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
OM1	62.5/125	橙色	LED	100Mb/s, 1Gb/s (短距离)
OM2	50/125	橙色	LED	1Gb/s, 10Gb/s (最远 82m)
OM3	50/125	水蓝色)	VCSEL (激光)	10Gb/s (最远 300m), 40/100Gb/s
OM4	50/125	紫红色	VCSEL (激光)	10Gb/s (最远 550m), 100Gb/s
OM5	50/125	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。