光纤的发展及其应用的问题

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光纤的传输速率、传输距离受光纤的传输损耗、光纤的色散特性和光纤非线性等的影响。为了进一步提高光纤的传输容量和光纤的传输速率，对光纤的设计参数和制造方法进行了进一步的改进。由此，已经制造出色散特性得到改善的、更适合于大容量和长距离传输的新一代光纤。这些新类型的光纤包括非零色散位移光纤（NZ-DSF，也称作G.655型光纤）、大有效面积G.655型光纤、色散平坦的G.655型光纤和全波光纤等。
一、 各种光纤的发展
1．G.652型光纤
G.652型光纤的损耗特性具有三个特点：(l)在短波长区内的衰减随波长的增加而减小，这是因为在这个区域内，与波长的 4次方成反比的瑞利散射所引起的衰减是主要的；(2)损耗曲线上有羟基( OH-)引起的几个吸收峰，特别是 1.385μm上的的峰；(3)在 1.6μm以上的波长上由于弯曲损耗和二氧化硅的吸收而使衰减有上升的趋势。因此，在G.652型光纤内有3个低损耗窗口的波长，即850nm，1310nm和1550nm。其中损耗最小的波长是1550nm。在G.652型光纤中，其零色散波长为1310nm，也就是在光纤损耗第二小的这个波长上。对损耗最小的1550nm波长而言，其色散系数大约为17ps/(km.nm)。
2．G.655型光纤
G.652型光纤为光信号的传输提供了很高的带宽，但是它的不令人完全满意之处在于其零色散波长在光纤损耗第二小的这个波长上，而没有在损耗最小的1550nm波长上。而这个特性对一个光纤通信系统来说意味着：如果这个光纤通信系统对损耗特性是最优的，那么它对色散限制特性就不是最优的；如果这个光纤通信系统对色散特性是最优，那么它对损耗限制特性就不是最优的。
为了使光纤通信系统对损耗限制特性和色散限制特性都是最优的，人们又研制出色散位移光纤（DSF），即将光纤的零色散波长从1310nm处移动到1550nm处，而光纤的损耗特性不发生变化。也就是将零色散波长移动到损耗最小的波长上。但是零色散波长最大的问题是容易产生四波混频现象，所以为了避免产生四波混频非线性的影响，同时又使1550nm处的色散系数值较小，就产生了NZ-DSF光纤。NZ-DSF光纤的色散值大到足以允许DWDM传输，并且使信道间有害的非线性相互作用减至最低，同时又小到足以使信号以10Gbit/s的速率传输300至400公里而无需色散补偿。
按照光纤在1550nm处的色散系数的正负，G.655型光纤又分为两类：正色散系数G.655型光纤和负色散系数G.655型光纤。典型的G.655光纤在1550nm波长区的色散值为G.652光纤的1/4～1/6，因此色散补偿距离也大致为G.652光纤的4～6倍，色散补偿成本(包括光放大器、色散补偿器和安装调试)远低于G.652光纤。另外，由于G.655光纤采用了新的光纤拉制工艺，具有较小的极化模色散，单根光纤的极化模色散一般不超过0.05ps/km1/2。即便按0.1ps/km1/2考虑，这也可以完成至少400km长的40Gbit/s信号的传输。

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3． 大有效面积光纤
高速传输系统的主要性能限制是色散和非线性。通常，线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除。光纤的非线性包括自相位调制、交叉相位调制和四波混频，光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素。
NZ-DSF光纤大大地改善了光纤的色散特性，但是因为光纤特定折射率的分布与普通的SMF光纤不同，所以，与普通SMF光纤相比，其模场直径变小，相应地，其有效面积也减小。在连接有效面积小的光纤时，更容易产生较大的插入损耗，所以对光纤接头的要求更高；同时，有效面积小的光纤更容易产生非线性。理论研究表明，增加光纤有效面积能减低所有的非线性。所以，增大有效面积是一种减低所有光纤非线性效应，从而改进系统性能的有效方法。
