光纖傳輸?shù)陌l(fā)展概述

·光纖通信是以激光為信息載體，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信方式。

·光纖通信技術(shù)是近40多年迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù);它的誕生和發(fā)展，給世界通信技術(shù)帶來了劃時(shí)代的革命。

·現(xiàn)代光通信:

????·1966年美籍華人高錕和他的合作者提出光纖通信概念。

????·1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20 dB/km的石英光纖，成為光纖通信爆炸性發(fā)展的導(dǎo)火索，從而把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。

????·1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，碼率為45 Mbit/s。

????·1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mbit/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100 Mbit/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。

? ? ·1995年，2.5 Gbit/s的SDH進(jìn)入商用化階段。

????·1996年，10 Gbit/s的SDH進(jìn)入商用化階段。

? ?·?1997年，采用波分復(fù)用技術(shù)(WDM)的20 Gbit/s和40 Gbit/s的SDH產(chǎn)品試驗(yàn)取得重大突破。

·我國自70年代初就已開始了光通信技術(shù)研究，1977年，武漢郵科院研制出中國第一根多模光纖，其在850nm地衰減系數(shù)為300dB/km。

·1979年建立了用多模短波長(zhǎng)光纖進(jìn)行的8Mbt/s、5.7km室內(nèi)通信系統(tǒng)。

·1987年底，建成第一個(gè)國產(chǎn)長(zhǎng)途光通信系統(tǒng)，由武漢–荊州，全長(zhǎng)約250km，傳輸34Mbit/s?！?991年，完成了第一條全國產(chǎn)化140Mbit/s合肥蕪湖長(zhǎng)途直埋單模光纖光纜線路，全長(zhǎng)150km。

·1993年建立全國產(chǎn)化上海至無錫的大容量565Mbit/s高速系統(tǒng)。

·光纖通信的波長(zhǎng):

λ=0.85um多模光纖通信系統(tǒng)（1977年);

λ=1.3um多模光纖通信系統(tǒng);

λ=1.3um單模光纖通信系統(tǒng)（1984年);

λ=1.55um單模光纖通信系統(tǒng)(80年代中后期)。

·典型的數(shù)字光纖通信系統(tǒng):

光纖通信特點(diǎn)

·優(yōu)點(diǎn):

·傳輸頻帶極寬，通信容量很大

·傳輸衰減小，距離遠(yuǎn)

·信號(hào)串?dāng)_小，傳輸質(zhì)量高

·抗電磁干擾，保密性好

·光纖尺寸小，重量輕，便于運(yùn)輸和敷設(shè)

·耐化學(xué)腐蝕，適用于特殊環(huán)境

·原材料資源豐富

·節(jié)約有色金屬

·缺點(diǎn):

·光纖彎曲半徑不宜過小

·光纖的切斷和連接操作技術(shù)要求較高

光纖結(jié)構(gòu)

·光纖由兩種不同折射率的玻璃材料(SiO2)制成，通信用光纖的標(biāo)稱外徑為125um。分為多模和單模光纖。

·多模光纖:直徑D為:50 u m或62.5 u m，光信號(hào)是以多個(gè)模式方式進(jìn)行傳播的，光信號(hào)的波長(zhǎng)以主縱模為準(zhǔn)。不同的傳播模式會(huì)具有不同的傳播速度和相位，因此經(jīng)過長(zhǎng)距離的傳播之后會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，導(dǎo)致光脈沖變寬，叫做光纖的模式色散或模間色散。由于模式色散影響較嚴(yán)重，降低了多模光纖的傳輸容量和距離，多模光纖僅用于較小容量、短距離的光纖傳輸通信。

·單模光纖:直徑D為:9～10 u m，光纖只允許一種模式在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖。單模光纖只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用于大容量的光纖通信。

光纖傳輸基本原理

·光信號(hào)通過光接口進(jìn)入光纖之后，信號(hào)在光纖中進(jìn)行全反射，完成端到端的傳輸。

·光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)受到光纖的特性影響，包括光功率的損耗、色散和非線性等。

損耗

·損耗是光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)功率的下降，表明了光纖對(duì)光信號(hào)能量的傳輸損耗，是對(duì)光纖質(zhì)量評(píng)定和確定光纖通信系統(tǒng)中繼距離的重要依據(jù)。一般用dB/km來表示。

·產(chǎn)生損耗的原因:光的吸收損耗、光信號(hào)的散射和附加損耗。

·吸收損耗是指光波通過光纖材料時(shí)，一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。包括本征吸收和雜質(zhì)吸收。

