一、光纖的結構
光纖，全稱為光導纖維（Optical Fiber）是一種導光性極好、直徑很細的圓柱形玻璃纖維。剝開光纖，從里到外依次是纖芯、包層和涂覆層。光纖的基本結構如圖2-1所示。
纖芯位于光纖中心，直徑 2a 通常為 5～50μm，作用是傳輸光波。包層，位于纖芯外層，直徑 2b 為 100～150μm，作用是將光波限制在纖芯中。纖芯和包層即組成裸光纖，兩者采用高純度二氧化硅（SiO2）制成，但為了使光波在纖芯中傳送，應對材料進行不同摻雜，纖芯摻雜微量的摻雜劑，如二氧化鍺（GeO2），用以提高纖芯的折射率（n1），使包層材料折射率 n2比纖芯材料折射率 n1小，即光纖導光的條件是 n1＞n2。一次涂敷層是為了保護裸纖而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層，厚度一般為 30～150μm。套層又稱二次涂覆或被覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。經(jīng)過二次涂敷的裸光纖稱為光纖芯線。二次涂覆的結構又有松套和緊套兩種，如圖2-2所示。
圖2-1 光纖的結構
圖2-2 緊套與松套光纖結構示意圖
緊套是在一次涂覆層外緊緊套上塑料材料，光纖不能自由活動，這種光纖的結構簡單，抗側(cè)壓能力弱，多作測試跳纖使用。松套則是在一根或多根經(jīng)過一次涂覆的光纖外面包上塑料套管，并在套管中注入防水油膏，光纖的纖芯到套管中心距離大于 0.3mm，使光纖在套管收縮時仍能在管內(nèi)滑動，抗側(cè)壓力強，適合于室內(nèi)外各種場合使用。
二、光纖的導光原理
光纖的導光原理可以采用射線理論（幾何光學）和波動理論來解釋，在此我們只做幾何光學導光原理的簡要介紹。從幾何光學的角度出發(fā)，在均勻的介質(zhì)中光可以看成是光線，沿直線傳播，不同介質(zhì)對于光的阻礙不一樣，就導致了光在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，我們用折射率來表示介質(zhì)對光的阻礙能力。如果ν是光在某種介質(zhì)中的速度，c 是光在真空中的速度，那么折射率n可以由式（2-1）確定：
不同介質(zhì)的折射率見表2-1。
表2-1 不同介質(zhì)的折射率
通常，當一束光線照射在兩種介質(zhì)的交接面時，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線。
假設入射角為θ1，反射角為θ3，折射角為θ2，n1、n2為介質(zhì)的折射率，按照菲涅耳反射定律和斯奈爾折射定律有：
當入射角增大，折射角也增大，若 n1＞n2，則θ1＜θ2。隨著入射角的增大，折射角也增大。當入射角增大到一定值（見圖2-3），折射角增大到 90°，光不再進入第二種介質(zhì)，折射光線沿介質(zhì)交界面?zhèn)鞑?，這個狀態(tài)叫臨界全反射，此時的入射角被稱為臨界角θc。如果入射角繼續(xù)增大θ1>θc，則所有的光將反射回入射介質(zhì)，這一現(xiàn)象稱為全反射。光波在光纖中傳播的原理就是利用全反射現(xiàn)象。
圖2-3 光的反射與折射
三、光纖的分類
光纖的分類方式很多，主要的分類方式有3種：按傳輸模式分，按光纖剖面折射率分布分，按ITU-T建議分。
1.按傳輸模式分類
按照光纖傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖和單模光纖。
（1）單模光纖
單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）的纖心直徑很小如圖2-4 所示，在給定的工作波長上只能以單一模式傳輸，傳輸頻帶寬，傳輸容量大。光信號可以沿著光纖軸向傳播，因此光信號的損耗很小，色散也很小，傳播的距離較遠。受限于單模光纖偏正模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD），單模光纖的建議芯徑為 8～10μm，包層直徑為125μm。
圖2-4 單模與多模光纖芯包比對比圖
（2）多模光纖
多模光纖（Multi Mode Fiber，MMF）是在給定的工作波長上，能以多個模式同時傳輸?shù)墓饫w。多模光纖的纖芯直徑一般為 50～200μm，而包層直徑的變化范圍為 125～230μm。與單模光纖相比，多模光纖的傳輸性能要差。
