通信光纖的最新研究動向

    摘要 本文介紹了寬帶光傳輸非零色散位移光纖（G.656
光纖）、塑料光纖和光子晶體等通信光纖的特性以及它們的最新
研究動向。
　　關鍵詞 寬帶 色散 光纖
　　1 引言
　　隨著計算機的普及和互聯網的迅速發展，使得人們對信息的
需求量與日俱增。這樣光纖通信技術就義不容辭地承擔起了海量
信息的傳輸和交換。根據20多年的光纖通信技術工程應用經驗，
我們應該根據不同類型的網絡所承擔任務的特點來選擇不同性能
的光纖品種來完成不同類型的網絡應用所應該履行各種各樣的業
務職責。為此，對于從事通信光纖研究人員就應該針對通信光纖
具體的網絡應用環境問題， 積極開展對光纖的材料種類、制造工藝和性能測量研究，以求能夠用優越性價
比的光纖來進一步滿足核心網、城域網、接入網光纖通信技術發展的需求。
　　在長期從事通信光纖研究的實踐工作中，人們已經掌握了可以用來制造光纖的材料有石英玻璃、多組
份玻璃、紅外玻璃、塑料、光子晶體等的基礎上，還應該積極開展就各種光纖材料性能、制造方法、性能
測量方法等方面的深入細致地研究分析。今天，為什么通信光纖大都選用石英玻璃，其理由是石英玻璃具
有優越的物理、化學性能，原料提純簡單，氣相沉積和拉絲成型控制精度高等。通信石英玻璃光纖的技術
發展動向是從材料方面應該以合成材料來代替天然材料以提高材料純度，降低光纖衰減。在制造工藝上必
須采用復合工藝（如用PCVD+OVD等）來代替單一工藝（MCVD、AVD、PCVD或者OVD）以提高生產效率，降低
光纖價格。以特殊的脫水工藝來消除通信石英玻璃光纖在1385nm的水峰來擴大通信石英玻璃光纖的可工作
波長范圍：1260～1670nm，以滿足粗波分復用CWDM需求。
　　我們認為，在本文中除了應該在重點闡述光纖材料的同時，還應該兼顧通信光纖及其性能的研究和分
析。因為不同的通信網絡對光纖的性能要求各異，所以通信光纖研究人員已經根據網絡的特點開發出了許
多不同的類型的光纖品種，以滿足各種各樣通信網絡層次的光纖通信技術的需要。人們正是針對DWDM核心
網的遠距離、大容量、高速率的通信特點研究出了核心網用的G.655 光纖和G.656 光纖以及接入網的短距
離、小容量、低速率的特點， 研究出了接入網用的塑料光纖和光子晶體光纖。本文將簡單介紹ITU-T 2004
年6月發布的寬帶光傳輸非零色散位移光纖（G.656 光纖）、塑料光纖和光子晶體光纖的性能特點以及它們
的最新研究動向。
　　2 研究動向
　　2.1 寬帶光傳輸用非零色散光纖
　　G.655 光纖的研究重點就是優化色散系數、色散斜率、有效面積、工作波長范圍。為了更加適應DWDM
系統的傳輸速率、信道間隔、工作波長的不斷變化需要，國際電信聯盟第15 研究組于2003年1 月將2000年
版的ITU-T G.655 A 、B 兩種光纖，進一步細分為ITU-TG.655A、B、C三種光纖。他們細分的理由是G.655A
光纖只支持200GHz及其以上間隔的DWDM，10Gbit/s系統傳輸400km在C波段的應用，也可以支持以10Gbit/s
為基礎的DWDM 系統。G.655B 光纖支持100GHz 及其以下間隔的DWDM 在C 和L 波段的10Gbit/s 系統傳輸30
00km 的應用。G.655C光纖消除在1385nm 附近的水峰，系統可以在1360～1530nm工作，既能滿足100GHz 及
其以下間隔的DWDM在C和L波段的應用，又能使N×10Gbit/s系統傳輸3000km，或者N× 40Gbit/s 系統傳輸8
0km以上。然而，G.655光纖在N×10Gbit/s的DWDM系統應用中，人們發現其存在著工作波長窄，色散斜率大
等問題，為了解決G.655 光纖的問題，世界各個著名光纖制造廠商開展了寬帶光傳輸用非零色散位移光纖
的研究，最近幾年已經研究出了這種新型光纖，即寬帶光傳輸用非零色散位移光纖。
　　為了進一步規范各個著名光纖制造廠商寬帶光傳輸用非零色散位移光纖的性能指標，2004年6月國際電
