全光网络中的新型光纤

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经继松 张宝富 王荣
     　　全光网络的出现，使原来为单波长信道设计的光纤已经不能满足全光网络的要求即波长窗口多而且宽(即能容纳更多波长)，允许注入更高的光功率(满足每个波长信号对光功率的要求)等。开发适合全光网络的光纤已经成为开发全光网络基础设施的重要组成部分。为适应全光网飞速发展的需要，新一代各具特色的非零色散光纤已经应运而生。
     
     　　全光网络对光纤的要求对光纤特性的不同要求取决于光纤用于何种场合。
     
     　　1.能提供更宽的光谱带宽用于城域网的光纤，由于城域网的典型距离小于80公里光放大器很少被使用，而且光纤的群速度色散并不是首要的限制。更为重要的是，城域网通常要求支撑大量到端的用户并且倾向于频率带宽的不断增加以及加强管理能力，减少光纤中增加业务和取消业务的成本。实现这一要求的办法之一是将业务分配到数百个波长上(每个波长采用低速中等速率)并采用全光的分路，上下波长。能够被单模光纤传输的波长数目在短波长端受到光纤截止波长的限制(大约在1260nm)并且在长波长端受到二氧化硅材料吸取和弯曲引入损耗的限制(大约在1650mm)。从这个角度考虑，理想的光纤应当能够容纳最多数目的波长。
     
     　　2.光纤中单位面积上的光功率的强度小海底光纤通信系统的特点是在几千公里的传输途中仅需少量或不需要上下业务，使用具有大有效面积光纤可以减少昂贵的光放大器的数量来节省开支。这种光纤的大有效面积减小了光纤中单位面积上的光功率的强度，允许更大光功率入射进光纤。因此，信号能够传输更远的距离后才需要放大。另外，与光纤的正色散相关的一种被称为调制不稳定性的光纤非线性效应会使光信号通过长距离海底后变差。在实际的海底光纤通信系统线路中巧妙地采用将大有效面积光纤、具有负色散的光纤和色散非位移光纤混合使用的办法来解决这个问题。色散非位移光纤的正色散被用来补偿负色散从而实现整个线路的平均色散接近于零。
     
     　　3.对不同波长的群速度色散，其变化量应达到最小陆地长途光缆网中的光纤的波长带宽应更宽，每个波长传输的信号具有更高速率。在光纤中传输的不同波长的光产生的群速度色散变化量应达到最小，尽量少用或者不用复杂而昂贵的色散补偿器件。
     
     　　全光网络的新型光纤
     
     下面将结合城域网和长途光缆网在实现全光传输时提出的新的不同要求分别先容全波光纤，负色散大有效面积光纤，低色散斜率光纤。
     
     　　1.全波光纤(ALLWAVEfiber)
     
     　　历史上，从1350nm到1450nm波长范围内未被使用是由于OH负离子的影响造成的衰减远远高于相邻的区域，是由于光纤制造过程中残留的OH负离子杂质的影响。该离子的吸取峰大约在1385nm附近。
     
     　　朗讯企业已经开发一种新的制造工艺克服了这个“水峰”生产的全波光纤———第一个允许人们使用1400nm附近的第五波长窗口的商用化的光纤。通过消除水峰，全波光纤的损耗由二氧化硅玻璃的本征损耗决定。
     
     　　全波光纤除了没有“水峰”外，其它特性与色散非位移光纤完全一样。全波光纤能够采用与普通光纤同样的办法切割和与连接器相连，并与现有的传输系统完全兼容。
     
     　　通过增约100nm的光谱带宽(从1350nm到1450nm波长区域)，全波光纤能够容纳大约125个新的波长(间隔为100GHz)。光纤在这些波长上的损耗比1310nm处小并且由于光纤在这些波长上的群速度色散只有色散非位移光纤在1550nm波长区域色散的一半。网络管理的改善可以通过为不同的服务提供最合适的波长带宽来实现。
     
     　　最后全波光纤获得的额外的光谱带宽能够允许使用较为便宜的激光器、复用器、解复用器和上下波长的器件。通过增加密集波分复用信道的间隔，直接调制激光器能够来替代较为昂贵的外调制激光器(特别在较短波长上)。
     