2.按折射率分布分類
多模光纖按折射率分布，可分為多模突變型光纖和多模漸變型光纖。
① 突變型光纖纖芯的折射率和包層的折射率都是常數(shù)。在纖芯和包層的交界面，折射率呈階梯型變化，又稱為階躍型光纖。突變型光纖的折射率分布如圖2-5所示。
圖2-5 突變與漸變光纖的折射率分布與光軌跡
② 漸變型光纖的纖芯折射率隨著半徑的增加而按一定規(guī)律減小，如圖2-5 所示。纖芯的折射率的變化是近似拋物線，由于漸變型光纖具有透鏡那樣的“自聚焦“作用，對光脈沖的展寬也就比突變型光纖小得多，因此光信號傳輸距離較長，目前使用的多模光纖均為此類。
3.ITU-T建議的光纖分類
① G.651光纖：漸變多模光纖。
② G.652 光纖：常規(guī)單模光纖，也稱為非色散位移光纖，其零色散波長為 1.31μm，在1.55μm處有最小損耗，是目前應用最廣的光纖。
③ G.653 光纖：色散位移光纖，在 1.55μm 處實現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致，但由于在1.55μm處存在四波混頻等非線性效應，阻礙了其應用。
④ G.654 光纖：性能最佳單模光纖，在 1.55μm 處具有極低損耗（大約 0.18dB/km）且彎曲性能好，常用作海底光纜。
⑤ G.655 光纖：非零色散位移單模光纖，在 1.55～1.65μm 處色散值為 0.1～6.0ps/（nm·km），用以平衡四波混頻等非線性效應，適用于高速（10Gbit/s 以上）、大容量、DWDM系統(tǒng)。
光纖的傳輸特性
光纖的傳輸特性指的是光信號在光纖中所表現(xiàn)出來的特性。主要有損耗特性、色散特性和非線性效應等。
一、光纖的損耗特性
光信號在光纖內(nèi)傳輸，隨著傳輸距離的增大，能量會越來越弱，其中一部分能量在光纖內(nèi)部被吸收，一部分能量突破光纖纖芯的束縛，輻射到了光纖外部，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗（或傳輸衰減）。在工程中，我們以損耗系數(shù)來衡量單位長度的光纖的損耗值。
若波長為λ的光信號以 Pi(mW)的光功率入射進光纖，經(jīng)過 L(km)長度的距離后，出射的光功率為Po(mW)，則此光纖的損耗系數(shù)為：
光纖損耗的大小與波長有密切的關系，損耗與波長的關系曲線叫光纖的損耗譜（或衰減譜），在譜線上，損耗值比較高的地方，叫作光纖的吸收峰，較低的損耗所對應的波長，叫作光纖的工作波長（或工作窗口）。石英光纖的衰減譜如圖2-6 所示，根據(jù)該圖，光纖通信中常用的工作窗口主要有3個波長，即：
λ1=0.850μm(850nm)
λ2=1.310μm(1310nm)
λ3=1.550μm(1550nm)
光纖的傳輸損耗特性是決定光網(wǎng)絡傳輸距離、傳輸穩(wěn)定性和可靠性的最重要因素之一。光纖傳輸損耗的產(chǎn)生原因是多方面的，在光纖通信網(wǎng)絡的建設和維護中，最值得關注的是引起光纖傳輸損耗的原因以及如何減少這些損耗。光纖使用中引起的傳輸損耗主要有接續(xù)損耗（光纖的固有損耗、熔接損耗和活動接頭損耗）和非接續(xù)損耗（彎曲損耗、其他施工因素和應用環(huán)境所造成的損耗）兩類如表2-2所示。不同類型的光纖在不同波長下的損耗衰減值不同，如表2-3所示。
圖2-6 光纖的損耗譜圖
表2-2 光纖的損耗分類
表2-3 常用光纖平均衰減
1.接續(xù)損耗
光纖的接續(xù)損耗主要包括光纖本征因素造成的固有損耗、非本征因素造成的熔接損耗、活動接頭損耗3種。
（1）光纖固有損耗
主要源于光纖模場直徑不一致、光纖芯徑失配、纖芯截面不圓，以及纖芯與包層同心度不佳4點。其中，影響最大的是模場直徑不一致。
（2）熔接損耗
非本征因素的熔接損耗主要由軸向錯位、軸心（折角）傾斜、端面分離（間隙）、光纖端面不完整、折射率差、光纖端面不清潔及接續(xù)人員操作水平、操作步驟、熔接機電極清潔程度、熔接參數(shù)設置、工作環(huán)境清潔程度等因素造成。
（3）活動接頭損耗
非本征因素的活動接頭損耗主要由活動連接器質(zhì)量差、接觸不良、不清潔以及與熔接損耗相同的一些因素（如軸向錯位、端面間隙、折角、折射率差等）造成。