·本征吸收:光纖基礎(chǔ)材料（如SiO2）固有的吸收，不是雜質(zhì)或缺陷引起的，因此，本征吸收基本確定了某一種材料吸收損耗的下限。

·雜質(zhì)吸收:由光纖材料的不純凈而造成的附加吸收損耗（灰塵，金屬離子等)。

·散射:指光通過密度或折射率等不均勻的物質(zhì)時(shí)，除了在光的傳播方向以外，在其他方向也可以看到光，這種現(xiàn)象叫光的散射。

·散射損耗:由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射,由此產(chǎn)生的損耗。

·附加損耗:由于光纖經(jīng)過集束制成光纜，在各種環(huán)境下進(jìn)行光纜敷設(shè)、光纖接續(xù)以及作為系統(tǒng)的耦合與連接等引起的光纖附加損耗。

·光纖/光纜的彎曲損耗、微彎損耗。

·光纖線路中的連接損耗。

·光器件之間的耦合損耗等。

一般來說，單模光纖有三個(gè)低損耗窗口，即850nm，1310nm和1550nm窗口，常用的是后兩個(gè)窗口，1310nm窗口的衰減0.3~0.4dB/km; 1550nm窗口的衰減0.19～0.25dB/km，工程值:0.275dB/km。

色散

·色散:當(dāng)光纖的輸入端入射光脈沖信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸以后，在光纖輸出端，光脈沖波形發(fā)生了時(shí)間上的展寬，產(chǎn)生碼間干擾，這種現(xiàn)象即為色散。

·色散表示方法:群時(shí)延差。

模式色散:由于不同模式的光信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)延差。如圖，光線①和②沿軸線方向的傳播速度不同,通過最大時(shí)延差來描述最快與最慢兩種模式的時(shí)延之差。

色度色散:包括結(jié)構(gòu)色散和材料色散。光脈沖信號(hào)中的不同頻譜成份在光纖中的傳輸速度不同，導(dǎo)致脈沖信號(hào)傳輸后展寬甚至離散。就像我們?nèi)伺懿揭粯?，有的跑得快，有的跑得慢，短距離的時(shí)候可能還差距不很大，距離一長(zhǎng)就會(huì)拉開差距。

·色度色散的影響:導(dǎo)致信號(hào)脈沖展寬，導(dǎo)致信號(hào)傳輸誤碼。

·從系統(tǒng)的角度來看，光纖色散與光纖的長(zhǎng)度呈正比，即光纖色散是具有累積性質(zhì)的，因而光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在著有光纖色散決定的傳輸距離限制。

·對(duì)于超長(zhǎng)距離或長(zhǎng)距離需要利用具有負(fù)波長(zhǎng)色散的色散補(bǔ)償光纖（DCF)，對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償，降低整個(gè)傳輸線路的總色散。

·偏振模色散PMD:光纖中的光傳輸可描述成完全是沿X軸振動(dòng)和完全是沿Y軸振動(dòng)或一些光在兩軸上的振動(dòng)。每個(gè)軸代表一個(gè)偏振“?！?，兩個(gè)偏振模的到達(dá)時(shí)間差。

·環(huán)境因素和工藝缺陷引起的纖芯橢圓及應(yīng)力，幾乎可忽略，但是無法完全消除，只能從光器件上使之最小化，脈沖寬度越窄的超高速系統(tǒng)中，PMD的影響越大。

光纖非線性效應(yīng)

·自相位調(diào)制:光纖中激光強(qiáng)度的變化導(dǎo)致光纖折射率的變化，引起光信號(hào)自身的相位調(diào)整。

·由于折射率對(duì)光強(qiáng)存在依賴關(guān)系，在光脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)折射率發(fā)生變化，脈沖峰值的相位對(duì)于前、后沿來說均是延遲的，這種相移隨著傳輸距離的增加而積累起來，達(dá)到一定距離后顯示出相當(dāng)大的相位調(diào)制，從而使光譜展寬導(dǎo)致脈沖展寬，這就稱為自相位調(diào)制SPM。

·交叉相位調(diào)制（XPM)∶在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中，一個(gè)信道的相位變化不僅與本信道的光強(qiáng)有關(guān)，也與其它相鄰信道的光強(qiáng)有關(guān)，由于相鄰信道間的相互作用，相互調(diào)制的相位變化稱為交叉相位調(diào)制(XPM)。

·當(dāng)多個(gè)不同頻率的光束在光纖同時(shí)傳播時(shí)，每一頻率成份的光束會(huì)通過光纖的非線性極化率，影響其它頻率光束的有效折射率而對(duì)后者產(chǎn)生相位調(diào)制，這就是交叉相位調(diào)制.XPM可引起信道間串?dāng)_，導(dǎo)致脈沖波形畸.信道越密集、傳輸跨段數(shù)越多，XPM效應(yīng)對(duì)DWDM系統(tǒng)的影響越大。

