G.655 光纤的特点及其应用
信息产业部北京邮电设计院 唐红炬 |
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摘要：随着长途通信传输容量的成倍增长，以 10Gbit ／ s 为基础的波分复用技术全面走向商用。新开发的 G.655 光纤是开通大容量传输系统的较好的媒介。
关键词：波分复用 光纤 色散 四波混合 G.655
1. 引子
21 世纪是一个多媒体的时代，电信网也将是一个宽带、大容量的多媒体网络。长途骨干传输网正向以单根光纤提供 Tbit ／ s （＝ 1000Gbit ／ s ）信息容量的方向发展。中国网通的 G.655 长途骨干网已经初具规模，为其今后向社会提供宽带传输通路奠定了基础。中国电信的改组也初步完成，未来两年内，中国电信将建设完成超高速骨干传输网。随着今年底第二条京济宁干线光缆线路工程的开工，中国电信在长途骨干传输网上大规模使用 G.655 光纤的时代到来了。那么，为什么要使用 G.655 光纤呢？
2. 光纤的非线性影响
我们都知道，近 10 年来， G.652 光纤一直占据着光纤市场的主导地位，但是随着光纤传输速率的提高，尤其是近年来，随着光纤放大器的应用和波分复用（ WDM ）技术的发展，人们对光纤又有了一些新的要求。在以前的传输网上，进人光纤的光功率不大，光纤呈现线性传输特性，影响光纤传输特性的因素主要是损耗和色散。然而，随着光纤放大器的应用，超过＋ 18dB 以上的光信号被耦合进一根光纤，波分复用技术使一根光纤中有了数十条甚至上百条光波道。这时，较高的光能量聚集在很小的截面上，光纤开始呈现出非线性特性，并成为最终限制传输系统性能的关键因素。主要的非线性现象是受激散射和非线性折射（克尔效应）。
受激散射主要分为受激拉曼散射（ SRS ）和受激布里渊散射（ SBS ）。其中 SRS 对于单波长系统的影响可以忽略不计，但是对于高密集的波分复用系统， SRS 将成为限制通路数的主要因素。拉曼散射和布里渊散射都使入射光能量降低，并在光纤中形成损耗。这种损耗在入射功率低时影响甚微，但入射功率达到一定程度时，损耗就会到影响系统的正常运行。
克尔效应是在光功率较高时，光纤的折射率随光强变化而变化的非线性现象。主要有自相位调制、交叉相位调制和 4 波混合，其中尤以四波混合对大功率 WDM 系统影响最大。在波道频率间隔相等和光纤的色散很低的情况下，四波混合会将大量的信道的功率转移到另一条渡道上。这不仅使有用的信道的功率损失，而且导致信道间串音，严重影响系统性能。特别是当波道波长接近光纤零色散点时，这一现象更加突出。
3. 各种光纤的比较
在 1550nm 处，常规的 G.652 光纤具有最低损耗特性。再配合使用光纤放大器，可以在 G.652 光纤上开通 8×2.5Gbit ／ s 或 16 甚至 32×2.5Gbit ／ s 系统。但由于 G.652 光纤在 1550nm 处的色散值较大，受其影响，当单一波道上的传输速率提高到 10Gbit ／ s 时，传输距离就会大大缩短。因此，高速率的传输系统要求采取色散补偿的方式降低 G.652 光纤在 1550nm 处的色散系数，例如在 G.652 光纤线路中加入一段色散补偿模块。但由于采用色散补偿模块，会引入较高的插入损耗，系统必须使用光纤放大器，造成系统建设成本的提高。因此在骨干传输网上，利用 G.652 光纤开通高速、超高速系统不是今后的发展方向。
这里，不得不提及 G.653 光纤。将 G.652 光纤的零色散波长从 1310nm 移至 1550nm 处，便成为了 G.653 ，色散位移光纤。
在 G.653 光纤上，使用光纤放大器技术，可将高功率光信号在单波道上传输得更远，是极好的单波道传输媒介，可以毫无困难地开通长距离高速系统。但是对于 DWDM 复用系统，这种光纤不是合适的媒介。 G.653 光纤在工作区内的零色散点是导致光纤非线性四波混合效应的源泉。一般来讲，四波混合的效率取决于通路间隔和光纤的色散。通路间隔越窄，光纤色散越小，不同光波间相位匹配就越好，四波混合的效率也就越高，而且一旦四波混合现象产生，就无法用任何均衡技术来消除。但是，若有意识地在生产光纤时使其具有一定的色散，比如，大于 0.1ps ／ nm·km ，则可有效地抑制四波混合现象。为此，一种专门为高速超大容量波分复用系统设计的新型光纤诞生了，这就是 G.655 ，非零色散位移光纤。
