论文部分内容阅读
摘要：光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。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。本文阐述了光纤传输的关键技术，结合影响传输距离的几个因素来分析可以从哪些方面入手来延长光纤通信的传输距离。
关键词：光纤通信；传输距离；影响因素，对策
Abstract: the optical fiber communication is using light as an information carrier, optical fiber as the transmission way of communication. Because of its large communication capacity, long transmission distance, light weight, resistance to electromagnetic interference ability strong, rich resources, environmental protection and other advantages, has increasingly become the backbone of the communication network today. This paper expounds the key technology of optical fiber transmission, the combination of several factors affecting the transmission distance to analyze from which aspects to extend the transmission distance of optical fiber communication.
Key words: optical fiber communication; Transmission distance; Influencing factors and countermeasures
中圖分类号：TN818文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
引言
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，应用范围十分广泛，因此，在通信信号传输中产生的问题，也值得我们去认真思考并加以解决。
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。而传统的中继器是采用光-电-光的工作方式，不仅影响了信号的传输速率，而且系统结构复杂，成本高，因此必须从降低损耗、减小色散，应用光放大器等几个方面来延长光通信系统的传输距离。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.光纤传输的关键技术
1.1光纤喇曼放大器(FRA)对光纤损耗进行补偿
在光纤传输中，喇曼放大器技术是最关键的光传输技术。它可以将传输光纤本身变成一个放大器，也可以放大掺铒光纤放大器(EDFA)所不能放大的波段。它利用普通的传输光纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪比(OSNR)。FRA利用光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿。一种应用较广的被称之为分布式光纤喇曼放大器(DFRA)。对于长距离光纤传输来说，利用喇曼放火器提高系统的OSNR、增加系统中继长度、提高波分复用(WDM)系统的通道数和抑制光纤非线性效应是其主要目的。
1.2前向纠错(FEC)编码减少误码率
在光传输系统中采用FEC技术，能够减少系统的误码率。其编码增益提供了一定的系统富余量，从而降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。对于有光放大器的系统，可以增加光放大器间隔、延长传输距离、提高信道速率、减小单通道光功率。FEC的实现方式有带外FEC系统和带内FEC系统两种。带内FEC的增益一般为3dB左右，而带外的增益远高于带内，因此， 长距系统均采用带外FEC编码。使用带外FEC时，总体改善情况可达7—9dB，大大提高了系统的传输距离。
1.3码型技术提升系统的传输性能
由于不同线路调制码型的光信号在色散容限、自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)等非线性的容纳能力、频谱利用率等方面各有特点，对于超宽频带的长距离WDM传输系统，非归零(NRZ)、归零(Rz)等码型都有各自的特色。为了进一步提高码的传输性能，近年来还出现了载频抑制RZ(CS—RZ)和啁啾RZ(CRZ)等码型。在cs Rz码中，相邻码元的电场振幅符号相反。从而达到降低光谱宽度的目的，在功率较高的情况下，不但增加了色散容限，而且有更强的抵抗SPM和网波混频(FWM)等光纤非线性效应的能力。
1.4色散补偿延伸光传输的距离
色散是限制光纤传输距离的主要因素。色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿。色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块。目前使用最多的是色散补偿模块(DCM)，通常用在EDFA的两级之间，用以补偿的插损。
2.影响传输距离的因素
通信传输中的信号强度衰耗是通信传输的一个重要特性，光纤的损耗和色散、光电子器件性能的好坏以及光网络结构的优劣都会对系统的传输距离产生影响。
2.1光发送机、光接收机的影响
光接收灵敏度与发送机发送光功率、光纤光缆线路衰减，共同决定了系统中继长度，光纤传输系统的中继距离可按下式来计算：
L=Ps–PR–Me-∑Ac/Af+As+Mc(km)
从上面的表达式可以看出光发送机的入纤光功率过低或光接收机的入纤光功率要求过高都会影响光通信系统的传输距离。
2.2功率损耗的影响
由于光发射机发射功率有限，光接收机有内部噪声，因此必须有足够的信号光功率输出才能正常接收，再加上光纤本身的传输损耗，因此，系统的传输距离必然受到限制，称为功率损耗限制。如果光纤系统的3dB电带宽大于信号带宽，那么光纤系统所传输最远距离为：
L=[Ltotal-(Lcoup+Lc+L(fm)+Lm)]/α系统从光发射机到接收机之间允许的光功率总损耗为：Ltotal=10lg(Ps/PRmin)
光在传输过程中的各种损耗也是影响光通信系统传输距离的主要因素。
