2. 光纤传输基础与容量极限
光纤之所以能承载海量信息，根本原因在于光信号被约束在纤芯中低损耗传输。但容量并不是无限的：损耗决定信号能传多远，色散决定高速脉冲能保持多“干净”，非线性效应则决定注入光功率的上限。三者相互牵制，共同划定了单跨段、单波长乃至整个系统的容量边界。理解这三者的物理含义与制约关系，是后续做容量规划、波长分配和功率预算的前提。
一、损耗：决定传输距离与功率预算
光纤损耗用衰减系数 α 表示，单位 dB/km，工程上常用公式估算：
P_out(dBm) = P_in(dBm) − α·L − N_s·α_s − α_c
其中：L 为光纤长度(km)，α 为光纤衰减系数(dB/km)
N_s·α_s 为熔接点总损耗，α_c 为连接器/活动接头损耗以 G.652.D 单模光纤为例，1550 nm 窗口典型衰减约 0.20 dB/km，1310 nm 窗口约 0.35 dB/km。假设一段 80 km 的 G.652 光纤，1550 nm 下光纤损耗约 16 dB；若含 8 个熔接点（每个 0.05 dB）和 2 个连接器（每个 0.3 dB），总链路损耗约 16 + 0.4 + 0.6 = 17 dB。若发射功率为 +3 dBm，则接收功率约 −14 dBm，仍高于典型 APD 接收灵敏度（约 −28 dBm @ 10 Gbps），说明该跨段在损耗维度是可行的。
损耗对容量的制约体现在两方面：一是接收光功率必须高于灵敏度，否则误码率恶化；二是若采用放大器中继，放大器自发辐射噪声（ASE）会随级联累积，限制可用的信噪比（OSNR），从而限制单波速率与波长数量。因此，损耗预算直接决定了再生段长度和可支持的波长数。
二、色散：决定高速信号的脉冲展宽
色散描述不同频率或模式的光在光纤中传播速度不同，导致脉冲在时域展宽。单模光纤中主要是色度色散（CD），由材料色散和波导色散组成，单位 ps/(nm·km)。G.652 在 1550 nm 处色散约 +17 ps/(nm·km)，在 1310 nm 附近接近零。
色散引起的脉冲展宽可近似为：
Δτ ≈ D · Δλ · L
其中 D 为色散系数(ps/nm/km)，Δλ 为光源谱宽(nm)，L 为长度(km)例如 D=17 ps/(nm·km)、Δλ=0.1 nm（典型 DFB 激光器）、L=80 km，则 Δτ ≈ 136 ps。对于 10 Gbps 信号（比特周期 100 ps），该展宽已超过一个比特周期，若不补偿将无法正确判决。若升级到 40 Gbps（周期 25 ps），同样链路必须进行色散补偿，否则眼图完全闭合。
色散对容量的制约是“速率越高、距离越短”。在无补偿条件下，可传输距离大致与比特率平方成反比。工程上常用色散补偿模块（DCM）或相干接收+数字信号处理（DSP）来均衡色散，但补偿会引入额外损耗和非线性代价。
三、非线性效应：决定注入光功率上限
当入纤光功率较高、有效面积较小时，光纤折射率随光强变化，产生非线性效应。对容量影响最大的两类是：
- 自相位调制（SPM）与交叉相位调制（XPM）：信号自身或相邻波道的光强变化引起相位调制，与色散共同作用导致脉冲波形畸变。SPM 在色散补偿链路中尤为明显，会限制单波入纤功率。
- 四波混频（FWM）：多个波长相互作用产生新频率分量，若落在相邻波道内即形成串扰。FWM 效率与波道间隔、色散、入纤功率密切相关，在零色散附近最严重。
工程上常用非线性系数 γ 描述：γ = 2πn₂/(λ·A_eff)，其中 n₂ 为非线性折射率，A_eff 为有效面积。G.652 在 1550 nm 处 γ 约 1.3 /W/km。入纤功率每增加 1 dB，非线性代价显著上升。因此存在一个最佳入纤功率：太低则 OSNR 不足，太高则非线性恶化，二者折中决定系统容量。
四、三者的耦合制约关系
损耗、色散、非线性并非独立：提高入纤功率可改善 OSNR、延长距离，但会加剧非线性；使用大有效面积光纤可降低非线性，却可能增加弯曲损耗；色散补偿可修复脉冲展宽，但补偿模块引入损耗并改变功率分布，进而影响非线性。容量规划本质上是在这三者之间寻找工作点。
五、容量规划中的实际判断
在实际规划中，可先按损耗预算确定最大无中继距离，再按色散容限校核该距离下可支持的最高单波速率，最后按非线性阈值确定入纤功率与波长数。例如某 80 km G.652 链路，若目标 10 Gbps、无需色散补偿，则需将光源谱宽控制在 0.1 nm 以内并接受约 136 ps 展宽，或加装 DCM；若目标 40 Gbps，则必须进行色散补偿并采用相干接收。入纤功率建议控制在 +3 dBm 以内，波道间隔不小于 50 GHz，以抑制 FWM。
综上，光纤传输基础不是三个孤立参数，而是一组相互约束的物理边界。只有把损耗、色散、非线性放在同一张预算表中权衡，才能为后续的容量规划提供可靠依据。