光纤网络传输系统_传输速率与距离

• 实例
广播：载波=电磁波、介质=空气、形式=调幅/调频（模拟） 模拟电话：载波=电磁波、介质=铜线/微波、形式=调幅（模拟） 数字电话（固定）： 载波=电磁波/光波、介质=铜线/微波/光纤 形式=调幅/调相（编码） 数字电话（移动）： 载波=电磁波/光波、介质=空气/铜线/微波/光纤 形式=调幅/调相/混合（编码）
S0 4 D λ = (λ - λ 0 / λ3 ) 4
但是，…
• 除了静态线宽外，激光器线宽还受其他因素影响：
• • • 激光器冷热状态时波长（频率）不同 激光器功率不同时波长（频率）不同（“1”和“0”） 激光器功率变化时波长（频率）不同（尤其对于DML）
• 这种激光频率的变化现象叫做“chirp” • 对于DML，chirp带来的频率变化为：
OUT MonitBiblioteka Baidur Double-stage isolator
PIN
980 Pump
至少要保证传输40km或80km
IOA Confidential & Proprietary
12
色散极限传输距离
• 色散是限制传输距离的主要因素 • 对于一个特定发射器，存在一个色散极限传输距离 • 决定色散极限传输距离的三要素
ATTENUATION (dB/km)
2.0
1.5
第三窗口
1.0
0.5
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
WAVELENGTH (nm)
850nm
1310nm
1550nm
• • •
第一窗口：850nm，第一代激光二极管(AlGaAs) ，高衰减 第二窗口：1310nm，第二代激光二极管( In0.72Ga0.28As0.62P0.38)，低色散 第三窗口：1550nm，第三代激光二极管(In0.58Ga0.42As0.9P0.1 ) ,可被EDFA放大
• 调制器种类
• 直调激光器(DML): 在激光器偏置电流上直接加调制电流(Ibias+Imod) • 电吸收调制器(EML):与CW激光器集成, InGaAlAs、InP/InGaAsP • Mach-Zehnder干涉调制器(MZI): 外置，NL、InP、polymer
色散极限传输距离
• 简单判定条件：
• DWDM • C-Band：1525~1565nm • L-Band：1570~1610nm • 100GHz channel spacing x 40 channels 或 50GHz channel spacing x 80 channels • CWDM：1270～1610nm, 20nm channel spacing x 18 channels
Core/Backbone/LongHaul
Mesh Backbone Network
Tbps Transport
Regional Point of Presence Metro Edge Switch
C/DWDM
CO-1
Metro Edge Switch Access
C/DWDM
Optical Line System
光纤中传输问题
• 什么用光纤传播信息？
载波频率高：185～200THz（C+L band，1520～1620nm） 调制频率高（Modulation Frequency）：100GHz 数据速率高（Data Rate）：200Gbps 单光纤传输数据量高：DWDM 多光纤传输：光缆 传输距离远：上万公里
光纤
• 光纤中光传输速度： 200,000,000m/s, 或 5ms/km, 或 5ms/1000km
影响光纤通讯速率和距离的因素
• 衰减
信号强度降低导致传输缩短，用EDFA/SOA补偿
• 光信噪比（OSNR）
EDFA/OSA引入的噪声：2xbps需3dB+，用FEC/3R补偿
• 色散（CD）和模色散（MD)
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
WAVELENGTH (nm)
850nm
1310nm
1550nm
• • •
第一窗口：衰减起主要作用，色散次要作用 第二窗口：零色散 第三窗口：正色散，是限制传输距离的主因，需补偿
光纤中衰减和色散的补偿
l1 l2
40/80km
Δν(t ) =
绝热项（adiabatic）
α 1 dP λ (t ) [ κPλ (t ) + ] 4π Pλ (t ) dt
动态项（transient）
• Adiabatic chirp：
与光功率成正比，直流时也有，“1”和“0”时不同
• Transient chirp：
与功率变化率成正比，发生在上升和下降沿，符号相反。高调制速率时显现。
40/80km
Raman
l1 l2
40/80km
Raman
40/80km
Raman
ln
Raman
ln
DCM
IN OUT
IN Monitor Tap 5% Tap 2% Coupler 50% 1480 Pump 980/1550 WDM VOA 1480/1550 fused WDM GEF 1480/1550 filtered WDM EDF Single-stage isolator Connector
