光纤技术与光纤网络

1.光导纤维技术特性

1.1.非零色散光纤

非零色散光纤(G.655光纤)的基本设计思想是在1550窗口工作波长区具有合理的、较低的色散, 足以支持10Gbps的长距离传输而无需色散补偿,从而节省了色散补偿器及其附加光放大器的成本；同时其色散值又保持非零特性, 具有最小数值限制，适宜开通具有足够多波长的DWDM系统, 同时满足TDM和DWDM两种发展方向的需要。

为了达到上述 目的，我们可以将零色散点移向短波长侧或长波长侧, 使之在1550nm附近的工作波长区呈现一定大小的色散值以满足上述要求。典型G.655光纤在1550nm波长区的色散值为G.652光纤的1/6～1/7，因此色散补偿距离也大致为G.652光纤的6～7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/km0.5。即便按0.1ps/km0.5考虑，这也可以实现至少400km长的40Gbps信号的传输。

在两种零色散点不同偏移方向的G.655光纤中，具有正色散的G.655光纤的主要优点是可以利用色散补偿其一阶和二阶色散；另外，由于在1550nm附近D为正，有可能与能够产生负啁啾的MZ外调制器结合, 利用SPM技术来扩大色散受限传输距离甚至实现光孤子传输；最后, 这类光纤在1310nm波长区的色散较小，有利于开放1310窗口。但它的主要缺点是可能产生调制不稳定性；另外, 这类光纤对XPM的影响比较敏感, 由之产生的性能劣化较大。

具有负色散的G.655光纤的主要优点是不存在调制不稳定性问题，接收机眼图清楚, 对XPM的影响不敏感, 由之产生的性能劣化较小。其缺点是不能利用SPM来扩大色散受限传输距离, 也不支持光孤子通信, 1310nm窗口色散较大；此外，在光纤制造工艺相同和折射率剖面形状类似的条件下，零色散波长较长的光纤要求有较大的波导色散，因而芯包折射率差较大，从而往往使之损耗较大而有效面积较小，最后，利用G.652光纤来补偿这类光纤虽然仅能补偿其一阶色散, 但G.652光纤成本较便宜。在具有负色散的G.655光纤中, 不同厂家的具体设计和参数也不尽相同。原则上, 色散系数绝对值小有利于10Gbps信号传得更远, 但四波混和影响大, 复用的通路数少于色散系数绝对值较大的光纤，不利于密集波分复用系统应用。另外,随着系统应用波长范围向L波段扩展，这类光纤的零色散波长恰好处于1570nm附近,会发生四波混合问题,不利于开拓L波段应用。随着复用通路数越来越大以及系统应用波长范围向L波段扩展，这类光纤的弱点越来越显著。

总的来看，两类光纤各有优缺点,共同的优点是均能支持以10Gbps为基础的长距离DW DM传输系统。当传输距离为几百公里范围时, 即多数陆地传输系统应用场合,具有正色散的G.655光纤上的脉冲有压缩现象,眼开度较大,MI影响不大,比较有利,具有负色散的普通G.655光纤也同样可用,但复用通路数不够多;当传输距离大于1000km时,两类光纤上的脉冲均呈较大的展宽现象,必须使用色散补偿技术。但要注意,具有正色散的G.655光纤上的脉冲频谱展宽将会大到其中部分功率落到WDM滤波器通带之外,或者会由于光放大器链的增益带变窄而被滤掉。此时,负色散G.655光纤将是唯一的选择,例如海缆系统应用就是这样。近来,随着DWDM系统的工作波长区从C波段向L波段发展,具有正色散的G.655光纤正逐渐成为未来陆地光纤通信系统的主要光纤类型。

1.2.低色散斜率光纤

所谓色散斜率指光纤色散随波长变化的速率,又称高阶色散。在长途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。