2.3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。
2.4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。
3.改善光纤通信系统传输距离的方法
3.1改善光发送机性能
通常采用的方法是选择合适的码型，以实现在增加其他设施的条件下延长最大传输距离。随着传输距离的增长和速率的提高，OSNR容限、色度色散、PDM、光纤非线性效应等这些在低速短距离传输情况下可以忽略的物理效应在此时变得很明显，严重的阻碍了传输业务的容量和覆盖范围的提升。因此我们可以采用有别于NRZ码的RZ码的调制格式进行调制。RZ码对于光纤的非线性效应有更好的免疫力，其脉冲特性也能够减小DWDM信道之间的相互作用。此外，PDM在使用RZ调制的情况下也有显著的降低。
此外，为了尽可能利用全部的光源功率输出、延长系统传输距离，通信系统应采用外调制技术。
3.2改善光接受机性能
数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用是将经过光纤传输后被衰减变形的微弱脉冲信号变换成为电脉冲信号，并将其放大，均衡与定时再生还原成标准的数字脉冲信号。数字光接收机的输入光功率和误码率两者是互相矛盾的，因此必须对其中一个进行人为的规定，一般规定误码率为10-9。根据这一要求，就可以找到数字光接收机所接收到的最小光功率作为其性能指标，即接收灵敏度。提高光接收机的灵敏度也可以延长光纤通信的传输距离。光接收机的灵敏度与色散展宽、码间串扰及频率啁啾等有关。
带有频率啁啾的光脉冲在色散光纤中传输时，脉冲形状将发生变化。由于光谱移动，当脉冲在光纤中传输时，包含在脉冲啁啾分量的部分功率将逸出比特时隙。该功率损耗降低了接收机的SNR，使灵敏度恶化。可采用EAM和MZ-M等预啁啾调制技术来改善系统性能。
3.3减小系统传输损耗
影响系统传输距离的损耗主要有连接损耗、传输损耗和耦合损耗。现在光纤连接器技术发展已经比较成熟，连接损耗可以忽略。传输损耗与光纤传输损耗系数有关，可以通过选择合适的通信窗口来减小传输损耗。光耦合器又叫光分波合波器，分波器合波器的插入损耗小、隔离度大、带内损耗平坦、带外插入损耗变化陡峭、低的偏振相关性、温度稳定性好、复用道路多等。目前在WDM系统中使用的光分波合波器主要有阵列波导光栅(AWG)、相控阵列分波器、可调谐滤波器、干涉膜濾波器、光栅耦合器等。
3.4影响光纤传输的色散采取措施
色散导致脉冲展宽，当脉冲展宽超过分配给它们的时隙时，一部分脉冲能量进人相邻时隙而导致码间干扰。而本时隙内脉冲能量降低，使判决电路的SNR降低，从而导致接收机灵敏度的恶化。因此要尽量减小通信系统中的色散。
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-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）或电子色散均衡（EDE）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。
3.5光纤非线性效应的抑制
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
[1]袁国良，光纤通信原理．北京：清华大学出版社，2004
[2]郭建民，光纤非线性效应及其对光纤通信系统的影响．
[3]龚倩，徐荣，叶小华等．高速超长距离光传输技术．北京：人民邮电出版社，2005.
关键词：光纤通信；传输距离；影响因素，对策
Abstract: the optical fiber communication is using light as an information carrier, optical fiber as the transmission way of communication. Because of its large communication capacity, long transmission distance, light weight, resistance to electromagnetic interference ability strong, rich resources, environmental protection and other advantages, has increasingly become the backbone of the communication network today. This paper expounds the key technology of optical fiber transmission, the combination of several factors affecting the transmission distance to analyze from which aspects to extend the transmission distance of optical fiber communication.
Key words: optical fiber communication; Transmission distance; Influencing factors and countermeasures
中圖分类号：TN818文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
引言
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，应用范围十分广泛，因此，在通信信号传输中产生的问题，也值得我们去认真思考并加以解决。
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。而传统的中继器是采用光-电-光的工作方式，不仅影响了信号的传输速率，而且系统结构复杂，成本高，因此必须从降低损耗、减小色散，应用光放大器等几个方面来延长光通信系统的传输距离。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.光纤传输的关键技术
1.1光纤喇曼放大器(FRA)对光纤损耗进行补偿
在光纤传输中，喇曼放大器技术是最关键的光传输技术。它可以将传输光纤本身变成一个放大器，也可以放大掺铒光纤放大器(EDFA)所不能放大的波段。它利用普通的传输光纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪比(OSNR)。FRA利用光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿。一种应用较广的被称之为分布式光纤喇曼放大器(DFRA)。对于长距离光纤传输来说，利用喇曼放火器提高系统的OSNR、增加系统中继长度、提高波分复用(WDM)系统的通道数和抑制光纤非线性效应是其主要目的。