2.解決接續(xù)損耗的方案
（1）工程設計、施工和維護工作中應選用特性一致的優(yōu)質(zhì)光纖
一條線路上盡量采用同一批次的優(yōu)質(zhì)名牌裸纖，以求光纖的特性盡量匹配，使模場直徑對光纖熔接損耗的影響降到最低程度。
（2）光纜施工時應嚴格按規(guī)程和要求進行
配盤時盡量做到整盤配置（單盤≥500m），以盡量減少接頭數(shù)量。敷設時嚴格按纜盤編號和端別順序布放，使損耗值達到最小。
（3）挑選經(jīng)驗豐富訓練有素的接續(xù)人員進行接續(xù)和測試
接續(xù)人員的水平直接影響接續(xù)損耗的大小，接續(xù)人員應嚴格按照光纖熔接工藝流程進行接續(xù)，嚴格控制接頭損耗，熔接過程中時刻使用光域反射儀（OTDR）進行監(jiān)測（接續(xù)損耗≤0.08dB/個），不符合要求的應重新熔接。使用光時域反射儀（OTDR）時，應從兩個方向測量接頭的損耗，并求出這兩個結果的平均值，消除單向OTDR測量的人為因素誤差。
（4）保證接續(xù)環(huán)境符合要求
嚴禁在多塵及潮濕的環(huán)境中露天操作；光纜接續(xù)部位及工具、材料應保持清潔，不得讓光纖接頭受潮；準備切割的光纖必須清潔，不得有污物。切割后光纖不得在空氣中暴露時間過長。接續(xù)環(huán)境溫度過低時，應采取必要的升溫措施。
（5）制備完善的光纖端面
光纖端面的制備是光纖接續(xù)最為關鍵的工序。光纖端面的完善與否是決定光纖接續(xù)損耗的重要原因之一。優(yōu)質(zhì)的端面應平整，無毛刺、無缺損，且與軸線垂直，光纖端面的軸線傾角應小于 0.3 度，呈現(xiàn)一個光滑平整的鏡面，且保持清潔，避免灰塵污染。還應選用優(yōu)質(zhì)的切割刀，并正確使用切割刀切割光纖。裸纖的清潔、切割和熔接應緊密銜接，不可間隔過長。移動光纖時要輕拿輕放，防止與其他物件擦碰而損傷光纖端面。
（6）正確使用熔接機
正確使用熔接機是降低光纖接續(xù)損耗的重要保證和關鍵環(huán)節(jié)。
① 應嚴格按照熔接機的操作說明和操作流程，正確操作熔接機。
② 合理放置光纖，將光纖放置到熔接機的 V 型槽中時，動作要輕巧。這是因為對纖芯直徑為 10 nm 的單模光纖而言，若要熔接損耗小于 0.1dB，則光纖軸線的徑向偏移要小于0.8nm。
③ 根據(jù)光纖類型正確合理地設置熔接參數(shù)（預放電電流、時間及主放電電流、主放電時間等）。
④ 在使用中和使用后應及時去除熔接機中的灰塵（特別是夾具、各鏡面和 V 型槽內(nèi)的粉塵和光纖碎末）。
⑤ 熔接機電極的使用壽命一般約2000次，使用時間較長后電極會被氧化，導致放電電流偏大而使熔接損耗值增加。此時可拆下電極，用蘸酒精的醫(yī)用脫脂棉輕輕擦拭后再裝到熔接機上，并放電清洗一次。若多次清洗后放電電流仍偏大，則須重新更換電極。
（7）選擇優(yōu)質(zhì)的活動連接器
盡量選用優(yōu)質(zhì)合格的活動連接器，保證連接器性能指標符合相關規(guī)定活動接頭的插入損耗應控制在0.3 dB/個以下，附加損耗不大于0.2 dB/個，所選的活動接頭應接插良好、耦合緊密，防止漏光現(xiàn)象。
（8）保證活動連接器清潔
施工、維護中應注意清洗插頭和適配器（法蘭盤），并保證機房和設備環(huán)境的清潔，嚴防插頭和適配器（法蘭盤）有污物和灰塵，盡量減少散射損耗。
3.非接續(xù)損耗
光纖使用中引起的非接續(xù)損耗主要有：彎曲損耗、其他施工因素和應用環(huán)境造成的損耗。
（1）彎曲造成的輻射損耗
當光纖受到很大的彎折，彎曲半徑與其纖芯直徑具有可比性時，它的傳輸特性會發(fā)生變化。大量的傳導模被轉(zhuǎn)化成輻射模，不再繼續(xù)傳輸，而進入包層被涂覆層或包層吸收，從而引起光纖的附加損耗。光纖的彎曲損耗有宏彎曲損耗和微彎曲損耗兩種類型。
① 宏彎損耗。
光纖的曲率半徑比光纖直徑大的多的彎曲（宏彎）引起的附加損耗，稱為宏彎損耗，其主要原因有：路由轉(zhuǎn)彎和敷設中的彎曲；光纖光纜的各種預留造成的彎曲（預留圈、各種拿彎、自然彎曲）；接頭盒中光纖的盤留、機房及設備內(nèi)尾纖的盤繞等。
② 微彎損耗。
