光纤标准与光纤类型选择

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光纤标准与光纤类型选择张庆安（中国移动通信集团设计院有限企业北京１０００８０）摘要本文根据最新光纤技术标准，对常用光纤的技术性能做了详细的比较与分析，并结合通信技术的发展趋势　　　　　　　　提出了在光纤基础网络建设中，光纤选型的一些原则和建议。关键词光纤衰减色度色散偏振模色散，概述（５０／１２５”ｍ）多模光纤　　　　光缆物理网络是通信网最基础的传送承载设施，遍布于从长途骨干网到城域网、接入网的所有网络层次，光缆网络的可靠性和光纤的技术指标直接影响通信全网的运行质量。而且，光缆物理网的建设易受到各种外界因素的制约，不仅工程的建设周期长，建设成本高，而且使用寿命久（２５年以上）。因此，光缆基础网络的建设，必须具有前瞻性，要统筹考虑各种因素，以达到优化光缆网络、简化程式类型、降低建设成本、支撑业务发展的目标，确保投资效益最大化。　　　　本文根据最新光纤技术标准，着重讨论在光缆网络建设中，必须考虑的最关键的光纤技术及选型问题。（６２．５／１２５　ｐ　ｍ）传输光纤ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５２　（Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ）ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５３单模光纤１ＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５４ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５５　（ＡＢ／Ｃ／Ｄ／Ｅ）ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５６特种光纤色散补偿光纤保偏光纤掺饵光纤图１光纤分类２光纤技术的发展趋势２．１光纤分类　　　　根据使用的场合，光纤可以分为两大类：传输光纤和特种光纤。特种光纤主要应用于光器件中，本文不作讨论，传输光纤主要分为多模光纤和单模光纤两大类。光纤分类见图１所示。　　　　不同种类的光纤具有不同的光学特性，可以方便地应用在不同场合，光纤特性对通信影响较大的因素主要包括衰减、色度色散和偏振模色散（ＰＭＤ）等指标。２．２多棋光纤特性比较　　　　多模光纤是指可以传输多个光传导模的光纤。　　　　多模光纤主要有６２．５／１２５　ｐ　ｍ和５０／１２５　ｐ　ｍ两种类型，最早广泛应用的是６２．５／１２５　ｐ　ｍ多模光纤，随着光纤制造技术、光器件以及带宽需求的发展，新一代５０／１２５　ｕ　ｍ多模光纤应运而生。之所以新型多模光纤采用５０ｐｍ芯径是因为这种光纤中传输模的数目大约－３４－万方数据
是６２．５　ｐ　ｍ多模光纤中传输模的１／２．５，因此可以有效降低多模光纤的模色散，增加带宽。对８５０ｎｍ波长，５０／１２５　ｕ　ｍ比６２．５／１２５　ｕ　ｍ多模光纤带宽可增加３倍（５００ＭＨｚ・ｋｍ／　１６０ＭＨｚ・ｋｍ）。按ＩＥＥＥ　８０２．３标准推荐，在１　Ｇｂｉｔ／ｓ速率下，６２．５　ｕｍ芯径多模光纤只能传输２７０ｍ；而５０　ｕ　ｍ芯径多模光纤可传输５５０ｍ。实际上最近的实验证矣使用８５０ｎｔｎ垂直腔面发射激光器（Ｖ　ＣＳＥＬ）作光源，在１　Ｇｂｉｔ／ｓ速率下，５０ｐ　ｍ芯径新一代多模光纤可无误码传输２０００ｍ。在ｌ　ＯＧｂｉｔ／ｓ下，５０“ｍ芯径新一代多模光纤可传输６００ｍ，而６２．５　ｕｍ芯径多模光纤传输距离不足百米。　　　　采用５０　ｕｍ芯径的另一个原因是以前人们看中６２．５　ｕ　ｍ芯径多模光纤的优点，随技术的进步已变得无关紧要。