光纖技術(shù)與光纖網(wǎng)絡(luò)

       光導(dǎo)纖維技術(shù)特性
1.非零色散光纖
　　非零色散光纖(G.655光纖)的基本設(shè)計(jì)思想是在1550窗口工作
波長(zhǎng)區(qū)具有合理的、較低的色散, 足以支持10Gbps的長(zhǎng)距離傳輸
而無(wú)需色散補(bǔ)償,從而節(jié)省了色散補(bǔ)償器及其附加光放大器的成
本；同時(shí)其色散值又保持非零特性, 具有最小數(shù)值限制，適宜開(kāi)
通具有足夠多波長(zhǎng)的DWDM系統(tǒng), 同時(shí)滿(mǎn)足TDM和DWDM兩種發(fā)展方向
的需要。
　　為了達(dá)到上述目的，我們可以將零色散點(diǎn)移向短波長(zhǎng)側(cè)或長(zhǎng)
波長(zhǎng)側(cè), 使之在1550nm附近的工作波長(zhǎng)區(qū)呈現(xiàn)一定大小的色散值
以滿(mǎn)足上述要求。典型G.655光纖在1550nm波長(zhǎng)區(qū)的色散值為G.652光纖的1/6～1/7，因此色散補(bǔ)償距離也
大致為G.652光纖的6～7倍，色散補(bǔ)償成本(包括光放大器、色散補(bǔ)償器和安裝調(diào)試)遠(yuǎn)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(guò)
0.05ps/km0.5。即便按0.1ps/km0.5考慮，這也可以實(shí)現(xiàn)至少400km長(zhǎng)的40Gbps信號(hào)的傳輸。
　　在兩種零色散點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)是可以利用色散補(bǔ)
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(chǎn)生負(fù)啁啾的MZ外調(diào)制器結(jié)合, 利用
SPM技術(shù)來(lái)擴(kuò)大色散受限傳輸距離甚至實(shí)現(xiàn)光孤子傳輸；最后, 這類(lèi)光纖在1310nm波長(zhǎng)區(qū)的色散較小，有利
于開(kāi)放1310窗口。但它的主要缺點(diǎn)是可能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性；另外, 這類(lèi)光纖對(duì)XPM的影響比較敏感, 由之
產(chǎn)生的性能劣化較大。
　　具有負(fù)色散的G.655光纖的主要優(yōu)點(diǎn)是不存在調(diào)制不穩(wěn)定性問(wèn)題，接收機(jī)眼圖清楚, 對(duì)XPM的影響不敏
感, 由之產(chǎn)生的性能劣化較小。其缺點(diǎn)是不能利用SPM來(lái)擴(kuò)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(lèi)似的條件下，零色散波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光纖
要求有較大的波導(dǎo)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(lái)補(bǔ)償這類(lèi)光纖雖然僅能補(bǔ)償其一階色散, 但G.652光纖成本較便宜。在具有負(fù)色散的G.655光纖中,
不同廠(chǎng)家的具體設(shè)計(jì)和參數(shù)也不盡相同。原則上, 色散系數(shù)絕對(duì)值小有利于10Gbps信號(hào)傳得更遠(yuǎn), 但四波
混和影響大, 復(fù)用的通路數(shù)少于色散系數(shù)絕對(duì)值較大的光纖，不利于密集波分復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用。另外,隨著系
統(tǒng)應(yīng)用波長(zhǎng)范圍向L波段擴(kuò)展，這類(lèi)光纖的零色散波長(zhǎng)恰好處于1570nm附近,會(huì)發(fā)生四波混合問(wèn)題,不利于開(kāi)
拓L波段應(yīng)用。隨著復(fù)用通路數(shù)越來(lái)越大以及系統(tǒng)應(yīng)用波長(zhǎng)范圍向L波段擴(kuò)展，這類(lèi)光纖的弱點(diǎn)越來(lái)越顯
著。
　　總的來(lái)看，兩類(lèi)光纖各有優(yōu)缺點(diǎn),共同的優(yōu)點(diǎn)是均能支持以10Gbps為基礎(chǔ)的長(zhǎng)距離DW DM傳輸系統(tǒng)。當(dāng)
傳輸距離為幾百公里范圍時(shí), 即多數(shù)陸地傳輸系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合,具有正色散的G.655光纖上的脈沖有壓縮現(xiàn)象,
眼開(kāi)度較大,MI影響不大,比較有利,具有負(fù)色散的普通G.655光纖也同樣可用,但復(fù)用通路數(shù)不夠多;當(dāng)傳輸
距離大于1000km時(shí),兩類(lèi)光纖上的脈沖均呈較大的展寬現(xiàn)象,必須使用色散補(bǔ)償技術(shù)。但要注意,具有正色散
的G.655光纖上的脈沖頻譜展寬將會(huì)大到其中部分功率落到WDM濾波器通帶之外,或者會(huì)由于光放大器鏈的增
益帶變窄而被濾掉。此時(shí),負(fù)色散G.655光纖將是唯一的選擇,例如海纜系統(tǒng)應(yīng)用就是這樣。近來(lái),隨著DWDM
系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)區(qū)從C波段向L波段發(fā)展,具有正色散的G.655光纖正逐漸成為未來(lái)陸地光纖通信系統(tǒng)的主要
光纖類(lèi)型。
2.低色散斜率光纖
