光纤通信技术

1.绪论

通信系统： 将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道（传输媒介）的总和。

光纤通信： 采用光波作为信息载体，并采用光导纤维作为传输介质的一种通信方式。

光波： 高频的电磁波。

光纤通信发展史：

光纤通信系统特点：

• 传输容量大、损耗小
• 信号泄漏小
• 节省有色金属
• 抗电磁干扰好
• 重量轻，可扰性好，敷设方便

光纤通信系统组成：

• 光发射机：将电信号转化为光信号，并将光信号耦合到传输光纤中；
• 光纤：将光信号无失真地由光发射机传输到光接收机；
• 光接收机：将光信号转化为电信号。

基本概念：

• 模拟信号&数字信号
  
  模拟信号→数字信号
  
• 信道复用：TDM（时分复用）、 FDM（频分复用）、PDH（准同步数字系列）、SDH（同步数字系列）、(D)WDM（密集波分复用）
• 调制方式：
  模拟调制: AM、 FM & PM
  数字调制：ASK、 FSK & PSK、RZ 和NRZ

2.光纤和光缆

2.1 光纤

光纤结构： 由中心的纤芯（折射率n1）和外围的包层（折射率n2）同轴组成的圆柱形细丝
注意： 光能量在光线中传输的必要条件：n1 > n2

1. 阶跃型光纤

n1沿半径方向保持不变，n2沿半径方向也保持不变，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤。

纤芯与包层相对折射率差——△

数值孔径——NA： 表示光纤接收和传输光的能力
即临界角θc（由全反射定理得到）的正弦（NA = n0 sin(θc)，n0为光在空气中的折射率为1）

• NA越大，光纤接收光的能力越强（束缚性越强），从光源到光纤的耦合率越高，光纤抗弯曲性能越好
• 但，NA越大，经光纤传输的光信号的信号畸变越大（限制了传输容量）

光的传输时间——T： 入射角θ（最大入射角θc）的光纤在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，其传播时间为

光线之间的时间延迟差——△T：

系统容量——BL：

信号畸变： 时间延迟差在时域产生的脉冲展宽
           由此可见，阶跃型光纤的信号畸变是由于不同入射角的光经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。

2. 渐变型光纤

n1随半径的增大而减小，n2沿半径方向也保持不变的光纤，又称为非均匀光纤。

注意： 渐变型光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点

渐变型光纤折射率分布的普遍公式：a为纤芯最大半径，g为折射率分布指数：

g=2，n( r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型 光纤的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角 的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小。

设计思想： 渐变型多模光纤的设计思想是利用光传输速率与光纤材料折射率成反比的原理，来解决多模光纤中所存在的严重时延（模间色散）问题。

• 沿中心轴的传播的路径最短，但该位置的折射率n也是最 大的，所以v也是最慢的；
• 越远离轴心，折射率n越小，v会越快

---

由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数， 纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA( r)和 最大数值孔径：

局部数值孔径——NA( r)：

最大数值孔径——NAmax：

系统容量——BL：

3. 波动光学分析

归一化频率——V： 描述光纤结构和性能的综合参数。
根据此公式可设计出不同性能的光纤，V是判断单模和多模的标准

光线模式的数量——N：

阶跃多模光纤：

渐变多模光纤：

4. 光纤的基本特性

光纤的传输特性： 损耗（衰减）、色散、非线性效应

• 损耗：限制了传输距离
  吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗
  损耗→光信号幅度减小→限制传输距离
• 色散：限制了系统传输容量
  在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应
  色散严重时，会导致前后脉冲相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，使通信质量下降（容量变小）
• 非线性效应
  对于常规光纤，当入射光的功率较大时，光纤的各种特征参数不是恒定的，而是依赖于发光强度

常用光纤：

• G.652常规单模光纤
• G.653色散移位光纤
• G.654 1.55μm损耗最小的单模光纤
• 色散补偿光纤
• G.655非零色散光纤

2.2 光缆

光缆： 光纤的实际应用形式。
       光缆的设计的使命就是要确实做到使光缆中的光纤免遭机械应力和水的作用——保护光纤的作用

考虑因素：

• 抗拉强度
• 耐压
• 防止过小弯曲
• 防止摩损
• 隔离震动
• 防潮气和防化学侵蚀

结构类型： 构一般由缆芯、加强件、护套三部分组成。

• 缆芯：光缆的核心，决定着光缆的传输特性。
• 加强件：起着承受光缆拉力的作用，通常在缆芯中心，有时配置在护套中。
• 护套：起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力 性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。

---

层绞式光缆： 分离光纤层绞式光缆、光纤带层绞式光缆

• 两者的异同：
  相同处：几何结构、制造方法基本相同
  不同处：光纤形状、光纤识别、纤芯数等
  分离光纤层绞式光缆最大纤芯数<144芯；光纤带层绞式光缆的最大纤芯数可达到720芯。
  
• 层绞式光缆的结构特点：
  光纤数多(分离光纤144芯,光纤带720芯以下)
  光纤余长易控制、光缆的机械、环境性能好
  适宜于直埋、管道敷设，也可用于架空敷设
• 层绞式光缆结构的缺点：
  光缆结构复杂、生产工艺环节多、工艺设备较复杂、材料消耗多等。

骨架式光缆：

• 骨架式光缆是光纤嵌入多个骨架 式U形或V形槽的光缆。
  骨架式光缆是一种全干式光纤带光缆，没有填充阻水油膏。
  骨架既具有高的抗侧压能力，又可以防止开剥光缆时损伤光纤。
  阻水带遇水后，阻水粉吸水膨胀产生一种阻水凝胶屏障。
  
• 骨架式光纤带光缆的优点：
  是结构紧凑、缆径小、光纤芯密度大（由几十上百芯乃至芯至数千芯）
  施工中无需清除阻水油膏，接续效率高
  适用于城域光、接入网、有线电视网络等
• 骨架式光纤带光缆的缺点：
  制造设备复杂（需要专用的骨架生产线）、工艺环节多、生产技术难度 大等。

3.光源和光发射机

3.1 光电器件的一般工作原理

发光： 电子由高能级向低能级的跃迁（量子物理）

辐射： 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态， 能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为激发态

电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有 三种基本方式：

• 自发辐射
  处在高能级E2的电子不稳定，会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去。
  

• 受激辐射
  高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射。
  

• 受激吸收
  电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上， 这种跃迁称为受激吸收。
  电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。
  

受激辐射和自发辐射： 受激辐射是受激吸收的逆过程。
电子在E1和E2两个能级之间 跃迁，辐射光子的能量或吸收光子的能量都满足波尔条件
即 E2 - E1 = h f12
h=6.628×10^-34J·s，为普朗克常数，f12为辐射或吸收的光子频率

• 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同， 这种光称为相干光。
• 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。

粒子数反转：

• 如何保持受激辐射状态？
  高能级的电子数 >> 低能级的电子数
• 粒子数反转：
  高能级的电子数 << 低能级的电子数
• 怎样实现粒子数反转？
  外界向物质提供能量