在２０世纪８０年代初中期，ＬＥＤ光源的输出功率低，发散角大，连接器件损耗大，使用芯径和数值孔径大的光纤以使尽可能多光功率注入是必须考虑的。而当时似乎没人想到局域网速率可能会超过１００Ｍｂｉｔ／ｓ，即对多模光纤的带宽性能要求并不突出。现在由干ＬＥＤ输出功率和发散角的改进、连接器件性能的提高，尤其是使用了Ｖ　ＣＳＥＬ，光功率注人已不成问题。芯径和数值孔径已不再像以前那么重要，而ｌ　ＯＧｂｉｔ／ｓ的传输速率成了主要矛盾，可以提供更高带宽的５０　Ａｍ芯径多模光纤则倍受青睐。因此，５０　ｕｍ芯径多模光纤将成为主流应用光纤。　　　　多模光纤芯径较大，色散大，衰减高，传输距离短但其易于连接，相关器件便宜，操作简单可靠；因此，其主要应用在接人网和局域网等短距离场合。２．３单棋光纤特性比较　　　　单模光纤是指只传输一个光传导模（基模）的光纤。其主要优点是衰减较小，传输距离长，传输容量大，在长途骨干网、城域网、接入网等场合均有广泛应用。　　　　单模光纤中，ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５４是衰耗最小光纤，主要在海缆中采用；ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５３为零色散位移单模光纤，除在日本等有所应用外，没有进入主流应用产品。主流应用的光纤为ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５２和Ｇ．　６５５两种。２．３．１　Ｇ．６５２　Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ型光纤性能比较　　　　Ｇ．６５２　Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ型光纤性能比较见表１．裹，最新标准Ｇ．６５２　Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ型光纤性能主要参数比较表项目名称单位发布日期Ｇ．６５２　Ａ１９９７年光纤属性Ｇ．６５２　Ｂ１９９７年Ｇ．６５２　Ｃ１９９７年Ｇ．６５２　Ｄ２００３年备注截止波长ｎｍ‘１２６０《１２６０《１２６０《１２６０模厂直径（１３１０ｎｍ　）林ｎＩ（８．６一９．５）士０．７（８．６一９．５）士０．７（８．６一９．５）土０．７（８．６一９．５）士０．７包层直径林ｍ１２５士１１２５士１１２５士１１２５士１包层不圆度％《２‘２《２《２芯同』Ｌ２度误差ｐｍ《０．８《０．８《０．８‘０．８宏弯损耗（１６２５ｎｍ，　１００圈、半径３０ｍｍ　）ｄＢ（０．５‘０．５‘０．５（０．５色度色散零色散波长范围ｎｒｎ１３００一１３２４１３００一１３２４１３００一１３２４１３００一１３２４最大零色散点斜率讲／ｎｍ２　－　ｋｍ０．０９３０．０９３０．０９３０．０９３光缆属性衰减１３１０－Ｖ　１６２５ｎｍ范围内最大衰减值ｄＢ／ｋｍＮ／ＡＮ／Ａ‘０．４‘０．４（１３８３土３）　ｎｍ最大衰减值１３１０ｎｍ最大衰减值ｄＢ／ｋｍＮ／ＡＮ／Ａ见注见注ｄＢ／ｋｍ《０．５《０．４Ｎ／ＡＮ／Ａ１５５０ｎｍ最大衰减值ｄＢ／ｋｍ（０．４（０．３５《０．３（０．３１６２５ｎｍ最大衰减值ｄＢ／ｋｍＮ／Ａ（０．４Ｎ／ＡＮ／Ａ偏振模色散（２０盘链路ＰＭＤ　）ｐｓ／／币《０．５《０．２《０．５（０．２万方数据
