OTN基础-DWDM光纤传输原理

一、光纤结构简介

光纤由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。纤芯是光信号传输的通道，包层通过折射率差将光约束在纤芯内传输，涂覆层则起机械保护作用。目前骨干网使用的主要是单模光纤。

1.1 多模光纤（MMF）

光信号是以多个模式方式进行传播的，不同模式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。
实际中经常接触到的多模尾纤，它只有一端带有连接器（如 LC, SC, FC, ST），另一端是裸纤，通过熔接的方式连接到光缆纤芯上，使用明显区别于单模尾纤的颜色。主要工作在 ​850nm窗口。​

光纤等级芯径/包层直径 (μm)外皮颜色 (标准)光源典型应用/传输速率OM162.5/125橙色LED100Mb/s, 1Gb/s (短距离)OM250/125橙色LED1Gb/s, 10Gb/s (最远 82m)OM350/125水蓝色)VCSEL (激光)10Gb/s (最远 300m), 40/100Gb/sOM450/125紫红色VCSEL (激光)10Gb/s (最远 550m), 100Gb/sOM550/125石灰绿VCSEL宽带多模 (WBMMF)，支持 SWDM 波分复用橙色多模尾纤是最常见的，早期标准，目前已逐渐退出主流市场。
纤芯颜色代码 (色谱)
在多芯尾纤或光缆熔接时，为了区分不同的纤芯，通常遵循 TIA-598-A 颜色标准（12 色色谱）。

注：如果纤芯超过 12 芯，则循环使用该颜色序列，通常会加上色带标识。

多模光纤特性

• 尾纤的 OM 等级必须与主干光缆一致（例如：OM3 光缆应配 OM3 尾纤），否则会造成极大的信号衰减。
  
• 现代 OM3/OM4 通常具备弯曲不敏感特性（BIMMF），能够减少安装时信号损失。
  
• OM3 及以上级别针对 ​850nm VCSEL​进行了优化，被称为“激光优化”多模光纤。
  

1.2 单模光纤（SMF）

光纤只允许一种模式在其中传播，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，是长途通信和数据中心骨干网的主力。
标准单模尾纤通常为 黄色，主要工作在 ​1310nm​（零色散点附近）和 ​1550nm​（低损耗窗口）。

传统单模光纤分类
类型名称特征应用G.652色散无移单模光纤零色散波长约为 1310nm最常见，最广泛G.653色散移位光纤色散在约 1550nm 处最小适合长距单通道，国内极少G.654截止移位光纤1550nm 处衰减最低，又称为低衰减光纤，色散系数同 G.652主要用于海底或地面的远距离传输。G.655非零色散移位光纤在1550nm窗口保持适量色散，低于G652适用于波分和长距离光缆G.656低斜率非零色散偏移光纤色散斜率比G655更低更宽的波长透射性能。G.657弯曲不敏感光纤最小弯曲半径为 5-10mm主要用于 FTTH 接入，适合室内布线

拓展：G652是超100G OTN系统首选

不是G.655是最适合DWDM/OTN的吗？为何在超100G时代反而又用回了G.652？

• 相干技术，使用DSP电域信号处理直接消除色散的影响，色散不再是阻碍，反而成了对抗FWM非线性效应的工具。
  
• G.652有更大的有效面积，非线性效应更弱。
  
• G.652在S波段依然有色散，而G.655色散极低易产生FWM非线性。
  
• 如果在G.655开通100G OTN，则更应该注意入纤功率，因为其比G.652更容易产生非线性。
  
• 对于新建网络，​G.652.D​（低水峰版本）几乎是万金油，配合相干光模块，性能最稳。
  
• G.656是为未来全波段（S+C+L）DWDM准备的。
  

1.3 光纤接口

常见光纤连接器是FC，LC，SC，即所谓的“圆头”“小方头”“大方头”。其他的还有ST，E2000（鳄鱼嘴）接口。
FC圆头在对接时使用较多，因为有很好的牢固性和低损耗；SC大方头损耗略高，但操作简便，通常使用在机房的配线架(ODF)；LC小方头体积小，通常用于端口密集的设备上，节省设备面板空间。

1.4 新型光纤技术

• 空芯光纤：光主要在空气中传输，理论上可大幅降低非线性效应和传输时延。最新研究表明，空芯光纤的背向散射强度比传统光纤低四个数量级，这对高性能传感和通信系统具有重要意义。
  