光纖軸產(chǎn)生 μm級的彎曲（微彎）引起的附加損耗，稱為微彎損耗，其主要原因有：光纖成纜時，支承表面微小的不規(guī)則引起各部分應力不均勻而形成的隨機性微彎；纖芯與包層的分界面不光滑形成的微彎；光纜敷設時，各處張力不均勻而形成的微彎；光纖受到的側(cè)壓力不均勻而形成的微彎；光纖遇到溫度變化，因熱脹冷縮形成的微彎等。
（2）其他施工因素和應用環(huán)境造成的損耗
① 不規(guī)范的光纜上架引起的損耗。
層絞式松套結構光纜容易產(chǎn)生此類損耗，原因在于：其一是光纜上架處多根松套管相互扭絞；其二是使用扎帶將松套管綁扎到接頭盒的容纖盤卡口時，使松套管出現(xiàn)急彎；其三是光纜上架時金屬加強構件與光纖松套管出現(xiàn)上下錯位。這些因素都會引起損耗增大。
② 熱縮不良的熱熔保護引起的損耗。
此類損耗主要原因有：其一是熱熔保護管自身的質(zhì)量問題，熱熔后出現(xiàn)扭曲，產(chǎn)生氣泡；其二是熔接機的加熱器加熱時，加熱參數(shù)設置不當，造成熱熔保護管變形或產(chǎn)生氣泡；其三是熱縮管不干凈、有灰塵或沙礫，熱熔時對接續(xù)點有損傷，引起損耗增大。
③ 直埋光纜不規(guī)范施工引起的損耗。
此類損耗主要原因在于：其一是光纜埋深不夠，受到載重物體碾壓后受損；其二是光纜路由選擇不當，因環(huán)境和地形變化使光纜受到超出其容許負荷范圍的外力；其三是光纜溝底不平，光纜出現(xiàn)拱起、掛起現(xiàn)象，回填后有殘余應力；其四是其他原因造成光纜外護層受損傷而進水，造成氫損。
④ 架空光纜不規(guī)范施工引起的損耗。
此類損耗主要原因有：其一是在光纜敷設施工中，光纜打小圈、彎折、扭曲及打背扣，牽引時猛拉、出現(xiàn)浪涌，瞬間最大牽引力過大；其二是光纜掛鉤使用不當，卡掛方向不一致出現(xiàn)蛇行彎，間隔過于稀疏，光纜因垂度過大而受力；其三是盤留于桿上的光纜未固定牢固，光纜受到長期外力和短期沖擊力而遭到損傷；其四是光纜布放太緊，沒考慮光纜的自然伸長率；其五是其他原因造成光纜外護層受損傷而進水，造成氫損。
⑤ 管道光纜不規(guī)范施工引起的損耗。
此類損耗主要原因在于：其一是光纜采用網(wǎng)套法布防時，牽引速度控制不好，光纜出現(xiàn)打背扣、浪涌；其二是穿放光纜時，沒有布防塑料子管，光纜被擦傷；其三是其他原因造成光纜外護層受損傷而進水，造成氫損。
⑥ 機房、設備內(nèi)尾纖和光纖跳線綁扎、盤繞不規(guī)范，出現(xiàn)交叉纏繞等現(xiàn)象造成損耗。
⑦ 光纜接頭盒質(zhì)量不良，接頭盒封裝、安裝不規(guī)范，因外界作用造成接頭盒受到損傷等，造成進水而出現(xiàn)氫損。
⑧ 光纜在架設過程中的拉伸變形，接續(xù)盒中夾固光纜壓力太大，熔纖盤中熱熔管卡壓過緊，熔纖盤中光纖盤繞不規(guī)范等引起的損耗。
4.解決非接續(xù)損耗的方案
（1）工程查勘設計、施工中，應選擇最佳路由和線路敷設方式。
（2）組建、選擇一支高素質(zhì)的施工隊伍，保證施工質(zhì)量，這一點至關重要，任何施工中的疏忽都有可能造成光纖損耗增大。
（3）設計、施工、維護中，積極采取切實有效的光纜線路“四防”措施（防雷、防電、防蝕、防機械損傷），加強防護工作。
（4）使用支架托起纜盤布放光纜，不要把纜盤放倒后采用類似從線軸上放的辦法布放光纜，不要讓光纜受到扭力。光纜布放時，應統(tǒng)一指揮，加強聯(lián)絡，要采用科學合理的牽引方法。布放速度不應過快，連續(xù)布放長度不宜過長，必要時應采用倒“8”字，從中間向兩頭布放。在拐彎處等有可能損傷光纜的地方一定要小心并采取必要的保護手段。遇到在鬧市區(qū)布放光纜等需要臨時盤放光纜的情況時，使用“8”字形盤留，不讓光纜受到扭力。
（5）光纜布放時，必須注意允許的額定拉力和彎曲半徑的限制，在光纜敷設施工中，嚴禁光纜打小圈及彎折、扭曲，防止打背扣和浪涌現(xiàn)象。牽引力不超過光纜允許的 80%，瞬間最大牽引力不超過 100%，牽引力應加在光纜的加強件上，特別注意不能猛拉和發(fā)生扭結現(xiàn)象。光纜轉(zhuǎn)彎時彎曲半徑應不小于光纜外徑的15～20倍。
（6）不要使用劣質(zhì)的，尤其是已經(jīng)彎曲變形的熱縮套管，這樣的套管在熱縮時內(nèi)部會產(chǎn)生應力，施加在光纖上會使損耗增加。攜帶、存放套管時，注意清潔，不要讓異物進入套管。