　　　　根据表１的比较可以看出：　　　　Ｇ．６５２　Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ的划分主要根据对ＰＭＤ的要求和水峰０　３８３ｎｍ）处的衰减的要求不同。　　　　Ｇ．６５２　Ｃ／Ｄ与Ｇ．　６５２　Ａ／Ｂ的主要区别：Ｇ．　６５２Ｃ／Ｄ型光纤规定了１３８３ｎｍ波长的衰减特性，并且，该指标应当是经过氢老化试验的结果；Ｇ．６５２　Ｃ／Ｄ规定了１３１０一１６２５ｎｍ整个波长范围的衰减特性；Ｇ．６５２　Ｃ／Ｄ规定的在１５５０ｎｍ的最大衰减系数比普通单模光纤的指标低０．　０５ｄＢ／ｋｍ到０．１　ｄＢ／ｋｍ。而Ｇ．６５２　Ａ／Ｂ型光纤对以上３项无具体要求。　　　　Ｇ．６５２　Ａ与Ｇ．６５２　Ｂ的主要区别：Ｇ．　６５２　Ｂ型光纤的衰减和偏振模色散（ＰＭＤ）两项指标均比Ｇ．６５２　Ａ型光纤小，因此，目前主流应用Ｇ．６５２　Ｂ型光纤。　　　　Ｇ．６５２　Ｃ与Ｇ．６５２　Ｄ的主要区别：Ｇ．６５２　Ｄ型光纤的偏振模色散（ＰＭＤ）指标均比Ｇ．６５２　Ｃ型光纤小，且Ｇ．６５２　Ｄ型光纤的水峰衰减值更小，因此，主流应用Ｇ．　６５２　Ｄ型光纤。　　　　随着光纤制造工艺的进步，Ｇ．６５２　Ｄ型光纤和Ｇ．６５２　Ｂ型光纤价格差距已很小，几乎可以忽略不计，而Ｇ．６５２　Ｄ型光纤的可用带宽范围比Ｇ．６５２　Ｂ型光纤更广，对未来通信系统发展的支撑更好，且指标控制比Ｇ．６５２　Ｂ更严格，所以，自２００５年以来，Ｇ．　６５２　Ｄ型光纤的应用得到迅速普及，且有完全取代Ｇ．６５２　Ｂ型光纤的趋势。２．３．２　Ｇ．６５５　Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｅ及Ｇ．６５６光纤性能比较　　　　Ｇ．６５５　Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｅ及Ｇ．　６５６光纤性能比较详见表２，　　　　根据表２的比较可以看出：　　　　Ｇ．６５５　Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｅ的划分主要根据对ＰＭＤ的要求不同，Ｇ．６５５　Ａ／Ｂ型光纤的ＰＭＤ值较大，Ｇ．６５５Ｃ／Ｄ／Ｅ型光纤的ＰＭＤ值较小，Ｇ．６５５　Ｃ型光纤与Ｇ．６５５　Ｄ／Ｅ型光纤的差别不大，只是Ｇ．６５５　Ｄ／Ｅ型的光纤宽展了色散容限，包层不圆度等指标更严格一些，在实际应用中后两种光纤目前尚不能体现更大优势，且Ｇ．６５５　Ｃ型光纤已得到广泛应用，技术非常成熟，因此，Ｇ．６５５　Ｃ型光纤依然是主流商用的首选。　　　　Ｇ．６５６光纤首先是符合Ｇ．６５５标淮的光纤，但自从Ｇ．６５６光纤问世以来，几乎没有被采用过，主要有以下原因：　　　　（１）　Ｇ．６５６光纤具有较大色散（介于Ｇ．６５５与　　表２单位最新Ｇ．６５５，　Ｇ．６５６标准光纤性能主要参数比较表项目名称发布日期Ｇ．６５５　Ａ１９９６年Ｇ．６５５　Ｂ２０００年１０月光纤属性《１４５０ｎｍＮ／Ａ１．０一１０．０（８一１１）土０．７１２５士１《２（０．８（０．５Ｇ．６５５　Ｃ２００３年３月Ｇ．６５５　Ｄ２００６年３月Ｇ．６５５　Ｅ２００６年３月Ｇ．　６５６２００４年６月截止波长色度色散１４６０一１６２５ｎｍ１５３０一１５６５ｎｍｎｎｎｐｓ／ｎｍｐｓ／ｎｍ林ｍ林ｍ％材ｍｄＢｋｍｋｍ模厂直径（１５５０ｎｍ　）＜　１４５０ｎｍＮ／Ａ０．１一６．０（８一１１）士０．１２５士１包层直径包层不圆度芯同』Ｌ｀度误差宏弯损耗（１６２５ｎｍ，圈、半径３０ｍｍ　）‘１４５０ｎｍＮ／Ａ１．０一１０．０（８一１１）士０．７１２５士１‘１４５０ｎｍ低度色散中度色散（８一１１）士０．６１２５士１‘１（８一１１）士０．６１２５士１‘１《０．《０．＋２．０一＋１４．０Ｎ／Ａ（７一１１）士０．７１２５士１（２《０．８《０．５１００光缆属性衰减１４６０ｎｍｄＢ／ｋｍＮ／ＡＮ／ＡＮ／ＡＮ／Ａ‘０．３５《０．３５１５５０ｎｍｄＢ／ｋｍ《０．３５《０．３５《０．３５‘０．３５‘０．４《０．４１６２５ｍｄＢ／ｋｍＮ／Ａ（０．４（０．４《０．４‘０．２‘０．２偏振模色散（２０盘链路ＰＭＤ）ｐｓ／　ｌａ《０．５《０．５《０．２《０．２３６－万方数据
