光纤通信第四章.ppt
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EDFA的噪声主要有四种： ①信号光的散粒噪声 ②被放大的自发辐射光ASE的散粒噪声 ③自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍噪声 ④自发辐射ASE光谱间的差拍噪声。
六、掺铒光纤放大器应用
EDFA的应用
EDFA的 基本应 用形式
线路放大
功率放大
前置放大
（a）在线放大器； （b）前置放大器； （c）功率放大器；
（1）衰减受限
（2）色散受限
Ld
DSR Dm
1200 70.6km 17
Ld L ，最大中继距离为70.6km,为色散受限系统
4.3 性能指标
1、误码： 劣化分(DM)、严重误码秒（SES）、误码秒(ES)
2、抖动指标 抖动: 数字信号（包括时钟）的各有效瞬间对于标 准时间位置的偏差。
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
La
3 (30) 2 0.2 0.2 0.1 0.1
3
67(km)
2
2. 色散受限系统
Ld
DSR Dm
(km)
DSR，S点和R点之间允许的最大色散 值； Dm，允许工作波长范围内 的最大光纤色散。
再生段的设计
1
算出损 耗受限 的距离
2
算出色 散受限 的距离
3
较短的 距离为 最大再 生段距 离
设系统PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm，Ac=0.2dB， 光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度MC=0.1 dB/km，
光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，单盘光缆长度2 km。 Dsr=1200ps/nm，Dm=17ps/(nm·km)，计算中继段长度。
WD M耦 合 器
滤波器
泵浦波长为1480nm、980nm 信号波长为1550nm
泵浦光在光纤中的路线
信号光在光纤中的放大过程
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
同向泵浦： 易于实现 易饱和 噪声大
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
反向泵浦： 不易饱和 噪声低
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
• 发送、接收、中继、分插及交叉连接设备是组成光纤 传输链路的必要元素，选择性能好、可靠性高、兼容 性好的设备是系统设计成功的重要保障。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光纤/光缆选型
• G.652光纤 G.652光纤/光缆为1310nm波长性能最佳单模光纤（或 称非色散位移光纤），是目前最常用的单模光纤。
• 不可用性指在一个观察期内的不可用时间所占的 百分比，也称为不可用性比率（UR）
• 不可用时间的持续时间必须大于10s； • 较短时间的性能恶化用“误块秒”或“严重误块
秒”来度量，而不作为可用性性能的一部分。
AR + UR = 1
4.4 光纤放大器及其在光纤通信系统 中的应用
4.4.1 掺饵光纤放大器
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光再生段模型
光传输设计方法
• 最坏值设计法 • 联合设计法 • 统计设计法（包括半统计设计法）
再生段设计
再生段设计
损耗受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道损耗 决定
色散受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道总色 散所决定
1.损耗受限系统影响因素：
1）发送端进入光纤的光信号功率(PT) 2）接收端可容许的最低光功率（灵敏度PR） 3）系统富裕度（余量）
4）传输衰减特性:
系统富裕度分为两部分： （1）光缆富余度Mc (dB/ km) （2）设备富余度Me (dB)
总富裕度=MCL+Me
发端功率-收端功率=富裕度+损耗
活动连接器损耗Ac
PT
非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光 纤产生非线性效应，而出现喇曼散射。
激发的光功率>阈值 （0.5~1W）
Pump在几~十几w
掺铒光纤放大器(EDFA） Erbium Doped Fiber Amplifier
三、掺铒光纤放大器工作原理（1）
掺 铒 高密 度 带 (1 00 ～ 20 00 ppm)
直 径 3～m6 掺 锗 的纤 芯
直 径 125m Si O2包 层 直 径 250m涂 覆 层
掺铒光纤芯层的几何模型
三、掺铒光纤放大器工作原理（2）
增益谱 （1520~1570nm）
三、掺铒光纤放大器工作 原理（3）
1、铒离子从基态跃迁到 激发态能级（吸收泵浦光） 2、从激发态跃迁到亚稳带 （无辐射跃迁） 3、从亚稳态跃迁到基态 （产生受激辐射光，因而 信号光得到放大）
Af
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
n
Af a fi / n
i 1
a fi 单盘光纤损耗系数
n1
As asi / (n 1)
i 1
源自文库
asi 单个接头损耗
以140 Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离
