2.3.2 光纤传输损伤问题
与其他传输介质相比，光纤具有几个明显的优势，包括极大的带宽容量、低损耗、链路高可靠性、抗外部电磁干扰。但是，光通过光纤的传播会受到一些限制，随着传输距离的增加，这些限制变得更加明显。光纤传输损伤可分为3类：线性、非线性和噪声。这些损伤会在光纤中累积，并且这些过程之间的任何相互作用都可能导致确定性（可预测）或随机性（随机）结果。线性损伤主要包括衰减（或损耗）、色散（Chromatic Dispersion,CD）、偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,PMD）和相邻信道串扰。光纤中非线性损伤的主要来源是Kerr非线性，包括自相位调制（Self-Phase Modulation,SPM）、交叉相位调制和四波混频（Four-Wave Mixing,FWM）；非弹性散射过程包括SRS和受激布里渊散射（Simulated Brillouin Scattering,SBS）。对于短距离DCI和PON光纤传输系统中的应用，光纤非线性影响可以忽略，主要受到光纤衰减和色散的影响。色散和功率衰减会导致传输距离受限。
当光束通过光纤传播时，沿着光纤在长度L处的传播信号功率P(L)可以表示为
其中，P(0)是输入光功率，α是衰减系数。由于指数相关性，α的单位通常用dB/km表示，则与线性衰减系数的关系为
由于石英玻璃的固有特性，光纤衰减既有内在原因，又有材料杂质和制造工艺引起的外在因素。固有衰减包括材料吸收和瑞利散射，外在材料吸收是制造过程中二氧化硅引入杂质引起的。在O波段中，光纤衰减略高于C波段。根据G.652建议，O波段的衰减必须低于0.4dB/km，而C波段的衰减必须低于0.35dB/km。当前SSMF衰减值都较小，G.652.D SMF在1550nm处的衰减为0.18dB/km，在1310nm处的衰减为0.33dB/km。对于DCI，在所有400Gbit/s标准中，其传播距离均小于10km，传输损耗对总体链路预算影响很小。例如，400GBASE-FR8传输2km SMF的总链路功率预算为7.4dB，假设衰减为0.5dB/km，则光纤衰减仅占1dB。对于DCI和PON在O波段传输20km SMF，光纤损耗可达10dB，通常需要光放大器放大以提升链路功率预算。
在光通信系统中，色散是依赖于信号波长和传播模式的群速度。当光脉冲沿着光纤传播时，色散通常会导致光脉冲变宽。脉冲展宽会导致 ISI，引起信号失真，限制了数据速率和传输光纤链路的长度。在MMF中，光脉冲可能包含多个模式，模式色散导致脉冲展宽和信号劣化。由于成本低廉且易于连接，对于短距离应用而言，MMF仍然是首选。在这些应用中，传输链路的长度有限，通常小于300m，总体模式色散较低。SMF因为芯径较小，脉冲传播仅限于单模。折射率n(w)具有频率依赖性，光脉冲在光纤传播过程中会展宽，这种特性使得光脉冲的不同光谱以稍微不同的群速度υg沿光纤传播。色散的数值可以通过相对群时延τg的导数确定，表示如下
其中，λ是真空中波长，相对群时延τg是光脉冲中各个波长以群速度传播距离L所用的时间，群速度υg表示脉冲包络的传播速度，D的单位是ps/nm。
根据定义，当
=dβ/dω时，其中，β( )ω是与频率相关的传播常数，则式（2-12）可以写为
其中，β2=d2β/dω2是群速度色散（Group Velocity Dispersion,GVD）常数。在光纤通信系统中，为了方便使用，定义了色散常数Dλ，单位为ps/(nm·km)，可以表示为
在实际使用中，光纤色散常数Dλ通常表示为
其中，S 0表示色散斜率，S 0=d Dλ/dλ，决定高阶色散效应；λ0是零色散波长。对于SSMF,λ0位于1310nm附近，S0近似为0.092ps/(nm2·km)。
对于SSMF,ITU-T G.652光纤色散系数如图2-16所示，给出了1270～1630nm范围内色散上限和下限[16]。当波特率增加时，色散是在C波段SMF传输时最严重的损害之一，因为当符号周期减小时，相同的脉冲展宽量会导致严重ISI，从而限制了信号在不使用色散补偿技术的情况下可以传输的最远距离。在O波段色散值较低，从而可以避免色散补偿。对于400GBASE-FR8标准（2km SMF），第一个WDM通道中心波长为1373.54 nm，色散在最坏的情况下为-9.85ps/nm，在这种情况下可以完全忽略色散。对于单波长50G-PON波长规划，ITU-T Q2/15决定采用1342±2nm的25Gbit/s以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network,EPON）DW1（Downstream 1）作为下行传输波长。上行波长遵循类似于50G-EPON标准的“或”兼容规划。对于10Gbit/s和25Gbit/s的上行传输，分别指定了1300±10nm的US1（Upstream 1）和1270±10nm的US2与10Gbit/s对称、非对称PON和GPON、EPON兼容。对于上行25Gbit/s，还允许使用US1的窄带频谱（1300±2nm）。
图2-16 ITU-T G.652光纤色散系数[16]