例如，美国康宁公司所生产的Leaf光纤，光纤的有效面积达72μm2以上,与G.652光纤的接近，同时其弯曲性能、极化模色散和衰减性能均可达到常规G.655光纤水平，而且色散系数的下限值已经提高，使之在1530～1565nm窗口内处于2～6ps/(nm·km)之内，而在1565～1625nm窗口内处于4.5～11.2ps/(nm·km)之内，从而可以进一步减小四波混合的影响。由于有效面积大大增加，可承受较高的光功率，因而可以更有效地克服非线性影响，若按72μm2面积设计，这至少减少大约1.2dB的非线性影响。按目前的有效面积设计，其光区段长度也可以比普通光纤增加约10km。其主要缺点是有效面积变大后导致色散斜率偏大，约为0.1ps/(nm2·km)，这样在L波段的高端，其色散系数可高达11.2ps/(nm·km)，使高波段通路的色散受限距离缩短，或传输距离很长时功率代价变大；当应用范围从C波段扩展到L波段时需要较复杂的色散补偿技术，这就不得不采用高低波段两个色散补偿模块的方法，从而增加了色散补偿成本。
4．低色散斜率光纤
色散对光脉冲信号传输的影响是促使光脉冲信号的宽度增加。在WDM传输系统中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路间的色散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量通路的色散值超标，从而限制了整个WDM系统的传输距离。
当DWDM系统的应用范围已经扩展到L波段,全部可用频带可以从1530～1565nm扩展到1530～1625nm时，如果色散斜率仍维持原来的数值(大约0.07～0.10ps/(nm2·km))，长距离传输时短波长和长波长之间的色散差异将随距离增长而增加，势必造成L波段高端过大的色散系数，影响10Gbit/s及以上速率信号的传输距离，或者说需要代价较高的色散补偿措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的影响。
为此，开发低色散斜率的G.655光纤成为必要。通过降低色散斜率，我们可以改进短波长的性能而不必增加长波长的色散，使整个C波段和L波段的色散变化减至最小，同时可以降低C波段和L波段色散补偿的成本和复杂性。
目前，美国贝尔实验室已开发出新一代的低色散斜率G.655光纤(真波RS光纤)，光纤色散斜率已从0.075ps/(nm2·km)降到0.05ps/(nm2·km)以下。典型低色散斜率G.655光纤在1530～1565nm波长范围的色散值为2.6～6.0ps/(nm·km)，在1565～1625nm波长范围的色散值为4.0～8.6ps/(nm·km)。其色散随波长的变化幅度比其它非零色散光纤要小35％～55％，从而使光纤在低波段的色散有所增加，最小色散也可达2.6ps/(nm·km)，可以较好地压制四波混合和交叉相位调制影响，而另一方面又可以使高波段的色散不致过大，在低于8.6ps/(nm·km)时仍然可以使10Gbit/s信号传输足够远的距离而无须色散补偿，通信系统的工作波长区可以顺利地从C波段扩展至L波段而不至于引起过大的色散补偿负担，甚至只需一个色散补偿模块即可补偿整个C波段和L波段。
5．全波光纤
全波光纤也可称作无水峰光纤，它几乎完全消除了内部的氢氧根(OH)离子，从而可以比较彻底地消除由之引起的附加水峰衰减。光纤衰减将仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定，在1385nm处的衰减可低至0.31dB/km。由于内部已清除了氢氧根，因而光纤即便暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。因为它消除了OH损耗所产生的尖峰，所以与普通G.652光纤相比，全波光纤具有以下优势。
（1）在1400nm处存在较高的损耗尖峰，所以普通G.652光纤仅能使用1310nm和1550nm两个窗口。由于1310nm处的色散为零，在这个波长窗口仅能够使用一个波长，所以理想情况下，普通G.652光纤除1310nm窗口外，还可以使用1530nm-1625nm的波分复用窗口。而全波光纤消除了水峰，所以理想情况下，全波光纤覆盖G.652全部波段以外，还可开辟1400nm窗口，所以它能够为波分复用系统（WDM）提供自1335-1625nm波段的传输通道。
（2）在1400nm波段，全波光纤的色散只有普通光纤在1550nm波段的一半，所以对于高传输速率，全波光纤1400nm波段的无色散补偿传输距离将比传统的1550nm波段的无色散补偿传输距离增加1倍。
（3）因为全波光纤可以使用1310nm、1400nm和1550nm三个窗口，所以全波光纤将有可能实现在单根光纤上传输语音、数据和图象信号，实现三网合一。
