前沿技术:光纤技术与光纤网络

2019-11-04 22:43:58

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供稿：网友

　　1.光导纤维技术特性

1.1.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，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四周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四周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外形类似的条件下，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四周,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DW DM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。但要注重,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。

1.2.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, 假如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光纤是非常必要。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1565～1625n m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。

1.3.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4.5～1 1.2ps/(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,这一优点非凡表现在间隔100GHz、容量为40×10G bps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。

1.4.无水峰光纤

　　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治理能力。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要害。目前影响可用波段的主要因素是1385nm四周的水吸收峰,只要在光纤内部有几个OH离子ppb(par ts per billion)就足以导致在1385nm四周产生几分贝的衰减,使1350～1450nm中约100n m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：

　　1.4.1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。

　　1.4.2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,轻易实现高比特率长距离传输。例如在1400nm波长四周, 10Gbps速率的信号可以传输200km而无需色散补偿。

　　1.4.3可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输,改进网络治理。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。

　　1.4.4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,使元器件非凡是无源器件的成本大幅度下降,降低了整个系统的成本。

2.光纤传输系统

前沿技术:光纤技术与光纤网络（图一）

　　实现全数字化的综合业务网(ISDN)这一未来通信网的总目标中,数字光纤通信技术将发挥重要作用,数字光纤通信系统具有信号便于进行数字处理、传输中抗干扰、抗杂波能力强、无噪声积累等优点，因此它是长距离干线的主要方式。数字光纤通信的基本原理是将数字通信中的数据传输信号首先经过电—光转换成光脉冲数字信号，然后通过光缆传输到数字通信的对方，最后再经过光—电转换、放大、均衡与定时再生成数据传输信号。这一转换传输过程如图1所示：光纤网的拓扑结构，基本上可以分为三种：星形、总线形和环形，而从网络的分层模型来看，可以把网络从上到下分成若干层，这也可与等级结构相结合来理解，每一层又可划分为若干子网，这就相当于同一等级的各个交换中心及其传输系统构成的网与网还可以划分为若干小的子网，以使整个数字网能有效地为通信服务。我国规定一级干线光纤通信网的假设参考数字段HRDS（ Hypothesis Reference Digital Section）长度为420Km，假设参考数字链路HRDL（Hypothesis Reference Digital Link ）长度为5000Km，实际上有些数字段或数字链路的长度远超过上述长度。而二级光纤网的假设参考数字段长度为280K，而对于面积较大的省区可以按420 Km来考虑。

前沿技术:光纤技术与光纤网络（图二）

　　光纤数字传输系统中的中继距离的长度，应根据光发送机、光接收机的性能以及光纤衰减、色散等技术指标来进行估算。中继段内光链路如图2所示：因此中继距离的段长度可按下式来计算：

　　L=Ps-PR-Me-∑Ac/Af+As+Mc

式中：L—中继段长度（Km）

　　 Ps—S点入光纤光功率（dBm）

　　 PR—R点出光纤光功率（dBm）

　　Me—设备富余系数（dB）

　　∑Ac—S和R点间其它连接的衰减（dB）

　　Af—光缆光纤衰减常数（dB/Km）

　　As—光缆固定接头平均熔接衰减（dB/Km）

　　Mc—光缆富余系数（dB/Km）

3.光纤网络的施工技术

　　光纤通信网,分光纤线路和传输设备两大部分,光缆线路与设备方面的施工是以光纤分线架(ODF架)为分界,光连接器外侧为线路部分,光纤线路部分包括不同形式的光缆、光缆连接件以及成端插件（连接器）等构成。

　　3.1光缆的敷设

　　光缆的敷设分为管道光缆敷设、架空光缆敷设、直接光缆敷设、水底光缆敷设几种方式。光缆由于轻、直径细给施工带来了方便，但太细软加上盘长远远超过普通电缆，又给敷设提出了新的技术要求，所以光缆线路的敷设要严格执行规范规程的技术标准去组织施工。光缆敷设方式的设计应根据光缆的技术特性和所使用区域的地理及地质实况来确定，以使所选择的敷设方式具有高的性能价格比。