（7）在接續(xù)操作時，要根據(jù)收容盤的尺寸決定開剝長度，盡量開剝長一些，使光纖較從容的盤繞在收容盤內(nèi)（盤留長度為 60～100cm）。應該重視熔接后光纖的收容（光纖的盤纖和固定），盤纖時，盤圈的半徑越大，弧度越大，整個線路的損耗越小，所以一定要保持一定的半徑（R≥40mm），避免產(chǎn)生不必要的損耗，大芯數(shù)光纜接續(xù)的關鍵在收容。接續(xù)操作時，開纜刀切入光纜的深度要把握好，不要把松套管壓扁使光纖受力。還應采用合格接頭材料并按照規(guī)范和操作要求，正確封裝、安裝接頭盒。
（8）機房內(nèi)盡量整潔，尾纖應該有圈繞帶保護，或單獨給尾纖使用一個線，不使尾纖之間或與其他連線之間交叉纏繞，也盡量不要把尾纖（即使是臨時使用）放在腳可以踩到的地方。光纜終端時注意避免跳線在走線中出現(xiàn)直角，特別是不應用塑料帶將跳線扎成為直角，否則光纖因長期受應力影響引起損耗增大。跳線在拐彎時應走曲線，彎曲半徑應不小于 40mm。布放中要保證跳線不受力、不受壓，以避免跳線長期的應力疲勞。光纖成端操作（ODF）時，不要將尾纖捆扎太緊。
光纖入戶（FTTH）是信息時代發(fā)展的必然，光網(wǎng)絡互聯(lián)是數(shù)字地球的明天。伴隨著各級各類光纖通信網(wǎng)絡的大量建設和運行，正視和解決光纖使用中引起的傳輸損耗問題必將在光纖通信工程設計、施工、維護中極大地改善和優(yōu)化光纖通信網(wǎng)絡傳輸性能。
二、光纖的色散特性
在光纖數(shù)字通信中，由于光纖中的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸速率不同，當光纖的輸入端入射光脈沖信號經(jīng)過長距離傳輸以后，在光纖輸出端，這些不同頻率與不同模式成分的光信號出現(xiàn)先后到達的情況，使光脈沖波形發(fā)生了時間上的展寬，這種現(xiàn)象即為色散。色散將導致碼間干擾，在接收端將影響光脈沖信號的正確判決，誤碼率性能惡化，嚴重影響信息傳送。
色散包括模式色散、材料色散、波導色散和偏振模色散，如表2-4所示。
表2-4 光纖的色散效應
1.模式色散
模式色散是由于光纖不同模式在同一波長下傳播速度不同，使傳播時延不同而產(chǎn)生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，其主要取決于光纖的折射率分布。
2.材料色散
材料色散是由于光纖的折射率隨波長變化而使模式內(nèi)不同波長的光時間延遲不同產(chǎn)生的色散，其取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。
3.波導色散
波導色散是由于波導結構參數(shù)與波長有關而產(chǎn)生的色散，其取決于波導尺寸和纖芯包層的相對折射率差。
波導色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱模內(nèi)色散。對于多模光纖，既有模式色散，又有模內(nèi)色散，但主要以模式色散為主。而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導色散，由于波導色散比材料色散小很多，通?？梢院雎?。
4.偏振模色散
偏振模色散是存在于光纖與光器件領域的一種物理現(xiàn)象。
單模光纖中的基模存在兩個相互正交的偏振模式，理想狀態(tài)下，兩種偏振模式應當具有相同的特性曲線和傳輸性質(zhì)，但是由于光纖幾何尺寸和外界壓力的不對稱導致了兩種偏振模式具有不同的傳輸速度，產(chǎn)生時延，形成PMD，如圖2-7所示。PMD的單位通常為
。
PMD 將導致脈沖分離和脈沖展寬，對傳輸信號造成降級，并限制載波的傳輸速率。但PMD 與其他色散相比，幾乎可以忽略，但無法消除，只能從光器件上使之最小化。脈沖寬度越窄的高速系統(tǒng)中，PMD的影響越大。
圖2-7 單模光纖中的色散現(xiàn)象
單模光纖中的色散主要有光信號中不同頻率成分的傳輸速度不同引起，這種色散稱為色度色散。在色度色散可以忽略的區(qū)域，偏振模色散成為單模光纖的色散的主要部分。
在傳輸線路中可以采用色散補償光纖來降低傳輸過程中累積的色散。對于色散的量化，多模光纖可以用群時延差來衡量，單模光纖用光纖色散系數(shù)來衡量，如 G.652 光纖在1550nm 處的色散系數(shù)約為 20ps/（nm·km），即光譜寬度為 1nm 的光信號以 1550nm 的波長在G.652的光纖中每傳輸1km就會產(chǎn)生20ps的脈沖延遲。
