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标  题: 下一代电信网的光纤
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月09日10:39:26 星期六), 站内信件

下一代电信网的光纤
信息产业部电信研究院韦乐平
    光纤作为传输媒质，为光传输提供了巨大而廉价的可用带宽，在光传送网的发
展中起着重要作用。下一代电信网需要支持更大容量、更长距离的传输，因而开发
敷设下一代光纤已成为构筑下一代电信网的重要基础，本文就下一代光纤的分类、
特点、应用及其设计考虑做简要讨论。

　

开发应用下一代光纤的必要性

    当前，电信界正面临着一场百年未遇的巨变，开放市场、引入竞争的进度明显
加快，电信管理体制改革的力度明显加大。特别是近年来，以因特网为代表的新技
术革命正在深刻地改变传统的电信观念和体系框架，其迅猛发展的速度是人类历史
上所有工业中最快的。资本投资也大量集中在这一领域，新概念、新技术更是不断
出现，令人眼花缭乱,目不暇接。目前，北美骨干网上的业务量已达到了约6～9个
月左右就翻一番的地步，比著名的半导体芯片性能进展的摩尔定律(约18个月左右
就翻一番)还要快2～3倍，而且迄今没有减缓的迹象。过不了多少年，全球的因特
网业务将超过话音业务，100年来始终占据绝对主导地位的话音业务将最终让位给
数据业务。
    从我国的具体国情分析，特别是近几年来IP业务量的发展趋势看，今后5～10
年电信网上的数据业务量也同样可能超过话音业务量，传统电话网将不可避免要过
渡到以数据业务——特别是IP业务为中心的、融合的下一代电信网，下一代电信网
将最终支持包括话音在内的所有业务。简言之，从网络的角度看，传统的以电话业
务为基础的电路交换网无论从业务量设计、容量、组网方式，还是从交换方式上来
讲都已无法适应这一新的发展趋势，开发新一代的、可持续发展的网络已成为电信
界的共同心愿。各大公司都在设计构思未来网络的蓝图，诸如可持续发展的网络
(CUN)、一体化网(UN)、下一代网络(NGN)和新的公众网(NPN)等等。虽然网络名称
不同，但其基本思路都是共同的，即具有统一的IP通信协议和巨大的传输容量，能
以最经济的成本灵活、可靠、持续地支持一切已有和将有的业务和信号。显然，这
样的网络其基础物理层只能是波分复用(WDM)光传送网，这样才可能提供巨大的网
络带宽，保证可持续发展的网络结构、容量和性能以及廉价的成本，支持当前和未
来的任何业务和信号。
    综上所述，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展, 而构筑具有巨大传
输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础，传统的G.652单模光纤在适应上
述超高速、长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势, 开发下一代
新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前, 为了适应干线网
和城域网的不同发展需要, 已出现了两种不同的新型光纤, 即非零色散光纤(G.
655光纤)和无水吸收峰光纤。

　

非零色散光纤

    非零色散光纤
    非零色散光纤(G.655光纤)的基本设计思想是在1550窗口工作波长区具有合理
的、较低的色散, 足以支持10Gbps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, 具有最小数值
限制，例如2ps/( nm·km)以上,足以压制四波混合和交叉相位调制等非线性影响,
适宜开通具有足够多波长的DWDM系统, 同时满足TDM和DWDM两种发展方向的需要。

