光纖的發(fā)展及其應用的問題

光纖的傳輸速率、傳輸距離受光纖的傳輸損耗、光纖的色散特性和光纖非線性等的影響。為了進一步提高光纖的傳輸容量和光纖的傳輸速率，對光纖的設計參數(shù)和制造方法進行了進一步的改進。由此，已經(jīng)制造出色散特性得到改善的、更適合于大容量和長距離傳輸?shù)男乱淮�光纖。這些新類型的光纖包括非零色散位移光纖（NZ-DSF，也稱作G.655型光纖）、大有效面積G.655型光纖、色散平坦的G.655型光纖和全波光纖等。

一、 各種光纖的發(fā)展

1．G.652型光纖

G.652型光纖的損耗特性具有三個特點：(l)在短波長區(qū)內(nèi)的衰減隨波長的增加而減小，這是因為在這個區(qū)域內(nèi)，與波長的 4次方成反比的瑞利散射所引起的衰減是主要的；(2)損耗曲線上有羥基( OH-)引起的幾個吸收峰，特別是 1.385μm上的的峰；(3)在 1.6μm以上的波長上由于彎曲損耗和二氧化硅的吸收而使衰減有上升的趨勢。因此，在G.652型光纖內(nèi)有3個低損耗窗口的波長，即850nm，1310nm和1550nm。其中損耗最小的波長是1550nm。在G.652型光纖中，其零色散波長為1310nm，也就是在光纖損耗第二小的這個波長上。對損耗最小的1550nm波長而言，其色散系數(shù)大約為17ps/(km.nm)。

2．G.655型光纖

G.652型光纖為光信號的傳輸提供了很高的帶寬，但是它的不令人完全滿意之處在于其零色散波長在光纖損耗第二小的這個波長上，而沒有在損耗最小的1550nm波長上。而這個特性對一個光纖通信系統(tǒng)來說意味著：如果這個光纖通信系統(tǒng)對損耗特性是最優(yōu)的，那么它對色散限制特性就不是最優(yōu)的；如果這個光纖通信系統(tǒng)對色散特性是最優(yōu)，那么它對損耗限制特性就不是最優(yōu)的。

為了使光纖通信系統(tǒng)對損耗限制特性和色散限制特性都是最優(yōu)的，人們又研制出色散位移光纖（DSF），即將光纖的零色散波長從1310nm處移動到1550nm處，而光纖的損耗特性不發(fā)生變化。也就是將零色散波長移動到損耗最小的波長上。但是零色散波長最大的問題是容易產(chǎn)生四波混頻現(xiàn)象，所以為了避免產(chǎn)生四波混頻非線性的影響，同時又使1550nm處的色散系數(shù)值較小，就產(chǎn)生了NZ-DSF光纖。NZ-DSF光纖的色散值大到足以允許DWDM傳輸，并且使信道間有害的非線性相互作用減至最低，同時又小到足以使信號以10Gbit/s的速率傳輸300至400公里而無需色散補償。

按照光纖在1550nm處的色散系數(shù)的正負，G.655型光纖又分為兩類：正色散系數(shù)G.655型光纖和負色散系數(shù)G.655型光纖。典型的G.655光纖在1550nm波長區(qū)的色散值為G.652光纖的1/4～1/6，因此色散補償距離也大致為G.652光纖的4～6倍，色散補償成本(包括光放大器、色散補償器和安裝調(diào)試)遠低于G.652光纖。另外，由于G.655光纖采用了新的光纖拉制工藝，具有較小的極化模色散，單根光纖的極化模色散一般不超過0.05ps/km1/2。即便按0.1ps/km1/2考慮，這也可以完成至少400km長的40Gbit/s信號的傳輸。

3． 大有效面積光纖

高速傳輸系統(tǒng)的主要性能限制是色散和非線性。通常，線性色散可以用色散補償?shù)姆椒▉硐�除，而非線性的影響卻不能用簡單的線性補償?shù)姆椒▉硐�除。光纖的非線性包括自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻，光纖的有效面積是決定光纖非線性的主要因素。

NZ-DSF光纖大大地改善了光纖的色散特性，但是因為光纖特定折射率的分布與普通的SMF光纖不同，所以，與普通SMF光纖相比，其模場直徑變小，相應地，其有效面積也減小。在連接有效面積小的光纖時，更容易產(chǎn)生較大的插入損耗，所以對光纖接頭的要求更高；同時，有效面積小的光纖更容易產(chǎn)生非線性。理論研究表明，增加光纖有效面積能減低所有的非線性。所以，增大有效面積是一種減低所有光纖非線性效應，從而改進系統(tǒng)性能的有效方法。