　　所謂色散斜率指光纖色散隨波長(zhǎng)變化的速率,又稱(chēng)高階色散。在長(zhǎng)途W(wǎng)DM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(zhǎng)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(dāng)傳輸距離超過(guò)一定值后,具有較大色散積累量通路的色散
值超標(biāo),從而限制了整個(gè)WDM系統(tǒng)的傳輸距離。
　　初期的G.655光纖主要是為C波段設(shè)計(jì)的, 因而色散斜率稍大一點(diǎn)問(wèn)題不太大。 然而, 隨著寬帶光纖放
大器技術(shù)的發(fā)展, DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到L波段, 全部可用頻帶可以從1530～1565nm擴(kuò)展到1530～
1625nm。 在這種情況下, 如果色散斜率仍維持原來(lái)的數(shù)值{大約0.07～0.10ps/(nm2·km)}, 長(zhǎng)距離傳輸時(shí)
短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)之間的色散差異將隨距離增長(zhǎng)而增加,勢(shì)必造成L波段高端過(guò)大的色散系數(shù), 影響10Gbps及
以上速率信號(hào)的傳輸距離,或者說(shuō)需要代價(jià)較高的色散補(bǔ)償措施才行,而低波段的色散又嫌太小,多波長(zhǎng)傳輸
時(shí)不足以壓制四波混合和交叉相位調(diào)制的影響。為此, 開(kāi)發(fā)低色散斜率的G.655光纖是非常必要。通過(guò)降低
色散斜率,我們可以改進(jìn)短波長(zhǎng)的性能而不必增加長(zhǎng)波長(zhǎng)的色散,使整個(gè)第三和第四窗口的色散變化減至最
小,同時(shí)可以降低C波段和L波段色散補(bǔ)償?shù)某杀竞蛷?fù)雜性。目前, 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)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(zhǎng)范圍的色散值為2.6～6.0 ps/(nm·km), 在1565～1625n m波長(zhǎng)
范圍的色散值為4.0～ 8.6 ps/(nm·km)。其色散隨波長(zhǎng)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(dá)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(guò)大,可低于8.6ps/(nm·km),仍然可以使10Gbps信號(hào)傳輸
足夠遠(yuǎn)的距離而無(wú)須色散補(bǔ)償,通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)區(qū)可以順利地從C波段擴(kuò)展至L波段而不至于引起過(guò)大的
色散補(bǔ)償負(fù)擔(dān),甚至只需一個(gè)色散補(bǔ)償模塊即可補(bǔ)償整個(gè)C波段和L波段。
3.大有效面積光纖
　　超高速系統(tǒng)的主要性能限制是色散和非線(xiàn)性。通常,線(xiàn)性色散可以用色散補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除,而非線(xiàn)性
的影響卻不能用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除。光纖的有效面積是決定光纖非線(xiàn)性的主要因素,盡管降低輸
入功率或減少系統(tǒng)傳輸距離和光區(qū)段長(zhǎng)度也可以減輕光纖非線(xiàn)性的影響,但同時(shí)也降低了系統(tǒng)要求和性能價(jià)
格比,可見(jiàn)光纖的有效面積是長(zhǎng)距離密集波分復(fù)用系統(tǒng)性能的最終限制。為了適應(yīng)超大容量長(zhǎng)距離密集波分
復(fù)用系統(tǒng)的應(yīng)用, 大有效面積光纖已經(jīng)問(wèn)世。
　　其中以美國(guó)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(jié)構(gòu),典型有效面積達(dá)72μm2
以上, 零色散點(diǎn)處于1510nm左右, 其彎曲性能、極化模色散和衰減性能均可達(dá)到常規(guī)G.655光纖水平, 而且
色散系數(shù)規(guī)范已大為改進(jìn),提高了下限值, 使之在1530～1565nm窗口內(nèi)處于2～6ps/(nm.km) 之內(nèi), 而在156
5～1625nm窗口內(nèi)處于4.5～1 1.2ps/(nm·km) 之內(nèi), 從而可以進(jìn)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(xiàn)性影響, 若按72μm2面積設(shè)計(jì),這至少減少大
約1.2dB的非線(xiàn)性影響。 按目前的有效面積設(shè)計(jì),其光區(qū)段長(zhǎng)度也可以比普通光纖增加約10km。盡管其色散
為正, 也可能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性, 但由于有效面積變大,其影響將遠(yuǎn)小于普通正色散光纖。其主要缺點(diǎn)是有
效面積變大后導(dǎo)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(dá)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(zhǎng)時(shí)功率代價(jià)變大;當(dāng)應(yīng)用范圍從C波段擴(kuò)展