    为了达到上述目的,我们可以将零色散点移向短波长侧或长波长侧, 使之在
1550nm附近的工作波长区呈现一定大小的色散值以满足上述要求。典型G.655光纤
在1550nm波长区的色散值为G.652光纤的1/6～1/7，因此色散补偿距离也大致为G.
652光纤的6～7倍，色散补偿成本(包括光放大器、色散补偿器和安装调试)远低于
G.652光纤。另外，由于G.655光纤采用了新的光纤拉制工艺，具有较小的极化模色
散，单根光纤的极化模色散一般不超过0.05ps/km0.5 。即便按0.1ps/km0.5考虑，
这也可以实现至少400km长的40Gbps信号的传输。
    在两种零色散点不同偏移方向的G.655光纤中，具有正色散的G.655光纤的主要
优点是可以利用色散补偿其一阶和二阶色散；另外，由于在1550nm附近D为正,有可
能与能够产生负啁啾的MZ外调制器结合, 利用SPM技术来扩大色散受限传输距离甚
至实现光孤子传输；最后, 这类光纤在1310nm波长区的色散较小,有利于开放1310
窗口。但它的主要缺点是可能产生调制不稳定性；另外, 这类光纤对XPM的影响比
较敏感, 由之产生的性能劣化较大。
    具有负色散的G.655光纤的主要优点是不存在调制不稳定性问题, 接收机眼图
清楚, 对XPM的影响不敏感, 由之产生的性能劣化较小。其缺点是不能利用SPM来扩
大色散受限传输距离, 也不支持光孤子通信, 1310nm窗口色散较大；此外，在光纤
制造工艺相同和折射率剖面形状类似的条件下，零色散波长较长的光纤要求有较大
的波导色散，因而芯包折射率差较大，从而往往使之损耗较大而有效面积较小；最
后，利用G.652光纤来补偿这类光纤虽然仅能补偿其一阶色散, 但G.652光纤成本较
便宜。在具有负色散的G.655光纤中，不同厂家的具体设计和参数也不尽相同。原
则上, 色散系数绝对值小有利于10Gbps信号传得更远, 但四波混和影响大, 复用的
通路数少于色散系数绝对值较大的光纤，不利于密集波分复用系统应用。另外，随
着系统应用波长范围向L波段扩展，这类光纤的零色散波长恰好处于1570nm附近，
会发生四波混合问题，不利于开拓L波段应用。随着复用通路数越来越大以及系统
应用波长范围向L波段扩展，这类光纤的弱点越来越显著。
    总的来看，两类光纤各有优缺点，共同的优点是均能支持以10Gbps为基础的长
距离DWDM传输系统。当传输距离为几百公里范围时，即多数陆地传输系统应用场
合，具有正色散的G.655光纤上的脉冲有压缩现象，眼开度较大，MI影响不大，比
较有利，具有负色散的普通G.655光纤也同样可用，但复用通路数不够多；当传输
距离大于1000km时，两类光纤上的脉冲均呈较大的展宽现象，必须使用色散补偿技
术。但要注意，具有正色散的G.655光纤上的脉冲频谱展宽将会大到其中部分功率
落到WDM滤波器通带之外，或者会由于光放大器链的增益带变窄而被滤掉。此时，
负色散G.655光纤将是唯一的选择，例如海缆系统应用就是这样。近来，随着DWDM
系统的工作波长区从C波段向L波段发展，具有正色散的G.655光纤正逐渐成为未来
陆地光纤通信系统的主要光纤类型。
    低色散斜率光纤
    所谓色散斜率指光纤色散随波长变化的速率，又称高阶色散。在长途WDM传输
系统中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于
色散斜率的作用，各通路的色散积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路间的色
散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量通路的色散值
超标，从而限制了整个WDM系统的传输距离。
    初期的G.655光纤主要是为C波段设计的, 因而色散斜率稍大一点问题不太大。
然而, 随着宽带光纤放大器技术的发展, DWDM系统的应用范围已经扩展到L波段,
全部可用频带可以从1530～1565nm扩展到1530～1625nm。在这种情况下, 如果色
散斜率仍维持原来的数值(大约0.07～0.10ps/(nm2·km)), 长距离传输时短波长和
长波长之间的色散差异将随距离增长而增加，势必造成L波段高端过大的色散系数,
