光通信那些事 7

jamdel

5.4 系统受限因素

WDM系统有四大受限因素：衰耗、色散、信噪比、非线性。其中衰耗用放大器解决，已经不是主要问题。

5.4.1光功率

光功率反映了光的能量强度，常用对数表示光功率：

                              

其中P的单位为mW

5.4.2信噪比（OSNR）

光放大器的使用不仅会放大信号也会放大噪声,为了更好地衡量信号的质量，引入了信噪比的指标，它反映了信号相较与噪声的大小，，信号与噪声的比值越大说明信号越清晰。一般情况下OSNR低于15dB，会出现误码

5.4.3损耗

又叫衰减，表现在光在光纤中传输时光功率会呈指数下降。

其中Pi表示原始光功率(mW)，Po表示传输一段距离L(km)后的光功率，a为光在光纤中的衰减系数

将光功率的对数表示代入上面的公式，这样损耗就可以通过以dBm表示的光功率直接相减得到，单位为dB，从而方便地进行工程计算。

其中Pi和Po的单位都是dBm，L的单位是km，a的单位是dB/km

衰减的解决方案

采用光放，比如掺饵光纤放大器（EDFA)、拉曼放大器（RFA）

5.4.4色散

光信号在光纤中传输时，由于传输速度不同而造成彼此互相分离的过程（造成光脉冲展宽，表现为脉冲信号变胖了），称为色散

色散的分类

• 模间色散：不同模式对应不同模折射率导致群速度不同（多模光纤存在）
• 色度色散（CD）
• 材料色散：不同波长的光在光纤中折射率不同导致的群时延
• 波导色散：导波模的不同而导致的群时延
• 偏振模色散（PMD）：起源于光纤中光信号不同偏振状态的双折射现象，它表现为一种随机微扰
  

色散的影响

色散会造成时域上的光脉冲展宽，会引起信号失真，码间串扰，导致误码。色散随着传输距离的增加而增加，对系统的影响也随之加剧，限制了传输距离。

随着传输速率提高，脉冲宽度变窄，色散对系统的影响更加严重，系统对色散的容忍度降低。因此对于100G及以上的传输系统，需要采用相干技术与数字信号处理技术降低色散对系统的影响，提升设备的色散容限。

色散补偿技术

• 色散补偿光纤(DCF) 特定制造调节光纤使其具有负色散。
• 色散补偿光栅(DC-FBG) 利用光纤布拉格光栅不同栅格对不同波长反射的特性补偿传输光纤的色散
• 色散斜率补偿(DSC) 补偿线路的色散斜率。主要是针对色散斜率较大的场合，如海缆通信系统
• 可调色散补偿(TDC) 动态的色散补偿，比如单通道残余色散补偿；或者针对色散容限较小的场合应用，如40Gbps QPSK编码的通信系统。
• DSP电补偿技术 用于相干调制系统，主要应用于40GBPSK，100G 以上技术，成本较高，补偿范围很宽，在接收机集成。
• PMD补偿技术 依靠PMD容忍能力强的码型。接收机做电信号处理，在电数字信号上作补偿校正。
  

5.4.5非线性

简单来说，就是光信号传输时对光纤介质产生影响，反过来影响光信号的传输。

用专业的话来说，光纤介质的非线性效应来自光纤的非线性极化效应，当入纤光功率超过一定数值后，由于光纤的有效截面积很小，使得光纤芯径中的光功率密度过高，从而诱导了光纤材料的非线性极化。

光纤的非线性效应与信号的光功率密度成正比，并显著地影响了信号光的相位、脉冲形状和功率演化。

非线性效应可分为与能量转移相关的受激散射和与光强相关的克尔效应：

• 受激拉曼散射（SRS） 入射光与传输介质中的原子相互作用，产生低频光子，短波长/高频率的光能量向长波长/低频率的光转移
  

• 受激布里渊散射（SBS） 入射光和传输介质相互作用，通过电致伸缩产生声学声子，同时产生反向的低频光子。其表现为和入射光反向的光功率增大。
  

• 自相位调制（SPM） 传输介质的折射率随着光强变化，从而使入射光相位发生变化，导致信号频谱展宽
  

• 交叉相位调制（XPM） 不同通道的光之间的相互影响，同样会带来信号频谱的展宽
• 四波混频（FWM） 入射光使介质产生三阶极化，导致相位匹配的几个不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生新的光波
  

对WDM系统的影响

在以前的同步传输网上，由于进入光纤的光功率不大，光纤呈现的是线性特性，影响光纤传输的主要因素是损耗和色散。然而，随着WDM系统的出现，波分复用技术使一根光纤中有了数十条甚至上百条光波道，并且随着光纤放大器的使用，大功率的多波长光信号被耦合进一根光纤，聚集在很小的界面上，光纤开始表现出非线性特性，并且成为限制传输性能的关键因素。

如何补偿非线性效应

光纤中的非线性现象起因不同，对系统的危害也不一样，需要具体分析和对待。总体来说，可采取以下措施：

• 降低光功率密度
• 管理色散
• 采用新的调制码型，比如RZ和QPSK
  

5.4.6总结

• 光功率是看能不能收到信号
• 色散是相邻波道的干扰问题
• OSNR是信号的清晰度问题，如何消除误码
• 非线性主要是大功率的影响，混频和串扰的影响