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2008-04-20 12:15 |
光纤技术发展及其未来的应用
１?概述 q^ h/64F
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随着密集波分复用ＤＷＤＭ技术、掺铒光纤放大器ＥＤＦＡ技术和光时分复用 ＯＴＤＭ技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统发 展，并且逐步向全光网络演进。采用光时分复用ＯＴＤＭ和波分复用ＷＤＮＭ 相结合的试验系统，容量可达３Ｔｂ／ｓ或更高；时分复用ＴＤＭ的１０Ｇｂ ／ｓ系统和与ＷＤＭ相结合的３２×１０Ｇｂ／ｓ和１６０×１０Ｇｂ／ｓ系 统已经商用化，ＴＤＭ４０Ｇｂ／ｓ系统已经在实验室进行试验。在如此高速 率的ＤＷＤＭ系统中，开发敷设新一代光纤已成为构筑下一代电信网的重要基 础。要求新一代光纤应具有所需的色散值和低色散斜率、大有效面积、低的偏 振模色散，以克服光纤带来的色散限制和非线性效应问题。 OO\$'%
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光纤是光信号的物 理传输媒质，其特性直接影响光纤传输系统的带宽和传输距离，目前已开发出 不同特性的光纤以适应不同的应用。目前常用的光纤种类有常规单模光纤Ｇ.６５２、色散位移光纤Ｇ.６５３和非零色散位移光纤Ｇ.６５５，这些光纤 的低损耗区都在１３１０～１６００ｎｍ波长范围内。色散位移光纤主要为１ ５５０ｎｍ频段的单一波长高速率传输研制的；非零色散位移光纤，它包括大 有效面积光纤 ＬＥＡＦ、色散平坦光纤ＤＦＦ、全波光纤ＡｌｌＷａｖｅ等，真波光纤对波 长窗口、色散和ＰＭＤ特性做了优化，使之适宜１５５０ｎｍ频带上高比特率 ＤＷＤＭ传输，朗讯的另一种非零色散位移光纤全波光纤消除了１３８０ｎｍ 处的水峰，为大城市ＭＥＴＲＯＤＷＤＭ应用做了优化；Ｃｏｒｎｉｎｇ公司 的ＬＥＡＦ光纤，对抑制非线性效应有独到之处。影响光纤传输的传输距离和 传输性能的关键性因素之一是色散，另一个影响传输系统尤其是ＤＷＤＭ系统 指标的重要因素是光纤的非线性，它们对于不同类型光纤的传输性能有决定性 的影响，特别是ＷＤＭ系统的传输性能。 v1p^=" IHI
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无论是核心网还是接入网，目前主要 应用的还是Ｇ.６５２光纤。在核心网中新建线路已开始采用Ｇ?６５５光纤 ，在接入网中已开始应用光纤带光缆。光纤的选型是波分复用系统设计中很重 要的一个问题。过去由于技术的限制光纤只有少数的几种，同时我国已埋设的 光纤几乎都是常规单模光纤，选型问题就不那么重复。现在新型光纤越来越多 。在设计波分复用系统和进行传输网建设时，光纤的选型就十分重要。本文在 介绍新一代光纤发展情况的基础上，分析了非线性效应对ＷＤＭ传输的影响、 Ｇ.６５５和Ｇ.６５２光纤在未来传输网上的应用，对两种光纤上进行ＷＤ Ｍ传输的优缺点进行分析。 'xGTaKlm,
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２?光纤技术及新进展 !C ZFbz~:
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２.１Ｇ?６５２单模光纤 g} pD%
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Ｇ.６５２单模光纤在Ｃ波段１５３０～１５６５ ｎｍ和Ｌ波段１５６５～１６２５ｎｍ的色散较大，一般为１７～２２ｐｓｎ ｍ·ｋｍ，系统速率达到２.５Ｇｂｉｔ／ｓ以上时，需要进行色散补偿，在 １０Ｇｂｉｔ／ｓ时系统色散补偿成本较大，它是目前传输网中敷设最为普遍 的一种光纤。 nd&i 9 l