设系统平均发射功率PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm， 连接器损耗Ac=0.2dB，光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度 MC=0.1 dB/km，光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，光通道功率代价 为Pp =-3 dBm,单盘光缆长度2 km。计算中继距离
PR
MCL
Me
损焊耗点损耗A f
光缆损耗As
光通道功率代价Pp
损耗
PT
PR
MCL
Me
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
将M e 分散在光端机里，则
PT
PR
MCL
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
L PT PR 2Ac Pp
MC
As Lf
• G.655光纤 G.655光纤是非零色散位移单模光纤，是传输光纤中的 新成员，适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干 网中。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光传输设计
• 各种拓扑结构的网络都是建立在点到点基础上的，所 以S-R点之间的光传输距离确定是光纤传输网络/系统 设计的基础。
什么因素影响传输距离？？ 损耗 色散
光的范围
电的范围
光的范围
传统的中继器原理框图
1R
2R
3R
放大
均衡:频率
1R
色散
2R
数字整形 噪声抑制
数字再生 (定时、判决) 噪声抑制
三种再生器的功能
二、光放大器的种类 1、半导体光放大器（SOA）
普通光放大器的基本工作原理
二、光放大器的种类
2、光纤放大器（OFA） 非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器
• 位于接入网、网络生存性要求不高而要求成本尽可能 低廉的网络适合采用星形拓扑、无源树形拓扑
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络/系统容量的确定
• 网络/系统容量一般按网络/系统运行后的几年里所需 容量来确定，而且网络/系统应方便扩容以满足未来容 量需求。
选择合适的设备，核实设备的性能指标
• G.653光纤 G.653光纤/光缆为1550nm波长性能最佳的单模光纤/光 缆。容易产生严重的四波混频效应，不支持波分复用 系统，故G.653光纤仅用于单信道高速率系统。目前基 本不采用。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光纤/光缆选型
• G.654光纤 G.654光纤/光缆为1550nm波长衰减最小单模光纤，一般 多用于长距离海底光缆系统。陆地传输一般不采用。
（d）局域网信号功 率放大器
EDFA在DWDM系统中的应用
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
4.4.2 喇曼光纤放大器
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
喇曼光纤放大器（RFA）是被誉为光纤通信发展里程碑 的EDFA之后又一引人注目的光放大器。
这种放大器可以提供整个光纤波长波段的放大，通过 适当改变泵浦激光光波波长可达到在任意波段进行光 放大的宽带放大器，甚至可以在1270nm～1670nm整个 光纤波段内提供光放大。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络容量确定 B
网络拓扑和 路由选择
A
系统设计
C 光纤/光缆选型
最大中继 E 距离计算
D 设备选择
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络拓扑、线路路由选择
• 位于骨干网、网络生存性要求较高的网络适合采用网 格拓扑
• 位于城域网、网络生存性要求较高的网络适合采用环 形或网格拓扑
光纤数字系统发生故障的时间间隔以及每次故障的维修 时间的指标。
• 可用时间的含义是：连续10s内每秒均为非SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了可用时间。
• 不可用时间的含义是：连续10s内每秒均为SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了不可用时间。
可用性
• 可用性指在一个观察期内的可用时间所占的百分 比，也称为可用性比率（AR）
注：泵浦（pump，抽运）
LD和EDF 区别
外加源 输入信号 工作物质 输出信号 工作机理 放大作用
半导体激光器 正向电压 电信号 半导体 光信号 受激辐射 谐振腔
EDFA 激光 光信号 掺铒光纤 光信号 受激辐射 光纤本身
四、掺铒光纤放大器结构
隔离器 输入
掺 铒 光纤 (ED F)
熔接头
泵 浦 激光 (98 0 nm或 14 80 nm)
双向泵浦： 不易饱和 增益大
五、EDFA的基本性能
增益特性 输出功率特性 噪声特性
增益特性 定义：光放大器输出功率与输入功率之比
EDFA的增益一般为15dB～40dB
增益特性
信号增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系如下。
双向
输
反向
出
功
同向
率
输入功率
泵浦阈值功率Pth
噪声特性
小于10HZ的相位变换称为漂移，大于10HZ的相位 变换称为抖动
4.3 性能指标
2、抖动指标 （1）输入抖动容限：任何一接口输入端要有抵抗这些抖动而 不致出现无码的能力。
（2）输出抖动容限：指没有输入抖动时最大的输出抖动。 （3）抖动转移特性：输入口的某些抖动会被转移到输出口。 3、可靠性与可用性
4.4.2 喇曼光纤放大器
影响线路最大中继距离的主要特性： 损耗 ：光信号在光纤中传输，随着距离的增大， 脉冲幅度逐渐减小 色散 ：。。。。。。脉冲展宽。
