光缆光纤的色散与它的参数

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光缆光纤的色散与它的参数
引言
　　随着计算机的普及和互联网的迅速发展,使得人们对信息的需求量与日俱增.这样光纤通信技术就义不容辞地承担起了海量信息的传输和交换.根据20多年的光纤通信技术工程应用经验,我们应该根据不同类型的网络所承担任务的特点来选择不同性能的光纤品种来完成不同类型的网络应用所应该履行各种各样的业务职责.为此,对于从事通信光纤研究人员就应该针对通信光纤具体的网络应用环境问题, 积极开展对光纤的材料种类、制造工艺和性能测量研究,以求能够用优越性价比的光纤来进一步满足核心网、城域网、接入网光纤通信技术发展的需求.
　　在长期从事通信光纤研究的实践工作中,人们已经掌握了可以用来制造光纤的材料有石英玻璃、多组份玻璃、红外玻璃、塑料、光子晶体等的基础上,还应该积极开展就各种光纤材料性能、制造方法、性能测量方法等方面的深入细致地研究分析.今天,为什么通信光纤大都选用石英玻璃,其理由是石英玻璃具有优越的物理、化学性能,原料提纯简单,气相沉积和拉丝成型控制精度高等.通信石英玻璃光纤的技术发展动向是从材料方面应该以合成材料来代替天然材料以提高材料纯度,降低光纤衰减.在制造工艺上必须采用复合工艺（如用PCVD+OVD等）来代替单一工艺（MCVD、AVD、PCVD或者OVD）以提高生产效率,降低光纤价格.以特殊的脱水工艺来消除通信石英玻璃光纤在1385nm的水峰来扩大通信石英玻璃光纤的可工作波长范围：1260～1670nm,以满足粗波分复用CWDM需求.
　　我们认为,在本文中除了应该在重点阐述光纤材料的同时,还应该兼顾通信光纤及其性能的研究和分析.因为不同的通信网络对光纤的性能要求各异,所以通信光纤研究人员已经根据网络的特点开发出了许多不同的类型的光纤品种,以满足各种各样通信网络层次的光纤通信技术的需要.人们正是针对DWDM核心网的远距离、大容量、高速率的通信特点研究出了核心网用的G.655 光纤和G.656 光纤以及接入网的短距离、小容量、低速率的特点, 研究出了接入网用的塑料光纤和光子晶体光纤.本文将简单介绍ITU-T 2004 年6月发布的宽带光传输非零色散位移光纤（G.656 光纤）、塑料光纤和光子晶体光纤的性能特点以及它们的最新研究动向.
　　2 研究动向
　　2.1 宽带光传输用非零色散光纤
　　G.655 光纤的研究重点就是优化色散系数、色散斜率、有效面积、工作波长范围.为了更加适应DWDM系统的传输速率、信道间隔、工作波长的不断变化需要,国际电信联盟第15 研究组于2003年1 月将2000年版的ITU-T G.655 A 、B 两种光纤,进一步细分为ITU-TG.655A、B、C三种光纤.他们细分的理由是G.655A光纤只支持200GHz及其以上间隔的DWDM,10Gbit/s系统传输400km在C波段的应用,也可以支持以10Gbit/s 为基础的DWDM 系统.G.655B 光纤支持100GHz 及其以下间隔的DWDM 在C 和L 波段的10Gbit/s 系统传输3000km 的应用.G.655C光纤消除在1385nm 附近的水峰,系统可以在1360～1530nm工作,既能满足100GHz 及其以下间隔的DWDM在C和L波段的应用,又能使N×10Gbit/s系统传输3000km,或者N× 40Gbit/s 系统传输80km以上.然而,G.655光纤在N×10Gbit/s的DWDM系统应用中,人们发现其存在着工作波长窄,色散斜率大等问题,为了解决G.655 光纤的问题,世界各个著名光纤制造厂商开展了宽带光传输用非零色散位移光纤的研究,最近几年已经研究出了这种新型光纤,即宽带光传输用非零色散位移光纤.