1.2前向纠错(FEC)编码减少误码率
在光传输系统中采用FEC技术，能够减少系统的误码率。其编码增益提供了一定的系统富余量，从而降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。对于有光放大器的系统，可以增加光放大器间隔、延长传输距离、提高信道速率、减小单通道光功率。FEC的实现方式有带外FEC系统和带内FEC系统两种。带内FEC的增益一般为3dB左右，而带外的增益远高于带内，因此， 长距系统均采用带外FEC编码。使用带外FEC时，总体改善情况可达7—9dB，大大提高了系统的传输距离。
1.3码型技术提升系统的传输性能
由于不同线路调制码型的光信号在色散容限、自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)等非线性的容纳能力、频谱利用率等方面各有特点，对于超宽频带的长距离WDM传输系统，非归零(NRZ)、归零(Rz)等码型都有各自的特色。为了进一步提高码的传输性能，近年来还出现了载频抑制RZ(CS—RZ)和啁啾RZ(CRZ)等码型。在cs Rz码中，相邻码元的电场振幅符号相反。从而达到降低光谱宽度的目的，在功率较高的情况下，不但增加了色散容限，而且有更强的抵抗SPM和网波混频(FWM)等光纤非线性效应的能力。
1.4色散补偿延伸光传输的距离
色散是限制光纤传输距离的主要因素。色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿。色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块。目前使用最多的是色散补偿模块(DCM)，通常用在EDFA的两级之间，用以补偿的插损。
2.影响传输距离的因素
通信传输中的信号强度衰耗是通信传输的一个重要特性，光纤的损耗和色散、光电子器件性能的好坏以及光网络结构的优劣都会对系统的传输距离产生影响。
2.1光发送机、光接收机的影响
光接收灵敏度与发送机发送光功率、光纤光缆线路衰减，共同决定了系统中继长度，光纤传输系统的中继距离可按下式来计算：
L=Ps–PR–Me-∑Ac/Af+As+Mc(km)
从上面的表达式可以看出光发送机的入纤光功率过低或光接收机的入纤光功率要求过高都会影响光通信系统的传输距离。
2.2功率损耗的影响
由于光发射机发射功率有限，光接收机有内部噪声，因此必须有足够的信号光功率输出才能正常接收，再加上光纤本身的传输损耗，因此，系统的传输距离必然受到限制，称为功率损耗限制。如果光纤系统的3dB电带宽大于信号带宽，那么光纤系统所传输最远距离为：
L=[Ltotal-(Lcoup+Lc+L(fm)+Lm)]/α系统从光发射机到接收机之间允许的光功率总损耗为：Ltotal=10lg(Ps/PRmin)
光在传输过程中的各种损耗也是影响光通信系统传输距离的主要因素。
2.3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。
2.4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。
3.改善光纤通信系统传输距离的方法
3.1改善光发送机性能
通常采用的方法是选择合适的码型，以实现在增加其他设施的条件下延长最大传输距离。随着传输距离的增长和速率的提高，OSNR容限、色度色散、PDM、光纤非线性效应等这些在低速短距离传输情况下可以忽略的物理效应在此时变得很明显，严重的阻碍了传输业务的容量和覆盖范围的提升。因此我们可以采用有别于NRZ码的RZ码的调制格式进行调制。RZ码对于光纤的非线性效应有更好的免疫力，其脉冲特性也能够减小DWDM信道之间的相互作用。此外，PDM在使用RZ调制的情况下也有显著的降低。
此外，为了尽可能利用全部的光源功率输出、延长系统传输距离，通信系统应采用外调制技术。
3.2改善光接受机性能
数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用是将经过光纤传输后被衰减变形的微弱脉冲信号变换成为电脉冲信号，并将其放大，均衡与定时再生还原成标准的数字脉冲信号。数字光接收机的输入光功率和误码率两者是互相矛盾的，因此必须对其中一个进行人为的规定，一般规定误码率为10-9。根据这一要求，就可以找到数字光接收机所接收到的最小光功率作为其性能指标，即接收灵敏度。提高光接收机的灵敏度也可以延长光纤通信的传输距离。光接收机的灵敏度与色散展宽、码间串扰及频率啁啾等有关。
带有频率啁啾的光脉冲在色散光纤中传输时，脉冲形状将发生变化。由于光谱移动，当脉冲在光纤中传输时，包含在脉冲啁啾分量的部分功率将逸出比特时隙。该功率损耗降低了接收机的SNR，使灵敏度恶化。可采用EAM和MZ-M等预啁啾调制技术来改善系统性能。
3.3减小系统传输损耗
影响系统传输距离的损耗主要有连接损耗、传输损耗和耦合损耗。现在光纤连接器技术发展已经比较成熟，连接损耗可以忽略。传输损耗与光纤传输损耗系数有关，可以通过选择合适的通信窗口来减小传输损耗。光耦合器又叫光分波合波器，分波器合波器的插入损耗小、隔离度大、带内损耗平坦、带外插入损耗变化陡峭、低的偏振相关性、温度稳定性好、复用道路多等。目前在WDM系统中使用的光分波合波器主要有阵列波导光栅(AWG)、相控阵列分波器、可调谐滤波器、干涉膜濾波器、光栅耦合器等。
3.4影响光纤传输的色散采取措施
色散导致脉冲展宽，当脉冲展宽超过分配给它们的时隙时，一部分脉冲能量进人相邻时隙而导致码间干扰。而本时隙内脉冲能量降低，使判决电路的SNR降低，从而导致接收机灵敏度的恶化。因此要尽量减小通信系统中的色散。
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-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）或电子色散均衡（EDE）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。
3.5光纤非线性效应的抑制
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
[1]袁国良，光纤通信原理．北京：清华大学出版社，2004
[2]郭建民，光纤非线性效应及其对光纤通信系统的影响．
[3]龚倩，徐荣，叶小华等．高速超长距离光传输技术．北京：人民邮电出版社，2005.