所以，要有中继站： 1、光--电--光转换 2、直接对光信号放大
一、光--电--光转换
光电变换 光 纤 (O/E)
放大器
电光变换 (E/O) 光 纤
六、掺铒光纤放大器应用
EDFA的应用
EDFA的 基本应 用形式
线路放大
功率放大
前置放大
（a）在线放大器； （b）前置放大器； （c）功率放大器；
（1）衰减受限
（2）色散受限
Ld
DSR Dm
1200 70.6km 17
Ld L ，最大中继距离为70.6km,为色散受限系统
4.3 性能指标
1、误码： 劣化分(DM)、严重误码秒（SES）、误码秒(ES)
2、抖动指标 抖动: 数字信号（包括时钟）的各有效瞬间对于标 准时间位置的偏差。
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
La
3 (30) 2 0.2 0.2 0.1 0.1
3
67(km)
2
2. 色散受限系统
Ld
DSR Dm
(km)
DSR，S点和R点之间允许的最大色散 值； Dm，允许工作波长范围内 的最大光纤色散。
再生段的设计
1
算出损 耗受限 的距离
2
算出色 散受限 的距离
3
较短的 距离为 最大再 生段距 离
设系统PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm，Ac=0.2dB， 光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度MC=0.1 dB/km，
光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，单盘光缆长度2 km。 Dsr=1200ps/nm，Dm=17ps/(nm·km)，计算中继段长度。
WD M耦 合 器
滤波器
泵浦波长为1480nm、980nm 信号波长为1550nm
泵浦光在光纤中的路线
信号光在光纤中的放大过程
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
同向泵浦： 易于实现 易饱和 噪声大
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
反向泵浦： 不易饱和 噪声低
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
• 发送、接收、中继、分插及交叉连接设备是组成光纤 传输链路的必要元素，选择性能好、可靠性高、兼容 性好的设备是系统设计成功的重要保障。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光纤/光缆选型
• G.652光纤 G.652光纤/光缆为1310nm波长性能最佳单模光纤（或 称非色散位移光纤），是目前最常用的单模光纤。
• 不可用性指在一个观察期内的不可用时间所占的 百分比，也称为不可用性比率（UR）
• 不可用时间的持续时间必须大于10s； • 较短时间的性能恶化用“误块秒”或“严重误块
秒”来度量，而不作为可用性性能的一部分。
AR + UR = 1
4.4 光纤放大器及其在光纤通信系统 中的应用
4.4.1 掺饵光纤放大器
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光再生段模型
光传输设计方法
• 最坏值设计法 • 联合设计法 • 统计设计法（包括半统计设计法）
再生段设计
再生段设计
损耗受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道损耗 决定
色散受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道总色 散所决定
1.损耗受限系统影响因素：
1）发送端进入光纤的光信号功率(PT) 2）接收端可容许的最低光功率（灵敏度PR） 3）系统富裕度（余量）
4）传输衰减特性:
系统富裕度分为两部分： （1）光缆富余度Mc (dB/ km) （2）设备富余度Me (dB)
总富裕度=MCL+Me
发端功率-收端功率=富裕度+损耗
活动连接器损耗Ac
PT
非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光 纤产生非线性效应，而出现喇曼散射。
激发的光功率>阈值 （0.5~1W）
Pump在几~十几w
掺铒光纤放大器(EDFA） Erbium Doped Fiber Amplifier
三、掺铒光纤放大器工作原理（1）
掺 铒 高密 度 带 (1 00 ～ 20 00 ppm)
直 径 3～m6 掺 锗 的纤 芯
直 径 125m Si O2包 层 直 径 250m涂 覆 层
掺铒光纤芯层的几何模型
三、掺铒光纤放大器工作原理（2）
增益谱 （1520~1570nm）
三、掺铒光纤放大器工作 原理（3）
1、铒离子从基态跃迁到 激发态能级（吸收泵浦光） 2、从激发态跃迁到亚稳带 （无辐射跃迁） 3、从亚稳态跃迁到基态 （产生受激辐射光，因而 信号光得到放大）
Af
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
n
Af a fi / n
i 1
a fi 单盘光纤损耗系数
n1
As asi / (n 1)
i 1
源自文库
asi 单个接头损耗
以140 Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离
设系统平均发射功率PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm， 连接器损耗Ac=0.2dB，光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度 MC=0.1 dB/km，光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，光通道功率代价 为Pp =-3 dBm,单盘光缆长度2 km。计算中继距离