例如，美國康寧公司所生產(chǎn)的Leaf光纖，光纖的有效面積達72μm2以上,與G.652光纖的接近，同時其彎曲性能、極化模色散和衰減性能均可達到常規(guī)G.655光纖水平，而且色散系數(shù)的下限值已經(jīng)提高，使之在1530～1565nm窗口內(nèi)處于2～6ps/(nm·km)之內(nèi)，而在1565～1625nm窗口內(nèi)處于4.5～11.2ps/(nm·km)之內(nèi)，從而可以進一步減小四波混合的影響。由于有效面積大大增加，可承受較高的光功率，因而可以更有效地克服非線性影響，若按72μm2面積設計，這至少減少大約1.2dB的非線性影響。按目前的有效面積設計，其光區(qū)段長度也可以比普通光纖增加約10km。其主要缺點是有效面積變大后導致色散斜率偏大，約為0.1ps/(nm2·km)，這樣在L波段的高端，其色散系數(shù)可高達11.2ps/(nm·km)，使高波段通路的色散受限距離縮短，或傳輸距離很長時功率代價變大；當應用范圍從C波段擴展到L波段時需要較復雜的色散補償技術(shù)，這就不得不采用高低波段兩個色散補償模塊的方法，從而增加了色散補償成本。

4．低色散斜率光纖

色散對光脈沖信號傳輸?shù)挠绊懯谴偈构饷}沖信號的寬度增加。在WDM傳輸系統(tǒng)中，由于色散的積累，各通路的色散都隨傳輸距離的延長而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散積累量是不同的，其中位于兩側(cè)的邊緣通路間的色散積累量差別最大。當傳輸距離超過一定值后，具有較大色散積累量通路的色散值超標，從而限制了整個WDM系統(tǒng)的傳輸距離。

當DWDM系統(tǒng)的應用范圍已經(jīng)擴展到L波段,全部可用頻帶可以從1530～1565nm擴展到1530～1625nm時，如果色散斜率仍維持原來的數(shù)值(大約0.07～0.10ps/(nm2·km))，長距離傳輸時短波長和長波長之間的色散差異將隨距離增長而增加，勢必造成L波段高端過大的色散系數(shù)，影響10Gbit/s及以上速率信號的傳輸距離，或者說需要代價較高的色散補償措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波長傳輸時不足以壓制四波混合和交叉相位調(diào)制的影響。

為此，開發(fā)低色散斜率的G.655光纖成為必要。通過降低色散斜率，我們可以改進短波長的性能而不必增加長波長的色散，使整個C波段和L波段的色散變化減至最小，同時可以降低C波段和L波段色散補償?shù)某杀竞蛷碗s性。

目前，美國貝爾實驗室已開發(fā)出新一代的低色散斜率G.655光纖(真波RS光纖)，光纖色散斜率已從0.075ps/(nm2·km)降到0.05ps/(nm2·km)以下。典型低色散斜率G.655光纖在1530～1565nm波長范圍的色散值為2.6～6.0ps/(nm·km)，在1565～1625nm波長范圍的色散值為4.0～8.6ps/(nm·km)。其色散隨波長的變化幅度比其它非零色散光纖要小35％～55％，從而使光纖在低波段的色散有所增加，最小色散也可達2.6ps/(nm·km)，可以較好地壓制四波混合和交叉相位調(diào)制影響，而另一方面又可以使高波段的色散不致過大，在低于8.6ps/(nm·km)時仍然可以使10Gbit/s信號傳輸足夠遠的距離而無須色散補償，通信系統(tǒng)的工作波長區(qū)可以順利地從C波段擴展至L波段而不至于引起過大的色散補償負擔，甚至只需一個色散補償模塊即可補償整個C波段和L波段。

5．全波光纖

全波光纖也可稱作無水峰光纖，它幾乎完全消除了內(nèi)部的氫氧根(OH)離子，從而可以比較徹底地消除由之引起的附加水峰衰減。光纖衰減將僅由硅玻璃材料的內(nèi)部散射損耗決定，在1385nm處的衰減可低至0.31dB/km。由于內(nèi)部已清除了氫氧根，因而光纖即便暴露在氫氣環(huán)境下也不會形成水峰衰減，具有長期的衰減穩(wěn)定性。因為它消除了OH損耗所產(chǎn)生的尖峰，所以與普通G.652光纖相比，全波光纖具有以下優(yōu)勢。