　　为了进一步规范各个著名光纤制造厂商宽带光传输用非零色散位移光纤的性能指标,2004年6月国际电信联盟标准化部门发布了宽带光传输用非零色散光纤和光缆的特性（ITU-T G.656 单模光纤和光缆）的建议.G.656 光纤是“宽带光传输用非零色散光纤”,即在宽阔的工作波长1460～1625nm 内色散非零.G.656 光纤实质上是一种宽带非零色散平坦光纤, 其特点在工作波长范围内色散应该大于所要求的非零值,有效面积合适,色散斜率基本为零.因此,G.656 光纤既可以显著降低系统的色散补偿成本,又可以进一步发掘石英玻璃光纤潜在的巨大带宽.G. 656光纤可保证通道间隔100GHz、40Gbit/s 系统至少传400km.G.656光纤和光缆的性能参数建议值,如表1所示.表2列出了G.656光纤链路和系统设计的一些重要参数之间的关系.为了使读者理解方便,本文就G.655 光纤和G.656 光纤的性能分别予以简单介绍.
　　G.655A 光纤支持ITU-T G.691、G.692 和G.693应用时的推荐使用值.对于G.692 应用,考虑到使用的具体光纤的信道波长和色散特性,最大的发射功率将受到限制,它适用于通道间隔200GHz及其以上DWDM系统在C波段的应用,同时也支持以10Gbit/s 为基础的DWDM系统.
　　G.655B 光纤支持以10Gbit/s 为基础的100Hz及其以下间隔的DWDM系统在C 波段和L 波段的应用.表2中所列出的G.655B 光纤参数支持ITU-T G.691、G.692、G.693和G.959.1 应用的推荐使用值.对于G.692 规定的应用,取决于所使用光纤的信道波长和色散特性,发射功率可以大于G.655A 光纤,典型的最小波长间隔为100GHz.G.655B 光纤的PMDQ 为0.50ps/km 1/2,可以保证10Gbit/s传输系统的传输距离达到400km.
　　G.655C 光纤性能与G.655B 光纤性能相似,但是G.655C 光纤应该既能满足100及其以下间隔的DWDM系统在C 波段和L波段的应用,又要求G.655C光纤的PMDQ比G.655B光纤低,即G.655C光纤的PMDQ为0.20ps/km 1/2,使得G.655C 光纤在N×10Gbit/s系统传输300km以上,或者支持N×40Gbit/s 系统传输80km以上的应用.
　　由表2得知,G.656 光纤性能本质仍然属于非零色散光纤.G.656 光纤与G.655 光纤不同的是,（1）具有更宽的工作带宽,即G.655 光纤工作带宽为1530～1625nm（C+L 波段）, 而G.656 光纤工作带宽则是1460～1625nm（S+C+L 波段）,将来还可以拓宽超过1460～1625nm,可以充分发掘石英玻璃光纤的巨大带宽的潜力；（2）色散斜率更小（更平坦）能够显著地降低DWDM系统的色散补偿成本.G.656光纤是色散斜率基本为零、工作波长范围覆盖S+C+L波段的宽带光传输的非零色散位移光纤.由表2 可知,G.656光纤的PMDQ为0.10ps/km 1/2,使得G.656光纤在N×10Gbit/s 系统传输4000km以上,或者支持N×40Gbit/s系统传输400km以上的应用.G.656 光纤特别适合作为通道间隔100GHz、传输速率40Gbit/s、传输距离400km的DWDM或者CWDM系统的光传输介质.
　　2.2 塑料光纤
　　为了降低局域网光纤接入成本,短距离局域网光纤多采用石英玻璃光纤多模光纤加发光管的配置方案.那么局域网石英玻璃光纤的研究重点是通过提高多模光纤梯度折射率分布控制精度和改善光源注入条件的方法来提高石英玻璃多模光纤的工作带宽和减小光纤的衰减,以适应吉比特以太网和10吉比特以太网发展的需要.近几年,国内外著名的光纤机构纷纷研究出了新一代的50/125 μm的多模光纤.这种多模光纤的主要特点是由于光纤制造中消除了梯度折射率分布中心的缺陷,使得梯度折射率分布控制精度远远高于传统50/125μm的多模光纤,从而大大提高了多模光纤的工作带宽.新一代的50/125μm的多模光纤与850nm的VCSEL配合使用,可以实现在850nm波长上进行10Gbit/s 串行传输300m距离.