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２.２Ｇ.６５３色散位移光纤 XSGBC:U)l
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Ｇ.６５３色散位移光纤在Ｃ波 段和Ｌ波段的色散一般为－１～３.５ｐｓｎｍ·ｋｍ，在１５５０ｎｍ是零 色散，系统速率可达到２０Ｇｂｉｔ／ｓ和４０Ｇｂｉｔ／ｓ，是单波长超长 距离传输的最佳光纤。但是，由于其零色散的特性，在采用ＤＷＤＭ扩容时， 会出现非线性效应，导致信号串扰，产生四波混频ＦＷＭ，因此不适合采用Ｄ ＷＤＭ。 qg:EN~E#
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２.３Ｇ.６５５非零色散位移光纤 GJ F &id
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Ｇ.６５５非零色散位移光纤在 Ｃ波段的色散为１～６ｐｓｎｍ·ｋｍ，在Ｌ波段的色散一般为６～１０ｐｓ ｎｍ·ｋｍ，色散较小，避开了零色散区，既抑制了四波混频ＦＷＭ，可采用 ＤＷＤＭ扩容，也可以开通高速系统。Ｌｕｃｅｎｔ公司和康宁公司的Ｇ.６ ５５光纤，分别叫做真波光纤和ＳＭＦ－ＬＳＴＭ光纤。真波光纤的零色散点 在１５３０ｎｍ以下短波长区，在１５４９ｎｍ-１５６１ｎｍ的色散系数为 ２.０-３.０ｐｓ／ｎｍ．ｋｍ；ＳＭＦ－ＬＳＴＭ光纤的零色散点在长波 长区１５７０ｎｍ附近，系统工作在色散负区，在１５４５ｎｍ的色散值为－ １.５ｐｓ／ｎｍ．ｋｍ。新型的Ｇ.６５５光纤可以使有效面积扩大到一般 光纤的１.５～２倍，大有效面积可以降低功率密度，减少光纤的非线性效应 。国际上陆续又开发出了一系列新型通信单模光纤，如大有效面积非零色散位 移单模光纤包括康宁的ＬＥＡＦ和朗讯的ＴｒｕｅＷａｖｅＸＬ、低色散斜率 光纤ＴｕｒｅＷａｖｅＲＳ、斜率降低的大有效面积非零色散位移单模光纤、 色散平坦型非零色散位移单模光纤、以及斜率补偿单模光纤等。 P3nBxw"
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２.３.１大 有效面积光纤和低色散斜率光纤 Wg2 0H23XW
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康宁Ｃｏｒｎｉｎｇ和郎讯还分别推出了ＬＥ ＡＦ和ＲＳ·ＴｒｕｅＷａｖｅ光纤。它们都是第二代的非零色散位移光纤。 ＬＥＡＦ光纤将光纤的有效面积Ａｅｆｆ从常规的５０μｍ２增加到７２μｍ ２，增加了３２％。有效面积代表在光纤中用于传输的光功率的平均面积，因 而大大地提高光纤中ＳＢＳ、ＳＲＳ、ＳＰＭ、ＸＰＭ等非线性效应的阈值。 从而使系统具有更大的功率传输能力。它可以承载更大功率的光信号，这意味 着可以实现更多的波长通道数目、更低的误码率、更长的放大间距和更少的放大器。所有这一切都意味 着拥有更大的容量和更低的成本。 J57; X=M
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ＲＳ－ＴｒｕｅＷａｖｅ光纤的最大优点是 色散斜率小，仅为０.０４５ｐｓ／ｎｍ２·ｋｍ。小的色散斜率和色散系数 意味着大的波长通道数目、高的单通道码率，同时它还可以容忍更高的非线性 效应。这也意味着更大的容量和更低的成本。 =3!o _
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２.３.２无水峰光纤 Dt{WRe\#