到L波段時(shí)需要較復(fù)雜的色散補(bǔ)償技術(shù),這就不得不采用高低波段兩個(gè)色散補(bǔ)償模塊的方法,從而增加了色散
補(bǔ)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(xì)控制。
　　在理論上,光纖的線(xiàn)性色散總是可以補(bǔ)償?shù)?而非線(xiàn)性卻很難補(bǔ)償。大有效面積光纖從本質(zhì)上改進(jìn)了系
統(tǒng)抗非線(xiàn)性的能力,這一優(yōu)點(diǎn)特別表現(xiàn)在間隔100GHz、容量為40×10G bps以上的C波段WDM系統(tǒng)中,此時(shí)其系
統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口較大,色散補(bǔ)償?shù)木纫筝^低。我們可以認(rèn)為,在C波段,由大有效面積光纖構(gòu)成的以10Gbps為
基礎(chǔ)的高密集WDM系統(tǒng)信噪比較高, 誤碼率較低, 光放大器的間隔較長(zhǎng), 系統(tǒng)總長(zhǎng)度也較長(zhǎng), 代表了干線(xiàn)光
纖的又一新發(fā)展方向。
　　在實(shí)際應(yīng)用中,我們也可以采用正色散和負(fù)色散光纖交替連接的方式來(lái)完成色散補(bǔ)償,從而消除色散的
影響,但這會(huì)為維護(hù)運(yùn)行帶來(lái)麻煩。
4.無(wú)水峰光纖
　　與長(zhǎng)途網(wǎng)相比,城域網(wǎng)面臨更加復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)環(huán)境,它要直接支持大用戶(hù),需要頻繁的業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)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(yīng)用光纖放大器,光纖色散也不是問(wèn)
題。那么,在這樣的應(yīng)用環(huán)境下要最經(jīng)濟(jì)有效地流通業(yè)務(wù),光纖成為至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)因素。
　　采用數(shù)十乃至數(shù)百個(gè)復(fù)用波長(zhǎng)的高密集波分復(fù)用技術(shù)是一項(xiàng)很有前途的長(zhǎng)遠(yuǎn)解決方案。屆時(shí),網(wǎng)絡(luò)可以
將各種不同速率和性質(zhì)的業(yè)務(wù)分配給不同的波長(zhǎng),在光路上進(jìn)行業(yè)務(wù)量的選路和分插。在這類(lèi)應(yīng)用中,開(kāi)發(fā)
具有盡可能寬的可用波段的光纖成為關(guān)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(nèi)部有幾個(gè)OH離子ppb(par ts per billion)就足以導(dǎo)致在1385nm附近產(chǎn)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(wú)法使用。若能設(shè)法消除這一水峰,則光纖的可用頻譜可望大大擴(kuò)展,
無(wú)水峰光纖就是在這種形勢(shì)下誕生的。不同公司制造的無(wú)水峰光纖具有不同的名字,下面以美國(guó)朗訊科技公
司的無(wú)水峰光纖-全波光纖為例進(jìn)行講述。
　　全波光纖采用了一種新的生產(chǎn)工藝,幾乎可以完全消除內(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處的衰減可低達(dá)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(huì)形成水峰衰減,具有長(zhǎng)期的衰減
穩(wěn)定性。除了沒(méi)有水峰以外,全波光纖與普通的標(biāo)準(zhǔn)G.652匹配包層光纖一樣。然而,由于沒(méi)有了水峰,光纖
可以開(kāi)放第5 個(gè)低損傳輸窗口,從而帶來(lái)一系列好處：
　　4.1可用波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍比
常規(guī)光纖增加約一半, 可復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)大大增加。
　　4.2由于在上述波長(zhǎng)范圍內(nèi),光纖的色散僅為1550nm波長(zhǎng)區(qū)的一半,因而,容易實(shí)現(xiàn)高比特率長(zhǎng)距離傳
輸。例如在1400nm波長(zhǎng)附近, 10Gbps速率的信號(hào)可以傳輸200km而無(wú)需色散補(bǔ)償。
　　4.3可以分配不同的業(yè)務(wù)給最適合這種業(yè)務(wù)的波長(zhǎng)傳輸,改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)管理。例如可以在1310nm波長(zhǎng)區(qū)傳輸
模擬圖像信號(hào),在1350～1450nm波長(zhǎng)區(qū)傳輸高速信號(hào)(高達(dá)10Gbps),在1450nm以上波長(zhǎng)區(qū)傳輸其他信號(hào)。
　　4.4當(dāng)可用波長(zhǎng)范圍大大擴(kuò)展后,容許使用波長(zhǎng)間隔較寬、波長(zhǎng)精度和穩(wěn)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(wú)源器件的成本大幅度下降,降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。