现代光纤通信技术综述.docx

1、现代光纤通信技术综述第一章 通信网技术概述1.1 概述1.2 通信设备构成通信网的最基本的设备是用户端设备、传输链路设备和转接交换设备。1.3 广域网分类1.4 通信协议1.4.1 协议通常将网络分层结构以及各层协议的集合称为网络体系结构。比较著名的网络体系结构有国际标准化组织ISO(International for Standardization)提出的开放系统体系结构OSI(Open System Interconnection);美国国防部提出的传输控制协议TCP/IP；国际电信联盟提出的公共数据网X系列协议；IBM公司提出的系统网络体系结构SNA等。1.4.2 标准化组织1. 国际标

2、准化组织ISO2. 国际电信联盟-电信标准化部ITU-T(International Telecommunication Union)一直负责制定电信网的标准系列。3. 因特网工程任务组IETF(Internet Engineering Task Force)负责研究因特网的体系结构以及新一代因特网标准规范的研究和制定第二章 数字通信技术第三章 光纤通信技术3.1 光纤通信3.1.1光纤通信的发展 3.1.2 光纤通信的特点1. 传输频带宽，通信容量大。由信息理论知道，载波频率越高，通信容量就越大。2. 损耗低。目前实用的光纤均为石英系光纤，要减小损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度。3. 在运用

3、频带内，光线对每一频率成分的损耗几乎一样。因此，系统中才去的均衡措施比传统的电信系统简单，甚至可以不必采用。4. 光纤内传播的光能几乎不辐射，因此很难被窃听，也不会造成统一光缆中各光纤之间串扰5. 不受电磁干扰。因为光纤是非金属的介质材料。6. 线径细、重量轻，便于敷设。7. 资源丰富。制作玻璃光纤的原料是适应，其来源十分丰富。3.1.3 通信系统中主要技术指标1.分贝dB分贝dB 是以常用对数表示的两个电压或两个功率之比的一种计量单位。以作为基准功率，那么在某一点的功率的测试点上的功率电平为D=10lg (dB)光纤放大器的功率增益为功率增益G=10lg (dB)若损耗沿光纤是均匀的，光纤的

4、损耗常用衰减常数A表示衰减常数A=-lg (dB/km)光纤连接器反射损耗系数为反射损耗系数R=-10lg (dB)2. 绝对功率dBmdB表示相对于某一据准功率的相对功率电平数。dBm则表示相对于1mW参考功率的电平数，成为绝对功率电平数。符号dBm中的dB表示分贝，m表示毫瓦。D=10lg=10lg (dBm)3. 信道的传输速率和频带利用率数字通信网络的运载信息能力用数据传输速率表示，数据传输速率的单位是比特/秒（b/s）,所以数据传输速率也称比特率。 在比较不同的数字通信系统时，但看他们的信息传输速率是不够的，还要看传输这种信息所占用的信道的频带宽度。所以采用频带利用率，即单位频带内的

5、传输速率作为衡量数字通信系统传输速率（有效性）的指标：（b）4. 带宽BW信道带宽（Band Width）是通信系统的宝贵资源。带宽是描述用于模拟传输的通信信道的运载能力的特性。带宽是一个频率范围，信号在这个频率范围内传输不会产生重大的畸变，带宽用赫兹（Hz）作为单位。制造商经常用带宽和光纤长度的乘积来标明带宽的质量数字通信网络的运载信息能力也常用带宽来表示。比特率和带宽都是表示运载信息能力的。他们的关系在不同情况有不同的规定，最简单的办法（也是不太确切的办法）就是假设每秒的比特数b/s与每秒周期数相同。限制比特率的最重要因素是光纤的衰减和光纤的色散。色散和光源频宽使脉冲展宽，在超声速和超长距

6、离通信系统中色散将是限制比特率最重要因素之一。5. 误码率BER 衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码率BER(Bit Error Rate).在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元素之比，成为误码率。BER是多次统计结果的平均值，实际上是平均误码率。误码率的大小由传输系统特性和信道质量等因素决定，显然提高信道信噪比（信号功率/噪声功率）可使误码率减少；缩短中继段距离可提高信噪比，也即可使误码率减少。6. 抖动性能抖动性能也是一种可靠性指标。抖动是较高传输系统中的不稳定现象，信号抖动是指数字信号的码位相对于标准位置的随即偏移，脉冲时间间隔上不再是等间隔的。信号抖动也是由传输特性和信道质