表３受色散限制的无中继距离大致理论值（Ｂ［Ｇｂｉｔ／ｓ］２　ｘ　Ｌ［ｋｍ］　ｘ　Ｄ［ｐｓ／ｎｓ・ｋｍ］　＝　１０５速率１５５０ｎｍ　（Ｇ．６５２）１５５０ｎｍ　（Ｇ．６５５）１３１０ｎｍ　（Ｇ．６５５）１３１０ｍ　（Ｇ．６５２）２．　５Ｇｂｉｔ／ｓ９２８ｋｍ４５２８ｋｍ不可用６４００ｋｍＩＯＧｂｉｔ／ｓ５８ｋｍ２８３ｋｍ不可用４００ｋｍ４０Ｇｂｉｔ／ｓ３．６ｋｍ１８ｋｍ不可用２５ｋｍ注：１，对高速传输系统来说，色散并非越小越好，否贝９会存在非线性效应，降低系统性能；　　　　２．色散斜率同样重要，大的斜率会导致边缘信道的色散累积量差别的增大，同样会影响系统性能。Ｇ．６５２之间），并未针对１５５０或１３１０窗口传输优化。　　　　（２）　Ｇ．６５６光纤有较小的模厂直径，对熔接较敏感，因此安装更困难，费用更高，与Ｇ．６５５光纤相比在消除非线性效应上的效果较差；　　　　（３）在２００４年中确立了ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５６标准后，Ｇ．６５６标准逐渐为大家所认知，Ｇ．６５６虽是新的光纤标准，但是它是为了使用Ｓ波段及解决ＮＺＤＳＦ光纤过密的信道间隔发展而提出的标准。但这些技术并非目前或未来的技术发展方向，且目前尚没有设备厂家有针对性地开发相应设备。　　　　因此，Ｇ．　６５６光纤并非运营商的首选，Ｇ．６５５标准仍是应用的主流，市场也没有出现转向Ｇ．６５６光纤的迹象。２．３．３　Ｇ．６５２与Ｇ．６５５光纤性能比较　　　　（１）光纤衰减对传输系统的影响　　　　根据表１和表２的比较可以看出：Ｇ　．６５２光纤和Ｇ．６５５光纤在１５５０ｎｍ窗口的衰减系数几乎一样，在实际测试中也验证了这样的结论，因此，在此窗口，其对系统的影响可以认为是一样的。而在１３１０ｎｍ窗口，Ｇ　．６５２光纤可用，而Ｇ．６５５光纤在此窗口不可用，尤其是在城域网传输系统中，此窗口就显得更为重要，因１３１０ｎｍ激光器的价格比１５５０ｎｍ便宜得多，其成本优势就更为明显。　　　　（２）光纤色散对传输系统的影响　　　　两种光纤相关色散指标对系统应用情况影响列于表３和表４（表中的数值均在不考虑光纤的非线性情况下得出的）。　　　　从表３和表４可以看出：　　　　对于１５５０ｎｍ窗口，在不采取色散补偿，传输同样速率且忽略光纤非线性影响情况下，在Ｇ．　６５５光纤上无中继传输距离比在Ｇ．　６５２光纤上传输距离大数倍。Ｇ　．６５２光纤在１３１０ｎｍ窗口的无中继传输距离虽然也比较大，但由于在该窗口色散为零，非线性效应大，衰减亦较大，实际应用中限制了传输距离，因此，长距离传输系统中，主要应用其１５５０ｎｍ窗口，而在城域网传输中则常用其１３１０ｎｍ窗口。　　　　表４受ＰＭＤ色散限制的无中继距离大致理论值　　　　　　　　（８［Ｇｂｉｔ／ｓ］２　ｘ　Ｌ［ｋｍ］ｘ　ＰＭＤ［ｐｓ／Ｔｋ－ｍ］２＝１００ＰＭＤ速率３１０．５０．２２．　５Ｇｂｉｔ／ｓ１８０ｋｍ１６００ｋｍ６４００ｋｍ４０００ｋｍｌ　ＯＧｂｉｔ／ｓ１１　ｋｍ１００ｋｍ４００ｋｍ２５００ｋｍ４０Ｇｂｉｔ／ｓ＜ｌｋｍ６ｋｍ２５ｋｍ１５６ｋｍ　　　　Ｇ．６５２光纤的色散系数在１５５０ｎｍ波长为１８一２０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ，当传输ｌ　ＯＧｂｉｔ／ｓ的ＴＤＭ和ＷＤＭ系统时，为了增加中继距离，需要介人具有负色散系数的光纤进行色散补偿，Ｇ．　６５５光纤１５３０一１５６０ｎｍ波长区色散通常为１．　０　－－　６ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ，传输相同的ｌ　ＯＧｂｉｔ／ｓ系统时，因色散低，勿需采取色散补偿措施或进行少量色散补偿，其克服了Ｇ　．