光纤传输原理
光纤传输的发展概述
·光纤通信是以激光为信息载体，以光纤为传输介质的通信方式。
·光纤通信技术是近40多年迅猛发展起来的高新技术;它的诞生和发展，给世界通信技术带来了划时代的革命。
·现代光通信:
·1966年美籍华人高锟和他的合作者提出光纤通信概念。
·1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤，成为光纤通信爆炸性发展的导火索，从而把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。
·1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，码率为45 Mbit/s。
·1976年和1978年，日本先后进行了速率为34 Mbit/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mbit/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。
·1995年，2.5 Gbit/s的SDH进入商用化阶段。
·1996年，10 Gbit/s的SDH进入商用化阶段。
· 1997年，采用波分复用技术(WDM)的20 Gbit/s和40 Gbit/s的SDH产品试验取得重大突破。
·我国自70年代初就已开始了光通信技术研究，1977年，武汉邮科院研制出中国第一根多模光纤，其在850nm地衰减系数为300dB/km。
·1979年建立了用多模短波长光纤进行的8Mbt/s、5.7km室内通信系统。
·1987年底，建成第一个国产长途光通信系统，由武汉–荆州，全长约250km，传输34Mbit/s。·1991年，完成了第一条全国产化140Mbit/s合肥芜湖长途直埋单模光纤光缆线路，全长150km。
·1993年建立全国产化上海至无锡的大容量565Mbit/s高速系统。
·光纤通信的波长:
λ=0.85um多模光纤通信系统（1977年);
λ=1.3um多模光纤通信系统;
λ=1.3um单模光纤通信系统（1984年);
λ=1.55um单模光纤通信系统(80年代中后期)。
·典型的数字光纤通信系统:
光纤通信特点
·优点:
·传输频带极宽，通信容量很大
·传输衰减小，距离远
·信号串扰小，传输质量高
·抗电磁干扰，保密性好
·光纤尺寸小，重量轻，便于运输和敷设
·耐化学腐蚀，适用于特殊环境
·原材料资源丰富
·节约有色金属
·缺点:
·光纤弯曲半径不宜过小
·光纤的切断和连接操作技术要求较高
光纤结构
·光纤由两种不同折射率的玻璃材料(SiO2)制成，通信用光纤的标称外径为125um。分为多模和单模光纤。
·多模光纤:直径D为:50 u m或62.5 u m，光信号是以多个模式方式进行传播的，光信号的波长以主纵模为准。不同的传播模式会具有不同的传播速度和相位，因此经过长距离的传播之后会产生时延，导致光脉冲变宽，叫做光纤的模式色散或模间色散。由于模式色散影响较严重，降低了多模光纤的传输容量和距离，多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信。
·单模光纤:直径D为:9～10 u m，光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。单模光纤只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。
光纤传输基本原理
·光信号通过光接口进入光纤之后，信号在光纤中进行全反射，完成端到端的传输。
·光信号在光纤中传输的时候会受到光纤的特性影响，包括光功率的损耗、色散和非线性等。
损耗
·损耗是光信号在光纤中传输时功率的下降，表明了光纤对光信号能量的传输损耗，是对光纤质量评定和确定光纤通信系统中继距离的重要依据。一般用dB/km来表示。
·产生损耗的原因:光的吸收损耗、光信号的散射和附加损耗。
·吸收损耗是指光波通过光纤材料时，一部分光能变成热能，造成光功率的损失。包括本征吸收和杂质吸收。
·本征吸收:光纤基础材料（如SiO2）固有的吸收，不是杂质或缺陷引起的，因此，本征吸收基本确定了某一种材料吸收损耗的下限。
·杂质吸收:由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗（灰尘，金属离子等)。
·散射:指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象叫光的散射。
·散射损耗:由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射,由此产生的损耗。
·附加损耗:由于光纤经过集束制成光缆，在各种环境下进行光缆敷设、光纤接续以及作为系统的耦合与连接等引起的光纤附加损耗。
·光纤/光缆的弯曲损耗、微弯损耗。
·光纤线路中的连接损耗。
·光器件之间的耦合损耗等。
一般来说，单模光纤有三个低损耗窗口，即850nm，1310nm和1550nm窗口，常用的是后两个窗口，1310nm窗口的衰减0.3~0.4dB/km; 1550nm窗口的衰减0.19～0.25dB/km，工程值:0.275dB/km。
色散
·色散:当光纤的输入端入射光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时间上的展宽，产生码间干扰，这种现象即为色散。
·色散表示方法:群时延差。
模式色散:由于不同模式的光信号产生的时延差。如图，光线①和②沿轴线方向的传播速度不同,通过最大时延差来描述最快与最慢两种模式的时延之差。
色度色散:包括结构色散和材料色散。光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。就像我们人跑步一样，有的跑得快，有的跑得慢，短距离的时候可能还差距不很大，距离一长就会拉开差距。