能带理论：

• 能带：实际情况，原子的能级不是单一的，而是由彼此靠的很近的系列能级组成的，这种有一定宽度的带，我们称为能带
• 导带：半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所占据的能带
• 价带：价电子（空穴）所占据的能带
• 禁带：导带和价带之间不允许电子存在，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度/带隙，，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)
  

---

按照能带理论，粒子数反转的条件为：Efc – Efv > Eg
实现粒子数反转（泵浦激励）的方法：使用一个正向偏压的PN结

PN结： 是由P型半导体和N型半导体共同组成的结。

• P型半导体和N型半导体是通过掺以过多电子或缺少电子的杂质方法而得到的。
• 根据PN结的性质不同，可以分为：
  同质结 单异质结 双异质结 量子阱
• 半导体光源的发光区（有源区）就是由一个或多个垂直方向的PN结组成的。
  半导体光源通常采用异质结结构作为有源发光区。
  采用异质结结构有如下好处:
      两种半导体之间的带隙差有助于电子-空穴复合，在有 源层中就会不断有光产生；
      由于有源层具有更小的带隙，所以其折射率比其周围 的P型和N型包层折射率略大。这样，有源层可以看成是 一个介质波导。通过改变有源层厚度可以达到控制有源 层所支持的光波波长。

双异质结希望Eg不同，晶格常数相同

3.2 发光二极管（LED）

发光二极管： 利用电子-空穴对复合而产生自发辐射的发光器件

发光原理： 当在PN结上加正向偏置电压时，P型中的空穴和N型中的电子向着PN结流动，受激电子会从高能级跃迁到低能级，电子损失的能量以光子形式辐射出去，即自发辐射发光。

发光波长： λ（μm）= 1.24 / Eg(eV)

类型：

• 面发发光二极管SLED：
  SLED的光是从与有源层 垂直的平面发出的。
  SLED的发光区被限制在 径向尺寸与光纤芯径相当小的有源区。
  
• 边发光二极管ELED
  ELED的光是从有源层边发出的。图（a）和（b）分别所示的是 AlGaAs/GaAs ELED和InGaAsP/InP ELED的基本结构。
  

工作特性：

• 输出光功率：
  LED的输出功率与驱动电流和电子密度有关
  

输出功率和驱动电流之间的函数关系（P-I曲线）：

当电流增大到一定程度时，功率饱和，同时，P-I曲线会随温度的变化而变化

• 光谱特性：
  LED光谱特性主要是指发光强度、光谱峰值波长和光谱的半高全宽Δλ（最大光强一半处的光谱全宽）等。
  LED的谱线宽度Δλ与波长（有源层材料的带隙决定）和结的温度有关。
  LED的光谱很宽
  
• 调制带宽：
  功率谱降低到最大值一半时，对应0～3dB的频率范围
  LED的调制带宽为：Δf = 1/ (2π τ)，τ是载流子的复合寿命
  调制带宽跟PN结的掺杂浓度和有源区的厚度有关
• 温度特性：
  LED的温度特性：P = P0 exp[-T/T1]，P0——LED的起始输出光功率，T——绝对温度
  一般来说，LED对温度的敏感性比较差，在设计电路时，不需要考虑温控电路

3.3 半导体激光器（LD）

基本结构： 激光二极管是一种借助于受激辐射发光的半导体器件（简称为激光器）

• 有源区（增益区）：是实现粒子数反转分布、产生光的区域。
• 光反馈装置：光学谐振腔，光产生振荡的区域。
• 频率选择元件：选择光模式的地方。
• 光波导：在激光器内用来引导光波。

LD结构的发展历程及方向：

• 有源区：一般采用异质结结构，其经历了由同质结、单异质结、双异质 结到量子阱。
  目的是以较小的注入电流来获得较大的光输出。
• 谐振腔：经历了法布里-珀罗腔、分布反馈腔、分布布拉格反射器到到垂 直腔、短耦合腔。
  目的是获得窄的光谱线宽、低噪声和波长稳定的激光。
• 条形结构：经历了宽接触到条形结构的过程。
  目的是减小电流发热对器件的影响。

有源区典型结构：

• 同质结：PN 结的P型和N型为同一材料， 但是掺杂类型不同, 或掺杂类型相同，但是掺杂浓度不同的材料组成的结构。
• 异质结：是指由带隙不同的材料构成的PN结。
  异质结又可以分为：单异质结和双异质结。

LD工作原理：

1. 向半导体PN结注入电流
2. 实现粒子数反转分布
3. 产生受激辐射
4. 利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡

“纵模”的概念： 在谐振腔里，用来表示电磁场特性的模称“纵模”
有如下特点：

• 方向和光辐射方向是一致的；
• 反映的是“光谱特性”，对应的是激光器的“单色性”；
• 不同的纵模，其辐射的强度也是不一样的；
• 纵模的数量随驱动电流的增大而减少；
• 只有一个主模，叫“单纵模激光器”。
  
  通常用模抑制比来反映单纵模激光器的好坏：MSR = Pmm/Psm
  Pmm：主摸功率、Psm：边摸功率
  一个好的单纵模激光器的模抑制比 > 1000

LD分类：

• 边沿发光激光器：
  法布里-珀罗激光器
  分布反馈激光器
  多量子阱激光器
• 垂直发光激光器：
  垂直腔面发射激光器
• 按照工作波长，LD可以分为：
  短波长850nm LD
  长波长1310nm LD
  1550nm LD

LD的基本性能：

• 工作波长：λ（μm）= 1.24/ Eg(eV)
  不同的材料对应不同的带隙，因而会有不同的发射波长

• 光谱特性：LD的发射波长的范围
  
  短距离、低速率、小容量选宽度为30-50nm的LED；
  中距离、中速率、中容量选1-3nm的LD；
  长距离、高速率、大容量<1nm的单纵模激光器。

• 输出光功率：
  
  P：输出光功率，I：驱动电流，Pth、Ith：相应的阈值，hf：光子能量，e：电子电荷
  
  LD的输出光功率通常用P-I曲线表示：
      当I < Ith 时，激光器发出的是自发辐射光；
      当I > Ith时，发出的是受激辐射光。

• 温度特性：
  
  光功率随温度变化的原因：
      激光器的阈值电流Ith随温度升 高而增大
      光/电转换效率随温度升高而 减小
      升高超过一定数值时，LD就不 产生激射

---

LD和LED小结：

• 均是“电子—空穴复合”产生光的原理；
• 在复合过程中，都是以“光子”的形式发出的；
• LD是受激辐射（Stimulated emission） LED是自发辐射（Spontaneous emission）
• 谱宽度：LD窄、LED宽。

LED通常和G.651多模光纤耦合，用于1.3 μm(或0.85 μm) 波长的小容量、短距离、低速率系统。
LD通常和G.652或G.655单模光纤耦合，用于1.3 μm或 1.55 μm大容量、长距离、高速率系统。