（1）在1400nm處存在較高的損耗尖峰，所以普通G.652光纖僅能使用1310nm和1550nm兩個窗口。由于1310nm處的色散為零，在這個波長窗口僅能夠使用一個波長，所以理想情況下，普通G.652光纖除1310nm窗口外，還可以使用1530nm-1625nm的波分復用窗口。而全波光纖消除了水峰，所以理想情況下，全波光纖覆蓋G.652全部波段以外，還可開辟1400nm窗口，所以它能夠為波分復用系統(tǒng)（WDM）提供自1335-1625nm波段的傳輸通道。

（2）在1400nm波段，全波光纖的色散只有普通光纖在1550nm波段的一半，所以對于高傳輸速率，全波光纖1400nm波段的無色散補償傳輸距離將比傳統(tǒng)的1550nm波段的無色散補償傳輸距離增加1倍。

（3）因為全波光纖可以使用1310nm、1400nm和1550nm三個窗口，所以全波光纖將有可能實現(xiàn)在單根光纖上傳輸語音、數(shù)據(jù)和圖象信號，實現(xiàn)三網(wǎng)合一。

（4）全波光纖增加了60％的可用帶寬，所以全波光纖為采用粗波分復用系統(tǒng)（CWDM）提供了波長空間。例如，1400nm窗口的波長間距為2.5nm時，就可以提供40個粗波分復用波長，而1550nm窗口提供40個波長時，其波長間距為0.8nm。顯然，1400nm粗波分復用的波長間距比傳統(tǒng)的間距更寬，而更寬的波長間距使系統(tǒng)對元器件的要求大大降低，所以CWDM的價格低于DWDM的價格，從而使電信運營商的運行成本降低。

目前，全波光纖的標準化工作取得了很大的進展，已經(jīng)獲得了國際技術(shù)標準的支持。1999年7月，美國電信協(xié)會（TIA）投票通過了低水峰光纖的詳細指標。1999年10月，國際電器技術(shù)協(xié)會（IEC）第一工作組通過了將低水峰光纖納入B.13新光纖類別。1999年10月，ITU-T第15專家小組在日本奈良通過了將低水峰光纖（全波光纖）納入到G.652增補項。所以，全波光纖已經(jīng)解決了缺乏標準支持的問題。

開辟1400nm窗口必須要有一系列有源和無源器件的支持。目前適用于這一波長區(qū)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導體光放大器，無源器件有薄膜濾波器、光纖布拉格光柵等等。因此，開發(fā)和利用光纖1400nm傳輸窗口的條件和時機已比較成熟。

目前，1400nm波段商用化也取得了一定的進展。例如，朗訊科技將有兩套使用1400nm窗口的WDM系統(tǒng)面市。一套是在WaveStar AllMetro系統(tǒng)中增加1400nm窗口，此系統(tǒng)可在一根光纖中傳輸1400和1550nm兩窗口的信號。此系統(tǒng)具有光放系統(tǒng)，應用在高速率的大城市骨干環(huán)網(wǎng)。第二套是1400nm城市接入網(wǎng)系統(tǒng)Allspectra系統(tǒng)。此系統(tǒng)使用粗波分復用(大約20nm信道間隔)，使用全波光纖可提供16或更多的波長信道，而普通光纖只能提供大約10個信道。此粗波分復用產(chǎn)品應用在短距離環(huán)網(wǎng)(40公里以內(nèi))。

二、城域網(wǎng)中光纖選型的考慮

1．光纖選型的原則

由于因特網(wǎng)、IP數(shù)據(jù)業(yè)務和各種新興業(yè)務的推動，全球通訊容量正在發(fā)生爆炸性的增長，并促使光纖技術(shù)達到更大的容量、更高的可靠性和更經(jīng)濟的解決方案。擴大光纖通信系統(tǒng)傳輸容量有兩個方法：一個是采用時分復用TDM技術(shù)，另一個是采用波分復用WDM的技術(shù)。就目前的技術(shù)發(fā)展來說，已經(jīng)達成這樣一個共識：WDM技術(shù)不僅僅在長途通信中發(fā)揮巨大作用，同樣它也將被用于本地城域網(wǎng)中，并發(fā)揮擴大通信容量的巨大作用。因此，未來城域網(wǎng)絡的基礎平臺就是能提供巨大的網(wǎng)絡帶寬、具有可靈活擴容的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、對任何業(yè)務信號和業(yè)務速率均透明的波分復用(WDM)光傳送網(wǎng)。

