第八章 高速光纤通信技术

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。

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：
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
160 32 400G 1.6T 6.4T
WDM通路数
16
40G
160G
640G
8
20G
80G
320G
1 2.5Gbit/s 10Gbit/s 单信道速率 40Gbit/s
提高DWDM系统传输速率的途径
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。
2.非线性效应的分类
受激散射引起的效应
受激拉曼散射（SRS）
受激布里渊散射（SBS）
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，
不 利 因 素
群速度色散（GVD) 色散效应 偏振模色散(PMD) 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）
光纤非线性效应
1 光信噪比（OSNR）
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。
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。
(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。



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。
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。 1.G.655 光纤 2.大有效面积G.655型光纤 3.低色散斜率G.655型光纤 4.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。
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）
(1) 受激拉曼散射（SRS）
1、概念
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。
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 8.2 8.3 8.4
高速光纤通信系统的概念 高速光纤通信系统面临的挑战 高速光纤通信系统的关键技术 高速光纤通信系统的应用举例
也有人称之为超高速光纤通信系统。
第八章 高速光纤通信技术
8.1 8.2 8.3 高速光纤通信系统的概念 高速光纤通信系统面临的挑战 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
8.2
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
光信噪比（OSNR)劣化：主要是光放大器的放大自发辐射噪声
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。
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）
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？
图8.2.1 光纤色散导致的信号失真

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。
第八章 高速光纤通信技术
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8.4
高速光纤通信系统的应用举例
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。
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。
• 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8.4μ m增长到LEAF光纤 的 9.6 μ m ，从而增加了光纤的有效面积，即从 55 μ m 2 增加到 72 μ m 2 。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。
通信方 式 电缆通 信 微波通 信 光纤通 信 载波 射频电波 微波 光波 载频（Hz） 1×109 （1GHz） 1×1011 （3mm） 2×1014 （1.5μ m） 可利用带宽 （Hz） 100M 10G 20000G 潜在通信容量 （bit/s） 200M 20G 40000G 话路数 3000 30万 6亿
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。