7、量等因素决定的，他可能是有脉冲恢复电路产生的抖动，也可能是由噪声引起的抖动，也可能由设备和光源老化引起的抖动。误码率和信号抖动都直接反映了通信质量。3.2 光导纤维3.2.1 光导纤维的产生光导纤维是具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰等优点的一种新型传输介质。3.2.2 光纤结构和光传输的基本原理1. 光的特性光具有波动性和粒子性(1) 光的波动性 光是一种横向电磁波TEM(Transverse Electromagnetic)，所谓横向是指光在真空三维空间中传播时，电场强度E和磁场强度H两个矢量都与光的传输方向垂直。在光波传输时，随着时间的变化，电场和磁场的空间方位受到周围环境

8、和光纤质量的影响也发生变化，这种现象称为极化。这种电磁波的极化现象也成为偏振现象。光波与其他波长的电磁波一样，在真空中的传播速度为根据光速=波长频率的公式，有光的中心频率大约为： 光的中心波长大约为： 光既然是电磁波，就会有电磁辐射，会产生反射、折射、干涉、偏振和损耗等现象。紫外光的波长范围为6nm390nm；可见光的波长范围为390nm760nm；红外光的波长范围为760nmnm；光纤通信所使用的波长范围为800nm1700nm，具体使用的波长为短波长850nm、长波长C波段1310nm和长波长L波段1550nm。(2) 光的粒子性2. 光纤的结构3. 光纤的导光原理3.2.3 多模光纤和单

9、模光纤1. 光纤的传输模式“模”来源于电磁场的概念这里所说的“模”，实际上是光场的模式。当光纤的纤芯较粗时，则可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤称为多模光纤MMF(Multi-Mode Fiber)；当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴一致的光线通过，即只允许通过一个基膜，这种只允许传输一个基膜的光纤称为单模光纤SMF(Single-Mode Fiber)。从光纤理论的分析，可以得到以下几个有关的结论：（1） 并不是任何形式的光波都能在光纤中传输，每种光纤都只允许某些特定形式的光波通过，而其他形式的光波在光纤中无法存在。每

10、一种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一种模式。（2） 在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、传输速度和传输路径不同，光的衰减也不同。观察与光纤垂直的横截面就会看到不同模式的光波在横截面上的场强分布也不同，高次模的衰减大于低次模。（3） 进入光纤的光，在光纤的纤芯和包层界面上的入射角小于临界角的光就有一部分进入包层被很快衰减掉。入射角大于临界角时，在交界面内发生全反射，传输损耗小，能远距离传输，称为导模（4） 能满足全反射条件的光线也只有某些特定的角度射入光纤端面的部分才能在光纤中传输因此，不同模式的光的传输方向不是连续改变的，当通过同样一段光纤时，以不同角度在光纤中传输的光所走

11、的路径也不同，沿光纤轴前进的光走的路径最短，而与轴线佼佼大的光所走的路经长2. 单模光纤的主模和传输条件3. 多模光纤多模光纤的芯径和外径分别为50和125。4. 单模光纤单模光纤的外径也是125，但他的芯径一般为410。单模光纤采用阶跃材质和高度集中的光源，使得发出的光纤限制在非常接近水平很小范围。光纤纤芯本身制造时采用比多模光纤小得多的直径，和极低的密度（折射系数）。密度的降低时的全反射角接近，从而使得传播的光线基本是水平的。在这种情况下，不同光线的传播几乎是相同的，从而可以忽略传播延迟。所有光线几乎同时抵达目的地并且可以无扭曲的重组为完整的信号。3.2.4光纤的传输特性1. 光纤的损耗特

12、性衰减是光纤的一个重要的传输参数。他表明了光纤对光能的传输损耗，光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用。形成光纤损耗的原因很多，既有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗两类。（1） 吸收损耗是光波通过光纤的材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，主要有本征吸收和杂质吸收。本征吸收是指光纤基本材料固有的吸收。本征吸收是不可避免的，所以本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。（2） 散射损耗是由于

13、光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射而产生的损耗。衰减系数，则定义为单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时，即（dB/km）式中 P(0)在L=0处注入光纤的功率； P(L)传输到轴向距离L处的光功率。（）在波长为处的shuaijianxishu 与波长的函数关系，其数值与选择的光纤长度无关。2. 光纤的色散特性在光纤中，不同速率的信号传过同样的距离需要不同的时间，从而产生时延差，时延差越大，色散越严重，因此可用时延差表示色散的程度。由于光纤中色散的存在，将直接导致光信号在光纤传输过程中的畸变，会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生无码干扰，增加误码率，从而限

