光纖技術與光纖網絡

      光導纖維技術特性
1.非零色散光纖
　　非零色散光纖(G.655光纖)的基本設計思想是在1550窗口工作
波長區具有合理的、較低的色散, 足以支持10Gbps的長距離傳輸
而無需色散補償,從而節省了色散補償器及其附加光放大器的成
本；同時其色散值又保持非零特性, 具有最小數值限制，適宜開
通具有足夠多波長的DWDM系統, 同時滿足TDM和DWDM兩種發展方向
的需要。
　　為了達到上述目的，我們可以將零色散點移向短波長側或長
波長側, 使之在1550nm附近的工作波長區呈現一定大小的色散值
以滿足上述要求。典型G.655光纖在1550nm波長區的色散值為G.652光纖的1/6～1/7，因此色散補償距離也
大致為G.652光纖的6～7倍，色散補償成本(包括光放大器、色散補償器和安裝調試)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/km0.5。即便按0.1ps/km0.5考慮，這也可以實現至少400km長的40Gbps信號的傳輸。
　　在兩種零色散點不同偏移方向的G.655光纖中，具有正色散的G.655光纖的主要優點是可以利用色散補
償其一階和二階色散；另外，由于在1550nm附近D為正，有可能與能夠產生負啁啾的MZ外調制器結合, 利用
SPM技術來擴大色散受限傳輸距離甚至實現光孤子傳輸；最后, 這類光纖在1310nm波長區的色散較小，有利
于開放1310窗口。但它的主要缺點是可能產生調制不穩定性；另外, 這類光纖對XPM的影響比較敏感, 由之
產生的性能劣化較大。
　　具有負色散的G.655光纖的主要優點是不存在調制不穩定性問題，接收機眼圖清楚, 對XPM的影響不敏
感, 由之產生的性能劣化較小。其缺點是不能利用SPM來擴大色散受限傳輸距離, 也不支持光孤子通信, 13
10nm窗口色散較大；此外，在光纖制造工藝相同和折射率剖面形狀類似的條件下，零色散波長較長的光纖
要求有較大的波導色散，因而芯包折射率差較大，從而往往使之損耗較大而有效面積較小，最后，利用G.6
52光纖來補償這類光纖雖然僅能補償其一階色散, 但G.652光纖成本較便宜。在具有負色散的G.655光纖中,
不同廠家的具體設計和參數也不盡相同。原則上, 色散系數絕對值小有利于10Gbps信號傳得更遠, 但四波
混和影響大, 復用的通路數少于色散系數絕對值較大的光纖，不利于密集波分復用系統應用。另外,隨著系
統應用波長范圍向L波段擴展，這類光纖的零色散波長恰好處于1570nm附近,會發生四波混合問題,不利于開
拓L波段應用。隨著復用通路數越來越大以及系統應用波長范圍向L波段擴展，這類光纖的弱點越來越顯
著。
　　總的來看，兩類光纖各有優缺點,共同的優點是均能支持以10Gbps為基礎的長距離DW DM傳輸系統。當
傳輸距離為幾百公里范圍時, 即多數陸地傳輸系統應用場合,具有正色散的G.655光纖上的脈沖有壓縮現象,
眼開度較大,MI影響不大,比較有利,具有負色散的普通G.655光纖也同樣可用,但復用通路數不夠多;當傳輸
距離大于1000km時,兩類光纖上的脈沖均呈較大的展寬現象,必須使用色散補償技術。但要注意,具有正色散
的G.655光纖上的脈沖頻譜展寬將會大到其中部分功率落到WDM濾波器通帶之外,或者會由于光放大器鏈的增
益帶變窄而被濾掉。此時,負色散G.655光纖將是唯一的選擇,例如海纜系統應用就是這樣。近來,隨著DWDM
系統的工作波長區從C波段向L波段發展,具有正色散的G.655光纖正逐漸成為未來陸地光纖通信系統的主要
光纖類型。
2.低色散斜率光纖
　　所謂色散斜率指光纖色散隨波長變化的速率,又稱高階色散。在長途WDM傳輸系統中,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系統的傳輸距離。
　　初期的G.655光纖主要是為C波段設計的, 因而色散斜率稍大一點問題不太大。 然而, 隨著寬帶光纖放
大器技術的發展, DWDM系統的應用范圍已經擴展到L波段, 全部可用頻帶可以從1530～1565nm擴展到1530～
1625nm。 在這種情況下, 如果色散斜率仍維持原來的數值{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, 影響10Gbps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制的影響。為此, 開發低色散斜率的G.655光纖是非常必要。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,使整個第三和第四窗口的色散變化減至最
小,同時可以降低C波段和L波段色散補償的成本和復雜性。目前, 美國貝爾實驗室已開發出新一代的低色散
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2.6～6.0 ps/(nm·km), 在1565～1625n m波長
范圍的色散值為4.0～ 8.6 ps/(nm·km)。其色散隨波長的變化幅度比其他非零色散光纖要小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
調制影響,而另一方面又可以使高波段的色散不致過大,可低于8.6ps/(nm·km),仍然可以使10Gbps信號傳輸