具有光谱线宽σλ的光脉冲，在传输距离L后，前一个脉冲中慢波长的信号， 与后一个脉冲快波长的信号重合以致无法区分。
• 小线宽情况(例如DFB)
L≤ c 2 4 Dλ λ 2 RB
• 大线宽情况(例如FP)
1 L≤ 4 Dλ RB σ λ
λ：工作波长
S0、 λ0: 光纤生产家提供的常数
其中： RB: 调制频率 σλ: 发射器线宽 Dλ: 光纤色散常数
DML Chirp 实例
α>2 Δν > 5GHz @2.5Gbps
有什么办法传输更远？
• 适当减小ER • 减小DML的线宽（滤波=CML） • 使用好的调制器
• • EML: DFB+EAM （α < 1, Δν < 3GHz @2.5Gbps） MZI: (tunable) DFB+MZI （ α < 0.2, Δν < 1GHz @2.5Gbps ）
• • • 光纤色散系数– 光纤特性，是重要的光纤设计参数 调制频率 – 由数据速率和调制形式决定 发射器光谱线宽 – 由光源和调制器决定
• 调制形式
• • • On-Off Keying (OOK)/Multilevel Amplitude-Shift Keying(M-ASK) Phase-Shift Keying (PSK): DPSK、DQPSK、DP-QPSK,… Frequency-Shift Keying (FSK)
总结
• 光纤网络的传输距离和速率、光纤特性、光源波长、 光源chirp有关 • C/L band用于电信long-haul DWDM传输 • 光信号的强度衰减补偿较容易（中等成本） • 光信号的色散补偿不容易（高成本） • 电信的long-haul发射器要满足40km或80km距离 • 直调激光器
光纤的色散
• 色散：不同波长光在光纤中以不同速度传输 • 决定因素：光源线宽和光纤色散参数
• 模色散：由于不同模式的光在多模光纤中走的路径长度不同造成 （即使是同一波长）
光纤色散特性
3.0
第三窗口 第二窗口
DISPERSION COEFF, D (ps/km-nm)
0
-30
第一窗口
-60
-90
-120
光纤网络和传输系统 -- 传输速率与距离
奥雷光电技术部培训资料 2012.11.17
基本问题
• 什么是信息（information)？
以一定形式表达的内容。
• 信息是如何传播的？
信息通过载波在某种介质中以某种形式传播。 实现传输的要素是：载波、介质、形式。 只有载波和介质但没有形式是无法传输信息的，如光纤中不变的光。
• 光纤传输系统由有哪些重要单元组成？
发射：激光器（Laser）、调制器（Modulator） 传输：光纤、波分复用器（DWDM/CWDM） 可重构光分插复用器（ROADM） 放大器（EDFA/RAMAN）、色散补偿器（DCM） 接收：接收器（Receiver）、解调器（Demodulator)
光纤网拓扑
• 采用高级调制形式
不要忘记其它因素
• 实际上，色散对传输距离的影响是以接收灵敏度代价的方式体 现的，而不是一个突变的现象。 • ER代价与色散代价的平衡
6 5 4
δER(dB)
3 2 1 0 2 7 12 17 22 27
ER(dB)
• 低色散时非线性效应变得突出 • 传输距离还与接收端有关
• • 平衡和整形 EDC可以获得5dB以上的增益，BER可以放宽到10-3
WDM
Wavelength-Division Multiplexing(单纤多波长） Transmitter 1
l1
l1
M U X D E M U X
Receiver 1
Transmitter 2
l2
ln
l2 ln
Receiver 2
40km/span
Transmitter n ITU Grid
Receiver n
• FP：静态线宽太大(>2nm)，L < 1km@1550nm/10Gbps • DFB：静态线宽小(<1nm)，L< 18km@1550nm/10Gbps
• EML是目前DWDM long-haul的主流 • 其它高级调制形式（100Gbps DP-QPSK）正取代目 前的EML。
不同波长或模式导致波形畸变，DCM/EDC补偿
• 偏振模色散（PMD）
光纤尺寸或环境造成各偏振量不同，用PMDC/3R补偿
• 四波混频（FWM）
多波长互扰，用非均匀通道或降低间隔，引入CD
• 自相位调制（SPM）和互相位调制（XPM)
高功率严重，减小功率和引入CD
光纤的衰减
3.0
第一窗口
2.5
第二窗口
Node
Optical Cross Connect
CO-n
Metro Edge Switch
C/DWDM
Local Service Node
Metro DMX
EPON node
Regional/Metro
PON
Access/Enterprise
DSL, FTTH
TDM
Time-Division Multiplexing(单纤单波长）