　　随着半导体材料制造水平的不断提高和生产成本的大幅度的降低,光纤、有源/无源光器件的价格日益便宜,从而推动了光纤到大楼（FTTB）、光纤到家庭（FTTH）、光纤到桌面（FTTD）的实用化发展进程.特别是最近几年,日本和美国等发达国家已经开发出了梯度折射率分布塑料光纤.由于塑料光纤制造工艺简单、材料便宜和连接成本低的新型光纤等,所以其已经被应用于企业和大学校园局域网的内部通信系统.
　　与石英玻璃光纤相比,塑料光纤（POF, Plastic Optical Fiber）以其芯径大、制造简单、连接方便、可用便宜光源等优点正在受到宽带局域网建设者的青睐.正是宽带局域网的迅速发展带来了POF 技术的革命性进步,特别是以全氟化的聚合物（如商用产品名称为CYTOP）为基本组成的氟化塑料光纤（PF-POF）在局域网的逐步使用,从而标志着PF-POF 正在由试验室步入局域网工程应用.
　　一般,在局域网的工程应用的POF是以全氟化的聚合物为基本组成的PF-POF.众所周知,PF-POF的研究要点为衰减、带宽、制造方法等问题.最早POF 是用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制成的.由于PMMA材料中存在着大量的C-H键谐振会引起很大的光吸收,所以PMMA-POF 在650nm的衰减系数高达160dB/km以上.研究人员采用全氟化的聚合物材料为基本成份制造出了在850nm和1300nm的衰减系数小于20dB/km 的PF-POF.究其原因是氟化的聚合物中的C-F 键大大减小了光吸收,故全氟化的聚合物PF-POF 的衰减系数十分小.
　　与石英玻璃光纤相同,提高POF带宽主要方法有,（1）采用梯度折射率分布结构；（2）精确控制小的材料色散、高的模耦合和小的差分模衰减之间的作用.因此,为了提高POF带宽和减小模间色散,POF都采用梯度折射率分布结构；再通过选择小的材料色散材料,提高模耦合效率和减小差分模衰减等措施可达到提高POF带宽的目的.表3 列出了当前PMMA-POF、PF-POF和挤塑PF-POF的性能及其应用的最高水平,供读者参考.
　　长期以来,POF的生产采用的是1982年由日本庆应大学发明的“界面凝胶”工艺.该工艺利用作为包层的塑料管与塑料管内作为纤芯的混合液体之间发生的“界面凝胶”作用来形成POF的梯度折射率分布结构的.但是,“界面凝胶”工艺生产PF-POF 的“界面凝胶”反应需要很长的时间,所以该工艺的生产成本比较高.为了进一步降低POF的制造成本,美国OFS公司试验室的Whitney R.White 等人开发出了一种简单挤塑工艺来生产PF-POF.这种挤塑工艺是借助两台挤塑机分别挤出芯和包层材料熔体,然后两种材料熔体在挤塑机头处合为一体形成一个同心的熔体流,掺杂材料位于熔体的中心.在挤塑机头后,这些熔体材料流过一个长加热扩散管,从而允许来自熔体的中心的小分子掺杂剂扩散到包层材料熔体中.通过控制温度、停留时间和芯/包层材料的相对流速,人们就可以制造出各种折射率分布结构和芯/尺寸的PF-POF.挤塑PF-POF 的性能及其应用的最高水平,如表3所示.