14、制了通信容量和传输距离。从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散3种。（1） 模式色散是指在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，由于在光纤中行进轨迹不同，当传输同样的光纤长度时，需要不同的时间，即模式之间存在时延差，这种色散成为模式色散。他取决与光纤的折射率分布。（2） 材料色散是由于光纤材料本身的折射率随波长而变化，使信号各频率成分的群速不同所引起的色散。（3） 波导色散是由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使广播的一部分在纤芯中传输，另一部分在包层中传输。由于纤芯和包层的折射率不同，会造成脉冲展宽的现象，称为波导色散。（4） 色度色散CD(Chromatic Di

15、spersion)指所有引起由于波长的脉冲扩展相关的现象，包括材料色散和波导色散。3. 偏振色散PMD(Polarization Mode Dispersion)偏振是单模光纤特有的问题。典型光线是无偏振的，也可以成为圆形偏振。也就是说，它的电场E和磁场H在所有垂直与传播方向上具有同样的强度，因而是圆形的。当光通过媒质传播时，它进入靠近原子和离子的场，会产生场的相互作用，对各个方向上光的电场强度和磁场强度发生影响，最终会形成椭圆或线性的场分布。实际上，单模光纤传输的基膜（模）存在两个相互正交的偏振态或。在完善的光纤中，该两模式具有相同的传输特性，偏振态是完全简并的，它们不会对光纤中信号传输造成

16、任何不良影响。但实际光纤总有某种程度的不完善，如光纤的芯子具有一定的椭圆度或者由于弯曲、侧压和光纤的残余应力等，这两种偏振态具有不同的传输特性，偏振模式色散PMD(Polarization Mode Dispersion)将引起各种严重影响，如两模式的群速不同，因而引起偏振色散，外界条件的变化有可能引起光纤输出偏振态的不稳定。4. 光纤的非线性效应通常，在广场较弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参数随光场的强弱做线性变化。这时，光纤对光场来讲，是一种线性媒质。但是，若光场很强，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。当光纤处于非线性工作状态时，光纤的非线性效应不仅引起信号的畸变，更重要的是它将导

17、致新频率的产生和不同频率之间的相互作用，新频率的产生将损失信号光的功率。光纤中的几种非线性效应均可能在信号见构成串扰，具体来讲，就是一个信道的光强和相位将受到其他相邻信道的影响，从而形成串扰由于是光纤非线性效应引起的，故这种串扰便称之为非线性串扰。由于多波长多通道的传输采用光纤放大器，光纤内部有效传输功率剧增，容易产生非线性效应，有四波混频、自相位调制、交叉相位调制等。（1） 四波混频FWM(Four Wave Mixing)：4个不同频率光波组成时，将造成临近通道间的串音。FWM是波分复用WDM系统中最主要的限制系统性能的非线性现象只要使用WDM系统就一定要消除FWM的影响。（2） 自相位调

18、制SPM(Self Phase Modulation):当光较强时，光纤折射率将随光场幅度而变化，这种变化将通过光纤的传输常数转化为光场传输相位随光场幅度的变化。因此随着光场在光纤中的传输，对光场的幅度调制将同时自发产生对光场的相位调制。这种现象称为光场的自相位调制。自相位调制SPM是由非线性引起的，它不仅随光强而变化，而且随时间变化，这种瞬间变化相移将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心频率两侧出现不同频率的瞬时光频率，由SPM引起的瞬时光频率的时间依存关系，使脉冲的不同部位具有不同频率的现象成为脉冲频率啁啾（Chirp），它亦随传输距离增大而增大，因此随着光脉冲沿光纤传输将不断产生新的

19、频率分量，频谱将不断展宽。（3） 交叉相位调制XPM（Cross Phase Modulation）:两个或多个不同频率的光波在非线性介质中同时传输时，每一频率光波的幅度调制都将引起光纤折射率的相应变化，其他频率的光波将受到这种变化从而对这些光波产生非线性相位调制。超高速系统的主要性能限制是色散、偏振和非线性。3.2.5单模光纤的带宽资源1.非色散位移单模光纤G.652这种光纤的零色散波长在1310nm，在波长为1550nm处衰减最小，但有较大的正色散（大约+18ps/(nmkm)）。这种光纤工作波长既可选用在1310nm,又可选用在1510nm。这种光纤常称为“标准”或“常规”光纤。绝大多数