６５２光纤在１５５０ｎｍ波长范围内色散值过大的缺点，而Ｇ．６５５光纤因在１５５０ｎｍ处色散较小，其非线性效应比Ｇ．６５２光纤大得多。传输４０Ｇｂｉｔ／ｓ传输系统时，无论采用Ｇ．　６５２光纤还是Ｇ．　６５５光纤，均需要付出补偿代价，而色散补偿器件的成本相差无几。　　　　ＰＭＤ色散对系统的影响，速率越高，影响越显著。Ｇ．６５２和Ｇ．　６５５光纤的ＰＭＤ建议指标相同。因此，二者对系统的影响基本可以认为没有差别。　　　　（３）光纤非线性对传输系统的影响　　　　光纤的非线性效应主要包括：自相位调制（ＳＰＭ），交叉相位调制（ＸＰＭ　）、四波混频（ＦＷＭ）、受激拉曼散射（ＳＲＳ）、受激布里渊散射（ＳＢＳ）等。４卜线性效应－３７万方数据
一般在ＷＤＭ系统上反映较多，在ＳＤＨ系统上反映较少，因为在ＷＤＭ设备系统中，由于合波器、分波器的插入损耗较大，需采用放大器进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因素之一。　　　　光纤通信的高速发展，对网络容量的需求也在不断增长。就目前技术发展趋势看，长途传输系统倾向于单信道４０Ｇｂｉｔ／ｓＤＷＤＭ方向发展，且ＳＤＨ层面逐渐边缘化，而ＩＰｏｖｅｒＤＷＤＭ逐渐成为长途承载网的主要组网方式。因此，在进行系统设计时，必须考虑光纤非线性对系统的影响。　　　　非线性效应对系统影响较大的主要是ＳＰＭ、ＸＰＭ和ＦＷＭ等因素。对于长途传输系统而言，其主要特点是传输距离长，光纤跨段（ＳＰＡＮ）数多。ＸＰＭ和ＦＷＭ的累积与ＳＰＡＮ数的平方根成正比，与信道间隔成反比；且色散越小，影响越大，因此，其在Ｇ．６５５光纤中比Ｇ．６５２光纤中要显著得多。而ＳＰＭ随ＳＰＡＮ数而线性增加。定量地说，ＳＰＭ可以用信号光功率密度产生的光脉冲的相位偏移来描述：巾ＳＰＭ二Ｙ．Ｐ．Ｌ．Ｎ。其中，ｙ是非线性偶合系数，具体数值与光纤有关，Ｐ是人纤光功率，Ｌ是非线性相互作用的有效长度，Ｎ是ＳＰＡＮ数。由于Ｇ．６５５光纤的截面相对较小，因而Ｇ．６５５光纤的非线性偶合系数比Ｇ．６５２光纤要大许多，ＳＰＭ在Ｇ．６５５光纤中比Ｇ．６５２光纤中影响也要大得多。因此，在Ｇ．６５５光纤上开通超长距离传输，技术挑战性更大。　　　　（４）供货商与价格因素　　　　无论是Ｇ．６５５光纤还是Ｇ．６５２光纤，其技术均十分成熟，均有较多供货商供货，竞争比较充分，不存在价格垄断、供货量等问题。Ｇ，６５５光纤本身的价格一直远远高于Ｇ．６５２光纤的价格（高５００／０一１００％）。　　　　综合ＩＴＵ一Ｔ的建议发展以及国内外的市场应用，加世纪９０年代，基于单系统的组网应用，主要采用Ｇ．６５２常规光纤，２０００年左右，由于ＤＷＤＭ系统的高速率、多通道的应用，考虑到色散补偿的因素，全球大范围大量使用了Ｇ．６５５光纤。随着后期设备厂家的技术改进、补偿技术走向成熟，补偿成本的大幅度降低，同时考虑到其他非线性因素的影响，采用Ｇ．６５５光纤开通相同的系统已没有综合成本优势，因而逐步又回归到了Ｇ．６５２（Ｇ．６５２Ｂ／Ｄ）型光纤。３结论　　　　通过以上综合分析可以给出在光缆基础网络建设中的光纤选型应遵循的基本原则：　　　　在接入网中，接入距离一般在Ｉｋｎｌ范围内，因此，在接入网网络建设中，尽可能选用５０／１２５林ｍ型多模光纤降低综合建设成本；　　　　在城域传输网、长途传输网的光纤网络建设中，采用Ｇ．６５２（Ｂ／Ｄ）光纤完全可以满足通信需求，在Ｇ．６５２Ｂ和Ｇ．６５２Ｄ型光纤价格相差不大的情况下优先选用Ｇ．６５２Ｄ型光纤。　　　　除为满足已有系统的需要和已有光缆的增补改造之外，在光纤基础网的建设中，原则上不建议新建光缆采用Ｇ．６５５型光纤。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（收稿日期：２００８年２月２６日）