3.4 光发射机

光发射机简单框图：

• 光源：核心部件（LED、LD）
  光源的选择：
      LD的输出功率高，谱线窄，应用与单模光纤时色散小。 适于长距离高码速的光纤通信系统
      LD和LED相比，寿命相对较低，价格高，稳定性差， 调制电路复杂
• 光源的调制：
  直接调制：将信息转换为驱动电流后直接控制发光过程
      优点：调制原理简单、容易实现
      缺点：容易产生光谱展宽，使单模光纤的色散增加，限制传输容量。
  
  间接调制：先用信号控制元件，然后再和激光合成
      优点：能消除光谱展宽影响
  

4.光检测器与光接收机

4.1 光检测器

光接收机的主要组成：

对光检测器的要求：

• 光——电转换效率要高；
• 响应速度快，或带宽宽，这样接收信号就不容易失真； （对于10Gbps以上的高速系统，一般要求小于10ps）
• 灵敏度要高；
• 功率消耗要低；
• 为了便于耦合 与光纤尺寸匹配；
• 稳定、可靠、便宜

光检测器的内在机制： 受激吸收
    当入射光进入PN结后会被吸收，产生一个电子-空穴对，在反向电压的作用下，这些电子-空穴分别向左右两侧运动，形成光生电流。

光检测器的性能指标：

• 量子效率和响应度
  
  量子效率和响应度反映了光转换为电流能力的大小，他们均跟PN结的材料有关
  量子效率一般为：30％~90％
  
• 带宽
  响应速度：光电管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的物理量，用响应时间或响应带宽表示。
  响应时间：光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%所用的时间，用 Tr 表示
  
  Tr = （ln9)( τRC + τtr ）
  τRC：RC电路的时间常数，τtr：穿越时间
  τtr = W / Vd
  Vd：扩散或漂移速度
  光电检测器响应带宽：△f = 1 / 2 π (τRC + τtr )
  在实际应用中， △f 越大越好，要求τRC、τtr越小越好

PIN光电二极管：

• 在PN结施加反向电压（N接正、P接负），受激吸收过程产生的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，在外电路形成光生电流
  
• 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号
  
• 耗尽区两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动也会进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成漂移电流相同方向的扩展电流
  由于扩散比漂移慢得多，为了提高响应速度，就得减小扩散运动，增加漂移电流，而解决方案就是要对PN结结构加以改进

解决方案：

• 减小P区与N区的宽度和增加耗尽区的宽度，使耗尽区可以充分吸收入射光
• 增加耗尽区的宽度最简单的方法——在PN结之间插入一层未掺杂（或轻微掺杂）的本征半导体材料，形成P-I-N结构
  

PIN光电二极管：

• 工作原理：
      PN结施加反向偏置电压使之形成一定范围的耗尽区
      当光射入PN结时，光子能量hv >= 带隙能量 Eg 时，光子就会释放它的能量，将电子由价带激发到导带而产生光生载流子，即电子-空穴对
      在电场的作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移，从而形成光生电流
      当入射光功率变化时，光电流也随之产生线性变化，从而将光信号转换成电流信号
  
• 工作特性：
      量子效率跟前面描述一样。
      最小可检测功率是描述光电二极管灵敏度的基本参数。
      响应时间表示光电二极管对瞬时变化光信号的响应能力。
      暗电流是主要噪声来源（无入射光的电流）。

APD雪崩光电二极管：

• 结构：APD是一个光电二极管和电信号放大器的集成器件
        在PIN增加了一个π层（i区）， 组成了n+p πp+多层结构。
        其中，n+表示重掺杂的N型； p+表示外延的重掺杂的P型。
  
• 分类：
      Si APD（适合波长为0.8μm，速率100Mbps的系统）；
      Ge APD（暗电流和附加噪声大，在实际中很少用）；
      InGaAs APD （适合波长为1.3－1.60μm，高速系统增益可以达到 100倍）。InGaAs的带隙相当窄，在1×105V/cm的电场下，容易出现隧道击穿。 采用异质结APD解决隧道击穿问题。
• 工作原理：
      当APD加上足够高的反向偏置电压时，在耗尽区内的光生载流子从耗尽区强电场中会获得高于带隙的能量，通过与晶格原子的碰撞，会将一个束缚价电子激发为自由电子，产生新的电子-空穴对。
      这些二次激发的载流子又可以不断产生新的碰撞，造成载流子在耗尽区内的雪崩式倍增，从而在外电路中产生光电流的增益。
  
  APD的场分布：由于高电场区的雪崩电离， 外电路形成倍增的光生电流。
• 工作特性：
      雪崩电压是当APD产生自持雪崩时的电压，其数值的大小与 材料、器件结构不同而不同
      倍增因子M定义为总的输出电流与一次光电流的比值
  
      暗电流为无光照射时反向偏压下的电流。

---

APD和PIN的区别：

• PIN不能使原信号电流发生倍增，而APD能使原信号光电流发生倍增，从而使接收机的灵敏度增加。
• 遗憾的是在雪崩倍增效应的同时，噪声电流亦有放大，带来新的噪声成份。
  

4.2 光接收机

光检测器： 是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。

对光检测器的要求：

• 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和 1.55 μm)兼容；
• 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最 大的光电流；
• 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；
• 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小

目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)

光检测器的选择：

• PIN：PIN管的偏压电路简单、价格较低。 相对APD来说灵敏度较低。
• APD：APD管的偏压高，电路复杂、价格较高。 APD灵敏度高。

光接收机的主要组成：

前端： 由光电二极管和前置放大器组成

• 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大(电流一电压转换)，以便后级作进一步处理。
• 要求: 低噪声、高灵敏度、足够的带宽

前置放大器：

• 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机 的灵敏度影响很大。
• 前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的 前放可供选择。
  
  三种前置放大器的比较：
      双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适 用于高速率传输系统。（响应带宽大，灵敏度低）
      场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪 声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 （响应带宽小，灵敏度高）
      跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和 动态范围，并具有良好的噪声特性。 （响应带宽大，灵敏度高）

线性通道：

主放大器： 一般是多级放大器

• 作用：提供足够的增益
        实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在 一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。
  主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。

均衡：

• 作用：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的 电信号进行补偿
        使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码 元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。

数据恢复： 把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号

噪声特性：
光接收机的噪声有两部分：

• 外部电磁干扰产生：这部分噪声的危害可以通过屏蔽 或滤波加以消除
• 内部产生：这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小， 一般不可能完全消除。
• 光接收机噪声主要来源：光检测器的噪声和前置放大器的噪声 。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出 信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号， 只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。

灵敏度： 光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。

接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。

误码率：

• 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的 “0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。
• 光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情 况下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输 的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。

5.光放大器

5.1 光放大器基础

光纤的损耗和色散限制了通信距离

为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器。以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。