三、光纖的非線性效應
在帶有摻鉺放大器密、集波分復用、大容量、超高速的光纖通信系統(tǒng)中，由于大的光功率引起信號與光纖的相互作用而產(chǎn)生各種非線性效應見表 2-5。光纖的非線性效應主要包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM）、受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS）。
表2-5 光纖的非線性效應
1.自相位調(diào)制（SPM）
由于折射率與光強存在依賴關系，在光脈沖持續(xù)時間內(nèi)折射率發(fā)生變化，脈沖峰值的相位對于前、后沿來說均產(chǎn)生延遲。隨著傳輸距離的增大，相移不斷積累，達到一定距離后顯示出相當大的相位調(diào)制，從而使光譜展寬導致脈沖展寬，這就成為自相位調(diào)制。如圖2-8所示。
當系統(tǒng)使用色散系數(shù)為負的光纖工作區(qū)時（如 G.653 光纖的短波長區(qū)、工作區(qū)色散為負的 G.655 光纖），SPM 將導致色散受限距離變短；當使用色散系數(shù)為正的光纖工作區(qū)時（如 G.652、G.653 光纖的長波長區(qū)、工作區(qū)色散為正的 G.655 光纖），SPM 將延長色散受限距離。
SPM影響主要發(fā)生在靠近發(fā)送側(cè)的一定距離內(nèi)，同時，低色散光纖也可以減少SPM對系統(tǒng)性能的影響。人們利用 SPM 效應與色散效應達到動態(tài)平衡的原理制成了光孤子通信。
圖2-8 SPM現(xiàn)象
2.交叉相位調(diào)制（XPM）
當兩個或多個不同頻率的光波在非線性介質(zhì)中同時傳輸時，每個頻率光波的幅度調(diào)制都將引起光纖折射率的相應變化，從而使其他頻率的光波產(chǎn)生非線性的相位調(diào)制，即交叉相位調(diào)制。
XPM 通常伴隨 SPM 產(chǎn)生。XPM 將引起一系列非線性效應，如 DWDM 系統(tǒng)通道之間的信號干擾、光纖非線性雙折射等現(xiàn)象，造成光纖傳輸?shù)钠癫环€(wěn)定性。同時，XPM 對脈沖的波形和頻譜也會產(chǎn)生影響。
適當?shù)卦龃笊⒖上魅鮔PM的影響。
3.四波混頻（FWM）
FWM 是指當多個頻率的光載波以較強功率在光纖中同時傳輸時，由于光纖的非線性效應引發(fā)多個光載波之間出現(xiàn)能量交換的一種物理過程。
FWM 導致復用信道光信號能量的衰減及信道串擾。如圖2-9 所示，F(xiàn)WM 的影響，導致在其他波長處產(chǎn)生了一個新的光波長。
圖2-9 FWM現(xiàn)象
FWM 的產(chǎn)生與光纖色散有關，零色散時混頻率最高，隨著色散的增加，混頻率迅速降低。DWDM系統(tǒng)通過采用G.655光纖，回避了1550nm零色散波長出現(xiàn)FWM效應。
4.受激拉曼散射（SRS）
受激拉曼散射的過程如下：
頻率為 vin的入射光信號與介質(zhì)相互作用，可能發(fā)射一個頻率為 vs= vin-vv的斯托克斯光子和一個頻率為vv的光學聲子，在這個過程中能量保持守恒，光波產(chǎn)生下頻移。
頻率為 vin的入射光信號與介質(zhì)相互作用，也可能吸收一個頻率為 vv的聲子而產(chǎn)生一個頻率為va=vin vv的反斯托克斯光子，在這個過程中能量保持守恒，光波產(chǎn)生上頻移。
這是一個非線性效應引起的受激非彈性散射過程，起源于光子與光學聲子（分子振動態(tài)）之間相互作用和能量交換。
SRS效應將使短波長的信號被衰減，長波長信號被增強，如圖2-10所示。
SRS 效應在光纖通信中有很多方面的應用，如利用拉曼增益制作分布拉曼放大器，對光信號提供分布式寬帶。如中興通訊 DWDM設備的DRA板即是利用SRS效應實現(xiàn)光放大功能。另外，SRS 對通信系統(tǒng)也會產(chǎn)生一定的負面影響。在 DWDM 系統(tǒng)中，短波長信道的光會作為泵浦光，將能量轉(zhuǎn)移至長波長信道中，形成通道間的拉曼串擾。
圖2-10 SRS現(xiàn)象
