影响高速光纤通信的几个因素和解决方法

影响高速光纤通信的几个因素和解决方法

摘要：光纤通信自问世以来,因其通信容量大、传输距离长、重量轻、抗电磁干扰能力强,资源丰富、环保等优越性,已日益成为当今通信网络的中坚力量。在高速公路通讯系统中由于对传输稳定性要求高,传输容量需求大,光纤通信得到广泛应用。

关键词：高速光纤通信、光纤损耗、色散、光纤非线性效应

随着网络化时代的到来，人们对信息的需求越来越大，这就要求通信技术的快速发展。光纤作为一种具有大容量，低损耗，保密性好，抗干扰性强，材料资源丰富等优点的传导介质，使得光纤通信成为发展最快的一门通信技术。

但因为光信号的传输受损耗、色散以及光纤中的非线性效应等因素的限制，光纤通信系统的传输速率受到严重制约。一般来说，在低损耗传输窗口,光纤传输容量非常巨大,具有25T Hz 的带宽,但直到20世纪90年代,其传输速率还限制在几十Gbit/s，远远低于25T Hz的容量。另外，在光纤传输过程中,因为损耗的存在,必须每隔50～100 km对光信号进行中继放大。色散使光脉冲展宽，且脉冲之间产生干扰,也限制了码速率的提高。此外，由于超高速信号的产生、传输、恢复的限制，也决定了单信道传输速率不可能很高。

1、光线损耗

早在19世纪，光在光纤中全反射的传导模式就已经被人们知晓，到20世纪60年代，人们主要利用光纤束来传输图像，但是当时的损耗很高，大约为1000dB/km。到20世纪80年代，由于光纤制造技术的进步，已将1.55um波长附近的损耗降低到0.2dB/km。尽管这种损耗造成的信号衰减已经相当小，但是对大容量远程通信系统却是不可忽略的。因此，在光信号衰减到不能继续传输时，就需要进行中继放大。

传统的中继放大采用光一电一光的方式，结构复杂，技术难度大，成本昂贵，尤其在WDM 中，要将多个波长的光信号分开进行处理，困难尤其突出。为此，人们就研究直接将光纤制作成中继放大器—光纤放大器。

光纤放大器目前主要应用为：发射机后的功率放大，接收机前的预放大和线路中的中继放大，用来补偿线路传输衰减，节点分配衰减，色散补偿，并降低非线性效应等。

光纤放大器的出现极大地推动了光纤通信的发展，在系统应用中，具有里程碑意义。它解决了衰减对光传输网络(OTN)传输速率与距离的限制，并使超高速，超大容量，超长距离的波分复用，密集波分复用，全光传输，光孤子传输等成为现实。目前，实用化WDM系统的最大波道数已经达到80多个，系统容量可以达到3Tbit/s，传输距离为几千千米，实验系统容量可以达到10.2Tbit/s，传输距离达到几万千米。单信道速率不断提升，已从2.5Gb/s提升到10Gb/s，并正向40Gb/s方向发展。为了进一步延长传输距离，提高传输质量，增大传输容量，对光纤放大器研究至关重要。

2、色散

色散就是指不同颜色（不同频率）的光在光纤中传输时，由于具有不同的传播速度而相互分离。单模光纤主要色散是群时延色散，即波导色散和材料色散。这些色散都会导致光脉冲展宽，导致信号传输时的畸变和接收误码率的增大。

对于新建工程新敷设高速率或WDM光缆线路，可以采用非零色散位移光纤（NZ-DCF），ITU 一T将这种光纤定名为G.655。G.655光纤在 1 550 nm处有非零色散，但数值很小（0.1~10.0pb/nm·km）。其色散值可以是正，也可以是负。若采用色散管理技术，可以在很长距离上消除色散的积累。同时，对WDM系统的四波混频现象也可压得很低，有利于抑制非线性效应的影响。

随着现代数字信号处理技术的发展，特别是高速集成电路技术的成熟，由电域均衡技术发展出了一种电子色散补偿（EDC,electronic distortion compensation）或电子色散均衡（EDE,electronic distortion equalization）技术。一方面，在符合电域色散补偿容限范围内，EDC/EDE可以取代光域的色散补偿模块，简化系统结构。另一方面，在长距离光纤网络中电域补偿可以与光域补偿相结合，以提高色散补偿的适应性，实现动态的色散补偿。同时，EDC/EDE还能减小光纤非线性的影响，降低对光发射与接收机性能的要求。

近年来EDC/EDE技术取得了最新进步，一系列新技术的实现，包括后探测，前馈均衡，后反馈判决均衡，单边带信号传输和线性均衡的结合，电子预补偿技术和最大似然均衡器。国外的一些研究机构和公司对EDC/EDE进行了大量研究工作。目前已经实现了对10Gbp/s信号的电域自适应均衡，并能够对误码进行监测和对Q因子进行估计。

3、光纤非线性效应

随着光纤通信及光纤传感技术的发展，光纤线路传输容量的不断增加，传输距离的日益增大，通路的急剧增加以及光纤放大器的广泛使用，光纤的非线性已经成为制约系统性能的重要因素。非线性问题也已经成为光纤通信系统设计中需要考虑的重要方面。光纤的非线性效应可分为两类：一类为散射效应，如受激布里渊散射（ＳＢＳ）、受激喇曼散射（ＳＲＳ）等；另一类为与克尔效应相关的非线性效应，即与折射率密切相关的效应，如自相位调制（ＳＰＭ）和调制不稳定性和四波混频（ＦＷＭ）等。光纤中的非线性效应可能引起传输信号的附加损耗、信道间的串扰和信号频率的移动等。

目前，可以抑制受激散射的技术有许多，如采用非均匀光纤、利用光纤布拉格光栅等。此外，偏振复用技术也可以用来抑制受激散射效应。

四波混频对DWDM系统的影响主要表现在：(1)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；(2)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。四波混频的产生要求要求各信号光的相位匹配，当各信号光在光纤的零色散附近传输时，材料色散对相位失配的影响很小，因而较容易满足相位匹配条件，容易产生四波混频效应。

目前的DWDM系统的信道间隔一般在100GHZ，零色散导致四波混频成为主要原因，所以，采用G.653 光纤传输DWDM系统时，容易产生四波混频效应，而采用G.652 或G.655 光纤时，不易产生四波混频效应。

参考文献：

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