（4）全波光纤增加了60％的可用带宽，所以全波光纤为采用粗波分复用系统（CWDM）提供了波长空间。例如，1400nm窗口的波长间距为2.5nm时，就可以提供40个粗波分复用波长，而1550nm窗口提供40个波长时，其波长间距为0.8nm。显然，1400nm粗波分复用的波长间距比传统的间距更宽，而更宽的波长间距使系统对元器件的要求大大降低，所以CWDM的价格低于DWDM的价格，从而使电信运营商的运行成本降低。
目前，全波光纤的标准化工作取得了很大的进展，已经获得了国际技术标准的支持。1999年7月，美国电信协会（TIA）投票通过了低水峰光纤的详细指标。1999年10月，国际电器技术协会（IEC）第一工作组通过了将低水峰光纤纳入B.13新光纤类别。1999年10月，ITU-T第15专家小组在日本奈良通过了将低水峰光纤（全波光纤）纳入到G.652增补项。所以，全波光纤已经解决了缺乏标准支持的问题。
开辟1400nm窗口必须要有一系列有源和无源器件的支持。目前适用于这一波长区的光源有EA、DFB和FP，光接收器件有PD和APD，光放大器有拉曼放大器和量子阱半导体光放大器，无源器件有薄膜滤波器、光纤布拉格光栅等等。因此，开发和利用光纤1400nm传输窗口的条件和时机已比较成熟。
目前，1400nm波段商用化也取得了一定的进展。例如，朗讯科技将有两套使用1400nm窗口的WDM系统面市。一套是在WaveStar AllMetro系统中增加1400nm窗口，此系统可在一根光纤中传输1400和1550nm两窗口的信号。此系统具有光放系统，应用在高速率的大城市骨干环网。第二套是1400nm城市接入网系统Allspectra系统。此系统使用粗波分复用(大约20nm信道间隔)，使用全波光纤可提供16或更多的波长信道，而普通光纤只能提供大约10个信道。此粗波分复用产品应用在短距离环网(40公里以内)。

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二、城域网中光纤选型的考虑
1．光纤选型的原则
由于因特网、IP数据业务和各种新兴业务的推动，全球通讯容量正在发生爆炸性的增长，并促使光纤技术达到更大的容量、更高的可靠性和更经济的解决方案。扩大光纤通信系统传输容量有两个方法：一个是采用时分复用TDM技术，另一个是采用波分复用WDM的技术。就目前的技术发展来说，已经达成这样一个共识：WDM技术不仅仅在长途通信中发挥巨大作用，同样它也将被用于本地城域网中，并发挥扩大通信容量的巨大作用。因此，未来城域网络的基础平台就是能提供巨大的网络带宽、具有可灵活扩容的网络结构、对任何业务信号和业务速率均透明的波分复用(WDM)光传送网。
WDM光传输系统的网络结构可以有3种形式：点到点的WDM系统、由具有固定波长上下的光分插复用器构成的WDM环网和具有光交叉连接器的全光网络。这3种网络结构也可以说是WDM光传输系统将经历的3个发展阶段。点到点的WDM系统是目前已经被广泛应用于许多网络提供者的光纤通信系统上的WDM网络结构，它是对通信链路进行直接扩容的一种方式，也是最先被采用的WDM扩容方式。随着具有固定波长上下的光分插复用器（OADM）的出现，目前已开始出现了用OADM来对WDM系统进行组环网的商用WDM产品。
对在本地城域网中引入WDM光传输系统来说，也将根据城域网中通信容量的发展需求，在合适的时间分阶段地引入WDM系统：最先是点到点的WDM系统，然后是WDM光环网，最后实现用波长进行路由选择的光网络。所以，对作为WDM 光网络的物理传送媒质的光纤进行选型时，不仅应考虑各种光纤本身的特性，还应考虑本地网中通信业务量需求的大小、本地网的网络结构、本地网的网络技术和本地网中地区的差异性，并根据现有条件选择在合适的切入时间来铺设新的光缆网络。
2． 各种光纤特性的比较
光纤通信系统的传输容量和距离受光纤的损耗、光纤的色散特性和其非线性等因素的影响。目前，无中继放大器的光信号传输距离可以达到120km，另外，因为出现了以掺铒光纤放大器为代表的光放大器，所以光纤的损耗特性已经不再是限制传输距离的主要因素。目前，限制光纤传输距离和传输容量的主要因素是光纤的色散特性和非线性特性。
（1）G.652光纤
根据理论计算，在普通的单模G.652光纤中，对于以1550nm波长来传输光信号的光纤系统来说，当光纤传输系统传输2.5Gbit/s的光信号时，光纤的色散受限传输距离为960km；当光纤传输系统传输10Gbit/s的光信号时，光纤的色散受限传输距离为60km；当光纤传输系统传输40Gbit/s的光信号时，光纤的色散受限传输距离大约为4km。