　　2.3 光子晶体光纤
　　众所周知,材料科学是光纤通信技术的基础,即正是在半导体激光器和光纤的发明之后才诞生了光纤通信.由通信光纤研究的历程中,我们可以深切得到这样一个结论,通信光纤品种的不断更新、性能研究的突破,这一切都是建立在通信光纤材料研究的突破上.例如石英玻璃光纤的诞生, 使得世界的通信由电通信进入光通信；红外光纤的成功进一步减小了光纤的理论传输衰减； 塑料光纤的问世,又大大降低了光纤和接续的成本,从而推动了光纤通信到家庭、光纤到桌面的步伐.光子晶体光纤的结构特点,使得其具有独特性能,为光纤通信开发出新型光纤奠定了技术基础.随着PCF 的导光理论、制造工艺和应用技术的成熟,PCF有望成为下一代光纤通信用的光传输介质.1991 年,Russell 根据光子晶体传光原理又提出了光子晶体光纤的概念.最近,人们又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶体光纤.光子晶体光纤（PCF）是一种由单一介质（通常为石英玻璃,也可以为塑料）构成、并且在二维方向上呈现周期性紧密排列（周期性六角形）、而在三维空间（光纤轴向）基本保持不变的波长量级空气孔构成的微结构包层的新型光纤.与常规光纤不同,PCF是由石英玻璃—空气孔微小结构组成的光纤,其又可以分为实芯光纤和空芯光纤,即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛细管加热拉制成的,而后者则是由石英玻璃管和石英玻璃毛细管加热拉制成的.正是通过前按照设计出的PCF 的基本结构: 按照预先设计的形状（六角形）将石英玻璃毛细管紧密地排列在作为纤芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛细管的周围,即集束成棒,再通过加热拉制就可以制成所需要的性能的PCF.表征PCF 性能的3 个特征参数是纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离.在PCF的拉制过程中,改变拉制温度和速度就可以调整PCF的结构和性能,使得PCF作为光传输介质和光器件具有许多诱人之处.实际上,人们是通过调整纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离方式来达到分别制造出具有低衰减、高色散、非线性效应小（大模场直径或者大有效面积）、保偏和小弯曲损耗等性能的PCF的目的.
　　PCF具有的低损耗、小色散、低非线性效应特性,使得其在光纤通信领域的应用是非常有前途的,尤其是对于长途通信系统.随着PCF 设计方法和制造工艺的不断改进,PCF性能日趋完善.特别是K.Tajima 等人通过合理设计结构参数,如空气孔直径d和空气孔间距r尺寸,以及d/ r值,从而达到既减小PCF的衰减,又改善PCF 的色散和色散斜率的目的.现在,PCF已经进入了实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段.
　　2003年初的世界光纤通信（OFC）会议上,日本电报电话公司接入网业务系统试验实的K.Tajima等研制出衰减为0.37dB/km 、长度超过10km的超低衰减、长长度的PCF.PCF 具有完全的单模特性.PCF的可用工作波长范围为0.458 ～1.7μ m.只要对0.458～1.7μm工作波长范围进行优化,PCF的传输容量将会得到大大的提高.NTT公司的研究人员利用PCF组成10km的线路进行了8×10Gbit/s的波分复用传输试验,试验效果良好.C. Peucheret等人的研究小组利用5.6km的PCF线路进行工作波长为1550nm的40Gbit/s的传输试验.这个试验系统所用的PCF 的有效面积是72μm2、其衰减为1.7dB/km 、色散系数为32ps/km·nm.试验表明,PCF作为光信号传输介质,系统的性能没有明显的劣化.这充分证明,与常规光纤相比,PCF作为光信号传输介质最大的优势是在保证很小的偏振模色散系数的前提下,色散系数、有效面积和非线性系数可以灵活设计.随着PCF的导光理论、制造工艺和应用技术的成熟,PCF有望成为下一代光纤维通信用的光传输介质.
　　3 结论
　　由上所述,通信光纤技术的发展过程是光纤材料、制造技术、性能光纤和光纤品种发展过程.为此,我们可以得到这样3 个结论,（1）光纤通信的发展是光纤、器件、系统三者彼此发展,共同促进的结果；（2）不同种类的通信光纤是为不同层次的网络服务的；（3）为了满足新的通信系统应用, 光纤研究人员一定会不断地开发出新型的通信光纤.