5.受激布里淵散射（SBS）
此類散射屬于由非線性效應引起的受激非彈性散射過程，起源于光子與聲學聲子（晶體振動態(tài)）之間的相互作用和能量交換。
SBS 效應可以制成光纖布里淵激光器和放大器，但是 SBS 將引起信號光源的不穩(wěn)定性以及反向傳輸通道間的串話。隨著系統(tǒng)傳輸速率的提高，SBS 的峰值增益顯著降低，因此，SBS對高速光纖傳輸系統(tǒng)不會構成嚴重影響。
單模光纖的選用
在光傳輸系統(tǒng)中，由于單模光纖具有色散小、傳輸容量大的特點，大多數(shù)選用單模光纖作為傳輸介質(zhì)，在選用單模光纖中主要在考慮以下因素的前提下合理選擇光纖。
一、工作波長因素
（1）G.652 光纖在 1550nm 窗口衰減小，但其在 1550nm 窗口色散大，不利于高速系統(tǒng)的長距離傳輸。
（2）G.653 光纖在 1550nm 窗口色散為零，但其在波分復用時會出現(xiàn)四波混頻效應，故被限用于單信道高速系統(tǒng)。
（3）G.655 光纖在 1550nm 窗口衰減小、色散低，大大減少四波混頻效應，故其可用于遠距離、波分復用、高速系統(tǒng)。
（4）新建系統(tǒng)在傳輸速率和價格允許的條件下，應優(yōu)選G.655光纖。擴容系統(tǒng)將原系統(tǒng)的G.652光纖的工作波長選擇到1550nm波長，可用色散補償光纖來解決色散問題。
二、衰減和非線性因素
對采用波分復用和光纖放大器的高速系統(tǒng)，考慮四波混頻等效應優(yōu)先選用G.655光纖和G.652D光纖。
三、G.652D光纖的發(fā)展與應用
G.652光纖可細分為A、B、C、D 4個子類。其中G.652A和G.652B為常規(guī)單模光纖，其水峰處衰減未進行優(yōu)化；G.652C和G.652D為低水峰單模光纖，永久地降低水峰的衰減。
1.幾種G.652光纖的主要性能區(qū)別
（1）G.652C/D 規(guī)定了 1383nm 衰減特性，并經(jīng)氫老化試驗，使 OH-漂移出長波長，大于1700nm，不在光通信系統(tǒng)的工作波長范圍內(nèi)。
（2）G.652B相對于G.652A，PMDQ鏈路值由0.5降低至0.2。
（3）G.652D相對于G.652B，降低了水峰衰減，相對于G.652C降低了偏振模色散。
幾種常用的單模光纖中能夠傳輸?shù)牟ㄩL范圍不同，其工作波段區(qū)別如表 2-6 與表 2-7所示。
表2-6 G.652光纖的光波段劃分
表2-7 波段與波長關系
從表中可以看出，在 G.652C 與 G.652D 的可使用波長范圍較寬，從 1260nm 一直到1625nm都可以進行通信，其中尤其以G.652D的應用最多。
2.G652D光纖的應用
（1）G.652D光纖在CWDW系統(tǒng)中的應用
城域網(wǎng)中“G.652D 光纖 CWDM”非常具有吸引力。由于 G.652D 光纖開通了全波段使用，因此適合于信道間隔大的CWDM，能顯著降低系統(tǒng)成本。
目前，一些主流光傳輸設備供應商紛紛推出了商用的CWDM系統(tǒng)，支持8波并可升級到18波系統(tǒng)。只有低水峰光纖（G.652D）才能支持18波CWDM系統(tǒng)。
（2）G.652D光纖在DWDM系統(tǒng)中的應用
低水峰光纖為城域DWDM系統(tǒng)提供了更高的靈活性，優(yōu)化波段分配。如將2.5Gbit/s光通道安排在S、C及L波段，而將10Gbit/s光通道安排在E波段。由于E波段的色度色散較小（相當于 C 波段色散的一半左右），10Gbit/s 光通道的色散受限距離將延長一倍，即160km以上，這樣系統(tǒng)不需要色散補償，保證系統(tǒng)的透明性。
（3）G.652D光纖在用戶接入網(wǎng)中的應用
G.652D 光纖在“最后一公里”的用戶接入網(wǎng)中同樣大有可為，如基于 PON 技術系統(tǒng)。
目前，國外運營商已經(jīng)普遍采用 G.652D 光纖。并逐步淘汰 G.652（A、B、C）光纖。而國內(nèi)市場，雖已經(jīng)有部分運營商開始指定使用G.652D光纖，但用量還不是很大。
四、傳輸網(wǎng)絡建設中的光纖選擇