WDM光傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有3種形式：點到點的WDM系統(tǒng)、由具有固定波長上下的光分插復用器構(gòu)成的WDM環(huán)網(wǎng)和具有光交叉連接器的全光網(wǎng)絡。這3種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也可以說是WDM光傳輸系統(tǒng)將經(jīng)歷的3個發(fā)展階段。點到點的WDM系統(tǒng)是目前已經(jīng)被廣泛應用于許多網(wǎng)絡提供者的光纖通信系統(tǒng)上的WDM網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，它是對通信鏈路進行直接擴容的一種方式，也是最先被采用的WDM擴容方式。隨著具有固定波長上下的光分插復用器（OADM）的出現(xiàn)，目前已開始出現(xiàn)了用OADM來對WDM系統(tǒng)進行組環(huán)網(wǎng)的商用WDM產(chǎn)品。

對在本地城域網(wǎng)中引入WDM光傳輸系統(tǒng)來說，也將根據(jù)城域網(wǎng)中通信容量的發(fā)展需求，在合適的時間分階段地引入WDM系統(tǒng)：最先是點到點的WDM系統(tǒng)，然后是WDM光環(huán)網(wǎng)，最后實現(xiàn)用波長進行路由選擇的光網(wǎng)絡。所以，對作為WDM 光網(wǎng)絡的物理傳送媒質(zhì)的光纖進行選型時，不僅應考慮各種光纖本身的特性，還應考慮本地網(wǎng)中通信業(yè)務量需求的大小、本地網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、本地網(wǎng)的網(wǎng)絡技術(shù)和本地網(wǎng)中地區(qū)的差異性，并根據(jù)現(xiàn)有條件選擇在合適的切入時間來鋪設新的光纜網(wǎng)絡。

2． 各種光纖特性的比較

光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和距離受光纖的損耗、光纖的色散特性和其非線性等因素的影響。目前，無中繼放大器的光信號傳輸距離可以達到120km，另外，因為出現(xiàn)了以摻鉺光纖放大器為代表的光放大器，所以光纖的損耗特性已經(jīng)不再是限制傳輸距離的主要因素。目前，限制光纖傳輸距離和傳輸容量的主要因素是光纖的色散特性和非線性特性。

（1）G.652光纖

根據(jù)理論計算，在普通的單模G.652光纖中，對于以1550nm波長來傳輸光信號的光纖系統(tǒng)來說，當光纖傳輸系統(tǒng)傳輸2.5Gbit/s的光信號時，光纖的色散受限傳輸距離為960km；當光纖傳輸系統(tǒng)傳輸10Gbit/s的光信號時，光纖的色散受限傳輸距離為60km；當光纖傳輸系統(tǒng)傳輸40Gbit/s的光信號時，光纖的色散受限傳輸距離大約為4km。

在北京本地網(wǎng)中采用2.5Gbit/s的速率對傳輸網(wǎng)進行組網(wǎng)時，因G.652光纖色散受限傳輸距離為960km，并且北京市區(qū)的地理范圍有限，WDM環(huán)將主要集中在市區(qū)，所以在北京本地網(wǎng)中，2.5Gbit/s系統(tǒng)可以組成點到點的WDM系統(tǒng)、WDM環(huán)網(wǎng)和全光交叉連接網(wǎng)，而不會受G.652光纖色散特性的影響。當采用10Gbit/s的速率對傳輸網(wǎng)進行組網(wǎng)時，因其色散受限傳輸距離為60km，所以在北京本地網(wǎng)（包括郊區(qū)）中，完全可以用點到點的WDM系統(tǒng)組成10Gbit/s光傳輸系統(tǒng)，另外還可以在北京本地網(wǎng)內(nèi)組成短距離的WDM環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。對于全光交叉連接網(wǎng)絡，因為一個波長信道將跨越多個環(huán)網(wǎng)，當采用G.652光纖進行組網(wǎng)時，就必須進行色散補償，而這個光纖色散補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)和設計將非常復雜。所以北京本地網(wǎng)中，不適合采用G.652光纖組成10Gbit/s全光傳輸網(wǎng)絡。當傳輸速率達到40Gbit/s，G.652光纖色散受限傳輸距離為4km，僅能夠用于短距離高速傳輸。

