[Sonet/SDH] 光纤技术发展及其未来的应用 [复制链接]

tian7163

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少将

发表于 2006-5-18 23:21:00 |显示全部楼层

1概述

　　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。
　　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ALL Wave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企业的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。
　　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。本文在先容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。

2光纤技术及新进展

2.1 G.652单模光纤

　　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17～22psnm·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。

2.2G.653色散位移光纤

　　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DWDM。

2.3G.655非零色散位移光纤

　　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企业和康宁企业的G.655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。

2.3.1大有效面积光纤和低色散斜率光纤

　　康宁Corning和郎讯还分别推出了LEAF和RS·TureWave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。
　　RS－TureWave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。

2.3.2无水峰光纤

　　朗讯企业发明的全波光纤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0.3dB／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100GHz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。康宁企业的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。

3光纤非线性对传输的影响

　　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SPM。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。

4G.652与G.655光纤在未来传输网上的应用

　　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。
　　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。
　　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17～22ps／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。
　　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，足以支撑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.655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.655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.652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10Gb/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WDM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。大家不难得出以下结论：

- 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；

-对于基于10Gb/s及更高速率的WDM系统，G.652和G.655光纤均能支撑；

-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。

-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。

5总结

　　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大家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大家的生活带来更多的方便与快捷。

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