在北京本地网中采用2.5Gbit/s的速率对传输网进行组网时，因G.652光纤色散受限传输距离为960km，并且北京市区的地理范围有限，WDM环将主要集中在市区，所以在北京本地网中，2.5Gbit/s系统可以组成点到点的WDM系统、WDM环网和全光交叉连接网，而不会受G.652光纤色散特性的影响。当采用10Gbit/s的速率对传输网进行组网时，因其色散受限传输距离为60km，所以在北京本地网（包括郊区）中，完全可以用点到点的WDM系统组成10Gbit/s光传输系统，另外还可以在北京本地网内组成短距离的WDM环网网络结构。对于全光交叉连接网络，因为一个波长信道将跨越多个环网，当采用G.652光纤进行组网时，就必须进行色散补偿，而这个光纤色散补偿的结构和设计将非常复杂。所以北京本地网中，不适合采用G.652光纤组成10Gbit/s全光传输网络。当传输速率达到40Gbit/s，G.652光纤色散受限传输距离为4km，仅能够用于短距离高速传输。
（2）G.655光纤
对非零色散位移G.655光纤来说，在1550nm波长区的典型色散值为G.652光纤的1/4～1/6，因此色散受限距离也大致为G.652光纤的4～6倍。另外，由于G.655光纤采用了新的光纤拉制工艺，具有较小的偏振模色散，单根光纤的偏振模色散一般不超过0.05ps/km1/2。即便按0.1ps/km1/2考虑，这也可以实现至少400km长的40Gbit/s信号的传输。就1550nm波长来说，当传输10Gbit/s 的光信号时，G.655光纤的色散受限距离大致为300~400km，因此，可以用G.655光纤在北京本地网中组成10Gbit/s的WDM环网，并且可以在大部分的地理范围内组成10Gbit/s的全光交叉连接WDM网络。

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但是，对本地网来说，WDM系统应传输尽可能多的波长信道，而第一代G.655光纤的色散斜率较高，典型数值为0.075ps/(nm2·km)。当DWDM系统的应用范围已经扩展到L波段时，全部可用频带可以从1530～1565nm扩展到1530～1625nm时，如果色散斜率仍维持原来的数值，则短波长和长波长之间的色散差异将随距离增长而增加，势必造成L波段高端过大的色散系数，影响10Gbit/s及以上速率信号的传输距离，或者说需要代价较高的色散补偿措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的影响。考虑到色散系数斜率这个因素，当传输10Gbit/s的光信号时，G.655光纤的色散受限距离缩短为150~180km，这个色散受限距离将限制第一代G.655光纤在全光交叉连接网中的应用范围。因此，在城域网中实现全光交叉连接网时，需要使用新一代低色散斜率的G.655光纤。
另外， G.655光纤中有正色散光纤和负色散光纤。正色散G.655光纤的主要优点是其色散系数较小，但是其缺点是有可能存在调制不稳定性问题。而负色散G.655光纤的主要优点是不存在调制不稳定性问题，可以利用其负色散补偿直接调制激光器所产生的正调制，从而延长光纤色散受限距离。其缺点是1310nm窗口色散较大，色散受限距离短，不利于与北京电信现有光传输设备兼容。此外，这类光纤的零色散波长处于1640nm附近，在L波段的色散系数较小，将产生四波混频问题，不利于开拓L波段应用。
（3）全波光纤
全波光纤除了消除内部氢氧根(OH)离子所引起的附加水峰衰减外，其它特性完全与普通G.652光纤的特性相同。所以，在C波段和L波段，全波光纤与G.652光纤的色散受限距离完全相同。但是，与G.652光纤不同的是，全波光纤开放了1400nm的窗口，增加了60％的可用带宽，所以全波光纤为采用粗波分复用系统（CWDM）提供了波长空间。例如，1400nm窗口的波长间距为2.5nm时，就可以提供40个粗波分复用波长，而1550nm窗口提供40个波长时，其波长间距为0.8nm。显然，1400nm粗波分复用的波长间距比传统的间距更宽，而更宽的波长间距使系统对元器件的要求大大降低，使CWDM的价格将低于DWDM的价格，从而使电信运营商的运行成本降低。另外，在1400nm波段，全波光纤的色散只有G.652光纤在1550nm波段的一半，所以对于高传输速率，全波光纤1400nm波段的无色散补偿传输距离将比传统的1550nm波段的无色散补偿传输距离增加1倍。因此，在传输2.5Gbit/s的光信号时，可以用全波光纤在城域网中实现全光交叉连接网；在传输10Gbit/s的光信号时，可以用全波光纤在城域网中实现点到点的WDM网络，而与G.652光纤相比，全波光纤的可以波长范围却增加了100nm，所以我们应积极跟踪全波光纤的发展。