信聯盟標準化部門發布了寬帶光傳輸用非零色散光纖和光纜的特性（ITU-T G.656 單模光纖和光纜）的建
議。G.656 光纖是“寬帶光傳輸用非零色散光纖”，即在寬闊的工作波長1460～1625nm 內色散非零。G.65
6 光纖實質上是一種寬帶非零色散平坦光纖， 其特點在工作波長范圍內色散應該大于所要求的非零值，有
效面積合適，色散斜率基本為零。因此，G.656 光纖既可以顯著降低系統的色散補償成本，又可以進一步
發掘石英玻璃光纖潛在的巨大帶寬。G. 656光纖可保證通道間隔100GHz、40Gbit/s 系統至少傳400km。G.6
56光纖和光纜的性能參數建議值，如表1所示。表2列出了G.656光纖鏈路和系統設計的一些重要參數之間的
關系。為了使讀者理解方便，本文就G.655 光纖和G.656 光纖的性能分別予以簡單介紹。
　　G.655A 光纖支持ITU-T G.691、G.692 和G.693應用時的推薦使用值。對于G.692 應用，考慮到使用的
具體光纖的信道波長和色散特性，最大的發射功率將受到限制，它適用于通道間隔200GHz及其以上DWDM系
統在C波段的應用，同時也支持以10Gbit/s 為基礎的DWDM系統。
　　G.655B 光纖支持以10Gbit/s 為基礎的100Hz及其以下間隔的DWDM系統在C 波段和L 波段的應用。表2
中所列出的G.655B 光纖參數支持ITU-T G.691、G.692、G.693和G.959.1 應用的推薦使用值。對于G.692
規定的應用，取決于所使用光纖的信道波長和色散特性，發射功率可以大于G.655A 光纖，典型的最小波長
間隔為100GHz。G.655B 光纖的PMDQ 為0.50ps/km 1/2，可以保證10Gbit/s傳輸系統的傳輸距離達到400k
m。
　　G.655C 光纖性能與G.655B 光纖性能相似，但是G.655C 光纖應該既能滿足100及其以下間隔的DWDM系
統在C 波段和L波段的應用，又要求G.655C光纖的PMDQ比G.655B光纖低，即G.655C光纖的PMDQ為0.20ps/km
1/2，使得G.655C 光纖在N×10Gbit/s系統傳輸300km以上，或者支持N×40Gbit/s 系統傳輸80km以上的應
用。
　　由表2得知，G.656 光纖性能本質仍然屬于非零色散光纖。G.656 光纖與G.655 光纖不同的是，（1）
具有更寬的工作帶寬，即G.655 光纖工作帶寬為1530～1625nm（C+L 波段）, 而G.656 光纖工作帶寬則是1
460～1625nm（S+C+L 波段），將來還可以拓寬超過1460～1625nm，可以充分發掘石英玻璃光纖的巨大帶寬
的潛力；（2）色散斜率更小（更平坦）能夠顯著地降低DWDM系統的色散補償成本。G.656光纖是色散斜率
基本為零、工作波長范圍覆蓋S+C+L波段的寬帶光傳輸的非零色散位移光纖。由表2 可知，G.656光纖的PMD
Q為0.10ps/km 1/2，使得G.656光纖在N×10Gbit/s 系統傳輸4000km以上，或者支持N×40Gbit/s系統傳輸4
00km以上的應用。G.656 光纖特別適合作為通道間隔100GHz、傳輸速率40Gbit/s、傳輸距離400km的DWDM或
者CWDM系統的光傳輸介質
2.2 塑料光纖
　　為了降低局域網光纖接入成本，短距離局域網光纖多采用石英玻璃光纖多模光纖加發光管的配置方
案。那么局域網石英玻璃光纖的研究重點是通過提高多模光纖梯度折射率分布控制精度和改善光源注入條
件的方法來提高石英玻璃多模光纖的工作帶寬和減小光纖的衰減，以適應吉比特以太網和10吉比特以太網
發展的需要。近幾年，國內外著名的光纖機構紛紛研究出了新一代的50/125 μm的多模光纖。這種多模光
纖的主要特點是由于光纖制造中消除了梯度折射率分布中心的缺陷，使得梯度折射率分布控制精度遠遠高
于傳統50/125μm的多模光纖，從而大大提高了多模光纖的工作帶寬。新一代的50/125μm的多模光纖與850
