影响光纤通信传输距离的因素分析及对策

影响光纤通信传输距离的因素分析及对策

【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。从宏观上说,光纤的传输距离是越远越好，因此研究光纤的研究人员们，一直在这方面努力。作者结合计算方法，就对影响光纤通信传输距离的几个因素进行分析，并且探讨相应的对策。

【关键词】光纤通信传输距离影响因素对策

通信传输作为当今信息传输的主要方式,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。光纤的吸收和散射引起的光信号的损耗、光纤的色散特性引起的脉冲展宽等都会导致信号传输质量降低，限制通信距离。为了满足长距离传输的需要，必须在光纤线路上加入中继器对信号进行再放大、再整形和再定时，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。

一、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。

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)

其中：Ps：为发送光功率。这里减除了耦合器的衰减和激光器耦合反射噪声代价[1]；PR：出纤光功率即接收灵敏度。这里减除了耦合器的衰减和色散的影响；Me：设备富余度；∑Ac：其他耦合器引起的衰减；Af：光纤的衰减系数；As：光纤固定接头的平均熔接衰减；Mc：光缆富余度。

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、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

其中：假设光源发射的平均光信号功率为Ps，光接收机接收的最小平均光功率为PRmin，那么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)

Ltotal表示光源与光纤的耦合损耗和光纤与光探测器的耦合损耗的和；Lc表示光纤之间各种连接损耗的总和；L(fm)表示由于光源和传输光纤的有限频带宽度导致的光信号强度下降的等效损耗；Lm表示光纤系统设计时留的富余量；L 为传输距离，α为每公里光纤传输损耗系数；αL表示光纤的传输损耗。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[1] 。

二、改善光纤通信系统传输距离的方法

1、改善光发送机性能

从前面的分析可以看出要提高光纤通信系统的传输距离，可以通过提高入纤光功率来实现，但是强光会改变光纤的折射率，导致光信号在光纤中传输时产生相应相位调制，而相位调制又会引起光脉冲的频率成分的变化，导致脉冲展宽，最终限制了系统的带宽。因此现在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[2] 。

为了更好地克服非线性效应和减小通道占用带宽，除常规RZ码外，又出现了不同类型的RZ码，其中包括CRZ，AC-RZ，CS-RZ，D-RZ，DCS-RZ，MD-RZ，DPSK-RZ等。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。

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。

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[3] 。因此要尽量减小通信系统中的色散。

频率啁啾是限制广播系统性能的重要因素。对半导体激光器进行调制时，有源区的折射率、传播常数及光脉冲的相位均发生变化，这种由调幅到调相的转换导致光谱的加宽，称为频率啁啾。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、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、干涉膜滤波器、光栅耦合器等。

三、总结

超长距离传输是光通信技术发展的目标，光纤放大器出现以后，光纤传输系统传输的距离越来越远，总的无再生中继距离也在不断增大。随着光网络的不断优化和各种新型光器件的产生，为实现超长距离传输提供了可能，也为全球光传