G.655 光纤的零色散点不在 1550nm 附近，而是向长波长或短波长方向位移，使得 1550nm 附近呈现一定大小的色散（ ITU—T 规范为 0.1-6ps ／ nm·km ）。这样，可大大减轻四波混合的影响，有利于密集波分复用系统的传输。但同时，也要控制 1550nm 附近的色散值不能太大，以保证速率超过 10Gbit ／ s 的信号可以不受色散限制地传输 300km 以上。根据零色散点出现的位置的不同， G.655 光纤在 1530nm － 1565nm 的工作区内所呈现的色散值也不同。零色散点在 1530nm 以下时，在工作区内色散值为正值，这种正色散 G.655 光纤适合陆地传输系统使用；零色散点在 1565nm 以上时，在工作区内色散值为负值，这种负色散 G.655 光纤适合海底传输系统使用。
上述三种光纤的主要技术规范见表 1 。
表 1 ITU-T 关于光纤的主要规范
光纤种类 |
G.652 光纤 |
G.653 光纤 |
G.655 光纤 |
大有效面积光纤 |
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模场直径（标称值） |
8.6-9.5μm
变化不超过 ±10 ％ |
7-8.3μm
变化不超过 ±10 ％ |
8-11μm
变化不超过 ±10 ％ |
9.5μm
变化不超过 ±10 ％ |
|
|
模场同心度偏差 |
≤1μm |
≤1μm |
≤1μm |
≤1μm |
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2m 长光纤截止波长 λc |
≤1250nm |
-- |
≤1470nm |
-- |
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22m 长光缆截止波长 λcc |
≤1260nm |
≤1270nm |
≤1480nm |
-- |
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零色散波长 |
1300-1324nm |
1500-1600nm |
-- |
-- |
|
零色散斜率 |
≤0.093ps ／ nm （的平方） km |
≤0.085ps ／ nm （的平方） km |
-- |
≤0.1ps ／ nm （的平方） km |
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最大色散系数 |
≤20ps ／ nm·km
(1525-1575nm) |
≤3.5ps ／ nm·km
(1525-1575nm) |
0.1-6.0ps ／ nm·km
(1530-1565nm) |
1-6.0ps ／ nm·km
(1530-1565nm) |
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包层直径 |
125±2μm |
125±2μm |
125±2μm |
125±2μm |
|
典型衰减系数（ 1550nm ） |
0.17-0.25dB ／ km |
0.19-0.25dB ／ km |
0.19-0.25dB ／ km |
0.19-0.25dB ／ km |
|
1550nm 的宏弯损耗 |
≤1dB |
≤0.5dB |
≤0.5dB |
≤0.5dB |
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适用工作窗口 |
1310nm 和 1550nm |
1550nm |
1550nm |
1550nm |
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表 1 中提及的大有效面积光纤是一种改进型 G.655 光纤。其模场直径比一般的 G.655 光纤大，光有效面积达 72μm （的平方）以上，可承受更高的入射光功率。由于光纤的非线性效应与入射的光功率密度成正比，而功率密度又与纤芯的有效面积成反比，因而这种光纤可以更有效地克服非线性效应。同时，这种光纤的色散系数规范也大为改进，提高了下限值，使之在 1530nm － 1565nm 窗口内处于 1 至 6ps ／ nm·km ，从而进一步减小四波混合的影响。因而这种光纤非常适合高速率的 DWDM 系统，从目前看，大有效面积 G.655 光纤将成为今后长途骨干传输网的首选光纤。
大保实光纤（ G.655 ）性能及其应用