中继器：

• 光电光混合中继器
  结构复杂，价格昂贵，且不能用于波分复用系统中。
• 全光中继器
  对光信号进行直接放大。

光电光中继器： 传统的光通信系统采用的是光电转换的中继器。

• 中继原理：光信号首先由光电二极管转变成电信号
            电信号经电路整形放大后再重新驱动一个光源，实现光信号的再生
  
• 缺点：装置复杂、体积大、耗能多
  特别对多信道复用和双向复用光纤通信系统，这种中继方式十分复杂，极其昂贵
• 优点：结构简单、价格便宜
• 功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减,增大系统的无中继传输距离。
  
• 分类：
  半导体光放大器
      优点：单程增益高、小型化，容易与其他半导体器件集成
      缺点：性能与光偏振方向有关，与光纤的耦合损耗大
  
  掺杂光纤放大器
      利用稀土金属离子作为激光器工作物质的一种放大器
      优点：增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等，具有广泛的应用前景。
      掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定:
          掺饵(Er)光纤放大器(EDFA):工作波长1550 nm
          掺错(Pr)光纤放大器(PDFA): 1300 nm
          掺钰( Tm)光纤放大器(TDFA): 1400 nm
  
  非线性光纤放大器：
      利用光纤中的非线性效应，利用受激拉曼散射( SRS)和受激布里渊散射（SBS ) 。
      需要对光纤注入泵浦光，泵浦光能量通过SRS或SBS传送到信号上，同时部分能量转换成分子震动(SRS）或声子（SBS ) 。
          光纤喇曼放大器（ FRA)：
          泵浦光与信号光可同向或反向传输,增益带宽约为6THz。
          光纤布里渊放大器（FBA)：
          泵浦光与信号光只能反向传输,增益带宽相当窄为30~10OMHz。

几种光放大器对比：

类型	原理	激励	工作长度	噪声特性	与光纤耦合	与光偏振关系	稳定性
半导体光放大器	粒子数反转	电	100μm~1mm	差	很难	大	差
掺杂光纤放大器	粒子数反转	光	几m~几十m	好	容易	无	好
非线性光纤放大器	光学非线性（喇曼）效应	光	数km	好	容易	大	好

光放大器的指标：

• 增益：G = Pout / Pin，描述光放大器对信号放大能力的参数
  G：增益、g：增益系数（与掺杂浓度、信号光/泵浦光的功率有关）
  
• 带宽：决定WDM的信道系数（G降至最大放大倍数一半处的全宽度/FWHM）
  
• 增益饱和与饱和输出功率
  光放大器的输入光功率范围有一定的要求，当输入光功率大于某一阈值时， 就会出现增益饱和现象。
  
• 噪声：任何放大器自身都会产生噪声，使系统SNR下降
  来源：自发辐射（激光振荡必不可少）是噪声的主要来源
  指数Fn：Fn = (SNR)in / (SNR)out
  所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，产生了新的自发辐射噪声（ASE噪声~近似于白噪声）叠加在信号上，导致被放大信号的SNR下降

增益、输出功率、噪声指数是表征光放大器性能的三项主要参数，其他参数还有：能量转换效率、瞬态特性、串音、偏振灵敏性。

光放大器的应用形式：

• 线路放大：周期性补偿各段光纤损耗
  
• 功率放大：增加入纤功率，延长传输距离
  
• 前置放大：提高接收灵敏度
  
• 局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数
  

5.2 半导体激光放大器

SOA的放大原理：

• 半导体光放大器利用受激辐射来实现对入射光功率的放大的，产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同， 即采用正向偏置的PN结，对其进行电流注入，实现粒子数反转分布。
• SOA与半导体激光器的结构相似，但它没有反馈机制，而反馈机制对产生相干的激光是很必要的。因此SOA只能放大光信号，但不能产生相干的光输出。
  

工作原理：

• LD两端面构成FP谐振腔
• 入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层
• 到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射
• 其余部分又从端面反射，再次通过有源层
• 如此反复，使得入射光得到放大
  

SOA结构：

• 法布里-珀罗放大器(FPA)结构
  在FPA中，形成PN结有源区的晶体的两个解理面作为法布里 -珀罗腔的部分反射镜，其自然反射率达到32%。为了提高反射率， 可在两个端面上镀多层介电薄膜。当光信号进入腔内后，它在两 个端面来回反射并得到放大，直至以较高的功率发射出去。FPA 的制作容易，但要求注入电流和温度的稳定性较高，光信号的输 出对放大器的温度和入射光的频率变化敏感。
• 非谐振的行波放大器(TWA)结构
  与FPA的基本相同，但两个端面上镀的是增透膜，习惯称为 防反射膜或涂层AR。镀防反射涂层的目的是为了减少SOA与光纤 之间的耦合损耗，因此有源区不会发生内反射，但只要注入的电 流在阈值以上，在腔内仍可获得增益，入射光信号只需通过一次 TWA就会得到放大。

两者区别：TWA的端面反射率极低，通常在0.1％以下

降低端面反射方法：减反膜、倾斜有源区、窗面结构

SOA性能：

• 对光信号增益的饱和性
  饱和输出功率：5mV~10mV

• 噪声指数
  自发辐射噪声;
  腔中自由载流子吸收和散射等腔内损耗使增益降低;
  放大器端面的反射率引起Fn增加（对TWA，端面残留反射率的影响可忽略)。
  Fn典型值：5dB~7dB

• 偏振灵敏性
  定义：放大器的增益随输入信号光的偏振态而变化的特性
  起因：有源层横截面呈扁长方形，对横向和竖向光场的约束不同
  光信号偏振方向取横向时增益大，竖向时增益小
  解决方案：
  

SOA的主要特性总结：

• 与偏振有关， 因此需要保偏光纤。
• 具有可靠的高增益(20 dB)。
• 输出饱和功率范围是5～10 dBm。
• 具有大的带宽。
• 工作在0.85μm，1.30μm和1.55μm波长范围。
• 小型化的半导体器件，易于和其他器件集成。
• 几个SOA可以集成为一个阵列。
• 由于非线性现象(四波混频)，SOA的噪声指数高，串扰电平高。

SOA的应用：

• 光信号放大器
  因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤，还有很多系统工作在1.30μm波段，并需要周期性的在线放大器，而工作波长为1.30μm的EDFA目前尚未达到实用化的水平，所以仍然需要SOA。
• 光电集成器件
  半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光电子器件 (例如激光器和检测器)的基片上。
• 光开关
  除了能提供增益外，半导体放大器在光交换系统中可以作 为高速开关元件使用。
• 全光波长变换器AOWC
  SOA的一个主要应用是利用SOA中发生的交叉增益调制、 交叉相位调制和四波混频效应来实现波长转换。

SOA多信道放大存在的问题：

• 噪声大
• 信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM）
• 增益饱和、引起信号畸变

5.3 掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器EDFA

EDFA工作原理：
EDFA采用掺饵离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。

EDFA基本结构：
主要是由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器和光隔离器等组成

EDFA优势：

• 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm);
• 频带宽，可对多路信号同时放大（波分复用);
• 对数据率/格式透明，系统升级成本低;
• 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB);
• 全光纤结构，与光纤系统兼容;
• 增益与信号偏振态无关，故稳定性好;
• 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。