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朗讯公司 发明的全波光纤Ａｌｌ－ｗａｖｅＦｉｂｅｒ消除了常规光纤在１３８５ｎｍ 附近由于氢氧根离子造成的损耗峰，损耗从原来的２ｄＢ／ｋｍ降到０.３ｄ Ｂ／ｋｍ，这使光纤的损耗在１３１０～１６００ｎｍ都趋于平坦。其主要方 法是改进光纤的制造工艺，基本消除了光纤制造过程中引入的水份。全波光纤 使光纤可利用的波长增加１００ｎｍ左右，相当于１２５个波长通道１００Ｇ Ｈｚ通道间隔。全波光纤的损耗特性是很诱人的，但它在色散和非线性方面没 有突出表现。它适于那些不需要光纤放大器的短距离城域网，可以传送数以百 计的波长通道。当可用波长范围大大扩展后，容许使用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。康宁公司的ＭｅｔｒｏＣｏｒＴＭ光纤， 消除了１３８０ｎｍ的水峰，其零色散波长在１６４０ｎｍ波长附近，也对色 散特性负色散做了优化，使得其特别适宜于低成本的城域ＷＤＭ系统。 ` 5!AHQ/
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３?光纤非线性对传输的影响 1 b 86@f
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非线性效应会造成一些额外损耗和干扰，恶化系统的性能。ＷＤＭ系统光功率 较大并且沿光纤传输很长距离，因此产生非线性失真。非线性失真有受激散射 和非线性折射两种。其中受激散射有拉曼散射和布里渊散射。以上两种散射使 入射光能量降低，造成损耗。在入纤功率较小时可忽略。同样，在入纤功率较 小时，光的折射率与光功率无关，但功率较高时，需考虑非线性折射。非线性 折射有以下几种：四波混频ＦＷＭ、交叉相位调制ＸＰＭ、自身相位调制ＳＰ Ｍ。其中四波混频效、交叉相位调制应对系统影响最严重。因非线性效应是非 常复杂的一个问题，在此不赘述。 WdlGnFAWh
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４?Ｇ.６５２与Ｇ.６５５光纤在未 来传输网上的应用 P$Oj3HD LM
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目前用于传输网建设的主要光纤只有三种，即Ｇ.６５２常规单模光纤、Ｇ. ６５３色散位移单模光纤和Ｇ.６５５非零色散位移光纤。而其中的Ｇ.６５ ３光纤除了在日本等国家的干线网上有应用之外，因其在开通ＷＤＭ系统时会 引起ＦＷＭ等非线性效应，要开通ＷＤＭ系统只有采取不等距波长间隔、减小 入纤光功率等以牺牲系统性能为代价，在我国的干线网上几乎没有应用，虽然 这类光纤在开通ＴＤＭ高速率系统方面有优点，但在基于ＷＤＭ系统的全光网 的发展过程中，该类光纤并不具有优势，也不建议使用。 ,aa
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这样，真正可以用于 骨干网乃至城域等应用的光纤只有Ｇ.６５２和Ｇ.６５５光纤两种，虽然在 Ｇ?６５５光纤中又有多类产品，但目前对于这两种光纤在未来传输网中的应 用又存在着许多不同看法。 5[4nFa}R:5
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通常Ｇ.６５２单模光纤在Ｃ波段１５３０～１５ ６５ｎｍ和Ｌ波段１５６５～１６２５ｎｍ的色散较大，一般为１７～２２ｐ ｓ／ｎｍ·ｋｍ。在开通高速率系统如１０Ｇｂ／ｓ和４０Ｇｂ／ｓ及基于单 通路高速率的ＷＤＭ系统时，可采用色散补偿光纤来进行色散补偿，色散补偿 光纤ＤＣＦ具有负色散斜率，可补偿长距离传输引起的色散，使整个线路上１ ５５０ｎｍ处的色散大大减小，使Ｇ.６５２光纤既可满足单通道１０Ｇｂ／ ｓ、４０Ｇｂ／ｓ的ＴＤＭ信号，又可满足ＤＷＤＭ的传输要求。但ＤＣＦ同 时引入较大的衰减，因此它常与光放大器一起工作，置于ＥＤＦＡ两级放大之 间，这样才不会占用线路上的功率余度。ＤＷＤＭ波长范围越宽，补偿困难越 大，当位于频段中心的波长补偿好时，频段低端的波长过补偿，高端的波长则 欠补偿，目前一些设备厂商正在研制色散斜率补偿，这种补偿方式就会使得一 定波长范围内的光信号都得到均匀的补偿，对于多通路的ＷＤＭ系统有很大好处。 6 `20