目前，應用于長途骨干和城域網(wǎng)的光纖主要是 G.652、G.655 兩種光纖。對于基于2.5Gbit/s 及其以下速率的 WDM 系統(tǒng)，G.652 光纖是最佳選擇；G.652B/C/D 和 G.655 光纖均能支持基于 10Gbit/s 及更高速率的 WDM 系統(tǒng)；G.652C/D 光纖在城域網(wǎng)中的優(yōu)勢明顯。
通常G.652單模光纖在C波段1530～1565nm和L波段1565～1625nm的色散較大，一般為 17～22ps/（nm·km）。在開通高速率系統(tǒng)及基于單通路高速率的 WDM 系統(tǒng)時，可采用色散補償光纖（DCF）來進行色散補償。但 DCF 同時引入較大的衰減，因此它常與光放大器一起工作，DWDM波長范圍越寬，補償困難越大。
G.655 光纖的基本設計思想是在 1550nm 窗口工作波長區(qū)具有合理的較低的色散，足以支持10Gbit/s的長距離傳輸而無需色散補償，同時，其色散值又保持非零特性，具有一個起碼的最小數(shù)值，足以抑制非線性影響，適宜開通具有足夠多波長的WDM系統(tǒng)。
經(jīng)過多年不懈努力，目前中國移動的省際傳輸網(wǎng)絡及絕大多數(shù)省（市）內(nèi)的傳輸網(wǎng)絡均已具備相當?shù)囊?guī)模。
現(xiàn)有的省際傳輸網(wǎng)絡按城域可分為東部環(huán)及西部環(huán)。其中東部環(huán)傳輸網(wǎng)絡的光纖以G.655 光纖為主，西部環(huán)傳輸網(wǎng)絡的光纖以 G.652B 光纖為主；省（市）內(nèi)的傳輸網(wǎng)絡則大多以G.652B光纖為主，只有部分?。ㄊ校┎捎肎.655光纖。
根據(jù)現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡中的光纖使用情況，以及目前的光纖技術發(fā)展水平和其所使用的范圍等方面因素，提出以下光纖選擇建議。
1.干線傳輸網(wǎng)
省際傳輸網(wǎng)絡：東部環(huán)傳輸網(wǎng)絡的后續(xù)建設，建議仍以 G.655 光纖為主；西部環(huán)傳輸網(wǎng)絡的后續(xù)建設，建議以 G.652D 或 G.652B 光纖為主，在主干層面上可適當考慮采用G.655光纖。
各省（市）內(nèi)的傳輸網(wǎng)絡：可根據(jù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡所使用的光纖種類，優(yōu)先采用 G.652D 或G.652B光纖及G.655光纖。
2.城域網(wǎng)
目前城域網(wǎng)的主流光纖是常規(guī)單模（G.652A/B）光纖，1383nm 區(qū)的衰減峰（即水峰）使其在E波段運用不理想。
為了打開光傳輸?shù)腅波段，可采用低水峰（G.652C/D）光纖，其在1260～1625nm區(qū)所有的波段都具有可用性。由于 G.652 光纖的色散系數(shù)較高，10Gbit/s 系數(shù)的色散距離限制在70km 左右，較長的環(huán)網(wǎng)將需要色散補償塊（DCM），當這種模塊用于超長距離時，它們會導致系統(tǒng)價格的上升和具有較大的衰減。色散的限制使G.652 光纖適用于70km以下的傳輸距離。
G.655 光纖對于超過 70km 的傳輸應用是一個較好的選擇。新一代的 G.655 光纖將在城域網(wǎng)中具有理想的工作性能，提供了 1440～1625nm 包括 C、S、L 波段的 DWDM 可用性，由于其色散系統(tǒng)數(shù)比 G.652 光纖小于一半，所以可能提供兩倍于 G.652 光纖的色散受限距離。
五、根據(jù)不同的傳輸距離選擇不同的光纖
1.70～200km的城域骨干網(wǎng)
如果不考慮10Gbit/s以上的應用，可采用G.652D或G.652B光纖。
如果考慮40Gbit/s以上的應用和10Gbit/s以上的全光網(wǎng)應用，建議采用符合G.655規(guī)范的光纖，PMDQ的鏈路值要求盡可能地低。
2.20～70km的城域接入網(wǎng)
如果不考慮40Gbit/s以上的應用，建議采用G.652D或G.652B光纖。
如果考慮40Gbit/s以上的應用和全光網(wǎng)應用，建議采用符合G.655規(guī)范的光纖，PMDQ的鏈路值要求盡可能的低。