工作特性：

• 增益与输出功率：
  增益——G：描述光放大器对信号放大功能的参数
  
  小信号增益随泵浦功率而变的曲线：
  
  
  注意：在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。
  
  一个典型的光纤放大器的小信号增益大约为30dB，但在高的功率下，小信号增益就减小到大约10dB
• 工作波长
  不同输入功率，EDFA增益与波长的关系：
  
  由于C波带和L波带放大器的工作范围分别是1530~1565 nm和1570~1610nm，实际应用中在整个波长范围内往往采用并联方式使用。
  
• 增益均衡
  小信号的EDFA在其整个工作波长范围的增益是不均衡（平坦）的。 为了达到宽范围的增益平坦，需要采用增益均衡技术，具体方法是：利用不同类型的放大器，如光纤拉曼放大器来均衡EDFA的增益。
  
• 多信道
  多信道放大特性：
      EDFA可同时放大多路信号，只要多信道的总带宽 < 放大器带宽
      适用于波分复用或频分复用光波通信系统
  多信道放大中存在的问题：
      串音等
  EDFA的级联特性：
  
• 噪声系数
  EDFA的噪声主要包括：
      信号光的散粒噪声；
      自发辐射光的散粒噪声；
      自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；
      自发辐射光谱间的差拍噪声
  自发辐射光噪声会使信噪比减小
  
  EDFA噪声指数Fn近似为：
  
  Fn极限值：3dB
  nsp=1时（理想放大器）被放大信号的SNR也降低了二倍（3dB）
  
  

应用：

• 泵浦方式：
  EDFA的泵浦源的泵浦波长有：820nm、980nm和1480nm。
      其中980 nm和1480nm激光二极管具有噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦等优点，在实际中应用最多。
  
  根据EDFA的泵浦源发出的光与信号光的方向相同与否，可分为：
      前向（同向）泵浦
      反向（后向）泵浦
      双向泵浦式EDFA
  
• 基本应用：
  光放大器具体的应用形式有：
      后置放大器
      在线放大器
      前置放大器
  

掺铒光纤放大器的主要优点：

• 工作波长与光纤最小损耗窗口一致
• 能量转换效率高、耦合效率高
• 能同时放大多个波长，与信号的比特率无关
• 高增益、低噪声、宽带宽、与偏振无关（它的增益可达40dB，噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm)
• 对掺饵光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，而拉曼放大器需0.5～1W的泵浦源进行激励

掺铒光纤放大器的不足：

• 波长固定
• 增益带宽不平坦
• 产生ASE噪声

5.4 喇曼光纤放大器

工作原理：
当一个强泵浦光通过光纤时，会引起光纤材料的分子振动，一部 分泵浦光被分子振动散射，某些散射会发生频移。频移的量恰好等于分子振动的频率量，其中高频段的能量转移到低频段，在低频上形成放大增益。

工作特性：

• 增益：拉曼增益效率= gR/aP
  gR：拉曼增益系数；aP：光纤中的泵浦光束剖面面积
  喇曼放大器突出优点：有大的工作带宽（全波段放大 器）。
• FRA的噪声：
  自发拉曼散射噪声：
      由自发拉曼散射经泵浦光的拉曼放大而产生的的背景噪声。
      泵浦光功率越大， 自发拉曼散射噪声就越大。
  瑞利散射噪声：
      由光纤的瑞利散射引起的噪声。
      放大器增益越大， 传输线路越长，瑞利散射噪声越大。
  串扰噪声：
      分为泵浦-信号之间的串扰噪声和泵 浦介入信号串扰噪声。

优点：

• 可以提供整个波段1270~1670nm的任一波长的光放大。
• 增益介质就是光纤本身，可以制成低噪声的分布式放大器。
• 自身固有噪声低;
  可以作为EDFA的补充。
  为实现2000km以上的超长距离DWDM系统提供了一种有效解决方案。

缺点：

• 泵浦功率高500（500mW-1W）
• 具有很强的极化依赖性

应用：

• 拉曼放大器可以分为：
  集中式FRA：
      指采用<10km的高增益光纤作为增益介质，光功率为几瓦甚至十几瓦泵浦光源对信号光进行集中放大。
  主要用于EDFA不能放大的波段。
  
  分布式FRA
      利用几十公里的输光纤作为增益介质，使泵浦光源的光功率沿着光纤长度方向，对信号光进行分布放大。
  
  混合应用：
  采用EDFA+FRA的混合放大获得的性能要比单独采用EDFA或FRA的要好得多。
  如单独使用EDFA的最长跨距是80km，而采用混合放大，跨距可以延长到140km。
  
  长距离传输采用EDFA+FRA的混合放大的好处：
      增益可以互补；
      总增益得到提高；
      放大频带得以拓宽；
      链路配置更加灵活。
  最终使传输系统获得最佳增益。

6.SDH和WDM传输系统

6.1 SDH传输系统

1. 概述

光纤数字信号传输采用时分复用（TDM）技术：

• 准同步数字系列（Plesiochronous Digital Hierarchy），简称PDH
• 同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy）， 简称SDH
  

SDH： 同步数字传输体制
SDH是一种数字信号传送传输的体制协议，SDH这 种传输体制规定了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型、信息同步传输、复用、分插和交叉连接等特性。
SDH传输系统可传送电话信号、计算机网络信号、有线电视视频信号：
电话信号通过程控交换机合成PCM基群信号 （2Mb/s）并映射到SDH帧结构中，按STM-N速率传输。 传送计算机网络信号时，IP数据包通过采用PPP协议等进行封装，然后映射到SDH帧结构中，按STM-N速率传输。
有线电视网在有线电视台和用户之间，通过射频调 制解调器完成射频模拟信号与数字信号的转换，再 将数字信号映射到SDH帧结构中，按STM-N速率传 输，这样就可以在骨干网上快速传输有线电视视频 信号，有效利用现有网络结构。

SDH的优点：

• SDH采用世界上统一的标准传输速率等级，如 STM-1、STM-4、STM-16等。
• SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。
• 在SDH帧结构中，有丰富的开销比特，用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等功能。
• 采用数字同步复用技术。低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。
• SDH采用DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力。

2. SDH帧结构

STM-1：SDH的第一级，称基本同步传送模块信号，比特率为155520kb/s。

STM-N： SDH的较高等级的同步传送模块信号，比特率是STM-1的 整数倍，等级为第N级。

STM-N的每帧由9行、270列组成，每行有270×N个字节，每帧共有9×270×N个字节，每字节为 8bit。帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。
根据帧结构信息，我们可计算STM-1的传输速率为9×270×1 × 8×8000=155.520Mb/s。

SDH帧结构：

• 信息载荷（Payload）
  对低速信号进行通道性能监视、管理和控制
  信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。

• 段开销（SOH）
  保证信息净负荷正常灵活传送所附加的供网络运行、管理和维护使用的字节，实现了层层监控。
  段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节，主要用于运行、维护和管理（OAM）， 如帧位、误码检测、公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。
  监控分类：段层监控、通道层监控
      段层的监控又分为再生段层和复用段层的监控
      通道层监控分为高阶通道层和低阶通道层的监段开销