PR
MCL
Me
损焊耗点损耗A f
光缆损耗As
光通道功率代价Pp
损耗
PT
PR
MCL
Me
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
将M e 分散在光端机里，则
PT
PR
MCL
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
L PT PR 2Ac Pp
MC
As Lf
• G.655光纤 G.655光纤是非零色散位移单模光纤，是传输光纤中的 新成员，适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干 网中。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光传输设计
• 各种拓扑结构的网络都是建立在点到点基础上的，所 以S-R点之间的光传输距离确定是光纤传输网络/系统 设计的基础。
什么因素影响传输距离？？ 损耗 色散
光的范围
电的范围
光的范围
传统的中继器原理框图
1R
2R
3R
放大
均衡:频率
1R
色散
2R
数字整形 噪声抑制
数字再生 (定时、判决) 噪声抑制
三种再生器的功能
二、光放大器的种类 1、半导体光放大器（SOA）
普通光放大器的基本工作原理
二、光放大器的种类
2、光纤放大器（OFA） 非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器
• 位于接入网、网络生存性要求不高而要求成本尽可能 低廉的网络适合采用星形拓扑、无源树形拓扑
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络/系统容量的确定
• 网络/系统容量一般按网络/系统运行后的几年里所需 容量来确定，而且网络/系统应方便扩容以满足未来容 量需求。
选择合适的设备，核实设备的性能指标
• G.653光纤 G.653光纤/光缆为1550nm波长性能最佳的单模光纤/光 缆。容易产生严重的四波混频效应，不支持波分复用 系统，故G.653光纤仅用于单信道高速率系统。目前基 本不采用。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光纤/光缆选型
• G.654光纤 G.654光纤/光缆为1550nm波长衰减最小单模光纤，一般 多用于长距离海底光缆系统。陆地传输一般不采用。
（d）局域网信号功 率放大器
EDFA在DWDM系统中的应用
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
4.4.2 喇曼光纤放大器
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
喇曼光纤放大器（RFA）是被誉为光纤通信发展里程碑 的EDFA之后又一引人注目的光放大器。
这种放大器可以提供整个光纤波长波段的放大，通过 适当改变泵浦激光光波波长可达到在任意波段进行光 放大的宽带放大器，甚至可以在1270nm～1670nm整个 光纤波段内提供光放大。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络容量确定 B
网络拓扑和 路由选择
A
系统设计
C 光纤/光缆选型
最大中继 E 距离计算
D 设备选择
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络拓扑、线路路由选择
• 位于骨干网、网络生存性要求较高的网络适合采用网 格拓扑
• 位于城域网、网络生存性要求较高的网络适合采用环 形或网格拓扑
光纤数字系统发生故障的时间间隔以及每次故障的维修 时间的指标。
• 可用时间的含义是：连续10s内每秒均为非SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了可用时间。
• 不可用时间的含义是：连续10s内每秒均为SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了不可用时间。
可用性
• 可用性指在一个观察期内的可用时间所占的百分 比，也称为可用性比率（AR）
注：泵浦（pump，抽运）
LD和EDF 区别
外加源 输入信号 工作物质 输出信号 工作机理 放大作用
半导体激光器 正向电压 电信号 半导体 光信号 受激辐射 谐振腔
EDFA 激光 光信号 掺铒光纤 光信号 受激辐射 光纤本身
四、掺铒光纤放大器结构
隔离器 输入
掺 铒 光纤 (ED F)
熔接头
泵 浦 激光 (98 0 nm或 14 80 nm)
双向泵浦： 不易饱和 增益大
五、EDFA的基本性能
增益特性 输出功率特性 噪声特性
增益特性 定义：光放大器输出功率与输入功率之比
EDFA的增益一般为15dB～40dB
增益特性
信号增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系如下。
双向
输
反向
出
功
同向
率
输入功率
泵浦阈值功率Pth
噪声特性
小于10HZ的相位变换称为漂移，大于10HZ的相位 变换称为抖动
4.3 性能指标
2、抖动指标 （1）输入抖动容限：任何一接口输入端要有抵抗这些抖动而 不致出现无码的能力。
（2）输出抖动容限：指没有输入抖动时最大的输出抖动。 （3）抖动转移特性：输入口的某些抖动会被转移到输出口。 3、可靠性与可用性
4.4.2 喇曼光纤放大器
影响线路最大中继距离的主要特性： 损耗 ：光信号在光纤中传输，随着距离的增大， 脉冲幅度逐渐减小 色散 ：。。。。。。脉冲展宽。
所以，要有中继站： 1、光--电--光转换 2、直接对光信号放大
一、光--电--光转换
光电变换 光 纤 (O/E)
放大器
电光变换 (E/O) 光 纤