通信光纖的最新研究動(dòng)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(dòng)向。
　　關(guān)鍵詞 寬帶 色散 光纖
　　1 引言
　　隨著計(jì)算機(jī)的普及和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得人們對信息的
需求量與日俱增。這樣光纖通信技術(shù)就義不容辭地承擔(dān)起了海量
信息的傳輸和交換。根據(jù)20多年的光纖通信技術(shù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，
我們應(yīng)該根據(jù)不同類型的網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)任務(wù)的特點(diǎn)來選擇不同性能
的光纖品種來完成不同類型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所應(yīng)該履行各種各樣的業(yè)
務(wù)職責(zé)。為此，對于從事通信光纖研究人員就應(yīng)該針對通信光纖
具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)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(yōu)越性價(jià)
比的光纖來進(jìn)一步滿足核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)光纖通信技術(shù)發(fā)展的需求。
　　在長期從事通信光纖研究的實(shí)踐工作中，人們已經(jīng)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(chǔ)上，還應(yīng)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(xì)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(yōu)越的物理、化學(xué)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(shù)
發(fā)展動(dòng)向是從材料方面應(yīng)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(fù)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(chǎn)效率，降低
光纖價(jià)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(kuò)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(fù)用CWDM需求。
　　我們認(rèn)為，在本文中除了應(yīng)該在重點(diǎn)闡述光纖材料的同時(shí)，還應(yīng)該兼顧通信光纖及其性能的研究和分
析。因?yàn)椴煌耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)對光纖的性能要求各異，所以通信光纖研究人員已經(jīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)開發(fā)出了許
多不同的類型的光纖品種，以滿足各種各樣通信網(wǎng)絡(luò)層次的光纖通信技術(shù)的需要。人們正是針對DWDM核心
網(wǎng)的遠(yuǎn)距離、大容量、高速率的通信特點(diǎn)研究出了核心網(wǎng)用的G.655 光纖和G.656 光纖以及接入網(wǎng)的短距
離、小容量、低速率的特點(diǎn)， 研究出了接入網(wǎng)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(fā)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(diǎn)以及它們
的最新研究動(dòng)向。
　　2 研究動(dòng)向
　　2.1 寬帶光傳輸用非零色散光纖
　　G.655 光纖的研究重點(diǎn)就是優(yōu)化色散系數(shù)、色散斜率、有效面積、工作波長范圍。為了更加適應(yīng)DWDM
系統(tǒng)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(lián)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(jìn)一步細(xì)分為ITU-TG.655A、B、C三種光纖。他們細(xì)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(tǒng)傳輸400km在C波段的應(yīng)用，也可以支持以10Gbit/s
為基礎(chǔ)的DWDM 系統(tǒng)。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(tǒng)傳輸30
00km 的應(yīng)用。G.655C光纖消除在1385nm 附近的水峰，系統(tǒng)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(yīng)用，又能使N×10Gbit/s系統(tǒng)傳輸3000km，或者N× 40Gbit/s 系統(tǒng)傳輸8
0km以上。然而，G.655光纖在N×10Gbit/s的DWDM系統(tǒng)應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)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(gè)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(jīng)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(jìn)一步規(guī)范各個(gè)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(biāo)，2004年6月國際電
信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化部門發(fā)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(nèi)色散非零。G.65
6 光纖實(shí)質(zhì)上是一種寬帶非零色散平坦光纖， 其特點(diǎn)在工作波長范圍內(nèi)色散應(yīng)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(tǒng)的色散補(bǔ)償成本，又可以進(jìn)一步
發(fā)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(tǒng)至少傳400km。G.6