• 管理指针（AU-PTR）
      指示信息净负荷的第一字节在STM-N帧内准确位置的指示符
  管理单元指针位于STM-N帧中第4行的9×N列，共9×N个字节。 AU-PTR是用来指示信息净负荷的第一个字节在 STM-N帧内的准确位置的指示符，以便收端能根据这个位置指示符的值指针值正确分离信息净负荷。

STM-1帧在线路上的传送过程：

• SDH帧传输的原则是帧结构中的字节（8bit）从左到右、从上到下、一字节接着一字节、一位接着一位地传输，传完一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。
• 简单来说，字节发送顺序为：由上到下，先左后右。

再生段开销（RSOH） 前3行，复用段开销（MSOH） 5～9行：

• 帧定位字节A1和A2：
      A1和A2字节就是起到定位一个方队的作用，通过它收端可从信息流中定位分离出STM-N帧，再通过指针定位到帧中的某一个低速信号
• 再生段踪迹字节J0
      该字节被用来重复地发送段接入点标识符TTI，以便使接收端能据此确认与指定的发送端处于持续连接状态。
• 数据通信通路DCC字节D1～D12
• 公务联络字节E1和E2
• 使用者通路字节F1
• 比特间插奇偶校验BIP-8字节B1
      该字节用于再生段层误码监测，B1位于再生段开销中。
      工作机理：发送端对本帧第N帧加扰后的所有字节进行BIP-8偶校验，将结果放在下一个待扰码帧第N＋1帧中的B1字节。接收端将当前待解扰帧第N帧的所有比特进行BIP-8校验，所得的结果与下一帧第N＋1帧解扰后的B1字节的值，可监测出第N帧在传输中出现了多少个误码块。
• 比特间插奇偶校验BIP-N×24字节B2
• 自动保护倒换APS通路字节K1，K2（b1～b5）
      这两个字节用作传送自动保护倒换APS信令，用于保证设备能在故障时，自动切换使网络业务恢复自愈，用于复用段保护倒换自愈情况。
• 复用段远端失效指示MS-RDI字节K2（b6～b8）
      这是一个对告的信息，由收端回送给发端信源，表示收信端检测到来话故障或正收到复用段告警指示信号。
• 同步状态字节S1
      字节S1用不同的比特图案表示ITU-T的不同时钟质量级别，使设备能据此判定接收的时钟信号的质量， 以此决定是否切换时钟源即切换到较高质量的时钟源上。
• 复用段远端误码块指示MS-REI字节M1
      这是接收端回发给发送端M1字节，用来传送接收端由BIP-N×24（B2）所检出的误块数，以便发送端据此了解接收端的收信误码情况。

通道开销： 位于净负荷区POH

• 高阶通道开销（HP-POH）
  VC-3/VC-4 的POH：
  
  J1，高阶通道踪迹字节。
  B3，高阶通道误码监测字节，负责监测VC4在STM-N帧中传输的误码性能。
  C2，高阶通道信号标记字节。
  G1，高阶通道状态字节。
  F2，F3，高阶通道使用者通路字节。
  H4，位置指示字节。
  K3，自动保护倒换字节，前4个比特用于传送APS指令，后4个比特备用。
  N1，网络运营者字节，用于高阶通道串联连接监测。
• 低阶通道开销（LP-POH）
  VC-11/VC-12的POH：
  
  V5，通道状态和信号标记字节。
  J2，VC-12踪迹通道字节，接入点标识符。
  N2，网络操作者字节，串接监视。
  K4，自动保护倒换通路字节。

各种开销的不同之处：
以2.5G系统的监控为例， 各种开销的功能如下：

• 再生段开销对整个STM-16信号监控。
• 复用段开销细化到其中16个STM-1的任一个进行监控。
• 高阶通道开销再将其细化成对每个STM-1中VC4的监控。
• 低阶通道开销又将对VC4的监控细化为对其中63个VC12的任一个VC12进行监控，由此实现了从对2.5Gb/s级别到2Mb/s级别的多级监控手段。

指针的作用：

• 定位：
  在SDH技术中，指针的作用之一就是定位，通过定 位使收端能正确地从STM-N中拆离出相应的VC，进而通过拆VC，C的包封，分离出PDH低速信号。也就是说，实现从STM-N信号中直接下低速支路信号的功能。
• 指针的调整：
  当VC4的速率（帧频）高于（或低于）AU-4的速率 （帧频）时，怎么办？
  
  当VC4的速率（帧频）高于AU-4的速率（帧频）时，怎么办？
      此时将3个H3字节（一个调整单位）的位置用来存放货物，这3个H3字节就象货车临时加挂的一个备份存放空间。这时货物以3个字节为一个单位将位置都向前串一位，以便在AU-4中加入更多的货物，即一个VC4加3个字节，这时每个货物单位的位置（3 个字节为一个单位）都发生了变化，这种调整方式叫做负调整，紧跟着FF两字节的3个H3字节所占的位置叫做负调整位置。
  
  当VC4的速率低于AU-4速率，怎么办？
      这时要在AU-PTR的3个H3字节后面再插入3个H3字节，此时H3字节中填充伪随机信息，相当于在车厢空间塞入的添充物。这时VC4中的3字节（货物单位） 都要向后串一个单位（3字节），于是这些货物单位的位置也会发生相应的变化，这种调整方式叫做正调整。相应的插入3个H3字节的位置叫做正调整位置。

3. SDH复用与映射

SDH的复用结构：

SDH的复用包括两种情况：

• 一种是将PDH信号复用进STM-N信号，低速支路信号2Mb/s、34Mb/s、140Mb/s复用成SDH信号STM-N。
• 另外一种是将低阶的SDH信号复用成高阶SDH信号STM-N，主要通过字节间插复用方式来完成， 复用的个数是4

基本的复用单元：

• 标准容器（C-n）
  标准容器是一种用来装载各种速率等级的数字业务信号的信息结构，对应PDH速率体系有C-11, C-12, C-2, C-3和C-4 ，例如2.048 Mbit/s的PDH码流装进C-12容器里。这些容器主要完成码速调整等适配功能。
  

• 虚容器（VC-n）
  虚拟容器是由标准容器输出的数字流加上通道开销POH后构成的。
  这个过程称为映射。VC-n的封包速率与SDH网同步，因此不同VC-n是互为同步的，而VC-n内部却允许承载来自不同标准容器C-n的净负荷。虚容器VC-n根据承载净负荷容量可分为高阶和低阶虚容器。VC-11, VC-12和 VC-2为低阶虚容器，VC-3 和VC-4为高阶虚容器。

• 支路单元（TU-n）和 管理单元（AU-n）
  由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相位始终都能同步，所以要在VC 的前面加上管理单元指针(AU PTR)， 以进行定位校准。
  加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元(AU)和支路单元 (TU)。
  AU由高阶VC(如VC-4)加AU指针组成，TU由低阶VC加TU指针组成。
  