20、信号传输系统都采用非零色散位移光纤，这些系统包括：在1310nm和1510nm工作窗口的高速数字和有线电视CATV（Cable Telvision）模拟系统。然而，在1550nm波长的大色散成为高速系统中光纤中继距离延长的“瓶颈”。利用G.652光纤进行速率大于2.5Gb/s的信号长途传输时，必须引入色散补偿光纤进行色散补偿，并需引入更多的禅铒光纤放大器来补偿由引入色散补偿产生的损耗。2. 色散位移光纤DSF(Dispersion Shift Fiber)G.653 色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布性状，力求加大波导色散，从而将最小零色散点从1310nm位移到1510nm，实现

21、1510nm处最低衰减和零色散波长一致，并且在掺铒光纤放大器工作波长区域内。这种光纤非常适合于长距离单信道高速光放大系统，如：可在这种光纤上直接开通20Gb/s系统，不需要采取任何色散补偿措施。但是当一根光纤上同时传输多波长信号并使用光放大器时，色散位移光纤DSF就会在零色散波长区出现严重的非线性效应，这样就限制了波分复用技术的应用。3.1550nm最低衰减光纤G.6541510nm最低衰减光纤是非零色散位移光纤G.654，其在1510nm工作窗口具有极小的衰减0.18dB/km。获得低衰减光纤的方法是：（1） 选用纯石英玻璃作为纤芯和掺氟的凹陷包层。（2） 以长截止波长来减小光纤对弯曲附加损

22、耗的敏感。因为这种光纤制造特别困难，最低衰减光纤十分昂贵，且很少使用。它们主要应用在传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。4.非零色散位移光纤NZDF(Non-Zero Dispersion Fiber)G.655通常，将这种光纤称为“非零色散位移” 光纤G.655.在波段1530nm1565nm的范围，非零色散位移光纤具有最小和最大色散。特定的最小色散保证该色散足以抑制FWM非线性。特定的最大色散要保证该色散足够的小，以允许单信道速率为2.5Gb/s的信号传输距离大于100km和以10Gb/s速率传输信号的传输距离大于300km而无需进行色散补偿。非零色散位移光纤有望大量

23、用于新建的高速率、大容量的密集波分复用的陆地和海底长距离的光纤通信网络。5. 低色散斜率光纤G.655（真波RS光纤）目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即新型的低色散斜率光纤G.655和无水吸收峰光纤。所谓色散斜率指光纤色散随波长改变的速率，又称高阶色散。在长途WDM传输系统中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散差别积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路间的色散差别积累差最大。初期的G.655光纤主要是为C波段设计的，因而色散斜率稍大一点问题不太大。然而，随着宽带光纤放大器技术的发展，DWDM系统的

24、应用范围已经扩展到L波段，全部可用频带可以从1530nm1565nm扩展到1530nm1625nm。如果色散斜率仍维持原来的数值（大约0.07ps/()0.10ps/()）,长距离传输时短波长和长波长之间的色散差异将因距离增长而增加，或者说需要代价较高的色散补偿措施才行，而低波段的色散有嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的影响。通过降低色散斜率，可以改进短波长的性能而不必增加长波长的色散，使整个第3和第4窗口的色散变化减至最小，同时可以降低C波段和L波段色散补偿的成本和复杂性。真波RS光纤与传统非位移光纤相比，每个频道10Gb/s的费用更低；能升级到每个频道40Gb/s；与其

25、它NZDF光纤相比，在1530nm1565nm波长范围有更好的性能，以及更大的容量；在1530nm1565nm波长范围（C波段）以及1530nm1620nm波长范围（L波段），波长能得到更好的利用；对于DWDM传输系统，使1310nm波段的波长得到充分利用；相对于大有效面积NZDF光纤，它具有低弯曲损耗，更加容易使用。6.大有效面积光纤超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常，线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除。光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素，尽管降低输入功率或减小系统传输距离和光区段长度也可以减轻光纤非线性的影响，但同时也降低了

26、系统要求和性能价格比，可见光纤的有效面积是长距离密集波分复用系统性能的最终限制。为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用，大有效面积光纤LEAF（Large Effect Area Fiber）已经问世。在理论上，光纤的线性色散总是可以补偿的，而非线性却很难补偿。大有效面积光纤从本质上改进了系统抗非线性的能力。7.无水峰光纤（全波光纤）目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，只要在光纤内部有几个ppb()的OH离子就足以导致在1385nm附近产生几分贝的衰减，使1350nm1450nm中约100nm宽的频谱因衰减太高而无法使用。全波光纤采用了一种新的生产工艺，几乎可以完全消