nm的VCSEL配合使用，可以實現在850nm波長上進行10Gbit/s 串行傳輸300m距離。
　　隨著半導體材料制造水平的不斷提高和生產成本的大幅度的降低，光纖、有源/無源光器件的價格日益
便宜，從而推動了光纖到大樓（FTTB）、光纖到家庭（FTTH）、光纖到桌面（FTTD）的實用化發展進程。
特別是最近幾年，日本和美國等發達國家已經開發出了梯度折射率分布塑料光纖。由于塑料光纖制造工藝
簡單、材料便宜和連接成本低的新型光纖等，所以其已經被應用于企業和大學校園局域網的內部通信系
統。
　　與石英玻璃光纖相比，塑料光纖（POF, Plastic Optical Fiber）以其芯徑大、制造簡單、連接方
便、可用便宜光源等優點正在受到寬帶局域網建設者的青睞。正是寬帶局域網的迅速發展帶來了POF 技術
的革命性進步，特別是以全氟化的聚合物（如商用產品名稱為CYTOP）為基本組成的氟化塑料光纖（PF-PO
F）在局域網的逐步使用，從而標志著PF-POF 正在由試驗室步入局域網工程應用。
　　一般，在局域網的工程應用的POF是以全氟化的聚合物為基本組成的PF-POF。眾所周知，PF-POF的研究
要點為衰減、帶寬、制造方法等問題。最早POF 是用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制成的。由于PMMA材
料中存在著大量的C-H鍵諧振會引起很大的光吸收，所以PMMA-POF 在650nm的衰減系數高達160dB/km以上。
研究人員采用全氟化的聚合物材料為基本成份制造出了在850nm和1300nm的衰減系數小于20dB/km 的PF-PO
F。究其原因是氟化的聚合物中的C-F 鍵大大減小了光吸收，故全氟化的聚合物PF-POF 的衰減系數十分
小。
　　與石英玻璃光纖相同，提高POF帶寬主要方法有，（1）采用梯度折射率分布結構；（2）精確控制小的
材料色散、高的模耦合和小的差分模衰減之間的作用。因此，為了提高POF帶寬和減小模間色散，POF都采
用梯度折射率分布結構；再通過選擇小的材料色散材料，提高模耦合效率和減小差分模衰減等措施可達到
提高POF帶寬的目的。表3 列出了當前PMMA-POF、PF-POF和擠塑PF-POF的性能及其應用的最高水平，供讀者
參考。
　　長期以來，POF的生產采用的是1982年由日本慶應大學發明的“界面凝膠”工藝。該工藝利用作為包層
的塑料管與塑料管內作為纖芯的混合液體之間發生的“界面凝膠”作用來形成POF的梯度折射率分布結構
的。但是，“界面凝膠”工藝生產PF-POF 的“界面凝膠”反應需要很長的時間，所以該工藝的生產成本比
較高。為了進一步降低POF的制造成本，美國OFS公司試驗室的Whitney R.White 等人開發出了一種簡單擠
塑工藝來生產PF-POF。這種擠塑工藝是借助兩臺擠塑機分別擠出芯和包層材料熔體，然后兩種材料熔體在
擠塑機頭處合為一體形成一個同心的熔體流，摻雜材料位于熔體的中心。在擠塑機頭后，這些熔體材料流
過一個長加熱擴散管，從而允許來自熔體的中心的小分子摻雜劑擴散到包層材料熔體中。通過控制溫度、
停留時間和芯/包層材料的相對流速，人們就可以制造出各種折射率分布結構和芯/尺寸的PF-POF。擠塑PFPOF 的性能及其應用的最高水平，如表3所示。
2.3 光子晶體光纖
　　眾所周知，材料科學是光纖通信技術的基礎，即正是在半導體激光器和光纖的發明之后才誕生了光纖
通信。由通信光纖研究的歷程中，我們可以深切得到這樣一個結論，通信光纖品種的不斷更新、性能研究
的突破，這一切都是建立在通信光纖材料研究的突破上。例如石英玻璃光纖的誕生， 使得世界的通信由電
通信進入光通信；紅外光纖的成功進一步減小了光纖的理論傳輸衰減； 塑料光纖的問世，又大大降低了光
纖和接續的成本，從而推動了光纖通信到家庭、光纖到桌面的步伐。光子晶體光纖的結構特點，使得其具
有獨特性能，為光纖通信開發出新型光纖奠定了技術基礎。隨著PCF 的導光理論、制造工藝和應用技術的
成熟，PCF有望成為下一代光纖通信用的光傳輸介質。1991 年，Russell 根據光子晶體傳光原理又提出了