56光纖和光纜的性能參數(shù)建議值，如表1所示。表2列出了G.656光纖鏈路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些重要參數(shù)之間的
關(guān)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(yīng)用時(shí)的推薦使用值。對于G.692 應(yīng)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(fā)射功率將受到限制，它適用于通道間隔200GHz及其以上DWDM系
統(tǒng)在C波段的應(yīng)用，同時(shí)也支持以10Gbit/s 為基礎(chǔ)的DWDM系統(tǒng)。
　　G.655B 光纖支持以10Gbit/s 為基礎(chǔ)的100Hz及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C 波段和L 波段的應(yīng)用。表2
中所列出的G.655B 光纖參數(shù)支持ITU-T G.691、G.692、G.693和G.959.1 應(yīng)用的推薦使用值。對于G.692
規(guī)定的應(yīng)用，取決于所使用光纖的信道波長和色散特性，發(fā)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(tǒng)的傳輸距離達(dá)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(yīng)該既能滿足100及其以下間隔的DWDM系
統(tǒng)在C 波段和L波段的應(yīng)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(tǒng)傳輸300km以上，或者支持N×40Gbit/s 系統(tǒng)傳輸80km以上的應(yīng)
用。
　　由表2得知，G.656 光纖性能本質(zhì)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(fā)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(tǒng)的色散補(bǔ)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?shù)姆橇闵⑽灰乒饫w。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(tǒng)傳輸4000km以上，或者支持N×40Gbit/s系統(tǒng)傳輸4
00km以上的應(yīng)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(tǒng)的光傳輸介質(zhì)。
2.2 塑料光纖
　　為了降低局域網(wǎng)光纖接入成本，短距離局域網(wǎng)光纖多采用石英玻璃光纖多模光纖加發(fā)光管的配置方
案。那么局域網(wǎng)石英玻璃光纖的研究重點(diǎn)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(yīng)吉比特以太網(wǎng)和10吉比特以太網(wǎng)
發(fā)展的需要。近幾年，國內(nèi)外著名的光纖機(jī)構(gòu)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(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高
于傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)在850nm波長上進(jìn)行10Gbit/s 串行傳輸300m距離。
　　隨著半導(dǎo)體材料制造水平的不斷提高和生產(chǎn)成本的大幅度的降低，光纖、有源/無源光器件的價(jià)格日益
便宜，從而推動(dòng)了光纖到大樓（FTTB）、光纖到家庭（FTTH）、光纖到桌面（FTTD）的實(shí)用化發(fā)展進(jìn)程。
特別是最近幾年，日本和美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開發(fā)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(jīng)被應(yīng)用于企業(yè)和大學(xué)校園局域網(wǎng)的內(nèi)部通信系
統(tǒng)。
　　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(yōu)點(diǎn)正在受到寬帶局域網(wǎng)建設(shè)者的青睞。正是寬帶局域網(wǎng)的迅速發(fā)展帶來了POF 技術(shù)
的革命性進(jìn)步，特別是以全氟化的聚合物（如商用產(chǎn)品名稱為CYTOP）為基本組成的氟化塑料光纖（PF-PO
F）在局域網(wǎng)的逐步使用，從而標(biāo)志著PF-POF 正在由試驗(yàn)室步入局域網(wǎng)工程應(yīng)用。
　　一般，在局域網(wǎng)的工程應(yīng)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(diǎn)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(huì)引起很大的光吸收，所以PMMA-POF 在650nm的衰減系數(shù)高達(dá)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)；（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(jié)構(gòu)；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(dá)到
提高POF帶寬的目的。表3 列出了當(dāng)前PMMA-POF、PF-POF和擠塑PF-POF的性能及其應(yīng)用的最高水平，供讀者
參考。
　　長期以來，POF的生產(chǎn)采用的是1982年由日本慶應(yīng)大學(xué)發(fā)明的“界面凝膠”工藝。該工藝?yán)米鳛榘鼘?br /> 的塑料管與塑料管內(nèi)作為纖芯的混合液體之間發(fā)生的“界面凝膠”作用來形成POF的梯度折射率分布結(jié)構(gòu)
的。但是，“界面凝膠”工藝生產(chǎn)PF-POF 的“界面凝膠”反應(yīng)需要很長的時(shí)間，所以該工藝的生產(chǎn)成本比
較高。為了進(jìn)一步降低POF的制造成本，美國OFS公司試驗(yàn)室的Whitney R.White 等人開發(fā)出了一種簡單擠
塑工藝來生產(chǎn)PF-POF。這種擠塑工藝是借助兩臺(tái)擠塑機(jī)分別擠出芯和包層材料熔體，然后兩種材料熔體在
擠塑機(jī)頭處合為一體形成一個(gè)同心的熔體流，摻雜材料位于熔體的中心。在擠塑機(jī)頭后，這些熔體材料流