影响10Gbps及以上速率信号的传输距离，或者说需要代价较高的色散补偿措施才
行，而低波段的色散又嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制
的影响。为此, 开发低色散斜率的G.655光纤成为必要。通过降低色散斜率，我们
可以改进短波长的性能而不必增加长波长的色散，使整个第三和第四窗口的色散变
化减至最小，同时可以降低C波段和L波段色散补偿的成本和复杂性。目前, 美国
贝尔实验室已开发出新一代的低色散斜率G.655光纤(真波RS光纤), 光纤色散斜率
已从0.075ps/(nm2·km) 降到0.05ps/( nm2·km)以下。典型低色散斜率G.655光纤
在1530～1565nm波长范围的色散值为2.6～6.0 ps/(nm·km), 在1565～1625nm波长
范围的色散值为4.0～ 8.6 ps/(nm·km)。其色散随波长的变化幅度比其他非零色
散光纤要小35％～55％，从而使光纤在低波段的色散有所增加，最小色散也可达
2.6ps/(nm·km)，可以较好地压制四波混合和交叉相位调制影响，而另一方面又可
以使高波段的色散不致过大，可低于8.6ps/(nm·km)，仍然可以使10Gbps信号传输
足够远的距离而无须色散补偿，通信系统的工作波长区可以顺利地从C波段扩展至
L波段而不至于引起过大的色散补偿负担，甚至只需一个色散补偿模块即可补偿整
个C波段和L波段。
    大有效面积光纤
    超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常，线性色散可以用色散补偿
的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除。光纤的有
效面积是决定光纤非线性的主要因素，尽管降低输入功率或减少系统传输距离和光
区段长度也可以减轻光纤非线性的影响，但同时也降低了系统要求和性能价格比，
可见光纤的有效面积是长距离密集波分复用系统性能的最终限制。为了适应超大容
量长距离密集波分复用系统的应用, 大有效面积光纤已经问世。
    其中以美国康宁公司的Leaf光纤为例，光纤的截面积采用了分段式的纤芯结构
，典型有效面积达72μm2以上, 零色散点处于1510nm左右, 其弯曲性能、极化模色
散和衰减性能均可达到常规G.655光纤水平, 而且色散系数规范已大为改进，提高
了下限值, 使之在1530～1565nm窗口内处于2～6ps/(nm·km) 之内, 而在1565～
1625nm窗口内处于4.5～11.2ps/(nm·km) 之内, 从而可以进一步减小四波混合的
影响。由于有效面积大大增加, 可承受较高的光功率, 因而可以更有效地克服非
线性影响, 若按72μm2面积设计,这至少减少大约1.2dB的非线性影响。按目前的
有效面积设计，其光区段长度也可以比普通光纤增加约10km。尽管其色散为正, 也
可能产生调制不稳定性, 但由于有效面积变大,其影响将远小于普通正色散光纤。
其主要缺点是有效面积变大后导致色散斜率偏大, 约为0.1ps/( nm2·km), 这样在
L波段的高端，其色散系数可高达11.2ps/(nm·km)，使高波段通路的色散受限距离
缩短，或传输距离很长时功率代价变大；当应用范围从C波段扩展到L波段时需要较
复杂的色散补偿技术，这就不得不采用高低波段两个色散补偿模块的方法，从而增
加了色散补偿成本；另外其MFD也偏大, 在1550nm处大约为9.2nm到10nm, 因此微弯
和宏弯损耗需要仔细控制。
    在理论上，光纤的线性色散总是可以补偿的，而非线性却很难补偿。大有效面
积光纤从本质上改进了系统抗非线性的能力，这一优点特别表现在间隔100GHz、容
量为40×10Gbps以上的C波段WDM系统中，此时其系统设计窗口较大，色散补偿的精
度要求较低。我们可以认为，在C波段，由大有效面积光纤构成的以10Gbps为基础
的高密集WDM系统信噪比较高, 误码率较低, 光放大器的间隔较长, 系统总长度也
较长, 代表了干线光纤的又一新发展方向。
    在实际应用中，我们也可以采用正色散和负色散光纤交替连接的方式来完成色
散补偿，从而消除色散的影响，但这会为维护运行带来麻烦。