光子晶體光纖的概念。最近，人們又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶體光纖。光子晶體光纖
（PCF）是一種由單一介質（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構成、并且在二維方向上呈現周期性緊密排
列（周期性六角形）、而在三維空間（光纖軸向）基本保持不變的波長量級空氣孔構成的微結構包層的新
型光纖。與常規光纖不同，PCF是由石英玻璃—空氣孔微小結構組成的光纖，其又可以分為實芯光纖和空芯
光纖，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛細管加熱拉制成的，而后者則是由石英玻璃管和石英玻璃毛細
管加熱拉制成的。正是通過前按照設計出的PCF 的基本結構: 按照預先設計的形狀（六角形）將石英玻璃
毛細管緊密地排列在作為纖芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛細管的周圍，即集束成棒，再通過加熱拉制
就可以制成所需要的性能的PCF。表征PCF 性能的3 個特征參數是纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔
之間距離。在PCF的拉制過程中，改變拉制溫度和速度就可以調整PCF的結構和性能，使得PCF作為光傳輸介
質和光器件具有許多誘人之處。實際上，人們是通過調整纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距
離方式來達到分別制造出具有低衰減、高色散、非線性效應小（大模場直徑或者大有效面積）、保偏和小
彎曲損耗等性能的PCF的目的。
　　PCF具有的低損耗、小色散、低非線性效應特性，使得其在光纖通信領域的應用是非常有前途的，尤其
是對于長途通信系統。隨著PCF 設計方法和制造工藝的不斷改進，PCF性能日趨完善。特別是K.Tajima 等
人通過合理設計結構參數，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r尺寸，以及d/ r值，從而達到既減小PCF的衰減，
又改善PCF 的色散和色散斜率的目的。現在，PCF已經進入了實驗室的光纖通信系統傳輸試驗研究階段。
　　2003年初的世界光纖通信（OFC）會議上，日本電報電話公司接入網業務系統試驗實的K.Tajima等研制
出衰減為0.37dB/km 、長度超過10km的超低衰減、長長度的PCF。PCF 具有完全的單模特性。PCF的可用工
作波長范圍為0.458 ～1.7μ m。只要對0.458～1.7μm工作波長范圍進行優化，PCF的傳輸容量將會得到大
大的提高。NTT公司的研究人員利用PCF組成10km的線路進行了8×10Gbit/s的波分復用傳輸試驗，試驗效果
良好。C. Peucheret等人的研究小組利用5.6km的PCF線路進行工作波長為1550nm的40Gbit/s的傳輸試驗。
這個試驗系統所用的PCF 的有效面積是72μm2、其衰減為1.7dB/km 、色散系數為32ps/km·nm。試驗表
明，PCF作為光信號傳輸介質，系統的性能沒有明顯的劣化。這充分證明，與常規光纖相比，PCF作為光信
號傳輸介質最大的優勢是在保證很小的偏振模色散系數的前提下，色散系數、有效面積和非線性系數可以
靈活設計。隨著PCF的導光理論、制造工藝和應用技術的成熟，PCF有望成為下一代光纖維通信用的光傳輸
介質。
　　3 結論
　　由上所述，通信光纖技術的發展過程是光纖材料、制造技術、性能光纖和光纖品種發展過程。為此，
我們可以得到這樣3 個結論，（1）光纖通信的發展是光纖、器件、系統三者彼此發展，共同促進的結果；
（2）不同種類的通信光纖是為不同層次的網絡服務的；（3）為了滿足新的通信系統應用， 光纖研究人員
一定會不斷地開發出新型的通信光纖。