27、除内部的氢氧根（OH）离子，从而可以比较彻底消除由之引起的附加水峰衰减；光纤衰减将仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定，在1385nm处的衰减可低达0.3dB/km。可用波长范围增加100nm，使光纤可以提供1280nm1625nm的完整传输波段。全部可用波长范围比常规光纤增加约一半，可复用的波长数大大增加全波光纤出现后可用波长范围大大扩展，容许使用波长间隔较宽、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，降低了整个系统的成本。采用全波光纤的粗波分复用技术目前已成为城域网的主流技术。全波光纤消除了1385nm水峰，有时把1350nm1450nm

28、称为新波段或E波段，可以做成更多通道数的系统。CWDM使用波长建议分成3个波带：（1）S+C+L波段，从1470nm到1610nm，每20nm间隔1个通道共8个通道；（2）E波段的4个波长1380nm、1400nm、1420nm1440nm；（3）O波段的4个波长1290nm、1310nm、1330nm、1350nm。3.3 光纤通信中的半导体器件3.3.1能带3.3.2 半导体PN结及其光电特性3.3.3 半导体激光器目前，用于光纤通信的光源，包括半导体激光器LD和半导体发光二极管LED，都属于半导体器件。它们的共同特点是体积小、重量轻、耗电量小。LD和LED相比，其主要区别表现在，前者发出

29、的是激光，是受激辐射，而后者发出的是荧光，是自发辐射。因此，LEF的谱线宽度较宽，调制速率较低，与光纤的耦合效率也较低；但是，LED也有许多优点：它的输出特性曲线线性较好，使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输距离。1. 半导体注入型激光器的原理激光器的特点如下：（1） 方向性好（2） 单色性好，谱线宽度可以小于1nm，是其他光源无法相比的。（3） 相干性好，激光速的相干长度比普通光速提高了几十倍、几百倍。（4） 波长可能范围为10nmnm，传递信息容量大。激光器指能产生激光输出的自激振荡器。任何激光系统都必须具备3个基本的条件，即能够对光场提

30、供放大作用的增益介质，能够维持增益介质内粒子数反转分布状态的有效的泵浦机构以及提供频率选择和光反馈的光学谐振腔。2. 半导体异质结3. 单纵模半导体激光器多纵模激光器谐振腔中相邻模式间的增益差相当小，相邻纵模可以同时达到其阈值条件，形成多纵模。多纵模激光器的频宽约为几个纳米，比LED的频宽小几十倍，可以工作在波长1.3um、速率高达2.5Gb/s的第2代光纤通信系统，但不能直接工作在波长1.55um的第3代光纤通信系统。否则多个模在光纤内传输的速率均不相同，光纤的色散将使系统的性能严重下降，误码率迅速增加。必须开发频宽更低的单纵模激光器，以便消除光纤色散的影响，在长距离、大容量高速调制下工作。

31、单纵模SLM（Single Longitudinal Mode）半导体激光器和多纵模激光器不同点是在增益较大的纵模中有一纵模的损耗较小，使纵模的净增益相对特别大，当这纵模达到震荡条件时，其他纵模还不能起振。这些边模携带的功率通常小于总发射功率1。通常由边模抑制比MSR（Mode Suppression Ratio）来表示单纵模半导体激光器的性能。定义： 式中，为主模功率；为边模功率。对于一个较好的单纵模半导体激光器，MSR应超过30dB。通过改善模式选择性是获得单模LD的有效方法，采用频率选择性反馈使不同的纵模有不同的损耗。相对其他纵模，主模的损耗特别低。分布反馈激光器DFB-LD（Distribution Feed Back Laser Diode）是一种比较成熟的单纵模激光器，具有工艺成熟、工作性能稳定以及容易与其他光电子器件一起组成光电子集成电路的特点，目前商用化单纵模激光器主要采用这种结构。DFB-LD友可细分出一种分布布拉格发射激光器DBR-LD（Distribution Bragg Reflector Laser Diode）。在对光具有放大作用的有源层附近，表面刻有波纹状衍射光栅，以形成光的反馈，构成一只对波长敏感的谐振腔。这种分布反馈结构像是分布着多个光