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Ｇ.６５５光纤的基本设计思想是在１５５０ｎｍ窗口工作波长区具有合 理的较低的色散，足以支持１０Ｇｂ／ｓ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 ，具有一起码的最小数值，足以抑制非线性影响，适宜开通具有足够多波长的 ＷＤＭ系统。初步研究结果表明，对于以１０Ｇｂ／ｓ为基础的ＷＤＭ系统，尽管Ｇ.６５５光 缆的初始成本是Ｇ?６５２光缆的１?５～２倍，但由于色散补偿成本远低于 Ｇ.６５２光纤，因而采用Ｇ.６５５光缆的系统总成本大约可以比采用Ｇ. ６５２光缆的系统总成本低３０％～５０％。第二代的Ｇ.６５５光纤--大 有效面积的光纤和小色散斜率光纤也已经大规模应用，前者具有较大的有效面 积，可以更有效地克服光纤非线性的影响；后者具有更合理的色散规范值，简 化了色散补偿，更适合于Ｌ波段的应用。两者均适合于以１０Ｇｂ／ｓ为基础 的高密集波分复用系统。从技术实现的角度来看，Ｇ.６５２光纤和Ｇ.６５ ５光纤对于单通路速率为２.５Ｇｂ／ｓ、１０Ｇｂ／ｓ的ＷＤＭ系统都适用 ，根据设备制造商的系统设计不同，均可达到较好的性能。对于通路非常密集 的ＷＤＭ系统，Ｇ.６５２光纤对于非线性效应的抑制情况较好，而Ｇ.６５ ５光纤对于ＦＷＭ等非线性效应的抑制较差，此时仅从性能角度来看，Ｇ.６ ５２光纤具有较大的优势。综合这两种光纤应用的成本来看，采用Ｇ?６５２ 光纤开通基于２?５Ｇｂ／ｓ的ＷＤＭ系统是最经济的选择，对于基于１０Ｇ ｂ／ｓ的ＷＤＭ系统需要进行色散补偿，常用的方法是使用色散补偿光纤，这 不可避免地要增加系统成本，而Ｇ?６５５光纤开通基于１０Ｇｂ／ｓ的ＷＤ Ｍ系统时也需要进行少量的色散补偿，但色散补偿成本相对较低。对于新一代 光纤的选型，需进一步考虑技术优势、光纤成本及色散补偿成本等方面的综合 因素，以便根据不同的应用选用最佳的光纤种类。我们不难得出以下结论： R RV%g !
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- 对于基于２.５Ｇｂ／ｓ及其以下速率的ＷＤＭ系统，Ｇ.６５２光纤是一种 最佳选择； miu?X !
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-对于基于１０Ｇｂ／ｓ及更高速率的ＷＤＭ系统，Ｇ.６５２和 Ｇ.６５５光纤均能支持； `GdH ,:S>
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-对于通路非常密集的ＷＤＭ系统，Ｇ.６５２光 纤承载的系统在技术上有较好的优势，在考虑光纤选型时应综合性能及成本等 多方面因素。 6 /5,n0
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-对于城域网中的光纤选型，新一代的无水峰光纤因扩大了可用 光谱，显示出很独特的优势。 s1 [&WDedM
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５?总结 M\a{2f7'n
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传输网上常用的光纤种类主要有Ｇ.６５２、Ｇ.６５３和Ｇ.６５５三种， Ｇ.６５５光纤中的新型光纤最多，如低色散斜率光纤、大有效面积光纤、无 水峰光纤等，光纤种类的不断增多对于我们来说有了更多的选择，以便构筑出 适于未来网络发展的光纤网络，相信随着技术的进一步发展，如何科学地选择 光纤类型、如何抑制光纤非线性效应对传输的发展会越来越明确，未来传输网 的建设也会为我们的生活带来更多的方便与快捷。
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