能夠傳輸很長距離而不發(fā)生波形變化。2、光孤子通信系統(tǒng) 孤子源：是增益開關(guān)分布反饋半導(dǎo)體激光器， 該激光器依靠大電流的注入形成窄脈沖，結(jié)構(gòu) 簡單，而且重復(fù)頻率可調(diào) 。3、光孤子通信系統(tǒng)放大方式工作原理：周期性地置入光放大器，通過調(diào)整光放大器的增益 補(bǔ)償光纖損耗，使得由于非線性效應(yīng)所導(dǎo)致脈沖壓 縮補(bǔ)償群色散帶來的影響，以確保光孤子寬度穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：光孤子傳輸受動態(tài)調(diào)整，加之色散因素影響，放大 級數(shù)越多，色散效應(yīng)越強(qiáng)。解決方法：減小放大器間距。工作原理：向光纖注入泵浦光使其產(chǎn)生

22、拉曼效應(yīng)。當(dāng)拉曼增益 與光纖損耗等同時，光孤子將在任意距離上傳輸。 缺點(diǎn)：無法確保每處泵浦光功率都相同。解決方法：每隔一定的距離注入泵浦光對拉曼放大提供能量。4、光孤子通信特點(diǎn) （1）容量大 （2）誤碼率低、抗干擾能力強(qiáng) （3）無需電中繼站 5、色散控制光孤子方案 概念：色散管理孤子DMS，就是非線性系統(tǒng)中的 周期色散補(bǔ)償，通過周期性地配置正負(fù)色 散光纖從而使得傳輸線上的平均GVD很小 ，這就大大簡化了對傳輸光纖的特殊要求。 色散控制光孤子方案： 色散補(bǔ)償技術(shù)用于光孤子通信系統(tǒng)可對ASE噪音、孤子相互作用與色散波等進(jìn)行控制，達(dá)到提高系統(tǒng)傳輸速率，增大傳輸距離和通信容量的目的。 補(bǔ)償方案有：終端正色散補(bǔ)償與在線濾波控制混合補(bǔ)； 周期性集中式色散補(bǔ)償 ； 周期性分布式補(bǔ)償。2.5 光波長分配 1、為什么要實(shí)現(xiàn)波長標(biāo)準(zhǔn)化？（1）波長標(biāo)準(zhǔn)化是達(dá)成橫向兼容的第一步；（2）為不同廠家的產(chǎn)品在物理層上互連提供可能；（3）為全光網(wǎng)絡(luò)的“虛