     　　2.负色散大有效面积光纤超高速系统的主要限制在于色散和非线性。
     
     　　为了克服四波混频效应的影响，在工作波长区域需要保持一定的群速度色散。虽然正负色散对于克服四波混频效应作用相同，但负色散能够克服调制时的不稳定现象———由于非线性效应和色散的相互作用而产生的另外一种非线性效应。受调制信号在具有正色散特性的光纤中传输时调制的非稳定性(MI)会以尖峰信号的形式表现出来。尖峰信号起源于前面讨论的非线性自相位调制现象。自相位调制能够造成光脉冲后沿的波长比脉冲前沿短。在具有正色散的光纤中短波长的信号比长波长的信号传输的更快。当后沿赶上前沿时，干扰就发生了并在传输的脉冲上产生一个尖峰。尖峰不是噪声而是原来信号光脉冲的一部分。
     
     　　在海底光纤通信系统中，当再生距离达到10000公里，调制不稳定的作用就变得明显了。具有负色散特性的光纤能够克服这个潜在的问题。
     
     　　除了负色散特性以外，负色散大有效面积光纤比绝大多数光纤具有更大的有效面积。将光功率分散到更大的面积上减小了光纤中的光功率强度，由此提高了非线性功率门限。因此允许更高的光功率射入光纤中，从而使光放大器的间隔变得更远。采用负色散大有效面积光纤能更好地满足海底光纤通信系统的要求。
     
     　　3.低色散斜率光纤随着技术的不断发展，光放大器现在能够允许传输系统工作在1600nm波长附近的第四波长窗口(大约是1565nm到1625nm)。为实现这一需求，光纤的色散必须满足：
     
     ●足够大，能够克服光纤的非线性效应
     
     　　●足够小，需要的色散补偿最小
     
     　　●在较宽的波长范围内色散值相对保持常数
     
     　　其中最后一项要求：色散斜率要小，是为了满足用户倾向于使用更宽的波长范围而提出的新的努力方向。所谓色散斜率是用来衡量光纤的色散随着波长变化的程度。针对不同应用而设计的光纤会在色散斜率上有较大的不同，即使它们具有相同的零色散波长。当光纤用于长途传输系统时，色散斜率的作用会变得相当可观。位于工作波长区域两端信道(例如在C波段的1530nm和1565nm处)和位于波长区域中间信道的色散值差随着距离的增加而增加。
     
     　　减小色散斜率有两个主要的好处———无需增加长波长的色散就能够改善短波长的性能，并且降低了在C波段和L波段色散补偿的成本和复杂度。具有高色散斜率的非零色散光纤必须在短波长1530nm附近太小的色散和在长波长1635nm附近太大的色散之间做出折衷的考虑。这种较低的色散对短波长的功率(即传输距离)的限制，取决于所使用的传输设备(功率电平，信道间隔，以及其它因素)。
     
     　　现代长途光纤通信系统工作在第三波长窗口(C波段)，将来的系统工作在第四波长窗口(L波段)。在这些区域低色散斜率光纤的色散可以克服四波混频效应和交叉相位调制，同时能够防止脉冲扭曲过度而需要使用昂贵的色散补偿器件。
     
     　　总结
     
     　　对光纤特性的不同要求取决于光纤用于何种网络。海底光缆网传输的距离最长，为了满足系统的高可靠性因而在网络中使用了大量的昂贵的光放大器。具有负色散特性和大有效面积的光纤减少了对昂贵的光放大器的需求，因此能够大量的节约成本。
     
     　　陆地长途光缆网，采用非零色散光纤和每个信道速率为10Gb/s方案已被广泛的公认为每比特成本最低的传输方式。这一点已经在大量敷设的非零色散光纤的光缆中得到证实。在美国陆地长途光缆网中，超过半数的光缆是采用该种光纤。小色散斜率光纤，在第三波长窗口具有较高的性能，并且适用于新兴的第四波长窗口。　　城域网可以从一根光纤中容纳尽可能多的波长中受益。通过减少与损耗相关联的OH负离子，全波光纤能够容纳比普通色散非位移光纤多40%的波长。
     
     　　全光网络的不同应用———海底通信系统，陆地长途通信系统以及城域网———能够通过不同的新型光纤解决方案来实现。针对不同的场合采用相匹配的光纤类型已经能够在光纤中将1Tb/s的信号传输超过400公里。最终，每根光纤有可能以上述速度的50倍传输信号。