　

无水峰光纤

    概念和必要性
    与长途网相比，城域网面临更加复杂多变的业务环境，它要直接支持大用户，
需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。但其传输距离却短得多，通常只有50～
80km, 因而很少应用光纤放大器，光纤色散也不是问题。那么，在这样的应用环境
下要最经济有效地流通业务，光纤成为至关重要的网络设计因素。
    采用数十乃至数百个复用波长的高密集波分复用技术是一项很有前途的长远解
决方案。届时，网络可以将各种不同速率和性质的业务分配给不同的波长，在光路
上进行业务量的选路和分插。在这类应用中，开发具有尽可能宽的可用波段的光纤
成为关键。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，只要在光纤内
部有几个OH离子ppb(parts per billion)就足以导致在1385nm附近产生几分贝的衰
减，使1350～1450nm中约100nm宽的频谱因衰减太高而无法使用。若能设法消除这
一水峰，则光纤的可用频谱可望大大扩展，无水峰光纤就是在这种形势下诞生的。
不同公司制造的无水峰光纤具有不同的名字，下面以美国朗讯科技公司的无水峰光
纤全波光纤为例进行讲述。全波光纤采用了一种新的生产工艺，几乎可以完全
消除内部的氢氧根(OH)离子，从而可以比较彻底地消除由之引起的附加水峰衰减。
光纤衰减将仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定，在1385nm处的衰减可低达0.
31dB/km。由于内部已清除了氢氧根，因而光纤即便暴露在氢气环境下也不会形成
水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。除了没有水峰以外，全波光纤与普通的标准
G.652匹配包层光纤一样。然而，由于没有了水峰，光纤可以开放第5个低损传输窗
口，从而带来一系列好处。
    *可用波长范围增加100nm，使光纤可以提供从1280nm到1625nm的完整传输波段
，全部可用波长范围比常规光纤增加约一半, 可复用的波长数大大增加。
    *由于在上述波长范围内，光纤的色散仅为1550nm波长区的一半，因而，容易
实现高比特率长距离传输。例如在1400nm波长附近， 10Gbps速率的信号可以传输
200km而无需色散补偿。
    *可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理。例如可
以在1310nm波长区传输模拟图像信号，在1350～1450nm波长区传输高速信号(高达
10Gbps)，在1450nm以上波长区传输其他信号。
    *当可用波长范围大大扩展后，容许使用波长间隔较宽、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。
    例如，通过增加波长间隔，网络可以使用较便宜的无制冷直接调制激光器，避
免了昂贵的外调制激光器。对于薄膜滤波器而言，波长间隔从100GHz增加到200
GHz后，滤波器成本可以降低50％左右，波长间隔进一步增加到400 GHz后，滤波器
成本可以降低70％左右。
    氢损耗
    在实际应用中，人们很难保证在光缆安装和使用的整个寿命期间完全不产生或
不接触氢气，因而设计性能优良的无水峰光纤的关键是：光纤在整个寿命期间都不
会因氢气的存在而导致氢损耗的增加。
    光纤中的氢损耗是由光纤本身的缺陷与氢气的反应所产生的，通常分为两类。
第一类是OH型损耗，发生在1385nm处。第二类是SiH型损耗，发生在1530nm处, 而
且往往伴随发生1385nm处的OH吸收峰增加。在室温下，大部分的SiH吸收峰和小部
分的伴随OH吸收峰会在几天或几个月后自动消失，即SiH引起的损耗增加是暂时的
，其危害性远不及OH型损耗。
    在光缆的安装和使用的整个寿命期间出现的氢气残量与光纤中各种硅或锗缺陷
之间的氢反应会形成SiOH和GeOH吸收峰，其中心波长恰好在1385nm,这导致光纤损
耗吸收峰增加。实测结果反映，在室温下，将硅基光纤暴露在0.01氢气压下4天后
，不同的光纤类型呈现不同的特性，MCVD法和VAD法制造的光纤在1385nm处的吸收
损耗增加小于0.01dB/km, 利用混合的VAD过程制造的无OH光纤大约平均增加0.
04dB/km, 而其他类型光纤的吸收损耗增加都比较明显，范围大致在0.06～0.
21dB/km。
    系统的光器件
    要想开放第五传输窗口，仅有适用的无水峰光纤还不够，必须要有一系列有源
和无源器件的配合。目前这些条件已基本具备。
    适用于这一波长区的光源有：EA、DFB和FP；光接收器件有：PD和APD；光放大
器有：拉曼放大器和量子阱半导体光放大器；无源器件有：薄膜滤波器、光纤布拉
格光栅等等。因此，开发和利用光纤第五传输窗口的条件和时机均已成熟。

　

我国下一代电信网的光纤选型

    近年来，我国电信网呈现了飞速发展的态势,电信业务量持续高速增长,电话网
的规模已居世界第二，蜂窝移动通信网的规模则居世界第三。到1999年9月底全国
电信网规模已超过1.5亿门, 干线光缆的长度达22万公里，电话普及率达12.6％，
因特网用户已超过700万。据初步预测估计，我国干线最大截面容量在未来5～10年
可能达到60Gbps～1Tbps, 可见其发展潜力之大。
    光纤是基础之基础，我们必须要考虑光纤在15～20年中能够满足传输容量和速
率的发展需要。从我国的未来发展需要看，我国东部地区的新干线建设将逐渐转向
以10Gbps速率为基础的WDM系统。在这一速率前提下，采用G.655光纤的系统成本将
比采用传统G.652光纤的系统成本大约低30％～50％，因而新敷光纤转向G.655光纤
是有远见卓识的决策。另一方面，我国又是一个经济发展高度不平衡的国家，我国
西部地区的业务需求在很长时间内都难以赶上东部地区，因而这些地区采用以2.
5Gbps速率为基础的WDM系统将足以满足相当长时间的干线业务量需求。在这一速率
前提下，采用G.655光纤的必要性和急迫性没有那么强，除非G.655光纤的价格有较
大幅度的降低，否则，新敷光纤继续采用G.652光纤是现实合理的选择。
    至于具体哪一种G.655光纤更适合中国的网络，目前尚无一种肯定答案，唯一
可以肯定的是：第一代真波光纤和LS光纤都不必考虑，而第二代真波RS光纤和大有
效面积光纤在性能上都足以支撑我国未来至少15年的网络容量和速率发展需要。

    从城域网角度看，为了适应未来多业务多速率的环境需求，扩大可用光谱的范
围，新敷光纤逐渐转向价格基本相同、而可用光谱范围可以扩大100nm的全波光纤
是合乎逻辑的。

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