• 支路单元组（TUG-n）和 管理单元组（AUG-n）
  TU经均匀字节间插后，组成支路单元组(TUG)，然后组成AU-3或AU-4。
  3个AU-3或1个AU-4组成管理单元组(AUG)，加上段开销SOH，便组成STM-1同步传输信号；N个STM-1信号按字节同步复接， 便组成STM-N。
  

n是对应PDH系列中的等级序号。

---

案例： 由PDH的4次群信号到SDH的STM-1的复接过程

• 把139.264 Mb/s的信号装入容器C-4，经速率适配处理后，输出信号速率为149.760 Mb/s; 在虚容器VC-4内加上通道开销POH(每帧9 Byte, 相应于0.576 Mb/s)后，输出信号速率为150.336 Mb/s；
• 在管理单元AU-4内，加上管理单元指针AUPTR(每帧9 Byte, 相应于0.576 Mb/s)，输出信号速率为150.912 Mb/s; 由1个AUG加上段开销SOH(每帧72 Byte, 相应于4.608 Mb/s), 输出信号速率为155.520 Mb/s, 即为STM-1。

---

将低速支路信号复用成STM-N信号，要经过3个步骤，映射、定位和复用

映射： 映射（Mapping）即装入，是一种在网络边界处（例如SDH/PDH边界处），把支路信号适配装入相应虚容器的过程。

定位： 定位（Alignment）是指通过指针调整，是把VC-n放进TU-n或AU-n中，同时将其与帧参考点的偏差也作为信息结合进去的过程。

复用： 复用（Multiplex）是一种将多个低阶通道层的信号适配进高阶通道，或者把多个高阶通道层信号适配进复用段层的过程，即指将多个低速信号复用成一个高速信号。

2Mb/s复用到STM-N：

• 速率适配
• 加入相应的通道开销
• 加上4个字节的TU-PTR
• 3个TU12经过字节间插复用合成TUG-2，此时的帧结构是9行12列。
• 7个TUG-2经过字节间插复用合成TUG3的信息结构
• TUG3信息结构再复用进STM-N，3×TUG3=VC-4
• VC4二次指针定位后形成AU4
• AU4加上标签（段开销）后形成STM-1

---

案例： STM-1容纳多少个2Mb/s信号？多少个64k电话？

根据复用过程，3×7×3=63，即STM-1容纳63个2Mb/s信号。每个2M信号里有30个电话，所以总的电话数是63×30=1890。

---

4. SDH传送网

SDH传送网结构：

• 终端复用器TM：
  
      将支路端口的低速信号复用到线路端口的高速信号STM-N中
      或从STM-N的信号中分出低速支路信号
• 分插复用器ADM：
  分/插复用器用于SDH传输网络的转接站点处
  
      将低速支路信号交叉复用进东或西向线路上去
      或从东或西侧线路端口收的线路信号中拆分出低速支路信号
      可将东/西向线路侧的STM-N信号进行交叉连接
• 再生中继器REG：
  
      光传输网的再生中继器有两种。一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率放大以延长光的传输距离。
      另一种是用于脉冲再生整形的电再生中继器，主要通过光电转换、电信号采样、判决、再生、整形、 电/光变换，以达到不积累线路噪声、保证线路上传送信号波形的完好性的目的。
• 数字交叉连接DXC：
      数字交叉连接设备主要功能是完成信号的交叉连接， DXC是一个多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵完成各个信号间的交叉连接
  
      SDH的DXC其核心部分是可控的交叉连接开关（空分或时分）矩阵。
      参与交叉连接的基本电路速率可以等于或低于端口速率，它取决于信道容量分配的基本单位。一般每个输入信号被分接为m个并行支路信号，然后通过时分（或空分）交换网络，按照预先存放的交叉连接图或动态计算的交叉连接图对这些电路进行重新编排，最后将重新编排后的信号复接成高速信号输出

SDH网的分层片结构：

SDH网的拓扑结构：

• 链形：
      所有节点一一串联而成的网络。特点是较经济，早期用于专网中。
  
• 星形：
      将网中某一网元作为特殊节点与其他各网元相连，其他各网元互不相连，网元的业务都要经过这个特殊节点转接
  
• 树形：
      树形拓扑是链形拓扑和星形拓扑的结合
  
• 环形：
      所有节点首尾相连而成的网络，这是当前使用最多的网络拓扑形式
  
• 网孔形：
      网元节点两两相连就形成了网孔形网络拓扑
  

6.2 WDM传输系统

1. 概述

理解：

发展：

扩容的选择：

• 光码分复用
  OCDM (Optical Code Division Multiplexer)
• 光空分复用
  OSDM(Optical Space Division Multiplexer)
• 光时分复用
  OTDM(Optical Time Division Multiplexer)
• 波分复用
  WDM(Wavelength Division Multiplexer)

光波分复用：
    发送端，采用波分复用器将不同波长的光信号组合起来送入一根光纤进行传输，在接收端，再用波分解复用器将这些不同波长的光信号分开，这种在一根光纤中能同时传送多个波长光信号的技术就是光波分复用技术（WDM，Wavelength Division Multiplexing） 波长间隔更紧密的WDM系统称为密集光波分复用系统（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）

工程上，波分复用技术的容量常用信道数和单波长的数据速率的乘积来表示，比如，32×10G表示一根光纤复用32个波长，每个波长的数据速率是10Gb/s。

光波分复用分类：

• 光频分复用(OFDM)：
  光频(信)道间距很小的频分复用。
• 密集波分复用(DWDM)：
  光频(信)道间距小于10nm的波分复用，D:Dense(密集)
• 粗波分复用(CWDM):
  光频(信)道间距大于1Onm的波分复用，c: Coarse(粗)，也称稀疏波分复用。
• 密集型光波复用(DWDM)
  1550波段的标准信道间距:
  △λ = 1.6nm、0.8nm、0.4nm
  
  光纤带宽很宽，波长1.31μm（1.25μm~1.35μm）的窗口，相应的带宽为17700GHz

DWDM系统的应用代码： nWx-y · z

• n：大波长数目;
• W：传输区段(W=L、V或U，分别代表长距离、很长距离和超长距离);
• x：所允许的大区段数(x>1) ;
• y：该波长信号的大比特率(y=4或16分别代表STM-4或STM-16) ;
• z：光纤类型(z=2、3、5分别代表G.652、G.653或G.655光纤)

DWDM的发展：

2. 波分复用传输系统

WDM系统构成：

• 光发射机
      光发射机位于WDM系统的发送端。
      在发送端首先将来自终端设备输出的光信号利用光转发器（OUT)转换成具有稳定的特定波长的光信号。
      利用合波器合成多路光信号。
      通过光功率放大器（BA: BoosterAmplifier)放大输出多路光信号。

