第7章_光纤通信系统的设计

79第7章光纤通信系统在前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。在这章里我们将讨论如何将这些器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来看，分光同步传输网、光纤用户网、复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信在计算机网络中的应用等等。从其地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系统设计的要求是不一样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对光纤通信方面的知识有一全面了解。6.1设计原则6.1.1工程设计与系统设计光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。6.1.2系统设计的内容光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检测器的工作特性、系统结构和传输体制等。例如，目前在骨干网和城域网中普遍选择同步数字序列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)作为系统制式，在设计SDH体制的光纤通信系统时，首先要掌握其标准和规范，SDH的传输速率分为STM-1(155.52Mb/s)、STM-4(622.08Mb/s)、STM-16(2.5Gb/s)和STM-64(10Gb/s)等四个级别。ITU-T对每个级别（STM-64正在研究中）所使用的工作波长范围、光纤通道特性、光发射机和接收机的特性都作了规定，并对其应用给出了分类代码，表6.1给出了STM-1标准光接口的主要指标，其中应用分类代码中的符号I表示距离不超过2km的局内应用，S表示距离在15km的局间短距离应用，L表示距离在40～80km的局间长距离应用，符号后的数字表示STM的速率等级和工作波长（1310nm）。又例，对于局域网(LAN)的设计，IEEE、TIA/EIA等组织也有相关的标准，见表6.2，对数据速率、波长作了规定。表6.3表示了波长范围以及相应技术的要求。对于数据速率为10Mbit/s或100Mbit/s的LAN系统，其光缆的长度可以查阅IEEE802.3u和TIA/EIA568A标准。表6.4为其建议的最大光缆长度。虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。②数据速率或信道带宽。③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。在作过相关的分析后，我们要决定：是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数的选取；是采用LED还是LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用PIN还是APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、80速率和灵敏度等参量的选择。6.1.3系统设计的方法为了确保获得预期的系统性能，做出合适的选择，必须进行两种分析：功率预算和带宽预算。1．功率预算功率预算的目的是判断光检测器接收到的光功率是否达到其所需的最小光功率（灵敏度）。光发射机发送的功率减去光纤链路的损耗和系统富余度，即为接收机的接收功率。光纤链路的损耗包括光纤损耗、连接器损耗、接头损耗以及诸如分路器和衰减器等元件设备引入的损耗。系统富余度是一个估计值，用于补偿器件老化、温度波动以及将来可能加入链路器件引起的损耗，这个值在2～8dB之间。设总的光功率损耗为PT，光发射机发送的光功率为PS(dBm)，光接收机的灵敏度为PR(dBm)，则AC(dB)为连接器损耗，FC型连接器一般为0.8dB/个，PC型连接器一般为0.5dB/个；AS(dB)为光纤固定接点损耗，一般为0.1dB/个；MC(dB)为系统富余度。由（6.1.1）式可以计算出给定光纤的最大传输距离、连接器和接头等数量，得到较好的设计。2.带宽预算带宽预算的目的是为了满足传输速率的要求。光纤通信系统的带宽除了和光纤的色散特性有关外，还与光发射机和光接收机等设备有关。工程上常用系统上升时间来表示系统的带宽。上升时间的定义是：在阶跃脉冲作用下，系统响应从幅值的10％上升到90％所需要的时间，如图6.1.1所示系统带宽与上升时间成反比，常用下式作为系统设计的标准（6.1.2）上式仅适用于归零码（RZ），对于非归零码（NRZ），则应当修正为（6.1.3）系统上升时间与诸多因素有关，较为主要的因素有光纤色散、光发射机和光接收机的上升时间。设由光纤色散引起的上升时间为，光发射机等光电设备的上升时间为，则得到6.2数字传输系统的设计6.2.1系统技术考虑数字传输系统的描述和指标有比特率、传输距离、码型和误码率等，其中误码率是保CSCRSTMAALPPPrsystf35.0rsystf7.022)()(eqfibsysttt81证传输质量的基本指标，它受多种因素制约，与光探测器性能、前置放大器性能、码速、光波形、消光比以及线路码型有关。数字传输系统设计的任务就是要通过器件的适当选择以减小系统噪声的影响，确保系统达到要求的性能。在系统的传输容量确定后，就因确定系统的工作波长，然后选择工作在这一区域内的器件。如果系统传输距离不太远，工作波长可以选择在第一窗口（800~900nm）；如果传输距离较远，应选择1300nm或1550nm波长。