過一個(gè)長加熱擴(kuò)散管，從而允許來自熔體的中心的小分子摻雜劑擴(kuò)散到包層材料熔體中。通過控制溫度、
停留時(shí)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(jié)構(gòu)和芯/尺寸的PF-POF。擠塑PFPOF 的性能及其應(yīng)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(xué)是光纖通信技術(shù)的基礎(chǔ)，即正是在半導(dǎo)體激光器和光纖的發(fā)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(gè)結(jié)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(jìn)入光通信；紅外光纖的成功進(jìn)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(xù)的成本，從而推動(dòng)了光纖通信到家庭、光纖到桌面的步伐。光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其具
有獨(dú)特性能，為光纖通信開發(fā)出新型光纖奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著PCF 的導(dǎo)光理論、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的
成熟，PCF有望成為下一代光纖通信用的光傳輸介質(zhì)。1991 年，Russell 根據(jù)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(zhì)（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構(gòu)成、并且在二維方向上呈現(xiàn)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(jí)空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)包層的新
型光纖。與常規(guī)光纖不同，PCF是由石英玻璃—空氣孔微小結(jié)構(gòu)組成的光纖，其又可以分為實(shí)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(xì)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(xì)
管加熱拉制成的。正是通過前按照設(shè)計(jì)出的PCF 的基本結(jié)構(gòu): 按照預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀（六角形）將石英玻璃
毛細(xì)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(xì)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(gè)特征參數(shù)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(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)和性能，使得PCF作為光傳輸介
質(zhì)和光器件具有許多誘人之處。實(shí)際上，人們是通過調(diào)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(dá)到分別制造出具有低衰減、高色散、非線性效應(yīng)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(yīng)特性，使得其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用是非常有前途的，尤其
是對于長途通信系統(tǒng)。隨著PCF 設(shè)計(jì)方法和制造工藝的不斷改進(jìn)，PCF性能日趨完善。特別是K.Tajima 等
人通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r尺寸，以及d/ r值，從而達(dá)到既減小PCF的衰減，
又改善PCF 的色散和色散斜率的目的。現(xiàn)在，PCF已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)研究階段。
　　2003年初的世界光纖通信（OFC）會(huì)議上，日本電報(bào)電話公司接入網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)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(jìn)行優(yōu)化，PCF的傳輸容量將會(huì)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(jìn)行了8×10Gbit/s的波分復(fù)用傳輸試驗(yàn)，試驗(yàn)效果
良好。C. Peucheret等人的研究小組利用5.6km的PCF線路進(jìn)行工作波長為1550nm的40Gbit/s的傳輸試驗(yàn)。
這個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)所用的PCF 的有效面積是72μm2、其衰減為1.7dB/km 、色散系數(shù)為32ps/km·nm。試驗(yàn)表
明，PCF作為光信號(hào)傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)的性能沒有明顯的劣化。這充分證明，與常規(guī)光纖相比，PCF作為光信
號(hào)傳輸介質(zhì)最大的優(yōu)勢是在保證很小的偏振模色散系數(shù)的前提下，色散系數(shù)、有效面積和非線性系數(shù)可以
靈活設(shè)計(jì)。隨著PCF的導(dǎo)光理論、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的成熟，PCF有望成為下一代光纖維通信用的光傳輸
介質(zhì)。
　　3 結(jié)論
　　由上所述，通信光纖技術(shù)的發(fā)展過程是光纖材料、制造技術(shù)、性能光纖和光纖品種發(fā)展過程。為此，
我們可以得到這樣3 個(gè)結(jié)論，（1）光纖通信的發(fā)展是光纖、器件、系統(tǒng)三者彼此發(fā)展，共同促進(jìn)的結(jié)果；
（2）不同種類的通信光纖是為不同層次的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的；（3）為了滿足新的通信系統(tǒng)應(yīng)用， 光纖研究人員
一定會(huì)不斷地開發(fā)出新型的通信光纖。