初期的G.655光纤主要是为C波段设计的, 因而色散斜率稍大一点问题不太大。 然而, 随着宽带光纤放大器技术的发展, 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。 在这种情况下, 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10Gbps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光纤是非常必要。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,使整个第三和第四窗口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2.6～6.0 ps/(nm·km), 在1565～1625n m波长范围的色散值为4.0～ 8.6 ps/(nm·km)。其色散随波长的变化幅度比其他非零色散光纤要小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,可低于8.6ps/(nm·km),仍然可以使10Gbps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。

1.3.大有效面积光纤

超高速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。光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素,尽管降低输入功率或减少系统传输距离和光区段长度也可以减轻光纤非线性的影响,但同时也降低了系统要求和性能价格比,可见光纤的有效面积是长距离密集波分复用系统性能的最终限制。为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用, 大有效面积光纤已经问世。

其中以美国康宁公司的Leaf光纤为例,光纤的截面积采用了分段式的纤芯结构,典型有效面积达72μm2以上, 零色散点处于1510nm左右, 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, 而且色散系数规范已大为改进,提高了下限值, 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4.5～1 1.2ps/(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。尽管其色散为正, 也可能产生调制不稳定性, 但由于有效面积变大,其影响将远小于普通正色散光纤。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;另外其MFD也偏大, 在1550nm处大约为9.2nm到10nm, 因此微弯和宏弯损耗需要仔细控制。

在理论上,光纤的线性色散总是可以补偿的,而非线性却很难补偿。大有效面积光纤从本质上改进了系统抗非线性的能力,这一优点特别表现在间隔100GHz、容量为40×10G bps以上的C波段WDM系统中,此时其系统设计窗口较大,色散补偿的精度要求较低。我们可以认为,在C波段,由大有效面积光纤构成的以10Gbps为基础的高密集WDM系统信噪比较高, 误码率较低, 光放大器的间隔较长, 系统总长度也较长, 代表了干线光纤的又一新发展方向。

在实际应用中,我们也可以采用正色散和负色散光纤交替连接的方式来完成色散补偿,从而消除色散的影响,但这会为维护运行带来麻烦。

1.4.无水峰光纤

与长途网相比,城域网面临更加复杂多变的业务环境,它要直接支持大用户,需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。但其传输距离却短得多,通常只有50～80km, 因而很少应用光纤放大器,光纤色散也不是问题。那么,在这样的应用环境下要最经济有效地流通业务,光纤成为至关重要的网络设计因素。

采用数十乃至数百个复用波长的高密集波分复用技术是一项很有前途的长远解决方案。届时,网络可以将各种不同速率和性质的业务分配给不同的波长,在光路上进行业务量的选路和分插。在这类应用中,开发具有尽可能宽的可用波段的光纤成为关键。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰,只要在光纤内部有几个OH离子ppb(par ts per billion)就足以导致在1385nm附近产生几分贝的衰减,使1350～1450nm中约100n m宽的频谱因衰减太高而无法使用。若能设法消除这一水峰,则光纤的可用频谱可望大大扩展,无水峰光纤就是在这种形势下诞生的。不同公司制造的无水峰光纤具有不同的名字,下面以美国朗讯科技公司的无水峰光纤-全波光纤为例进行讲述。

全波光纤采用了一种新的生产工艺,几乎可以完全消除内部的氢氧根(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处的衰减可低达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。除了没有水峰以外,全波光纤与普通的标准G.652匹配包层光纤一样。然而,由于没有了水峰,光纤可以开放第5 个低损传输窗口,从而带来一系列好处：

1.4.1可用波长范围增加100nm,使光纤可以提供从1280nm到1625nm的完整传输波段,全部可用波长范围比常规光纤增加约一半, 可复用的波长数大大增加。

1.4.2由于在上述波长范围内,光纤的色散仅为1550nm波长区的一半,因而,容易实现高比特率长距离传输。例如在1400nm波长附近, 10Gbps速率的信号可以传输200km而无需色散补偿。

1.4.3可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输,改进网络管理。例如可以在1310nm波长区传输模拟图像信号,在1350～1450nm波长区传输高速信号(高达10Gbps),在1450nm以上波长区传输其他信号。

1.4.4当可用波长范围大大扩展后,容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降,降低了整个系统的成本。