光纤的选择应该根据通信容量的大小和工作波长来决定。多模光纤和单模光纤除了工作模式上的差别外，它们在带宽、衰减常数、尺寸和价格等方面存在较大差异。表6.5为典型的多模、单模光纤在带宽和衰减常数上差异的比较。多模光纤的带宽比单模光纤带宽小得多，衰减常数比单模光纤大得多，所以比较适用于低速、短距离的系统和网络，典型的应用有计算机局域网、光纤用户接入网等。表6.6为不同类型多模光纤的技术规范。多模光纤的芯径最小为50μm，最大为100μm，数值孔径较大，有利于光源光功率到光纤的耦合。另外，对于连接器和接头的要求都不高，这也决定了多模光纤比较适用于多交叉点、多连接头的场所的应用。单模光纤的带宽较宽，衰减较低，所以比较适合高速、长距离的系统，典型的应用有SDH、WDM网络等。光检测器的选取通常放在光源之前。接收灵敏度和过载光功率是主要考虑的参数。接收灵敏度是指在一定误码率（一般为10-9）下，接收机所能接收到的最小光功率。过载功率是指接收机可以接收的最大光功率。当接收机接收的光功率开始高于灵敏度时，信噪比的改善会使误码率变小，但是若光功率继续增加到一定地步，接收机前置放大器将进入非线性区域，继而发生饱和或过载，使信号脉冲波形产生畸变，导致码间干扰迅速增加，误码率开始劣化（变大），当误码率再次到达规定值时，对应的接收光功率即为过载功率。在选取光检测器时，应综合考虑成本和复杂程度。PIN管与APD管相比，结构简单，成本较低，但灵敏度没有APD管高，目前它们经常与前置放大器组合成组件使用。光源的选择要考虑系统的一些参数，如色散、数据速率、传输距离和成本等。LD的谱宽比LED的要窄得多。在波长800nm到900nm的区域里，LED的谱宽与石英光纤的色散特性的共同作用将带宽距离积限制在150(Mb/s)·km以内，要达到更高的数值，在此波长区域内就要用激光器。当波长在1300nm附近时，光纤的色散很小，此时使用LED可以达到1500(Mb/s)·km的带宽距离积。若采用InGaAsP激光器，则该波长区域上的带宽距离积可以超过25(Gb/s)·km。而在1550nm波长区域内，单模光纤的极限带宽距离积可以达到500(Gb/s)·km。一般而言，半导体激光器耦合进光纤的功率比LED要高出10dB到15dB，因此采用LD可以获得更大的无中继传输距离，但是价格要昂贵许多，所以要综合考虑加以选择。6.2.2光通道功率代价和损耗、色散预算当传输距离确定后，根据功率预算关系式（6.1.1）可以知道链路允许损耗与光发送机和接收机的功率关系。实际的数字光纤链路除了光纤本身的损耗、连接器和接头的损耗外，还存在着因模式噪声、模分配噪声、激光器频率啁啾、反射以及码间干扰而导致的光通路功率代价。模式噪声在多模光纤中，由于振动、微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光检测器的受光面上产生的斑图将随时间波动，它会导致接收功率发生波动，并附加到总的接收噪声中，使得误码率劣化，这种波动称为模式噪声。另外，连接器和接头起到了空间滤波器的作用，它们也会造成斑图的瞬时波动，增加模式噪声。相干激光器的谱宽（）如果比较小，使得相干时间（）大于模间时延差（见2.2节）的话，同样会产生模式噪声。82一般而言，运行速率低于100Mb/s的链路，可以不考虑模式噪声的影响，但当速率达到400Mb/s以上时，模式噪声就变得较为严重了。减小模式噪声可以采取下列方法：使用非相干光源LED；或使用纵模数多的激光器；使用数值孔径较大的光纤或使用单模光纤。模分配噪声多模LD在调制时，即使总功率不随时间改变，其各个模式的功率随着时间呈随机波动。由于光纤色散的存在，这些模式以不同的速度传播，造成各模式不同步，引起系统接收端电流附加的随机波动，形成噪声，使判决电路的信噪比降低。因此，为了维持一定的信噪比，达到要求的误码率，就要增大接收光功率。考虑模分配噪声需要增加的这部分功率就是要付出的功率代价。模分配噪声的影响在高速率的系统中表现较为明显。由于DFB激光器的边模抑制比很高，所以选择动态单纵模DFB激光器而不是F-P腔激光器就可以有效地降低这种噪声的影响。频率啁啾单纵模激光器工作于直接调制状态时，由于注入电流的变化引起了有源区载流子浓度变化，进而使有源区折射率发生变化，结果导致谐振波长随时间漂移，产生频率啁啾，由于光纤的色散作用，频率啁啾造成光脉冲波形展宽，影响到接收机的灵敏度。减小啁啾效应最理想到方法是通过选择激光器的工作波长接近于光纤的零色散波长，另外采用多量子阱结构DFB-LD或者采用外调制器都可以减少频率啁啾的影响。码间干扰码间干扰是因为光纤色散导致所传输的光脉冲展宽，最终相邻光脉冲彼此重叠而形成的。对于使用多纵模激光器的系统，即使光接收机能够对单根谱线形成的波形进行理想均衡，但由于各个谱线产生的波形经历的色散不同而前后错开，光接收机很难对不同模式携带的合成波进行理想均衡，从而造成光信号损伤，导致功率代价。反射在光传输路径上总是存在连接器、接头等折射率不连续的点，这时一部分光功率就会被反射回来，反射信号对光发射机和接收机都会产生不良影响，在高速系统中，这种反射功率造成的光反馈使激光器处于不稳定状态，表现为激光器的输出功率发生波动、激光器的谐振状态受到扰乱，形成较大的强度噪声、抖动或相位噪声，同时引起发射波长、线宽和阈值电流的变化。如果在两个反射点之间产生多次反射，反射光与信号光相互叠加，将产生干涉强度噪声，对高速系统将产生较大的影响。在STM-1标准光接口的主要指标中，为了控制反射的影响，规定了两种反射指标，即S点的最小回波损耗和S-R点之间的最大离散反射系数。减小光反射的方法有：将光纤端面制成曲面或者斜面，从而使反射光偏离轴线，不重新进入光纤传输；将光纤与空气交界面上涂上折射率匹配的物质，如凝胶；使用PC连接器；使用光隔离器。当考虑到上述