（2）G.655光纖

對非零色散位移G.655光纖來說，在1550nm波長區(qū)的典型色散值為G.652光纖的1/4～1/6，因此色散受限距離也大致為G.652光纖的4～6倍。另外，由于G.655光纖采用了新的光纖拉制工藝，具有較小的偏振模色散，單根光纖的偏振模色散一般不超過0.05ps/km1/2。即便按0.1ps/km1/2考慮，這也可以實現(xiàn)至少400km長的40Gbit/s信號的傳輸。就1550nm波長來說，當傳輸10Gbit/s 的光信號時，G.655光纖的色散受限距離大致為300~400km，因此，可以用G.655光纖在北京本地網(wǎng)中組成10Gbit/s的WDM環(huán)網(wǎng)，并且可以在大部分的地理范圍內(nèi)組成10Gbit/s的全光交叉連接WDM網(wǎng)絡。

但是，對本地網(wǎng)來說，WDM系統(tǒng)應傳輸盡可能多的波長信道，而第一代G.655光纖的色散斜率較高，典型數(shù)值為0.075ps/(nm2·km)。當DWDM系統(tǒng)的應用范圍已經(jīng)擴展到L波段時，全部可用頻帶可以從1530～1565nm擴展到1530～1625nm時，如果色散斜率仍維持原來的數(shù)值，則短波長和長波長之間的色散差異將隨距離增長而增加，勢必造成L波段高端過大的色散系數(shù)，影響10Gbit/s及以上速率信號的傳輸距離，或者說需要代價較高的色散補償措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波長傳輸時不足以壓制四波混合和交叉相位調(diào)制的影響�？紤]到色散系數(shù)斜率這個因素，當傳輸10Gbit/s的光信號時，G.655光纖的色散受限距離縮短為150~180km，這個色散受限距離將限制第一代G.655光纖在全光交叉連接網(wǎng)中的應用范圍。因此，在城域網(wǎng)中實現(xiàn)全光交叉連接網(wǎng)時，需要使用新一代低色散斜率的G.655光纖。

另外， G.655光纖中有正色散光纖和負色散光纖。正色散G.655光纖的主要優(yōu)點是其色散系數(shù)較小，但是其缺點是有可能存在調(diào)制不穩(wěn)定性問題。而負色散G.655光纖的主要優(yōu)點是不存在調(diào)制不穩(wěn)定性問題，可以利用其負色散補償直接調(diào)制激光器所產(chǎn)生的正調(diào)制，從而延長光纖色散受限距離。其缺點是1310nm窗口色散較大，色散受限距離短，不利于與北京電信現(xiàn)有光傳輸設備兼容。此外，這類光纖的零色散波長處于1640nm附近，在L波段的色散系數(shù)較小，將產(chǎn)生四波混頻問題，不利于開拓L波段應用。

（3）全波光纖

全波光纖除了消除內(nèi)部氫氧根(OH)離子所引起的附加水峰衰減外，其它特性完全與普通G.652光纖的特性相同。所以，在C波段和L波段，全波光纖與G.652光纖的色散受限距離完全相同。但是，與G.652光纖不同的是，全波光纖開放了1400nm的窗口，增加了60％的可用帶寬，所以全波光纖為采用粗波分復用系統(tǒng)（CWDM）提供了波長空間。例如，1400nm窗口的波長間距為2.5nm時，就可以提供40個粗波分復用波長，而1550nm窗口提供40個波長時，其波長間距為0.8nm。顯然，1400nm粗波分復用的波長間距比傳統(tǒng)的間距更寬，而更寬的波長間距使系統(tǒng)對元器件的要求大大降低，使CWDM的價格將低于DWDM的價格，從而使電信運營商的運行成本降低。另外，在1400nm波段，全波光纖的色散只有G.652光纖在1550nm波段的一半，所以對于高傳輸速率，全波光纖1400nm波段的無色散補償傳輸距離將比傳統(tǒng)的1550nm波段的無色散補償傳輸距離增加1倍。因此，在傳輸2.5Gbit/s的光信號時，可以用全波光纖在城域網(wǎng)中實現(xiàn)全光交叉連接網(wǎng)；在傳輸10Gbit/s的光信號時，可以用全波光纖在城域網(wǎng)中實現(xiàn)點到點的WDM網(wǎng)絡，而與G.652光纖相比，全波光纖的可以波長范圍卻增加了100nm，所以我們應積極跟蹤全波光纖的發(fā)展。