2.2 光纤技术
光纤是光传播的基本媒介，是光网的物理基础之一。了解光纤的发展历程，掌握光纤的技术原理和技术特性，将帮助我们更好地理解光纤光缆的技术发展是如何匹配智慧光网络的
整体发展需求的。
2.2.1 光纤通信的发展历程和技术特性
光纤通信的原理是光导纤维内外介质的光学性质差异让光信号始终在光导纤维中持续全反射行进，最终达到传输光信号的目的。在实际应用中，光纤通信系统使用的不是单根光纤，而是将许多根光纤聚集在一起组成的光缆。光纤通信的发展极其迅速，体现在光纤应用的数量、光纤传输能力、光纤应用场景3 个方面。
（1）全球敷设光缆的长度和覆盖的面积逐年呈几何式增长。以我国为例，2010—2016 年，全国光缆线路总长度从996 万km 增长到3041 万km，仅2016 年新增铺设长度554 万km。
（2）传输信息的带宽能力快速提升。2019 年，中国信息通信科技集团在光通信技术上再
次取得突破性进展，科研人员在国内首次实现1.06Pbit/s 超大容量WDM 及空分复用（SDM，Space Division Multiplex）的光传输系统实验，可以实现近300 亿人在一根光纤上同时通话。
（3）光纤应用场景逐渐扩展。最典型的光纤接入（FTTx，Fiber To The x）就是实现以“窄带+ 铜缆”为主的网络向以“宽带+ 光纤”为主的网络转变的具体实践，这就是网络发展历史上著名的“光进铜退”。
光纤快速发展的背后，是其具有体积小、重量轻、含金属少、抗电磁干扰、抗辐射、保密、频带宽、抗干扰、价格便宜等众多技术优势。
1．光纤构造和光纤模式
光在跨越不同介质交界面时一般会同时发生折射和反射，即能量一部分进入新介质折射
传播，一部分重新反射到原始介质中传播。但当光从光密介质（折射率较高的介质）射向光疏介质（折射率较低的介质）时，当入射角超过某一临界角度时，折射光线完全消失，只剩下反射光线。
人们根据光的全反射原理设计和制造光纤，光纤一般由纤芯、包层两种不同折射率的材料组成，通过全反射技术使光的所有能量在纤芯中持续以最小的信号衰耗传输。
光的本质是一种频率极高（波长极短）的电磁波，如果我们把每一种能在光纤中传播的光信号入射角称为一种模式，并通过麦克斯韦方程组探究光信号在光纤中传播模式的可能性，一种传播模式就是光在光纤中的一种可能的能量分布状态，代表着光的一个传播角度。传播角度越小，模式的级数也就越低。严格按照光纤中心传播的光纤（也就是传播角度为0°）模式被称为基模。抛开复杂的推导公式，从最终呈现的效果来看，需要记住两个定性的结论。
（1）当光纤纤芯直径远大于光波波长时，对于这个波长范围的光，光纤会存在着几十种传播模式，这种光纤被称为多模光纤。如一般多模光纤的纤芯径为50μm 左右，而光纤中传播的波长一般为850 ～ 953nm。
（2）当光纤纤芯直径与光波波长为同一数量级时，只允许一种模式（基模）的光纤在其中传播，其他所有高阶的次模全部被截止，这种光纤称为单模光纤，它的纤芯径为8.5 ～ 9.5μm，传播的波长一般为1310nm 或1550nm。单模光纤从原理上屏蔽了光信号的模式色散，因此非常有利于长距离、大带宽的信号传播。在单模光纤中，光能量不可能完全集中在纤芯的一个“点”上传输，而是大部分在纤芯内传输，少部分在包层中传输。因此纤芯直径并不完全等效于光能量的分布。我们一般用模场直径（MFD，Mode Field Diameter）描述单模光纤中光能量的集中程度。MFD 越小，光的能量密度也就越大，后面将专门阐述光纤中光能量密度过大时会引起光纤的非线性效应问题。
光纤构造和光纤模式是光通信技术工作者最熟悉的基本技术，也是智慧光网络阶段多种新光纤发展的技术路径。后面将介绍针对长距离传输研发的超低损、大有效面积光纤，以及
提升单模光纤传输容量使用的模式复用技术。
2．光纤损耗
光纤损耗是光信号经光纤传输后，由于吸收、散射等原因引起光功率的减小，它直接决定了光纤通信的传输距离。按照机理分类，其可分为吸收损耗、散射损耗、辐射损耗和弯曲衰耗等。本节将介绍在智慧光网络中最关注的两类光纤损耗：光纤材料原子的本征吸收损耗、非线性的散射损耗。
（1）本征吸收是制造光纤的基础材料（如纯的SiO2）所引入的吸收效应，它是决定光纤在某个频谱区域具有传输窗口的主要物理因素。本征吸收发生在两个区域：短波长紫外区域的电子吸收带、长波长近红外区域的原子振动吸收带。
早期的光纤预制棒中存在的OH– 离子浓度很高，在波长1380nm、1240nm、950nm 处产生了大的吸收峰。当前商用的单模光纤通过掺杂等手段已经能把OH– 离子的浓度降到1ppb 以下，进而大幅降低了多个波段的损耗系数。如图2-2 所示，这可以将多个波段进行复用，最终提升光纤的传输容量。在后面多个章节中，都将提到目前智慧光网络如何从使用传统的C 波段到使用C 扩展波段，再到使用C+L 波段一起完成长距离光信号的传输。
图2-2 光纤在不同波长的衰减特性
（2）光纤介质的非线性效应来自光纤的非线性极化效应。入纤光功率超过一定数值后，由于光纤有效截面积较小（50 ～ 80μm2），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。在早期的同步传输网中，进入光纤的光功率不大，但在波分系统中，WDM 技术使一根光纤中有了数十条甚至上百条光波道，大功率、多波长光信号被耦合进一根光纤很小的截面上，光纤开始表现出非线性特性。如图2-3 所示，列出了光纤介质的非线性效应种类。
图2-3 光纤介质的非线性效应种类
值得一提的是，光纤的非线性效应属于限制光纤传输的不利因素，但有时又可以发挥积极的作用。如在后续章节中，我们将介绍一种利用受激拉曼散射原理制作的拉曼光纤放大器（FRA，Fiber Raman Amplifier），相比其他光纤放大器它具备一些独特的优势，并在智慧光网络中被广泛应用。
3．光纤色散
光纤中传输的光信号脉冲的不同频率或不同的模式分量会以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生脉冲展宽，这种现象被称为光纤色散。光纤色散分为色度色散、偏振模色散和模式色散等。其中模式色散只出现在多模光纤中，指每种光纤模式对同一频率的光波有着不同的传播速度，它不是本书讨论的重点。
（1）色度色散（CD，Chromatic Dispersion），它包括材料色散和波导色散，两者虽然在原理上存在差异，但都造成了不同波长在光纤中传输时所引起的光脉冲展宽。
（2）偏振模色散（PMD，Polarization Mode Dispersion），波长在单模光纤中占用两个正交的偏振态，这两个偏振态在光纤传输过程中受材料、温度、压力等因素干扰变得逐渐不同步，最终造成脉冲展宽。
光纤色散的特性对光信号传输而言都是不利的，因此其需要一些补偿技术。补偿技术既有物理层面的色散补偿技术，又有数字层面的光模块DSP 数字补偿技术。