足夠遠的距離而無須色散補償,通信系統的工作波長區可以順利地從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。
3.大有效面積光纖
　　超高速系統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的方法來消除,而非線性
的影響卻不能用簡單的線性補償的方法來消除。光纖的有效面積是決定光纖非線性的主要因素,盡管降低輸
入功率或減少系統傳輸距離和光區段長度也可以減輕光纖非線性的影響,但同時也降低了系統要求和性能價
格比,可見光纖的有效面積是長距離密集波分復用系統性能的最終限制。為了適應超大容量長距離密集波分
復用系統的應用, 大有效面積光纖已經問世。
　　其中以美國康寧公司的Leaf光纖為例,光纖的截面積采用了分段式的纖芯結構,典型有效面積達72μm2
以上, 零色散點處于1510nm左右, 其彎曲性能、極化模色散和衰減性能均可達到常規G.655光纖水平, 而且
色散系數規范已大為改進,提高了下限值, 使之在1530～1565nm窗口內處于2～6ps/(nm.km) 之內, 而在156
5～1625nm窗口內處于4.5～1 1.2ps/(nm·km) 之內, 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,其光區段長度也可以比普通光纖增加約10km。盡管其色散
為正, 也可能產生調制不穩定性, 但由于有效面積變大,其影響將遠小于普通正色散光纖。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,其色散系數可高達11.2p
s/(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,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;另外其MFD也偏大, 在1550nm處大約為9.2nm到10nm, 因此微彎和宏彎損耗需要仔細控制。
　　在理論上,光纖的線性色散總是可以補償的,而非線性卻很難補償。大有效面積光纖從本質上改進了系
統抗非線性的能力,這一優點特別表現在間隔100GHz、容量為40×10G bps以上的C波段WDM系統中,此時其系
統設計窗口較大,色散補償的精度要求較低。我們可以認為,在C波段,由大有效面積光纖構成的以10Gbps為
基礎的高密集WDM系統信噪比較高, 誤碼率較低, 光放大器的間隔較長, 系統總長度也較長, 代表了干線光
纖的又一新發展方向。
　　在實際應用中,我們也可以采用正色散和負色散光纖交替連接的方式來完成色散補償,從而消除色散的
影響,但這會為維護運行帶來麻煩。
4.無水峰光纖
　　與長途網相比,城域網面臨更加復雜多變的業務環境,它要直接支持大用戶,需要頻繁的業務量疏導和帶
寬管理能力。但其傳輸距離卻短得多,通常只有50～80km, 因而很少應用光纖放大器,光纖色散也不是問
題。那么,在這樣的應用環境下要最經濟有效地流通業務,光纖成為至關重要的網絡設計因素。
　　采用數十乃至數百個復用波長的高密集波分復用技術是一項很有前途的長遠解決方案。屆時,網絡可以
將各種不同速率和性質的業務分配給不同的波長,在光路上進行業務量的選路和分插。在這類應用中,開發
具有盡可能寬的可用波段的光纖成為關鍵。目前影響可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰,只要在
光纖內部有幾個OH離子ppb(par ts per billion)就足以導致在1385nm附近產生幾分貝的衰減,使1350～145
0nm中約100n m寬的頻譜因衰減太高而無法使用。若能設法消除這一水峰,則光纖的可用頻譜可望大大擴展,
無水峰光纖就是在這種形勢下誕生的。不同公司制造的無水峰光纖具有不同的名字,下面以美國朗訊科技公
司的無水峰光纖-全波光纖為例進行講述。
　　全波光纖采用了一種新的生產工藝,幾乎可以完全消除內部的氫氧根(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部散射損耗決定,在1385nm處的衰減可低達0.
31dB/km。由于內部已清除了氫氧根,因而光纖即便暴露在氫氣環境下也不會形成水峰衰減,具有長期的衰減
穩定性。除了沒有水峰以外,全波光纖與普通的標準G.652匹配包層光纖一樣。然而,由于沒有了水峰,光纖
可以開放第5 個低損傳輸窗口,從而帶來一系列好處：
　　4.1可用波長范圍增加100nm,使光纖可以提供從1280nm到1625nm的完整傳輸波段,全部可用波長范圍比
常規光纖增加約一半, 可復用的波長數大大增加。
　　4.2由于在上述波長范圍內,光纖的色散僅為1550nm波長區的一半,因而,容易實現高比特率長距離傳
輸。例如在1400nm波長附近, 10Gbps速率的信號可以傳輸200km而無需色散補償。
　　4.3可以分配不同的業務給最適合這種業務的波長傳輸,改進網絡管理。例如可以在1310nm波長區傳輸
模擬圖像信號,在1350～1450nm波長區傳輸高速信號(高達10Gbps),在1450nm以上波長區傳輸其他信號。
　　4.4當可用波長范圍大大擴展后,容許使用波長間隔較寬、波長精度和穩定度要求較低的光源、合波
器、分波器和其他元件,使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降,降低了整個系統的成本。