　　3.2光缆的连接

光缆的连接是光缆施工中直接影响线路传输质量和使用寿命的要害技术，就光纤的连接方式，可分为活动连接和固定连接两大类。

　　3.2.1.光纤的活动连接,又称为活接头。这种连接方式是由光连接器实现的，光连接器是由插头和插座组成，其插头、插座是工厂生产时根据用途制成带不同长度光纤的连接插件，一端为线路另一端是设备的尾纤。光连接器分为多模和单模，目前多模光纤连接器插入损耗包括互换性、重复性要求小于1dB，单模光纤连接器的插入损耗一般为0.5和1dB两个规格，此种连接一般用于光缆线路终端。

　　3.2.2.固定连接即永久性连接。固定连接都用于光缆线路中，光缆线路中的固定连接工作量是很大的，因此，固定连接对线路质量有着十分重要的意义。光纤的固定连接分为熔接法和机械连接法，光纤固定接头的损耗，由于受被连接光纤本身参数以及外部工艺等因素的影响，因此光纤连接损耗的一致性受到一定的限制。工程中以平均连接损耗来衡量，从实用化来看，0.5dB的连接损耗已经可以满足基本要求了，但随着光纤生产工艺和连接技术的不断成熟，光纤连接损耗已经大大的降低。在光纤连接技术中被广泛采用的是熔接法，此种方法可以做到平均连接损耗小于0.1dB，该方法是借助光纤熔接机的电极尖端放电，电弧产生的高温使被接光纤熔为一体。

4、我国光纤网的发展

　　我国光通信经过了20多年的长足发展，目前光缆总长度已超过100万公里，并在光通讯的高新技术研究领域也取得了很大的进展。非凡是在进入九十年代后，先进的SDH系统新技术在光网络建设中起到了主要作用，我国成为世界上采用SDH系统新技术最早和最多的国家之一，目前1550nm掺饵光纤放大器（EDFA）和高密集波分复用（DWDM）等高新技术已开始应用于核心网络中，我国的光纤网络及相关技术已进入世界先进水平的行列。进入21世纪后，怎样使光纤网架进一步合理完善，是我国光纤网络发展新的课题。

5、光纤网络的主流技术

5.1.光纤新技术

　　光纤制作技术现已基本成熟，并大量生产，当今普遍采用的是零色散波长λ0=1.3μm 的单模光纤,而零色散波长λ0=1.55μm 的单模光纤已研制成功,并已进入实用阶段,它在1.55μm波长的衰减很小,约0.22dB/km,所以更适合于长距离大容量,是长距离骨干网的优选传输介质。目前，为了适应干线和局域网的不同发展要求，已研制出非零色散光纤、低色散斜率光纤、大有效面积光纤、无水峰光纤等新型光纤。而人们对超长波长光纤的研究，仍处于一种理论探讨阶段。其传输距离理论上可达到数千公里，可以达到无中继传输。

5.2.光纤放大器

　　掺饵光纤放大器（EDFA）为数字、模拟以及相干光通信的中继器，可传输不同的码率，并可以同时传输若干波长的光信号。在光纤网络升级中，由模拟信号转换为数字信号、由低码率改为高码率，系统采用光波复用技术扩容时，都不必改变掺饵放大器的线路和设备。掺饵放大器可作为光接收机的前置放大器，光发射机的后置放大器及光源器件的补偿放大器。

5.3.宽带接入

　　针对不同环境下的商业用户和居民用户有多种宽带接入的解决方案。接入系统主要完成三大功能：高速传输、复用/路由、网络延伸。目前，接入系统的主流技术有以下几种。ADSL技术能在双绞铜线上经济地传输每秒几兆比特的信息，它既支持传统的话音业务，又支持面向数据的因特网接入，局端ADSL接入复用设备将数据流量复用后，选路到分组网络，将话音流量传送给PSTN、ISDN或其它分组网络。Cable modem能在光纤同轴混合网中提供高速数据通信，它将同轴电缆传输带宽划分为上行通道和下行通道，因而能提供VOC在线娱乐、因特网接入等业务，同时也能提供PSTN业务。固定无线接入系统在智能天线和接收机等方面采用了许多高新技术，是接入技术中的一种创新方式，也是目前接入技术中最不确定的一种方式，仍需在今后的实践中进一步的探索。而光接入系统能提供足够的带宽，支持目前可预见的各种业务，但目前尚有技术和经济等问题需进一步地在产品开发及技术上创新，以使其成为21世纪网络接入系统的主流技术。