二、光纤通信的特点

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
  

三、 光纤的三大传输特性

常见的通信设备，作为非纯光系统，一般只考虑光缆损耗，即只考虑设备的收光达标与否。
DWDM做为光传输网络，对光的要求比其它通信设备更高，光缆的损耗，色散，非线性效应均为实际网络中需要重点关注的性能参数。
3.1 损耗

光纤损耗主要包括三类：

• 吸收损耗：光纤材料（SiO₂）的本征吸收，决定了光纤损耗的理论下限
  
• 散射损耗：主要是瑞利散射，由光纤密度不均匀引起，与波长的四次方成反比
  
• 附加损耗：包括弯曲损耗、微弯损耗、连接损耗等
  

光纤的三个通信窗口分别为：850nm，1310nm，1550nm。
1550nm窗口的理论损耗约0.19dB/km，工程上通常按0.275dB/km估算——这意味着传输100km后，光功率剩余不足原来的1%。所以常见的光模块最大传输距离一般是80km。
3.2 色散

光脉冲信号经过长距离传输以后，发生时域上的展宽，产生码间干扰，这种现象即为色散。

色散是限制高速传输距离的关键因素。它表现为光脉冲在传输过程中的展宽，当展宽超过1/4比特周期时，就会产生码间干扰。

• 模式色散：
  主要存在于多模光纤中，因此多模尾纤传输距离很短。DWDM系统不在多模光纤中工作，无需考虑。
  
• 色度色散：
  不同频率成分在光纤中传输速度不同导致。这是DWDM系统中主要考虑的色散。
  
• 偏振模色散（PMD）：
  由光纤的几何不对称性和应力引起，两个正交偏振模的到达时间差。在40Gbit/s及以上速率系统中，PMD的影响不容忽视。这种色散无法通过补偿解决。
  

色散管理是DWDM系统设计的核心课题。长距传输必须采用反色散补偿光纤（DCF）或数字信号处理（DSP）算法，将总色散控制在允许范围内。

色散补偿

通常我们说色散补偿是指补偿色度色散。
40G DWDM系统在实现网络中几乎不存在，需使用DCF或其他技术进行色散补偿，需考虑PMD色散。
10G及以下速率的DWDM系统中，需使用DCF或其他技术进行色散补偿，通常不考虑PMD色散。
100G及以上速率的DWDM系统，通常无需考虑色散补偿，由设备提供DSP算法，相干接收结合数字信号处理，在电域对非线性损伤进行有效补偿。

四、非线性效应

这是DWDM系统中最复杂、也最需要深入理解的领域。非线性效应随光功率密度增加而显著，在长距、高速、多波长的DWDM系统中尤为突出。
自相位调制（SPM）
光强度变化引起光纤折射率变化，进而导致光信号自身的相位调整。SPM会使信号频谱展宽，在色散作用下加剧脉冲畸变。
光缆距离越长，色散越大时，该效应越严重。
交叉相位调制（XPM）
在多波长系统中，相邻通道的光强变化，通过折射率改变了本通道的相位。通道越多、波长间距越小，色散越大，则产生该效应的入纤功率越低。
当你试图通过增加光功率来提升信噪比时，可能会因为XPM非线性效应，反而使信噪比降低甚至产生误码。
四波混频（FWM）
这是DWDM系统最具破坏性的非线性效应。当多个波长在光纤中相互作用时，会产生新的波长，不仅损耗原有信号能量，新产生的波长还可能造成严重串扰。FWM效应的光功率门限很低，当光功率较低时则更易产生该效应。
在DWDM系统中，主要通过光缆的色散来抑制FWM，即DWDM系统不能工作在无色散的光缆(G.653)上，尽管色散是限制DWDM传输距离的主要因素。
受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）
受激布里渊散射 (SBS)原理：强光引起光纤内部的机械振动（声波），声波像一面反射镜一样将光反射回发送端。它是 DWDM 系统中入纤功率的“硬天花板”。一旦超过 SBS 阈值，大部分光功率会被反射回去。
受激拉曼散射（SRS）原理： 高频（短波长）能量转移给低频（长波长）。该效应会导致短波长信号性能变差。
实际中主要通过光通道功率均衡避免SRS，降低入纤功率避免SBS。

小结

色散过低，四波混频，XPM； ** 色散过高** ，SPM/XPM。
光过强，XPM,SBS； 光过弱，信号差，FWM。
因此，色散管理和光功率管理，是DWDM系统中最重要的课题。

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