随着全球通信容量的飞速增长，ＥＤＦＡ和ＤＷＤＭ技术的日益成熟，光电技术和器件的快速更新发展，促使光纤的性能达到更高的速率、更大的容量。大保实光纤就具有更均衡的有效面积，低色散斜率和低ＰＭＤ等特性，可以有效地抑制非线性效应，适用于长距离、高速率、大容量的ＤＷＤＭ通信系统的应用。这样，通信网络设计者可以充分利用ＤＷＤＭ技术和光电器件的功能，增加系统设计的灵活性。
１．波分复用系统发展的要求
在ＷＤＭ通信网中，干线传输的波道多，功率大，而光纤中的非线性效应是影响系统性能的主要因素。非线性效应包括四波混频（ＦＷＭ），自相位调制（ＳＰＭ），互相位调制（ＸＰＭ），及由受激散射产生的拉曼散射（ＳＲＳ）和布里渊散射（ＳＢＳ）。光纤中的非线性效应与光功率密度有关。对ＷＤＭ系统影响最大的非线性效应为ＳＰＭ。ＳＰＭ是由于光脉冲中心强度引起折射率变化产生的脉冲展宽。有ＳＰＭ产生功率损失与有效面积的关系如（１）式：其中Ｄ为光纤色散，Ａｅｆｆ为有效面积。 １ ＦＷＭ指两个或三个波长的光波混合产生新波长光波的现象，是影响ＤＷＤＭ通信的主要非线性效应之一。有ＦＷＭ一起的光噪声功率如（２）式所示：式中Ｐ为每通道光功率，ｎ２为非线性折射率， α 为光纤损耗， Δλ 为信道间隔。 ２ 对ＷＤＭ系统影响最大的两种非线性效应都随有效面积的增加而减小。因此，大有效面积的非零色散位移光纤是应用于大容量ＤＷＤＭ系统的最优化设计光纤。
２．大保实（Ｇ．６５５）光纤
大保实（非零色散位移单模光纤）光波导有利于高速率、大容量的通信传输。其折射率剖面为多包层抛物线型。纤芯折射率的高低对导光面积的影响最大，１％的折射率波动将会引起有效面积数平方微米的变化。通过调整芯径和下陷层的高低可以获得１５５０ｎｍ窗口的低色散及零色散点的低斜率，并可以控制直至Ｌ波段的较平坦的色散分布。外环的作用一方面适当地增加有效面积，减小非线形效应；另一方面，外环折射率的高低和宽窄可以使光波场的更大部分分布于光波导的中心，以避免宏弯和微弯损耗，降低光纤性能受外部因素干扰的敏感性。
理论分析和实践表明，多包层折射率分布利用其基模波导色散控制原理，是构成大有效面积非零色散位移光纤最理想的结构。而ＰＣＶＤ工艺由于其折射率分布控制精确、均匀，因此，大保实光纤在衰减、色散、色散斜率及偏振模色散（ＰＭＤ）等指标上得到进一步优化，能满足高速率、大容量、多通道的通信需要。
在大保实光纤生产的核心工序 -- 预制棒沉积过程中，我们利用ＰＣＶＤ工艺沉积均匀性好，折射率分布精细的特点，分别控制芯层和包层的沉积，既保证了完善的光学性能，又提高了制造效率。通过控制非等温等离子体的功率，反应物ＧｅＣｌ４、ＳｉＣｌ４等气体的流量，以及真空条件下的压力和温度分布等工艺因素，可以获得所需要的理想的折射率分布，平衡各个使光纤有效面积，色散、色散斜率及抗弯曲能力调整到最佳状态。
在ＰＣＶＤ沉积过程中，非均相反应过程不受温度影响，减少了沉积对温度的敏感性。微波功率直接耦合到负压的反应区域内，使沉积不受沉积衬管热传导性的影响。通过精确控制折射率不同界面的掺杂量和ＧｅＯ２、氟等物质的扩散，进一步提高了光波导的对称性和均匀性，并且减小了产生ＰＭＤ的主要因素之一 -- 光纤内应力的影响，使大保实光纤的ＰＭＤ的链路值不大于０．１ｐｓ／。
大保实光纤不仅在１５５０ｎｍ工作波段有较小并且稳定的正色散值，在Ｌ波段（１５６５ｎｍ～１６２５ｎｍ）也有较低的色散和衰耗，因此，大保实光纤能充分支持ＤＷＤＭ在Ｌ波段的传输。为有效地抑制四波混频等非线性效应，我们权衡了有效面积和色散斜率，使大保实光纤能可靠地应用于密集波分复用系统中。
３．系统实验
我们用大保实光纤成功地实现了１６ × １０Ｇｂｉｔ／ｓ ４００公里无误码的传输实验。
试验中的系统受条件限制，有调制的信号光只有７个波道，其余９个波道用直流光顶替。其基本参数为：速率，９．９５３２８Ｇｂｉｔ／ｓ；测试误码率的信号图案，２３１－１伪随机码；灵敏度条件，ＢＥＲ＜１０－１２。 １５５０．９２ｎｍ波道传输４００ｋｍ后的接收眼。
在误码率ＢＥＲ＝１０－１０时，系统传输各通道代价均小于１ｄＢ。在传输实验中， 没有出现四波混频（ＦＷＭ），自相位调制（ＳＰＭ）等非线性效应。ＰＭＤ也没有对传输产生影响。
大保实光纤权衡了有效面积和色散斜率的影响，在大有效面积的基础上，调整了色散和色散斜率等光学性能，使大保实光纤更有利于克服非线性效应对系统的影响，满足长距离，高速率的ＤＷＤＭ传输。在Ｌ波段的色散和衰耗控制，提供了更好地扩容性。
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