·XPM引起的頻譜展寬度與信道的間隔有關(guān)，越小，則產(chǎn)生的效應(yīng)就越大，反之，則小。

·XPM引起的展寬會(huì)導(dǎo)致多信道系統(tǒng)中相鄰信道間的干擾。

·四波混頻(FWM):當(dāng)多個(gè)一定強(qiáng)度的光波在光纖中混波時(shí)各個(gè)波長(zhǎng)信道間的非線性作用會(huì)導(dǎo)致新波長(zhǎng)的產(chǎn)生;致使各波長(zhǎng)信道間能量的轉(zhuǎn)移和互相串?dāng)_。

·FWM的影響:產(chǎn)生新的波長(zhǎng)，使原有信號(hào)的光能量受到損失，影響系統(tǒng)的信噪比等性能。

·如果產(chǎn)生的新波長(zhǎng)與原有某波長(zhǎng)相同或交疊，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_.

受激拉曼散射(SRS)∶受激拉曼散射SRS是光與硅原子振動(dòng)模式間相互作用有關(guān)的寬帶效應(yīng)，在任何情況下，短波長(zhǎng)的信號(hào)總是被這種過程所衰減，同時(shí)長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)得到增強(qiáng)。

光纖分類

光纖分為單模光纖和多模光纖，他們的特點(diǎn)如下:

單模光纖的分類

國際上用于通信傳輸系統(tǒng)的有四種單模光纖，即G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖和G.655光纖。

G.652單模光纖:在1550窗口的性能也不錯(cuò)，損耗比1310還低，只是色散較大，對(duì)速率小于等于2.5G的系統(tǒng)影響不到。

·G.653單模光纖（(DSF)∶調(diào)整G.652光纖的波導(dǎo)色散，將其零色散點(diǎn)從1310nm移至1550nm波長(zhǎng)處，便成了G.653光纖.G.653光纖將1550nm窗口的低衰耗和零色散很好地融合起來，因此，可以毫無困難地開通長(zhǎng)距離高速系統(tǒng)，是單波長(zhǎng)超長(zhǎng)距離傳輸?shù)淖罴压饫w.但對(duì)波分復(fù)用系統(tǒng)，這種光纖在工作區(qū)內(nèi)的零色散點(diǎn)是導(dǎo)致四波混頻效應(yīng)的源泉，因而不是合適的媒質(zhì)。

·G.654光纖為了實(shí)現(xiàn)跨洋洲際海底光纖通信，人們又在G.652單模光纖基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究出了截止波長(zhǎng)位移單模光纖，這種光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)形狀與G.652單模光纖基本相同.它是通過采用純二氧化硅(SiO2）纖芯來降低光纖衰減，靠包層摻雜F使折射率下降而獲得所需要的折射率差。

·G.654光纖主要用于海底光纖通信。與G.652光纖相比，這種光纖性能上的突出特點(diǎn)是:在1550nm工作波長(zhǎng)，衰減系數(shù)極小，僅為0.15dB/km左右;通過截止波長(zhǎng)位移方法，大大改善了光纖的彎曲附加損耗。

·G.655光纖的基本設(shè)計(jì)思想是在1550nm工作波長(zhǎng)區(qū)具有合理的、較低的色散，一方面足以支持10Gbit/s的長(zhǎng)距離傳輸而無需色散補(bǔ)償，從而節(jié)省色散補(bǔ)償器及其附加光放大器的成本;另一方面，其色散值的非零特性又可以壓制四波混合的影響，適宜開通具有足夠多波長(zhǎng)的OTN系統(tǒng),同時(shí)滿足TDM和波分復(fù)用兩種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需要。

·G.655光纖色散系數(shù)為0.1~6.0ps/nm.km，衰耗系數(shù)為0.19~0.25dB/km。

·G.655光纖分三類:G.655A、G.655B、G.655C。

·G.655A光纖只適用于C波段，可用于傳輸最高速率為10Gb/s的SDH系統(tǒng)，以及以10Gb/s為基群、通道間隔≤200GHz的WDM系統(tǒng)。

·G.655B光纖適用于C、L波段，可用于傳輸最高速率為10Gb/s的SDH系統(tǒng)，以及以10Gb/s為基群、通道間隔≤100GHz的WDM系統(tǒng)。

·G.655C光纖除了偏振模色散PMD為0.20 ps/nm.km之外，它的其他屬性和G.655B是一樣的。

三種光纖色散情況比較