5.4.硅技术

　　光网络技术的创新进一步需要从石英光纤维到复合半导体设备等一整套元件，其中包括激光器、传感器及调制解调器等。为满足这些广泛的功能要求，针对低成本电子设备发展起来的硅技术正在挺进光电学领域，目前，对光学的硅化处理正沿着两条分别被称为硅光实验室（SIOB）及微电机械系统（MEMS）的道路不断创新。

　　SIOB技术是在一个硅晶片上，无源器件与激光器和传感器可以集成在活字支撑架上，上面连接着各种各样的元件，对于小型模块，采用SIOB技术制造的光学集成电路有足够的密度。SIOB技术已被应用于集成激光器、光电传感器、无源波分割器、WDM滤波器、无光光纤吸球状透镜附加体、旋转镜、光学转向元件，以及电积金属等。

　　从90年代中期开始，集成光电技术就开始应用于通信网络，如Dragone路由器，一种在DWDM系统中合并路由波长信道的光集成电路，现已从8信道发展为72信道，与此同时微电机系统（MEMS）是一种微小的坚固机械部件，它的制造可以通过外延生长、图案形成和蚀刻处理等集成电路制造技术在基片上完成，其尺寸通常小于1毫米，可对复杂芯片实现集成。目前MEMS技术仍处于研究阶段，科学家试图利用硅芯片本身制造出用于光学通信的带有可移动部件的元件，深信在21世纪微电机系统这一硅光电领域的创新技术，在不久的将来应用于下一代光网络。

6、21世纪网络发展展望

　　未来网络要求具备结构设置上高度的灵活性和软件可编程能力，目前发展迅速的智能网是针对现有电话网开发的业务生成平台，未来网络将采用一个与之相似的功能更强的互联网协议ip业务平台，这个平台将以用户与服务供给商之间的服务水平协议（SLA）为基准，通过策略治理器来执行这些协议，策略治理器指示网络设备及其支持系统怎样处理路由和交换数据包，是提供可靠的、可扩展的、安全的和可治理的数据网络的要害所在。

　　未来网络将以四“S”技术为基石组成，即系统（Systems）、软件(Software)、硅片(Silicon)和服务(Services) 。对此，我们可以理解为：系统方面，未来网络的核心将是光子、光网络的传输因子将直接是波长而不是分组，载有信息的光子将直接进入城域网、企业网、路由器和服务器、甚至用户家庭。软件方面，网络软件是未来网络的粘合剂，由于客户要求大量可编程的平台来开发各种新业务、新应用，所以软件就会成为一个网络的新增亮点。硅片方面，网络的价值将持续地向芯片转移，对于单芯片系统突破的要求将持续增长，从芯片开始能提供解决方案的设备供给商将是未来五年中最大的赢家。服务器方面，在竞争者的环境下，专业化的服务器将是拓展网络市场空间的要害。

　　由于光纤通信DWDM掺饵光纤放大器不断取得新的成果，使得单色传输网在本世纪向多色宽带网过渡已成为必然。全球信息基础设施(GII)新概念的形成,已被称之为新一代的因特网,其目标是实现任何人在任何时间、任何地点，可以经济、方便、安全地享用各种信息服务，GII的实现形式是综合高速信息网,即为宽带的IP网。目前发达国家对光电集成技术的研究投入大量的人力、物力和财力，在某些领域已形成产业化，推动国民经济的高速发展。随着光电集成技术研究取得新的创新，必将形成一条朝阳产业链。虽然光子、电子集成线路（PEIC Photo Electronic Integraed Circuit）,所需的工艺复杂，至今尚未商用，但可以深信在大力开展多学科交叉集成技术研究的今天，由电子器件、光电子器件和光波导光子器件的综合集成技术，在21世纪必将成熟，可以预料光电集成工艺一旦成熟，就会使光纤通信技术产生质的飞跃和突破，那时光纤通信网络将向着多色、宽带、智能的方向发展。

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