·色度色散的影响:导致信号脉冲展宽，导致信号传输误码。
·从系统的角度来看，光纤色散与光纤的长度呈正比，即光纤色散是具有累积性质的，因而光通信系统设计上存在着有光纤色散决定的传输距离限制。
·对于超长距离或长距离需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF)，对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。
·偏振模色散PMD:光纤中的光传输可描述成完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴振动或一些光在两轴上的振动。每个轴代表一个偏振“模”，两个偏振模的到达时间差。
·环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应力，几乎可忽略，但是无法完全消除，只能从光器件上使之最小化，脉冲宽度越窄的超高速系统中，PMD的影响越大。
光纤非线性效应
·自相位调制:光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化，引起光信号自身的相位调整。
·由于折射率对光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均是延迟的，这种相移随着传输距离的增加而积累起来，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制SPM。
·交叉相位调制（XPM)∶在多波长系统中，一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关，也与其它相邻信道的光强有关，由于相邻信道间的相互作用，相互调制的相位变化称为交叉相位调制(XPM)。
·当多个不同频率的光束在光纤同时传播时，每一频率成份的光束会通过光纤的非线性极化率，影响其它频率光束的有效折射率而对后者产生相位调制，这就是交叉相位调制.XPM可引起信道间串扰，导致脉冲波形畸.信道越密集、传输跨段数越多，XPM效应对DWDM系统的影响越大。
·XPM引起的频谱展宽度与信道的间隔有关，越小，则产生的效应就越大，反之，则小。
·XPM引起的展宽会导致多信道系统中相邻信道间的干扰。
·四波混频(FWM):当多个一定强度的光波在光纤中混波时各个波长信道间的非线性作用会导致新波长的产生;致使各波长信道间能量的转移和互相串扰。
·FWM的影响:产生新的波长，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能。
·如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰.
受激拉曼散射(SRS)∶受激拉曼散射SRS是光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应，在任何情况下，短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到增强。
光纤分类
光纤分为单模光纤和多模光纤，他们的特点如下:
单模光纤的分类
国际上用于通信传输系统的有四种单模光纤，即G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤和G.655光纤。
G.652单模光纤:在1550窗口的性能也不错，损耗比1310还低，只是色散较大，对速率小于等于2.5G的系统影响不到。
·G.653单模光纤（(DSF)∶调整G.652光纤的波导色散，将其零色散点从1310nm移至1550nm波长处，便成了G.653光纤.G.653光纤将1550nm窗口的低衰耗和零色散很好地融合起来，因此，可以毫无困难地开通长距离高速系统，是单波长超长距离传输的最佳光纤.但对波分复用系统，这种光纤在工作区内的零色散点是导致四波混频效应的源泉，因而不是合适的媒质。
·G.654光纤为了实现跨洋洲际海底光纤通信，人们又在G.652单模光纤基础上进一步研究出了截止波长位移单模光纤，这种光纤折射率剖面结构形状与G.652单模光纤基本相同.它是通过采用纯二氧化硅(SiO2）纤芯来降低光纤衰减，靠包层掺杂F使折射率下降而获得所需要的折射率差。
·G.654光纤主要用于海底光纤通信。与G.652光纤相比，这种光纤性能上的突出特点是:在1550nm工作波长，衰减系数极小，仅为0.15dB/km左右;通过截止波长位移方法，大大改善了光纤的弯曲附加损耗。
·G.655光纤的基本设计思想是在1550nm工作波长区具有合理的、较低的色散，一方面足以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿，从而节省色散补偿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压制四波混合的影响，适宜开通具有足够多波长的OTN系统,同时满足TDM和波分复用两种业务系统的需要。
·G.655光纤色散系数为0.1~6.0ps/nm.km，衰耗系数为0.19~0.25dB/km。
·G.655光纤分三类:G.655A、G.655B、G.655C。
·G.655A光纤只适用于C波段，可用于传输最高速率为10Gb/s的SDH系统，以及以10Gb/s为基群、通道间隔≤200GHz的WDM系统。
·G.655B光纤适用于C、L波段，可用于传输最高速率为10Gb/s的SDH系统，以及以10Gb/s为基群、通道间隔≤100GHz的WDM系统。
·G.655C光纤除了偏振模色散PMD为0.20 ps/nm.km之外，它的其他属性和G.655B是一样的。
三种光纤色散情况比较