• 光中继放大
      经过一定距离传输后，要用EDFA对光信号进行中继放大。
      可根据具体情况，将EDFA用作“线放(LA:Line Amplifier)”，“功放(BA)”和“前放(PA:Preamplifier)”。
      在WDM系统中，对EDFA必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。
      还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。

• 光接收机
      由光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号。
      光分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。
      接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。

• 光监控信道
      主要功能：监控系统内各信道的传输情况。
          在发送端，插入本结点产生的波长为入，(1510nm )的光监控信号，与主信道的光信号合波输出
          在接收端,将接收到的光信号分离，输出入，波长的光监控信号和业务信道光信号。
          帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的。

• 网络管理系统
      通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点,或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统（如TMN)相连。

WDM系统有双纤单向波分复用系统和单纤双向波分复用系统：

• 双纤单向波分复用系统：
      用一对光纤，在每一根光纤中 光单向传输
  
• 单纤双向波分复用系统：
      它只用一根光纤，多个波长的信号可以在两个方向上同时传播
  

WDM技术的主要特点:

• 充分利用光纤的巨大带宽资源
      光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。
• 同时传输多种不同类型的信号
      由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。
• 降低器件的超高速要求
      随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。
• 高度的子网灵活度，经济性和可靠性

3. WDM关键技术

光传输和光放大

• 小色度色散系数光纤
• 增益平坦和增益锁定的EDFA光放大器

发射和接收有源部分

• 特定波长和波长稳定、色散容限大的激光器发射源
• 能容忍一定SNR信号的光接收机

光转发器

波分复用器无源部分

• 信道隔离度高的光解复用器

光纤：

• 传输使用的不同类型的单模光纤：G.652（NDSF）、G.655（NZ-DSF）

• 光纤损耗：
  

• 三种光纤色散情况比较：
  

• G.652单模光纤（NDSF）
      大多数已安装的光纤
      低损耗、大色散分布、大有效面积
      色散受限距离短
          2.5Gbls系统色度色散受限距离约600km
          10Gbls系统色度色散受限距离约34km
      G.652+DCF方案可升级扩容
  不适用于10Gb/s以上速率传输，主要应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。

• G.655单模光纤（NZ-DSF）
      在1530—1565nm窗口有较低的损耗。
      工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。
      可以有正的或负的色散——海底传输系统。
      正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。
      为DWDM系统的应用而设计的。
  适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。

光放大器：

EDFA光放大器增益平坦技术：

• 长周期光纤光栅(损耗特性与放大器的增益特性相反来抵消增益的不均匀性)
  

• 高含铝掺饵光纤(Al-EDF)
  

光发射机：

光源的标称波长和间隔：

• ITU-T G.692建议：DWDM系统的绝对参考频率为193.1THz（对应的波长为1552.52nm）， 不同波长的频率间隔应为100GHz的整数倍（对应波长间隔约为0.8nm的整数倍），一般波长间隔为100GHz或200GHz。
• 16波长和32波长DWDM系统中心波长（频率）：
  

DWDM光源的要求：

• 谱线宽度：
      分布反馈式激光器（DFB-LD）为主的窄线宽激光器是高速率通信的必然趋势，DWDM光源的SMSR典型值是40dB。
• 波长稳定性：
      在DWDM系统中，激光器波长的稳定性是一个十分关键的问题，根据ITU-T G.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光通道间隔的正负五分之一，即对于光通道间隔为100GHz的系统，中心波长的偏差不能大于±20GHz（约0.16nm）。

调制方式：

• 直接调制方式
      输出功率正比于调制电流
      简单、损耗小、价廉
      使用FP或DFB激光器
      随调制速率增高，模数增加，激光器谱线展宽（啁啾)。
      限制使用在<2.5Gbps速率下，较短距离传输。
  
• 外调制方式
      激光器光源＋开关
      复杂、损耗大、价格贵
  分离外调制：
      昵酸锂(LiNbO3)Mach-Zehnder 集成外调制
  电吸收（EA)：
      mI-V族半导体Mach-Zehnder
  

光接收机：

接收机必须承受的影响：信号畸变、噪声、串扰

光转发器：

DWDM系统在发送端采用光转换器：

• 主要作用是把非标准的波长转化为ITU-T所规定的 标准波长，以满足系统的波长兼容性
• 光-电-光型的波长转换器
  

O/E/O波长转换器：

• 以目前工艺水平的组件比特率可达40Gbit/s
• 消光比得到改善，并可用外调制对信号进行整形高SNR
• 与偏振无关操作简单
  

波分复用器：

• 波分复用技术是在一根光纤上同时传输几十甚至是几百个波长的技术
• 波分复用器是实现光波长的复用和解复用的器件，也可以称为合/分波器
  

光波分复用器(MUX)的性能参数∶

• 插入损耗:
      指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗。
  定义为该无源器件内的输入和输出之间的光功率之比，即: α =10 lg (P1/P2) (dB )
• 串扰抑制度:
      串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可以用隔离度来表示这一程度。
  Cij = -10 lg(Pij / Pi)
• 回波损耗：
      指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即RL = -lg(Pr / Pj ) (dB)
  Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。
• 反射系数：
      指在WDM给定端口的反射光功率与入射光功率之比。
  R = lg(Pr / Pj) (dB)

光波分复用器件的原理：

多层介质膜型波分复用器：

• 利用镀在玻璃衬到底上的多层介 质薄膜实现几十个波长的合/分波的器件
• 由多层反射介质薄膜隔开的两个 或多个谐振腔构成
  
• 工作原理：
      不同材料、不同折射率、不同厚度的介质膜会对特定波长进行选择干涉滤波，只允许特定波长的光通过，而其它波长被反射。
  
      当多个波长的光输入到多层反射介质薄膜滤波器构 成的波分复用器的第一个端口时，滤波单元只通过第一个波长的光λ1，其他波长的光被反射并被耦合进第二个端口；
      第二个端口的滤波单元通过第二个波长的光λ2，其他波长的光被反射并被耦合进第三个端口，光信号照此不断地传下去，在不同的端口进行滤波，最终就可实现把不同波长的光从一根光纤分开到不同的端口输出，实现多个光波长解复用。
• 分类：干涉滤波器型WDM、吸收滤波器型WDM

阵列波导光栅型波分复用器：

• 利用波导光栅的原理实现合/分波的器件
• 在实际的高速、密集波分复用系统中使用最多的是阵列波导光栅（Array Waveguide Grating，AWG）型WDM。
  
• 阵列波导光栅（AWG）是以光集成技术为基础的平面波导型器件。阵列波导光栅由输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和输出波导组成
  
• 制作：AWG的典型制造过程是在硅晶片上沉积一层薄薄的二氧化硅玻璃，并利用光刻技术形成所需的图案，腐蚀成形。
• 优点：这种波导型WDM器件十分紧凑，通路损耗差小，隔离度已达25dB，通路数大（商用器件 一般是40、80个通道），易于批量生产，但带内顶部不够平坦，对温度和极化较敏感，其周期性滤波特性会引起一些串扰。
• 应用： 城域和长途复用、解复用 OADM网络节点、OEM应用