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专业题库:通信技术:光纤

光纤

1. 光纤结构

光纤(Optical Fiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高,损耗比包层更低,光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用。图1示出光纤的外形。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2,光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。纤芯和包层的相对折射率差△=( n1-n2)/n1的典型值,一般单模光纤为0.3%——0.6%,多模光纤为1%——2%。△越大,把光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输容量却越小。

2. 光纤类型

光纤种类很多,这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO2)制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型,图2示出其横截面的结构和折射率分布,光线在纤芯传播的路径,以及由于色散引起的输出脉冲相对输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。

突变型多模光纤 (Step-Index Fiber, SIF) 如图2(a),纤芯折射率为n1保持不变,到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50——80μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大。

渐变型多模光纤 (Graded-Index Fiber, GIF) 如图2(b),在纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小,直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变小。

单模光纤 (Single-Mode Fiber, SMF) 如图2© 折射率分布和突变型光纤相似,纤芯直径只有8——10μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并),所以称为单模光纤,其信号畸变很小。

相对于单模光纤而言,突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大,可以容纳数百个模式,所以称为多模光纤。渐变型多模光纤和单模光纤,包层外径2b都选用125μm。实际上,根据应用的需要,可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性,可以在图2©常规单模光纤的基础上,设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图3,这些光纤的特征如下。

双包层光纤 如图3(a)所示,折射率分布像W形,又称为W型光纤。这种光纤有两个包层,内包层外直径2a′与纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3,调整a值,可以得到在1.3——1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤(Dispersion-Flattened Fiber,DFF),或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤(Dispersion-Shifted Fiber,DSF)。

三角芯光纤 如图3(b)所示,纤芯折射率分布呈三角形,这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55μm有微量色散,有效面积较大,适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用,康宁公司称它为长距离系统光纤,这是一种非零色散光纤。

椭圆芯光纤 如图3©所示,纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性,即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态,因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。

以上各种特征不同的光纤,其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大,相应的带宽只有10——20MHz•km,只能用于小容量(8Mb/s以下)短距离(几km以内)系统。渐变型多模光纤的带宽可达1——2GHz•km,适用于中等容量(34——140Mb/s)中等距离(10——20km)系统。大容量(565Mb/s——2.5Gb/s)长距离(30km以上)系统要用单模光纤。

特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统,这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大,有利于提高输入光纤的光功率,增加传输距离。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤,这种系统最大优点是提高接收灵敏度,增加传输距离。

3. 光纤种类和应用

1)光纤种类

(1) 多模光纤

① 结构

两种多模光纤结构,如图4和图5所示。通常,光纤的纤芯用来导光,包层保证光全反射只发生在芯内,涂覆层则为保护光纤不受外界作用和吸收诱发微变的剪切应力。表1列出了当今常用的AI类多模光纤的结构尺寸参数。

② 种类

A. 梯度型多模光纤

梯度型多模光纤包括Ala、Alb、Alc和Ald类型。它们可用多组分玻璃或掺杂石英玻璃制得。为降低光纤衰减,梯度型多模光纤的制备选用的材料纯度比大多数阶跃型多模光纤材料纯度高得多。正是由于折射率呈梯度分布和更低的衰减,所以梯度型多模光纤的性能比阶跃型多模光纤性能要好得多。一般在直径(包括缓冲护套)相同的情况下,梯度型多模光纤的芯径大大小于阶跃型多模光纤,这就赋予梯度型多模光纤更好的抗弯曲性能。四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合,如表2所列。

表2 四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合

B. 阶跃型多模光纤

阶跃型多模光纤A2、A3和A4三类九个品种。它们可选用多组分玻璃或掺杂玻璃或塑料作为芯、包层来制成光纤。由于这些多模光纤具有大的纤芯和大的数值孔径,所以它们可更为有效地与非相干光源,例如发光二极管(LED)耦合。链路接续可通过价格低廉的注塑型连接器,从而降低整个网络建设费用。因此,阶跃型多模光纤,特别是A4类塑料光纤将在短距离通信中扮演着重要的角色。A2、A3和A4三类阶跃型多模光纤的传输性能和应用场合,如表3所列。

表3 三类九种阶跃型多模光纤的传输性能及应用场合

2) 单模光纤

① 结构

单模光纤的结构,如图6所示。单模光纤具有小的芯径,以确保其传输单模,但是其包层直径要比芯径大十多倍,以避免光损耗。单模光纤结构的各部分作用与多模光纤类似,与多模光纤所不同的是用与波长有关的模场直径w。来表示芯直径。表4和表5分别列出了当今光纤通信工程中广泛使用的B1.1和B4两类单模光纤的尺寸参数。

② 分类

单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点,作为一种理想的光通信传输媒介,在全世界得到极为广泛的应用。目前,随着信息社会的到来,人们研究出了光纤放大器、时分复用、波分复用和频分复用技术,从而使单模光纤的传输距离、通信容量和传输速率进一步提高。

值得指出的是,光纤放大器延伸了传输距离,复用技术在带来的高速率、大容量信号传输的同时,使色散、非线性效应对系统的传输质量的影响增大。因此,人们专门研究开发了几种光纤:色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤,它们在解决色散和非线性效应问题上各有独道之处。

按照零色散波长和截止波长位移与否可将单模光纤分为5种,国际电信联盟电信标准化部门ITU-T在2000年10月对其中4种单模光纤已给出最新建议:G.652、G.653、G.654和G.655光纤。单模光纤的分类、名称、IEC和ITU-T命名对应关系如下:

A.非色散位移单模光纤

2000年10月国际电信联盟第15专家组会议通过了非色散位移单模光纤(ITU-T G.652)最新标准文本、即按G.652光纤的衰减、色散、偏振模色散、工作波长范围及其在不同的传输速率的SDH系统的应用情况,将G.652光纤进一步细分为G.652A、G.652B和G.652C。究其实质而言,G.652光纤可分为两种,即常规单模光纤(G.652A和G.652B)和低水峰单模光纤(G.652C)。

a.常规单模光纤

常规单模光纤于1983年开始商用。常规单模光纤的性能特点是:(1)在1310nm波长处的色散为零;(2)在波长为1550nm附近衰减系数最小,约为0.22dB/km,但在1550nm附近其具有最大色散系数,为17ps/(nm•km)。(3)这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域,又可选在1550 nm波长区域,它的最佳工作波长在1310 nm区域。这种光纤常称为“常规”或“标准”单模光纤。它是当前使用最为广泛的光纤。迄今为止,其在全世界各地累计铺设数量已高达7千万公里。

今天,绝大多数光通信传输系统都选用常规单模光纤。这些系统包括在1310nm和1550nm工作窗口的高速数字和CATV(Cable Television)模拟系统、然后,在1550nm波长处的大色散成为高速系统中这种光纤中继距离延长的“瓶颈”。

利用常规单模光纤进行速率大于2.5Gbit/s的信号长途传输时,必须采取色散补偿措施进行色散补偿,并需引入更多的掺铒光纤放大器来补偿由引入色散补偿产生的损耗。常规单模光纤(G.652A和G.652B)的色散,如图7所示。常规单模光纤的传输性能及其应用场所,如表6所示。

b. 低水峰单模光纤

为解决城域网发展面临着业务环境复杂多变、直接支持用户多、传输短(通常仅为50——80km)等问题,人们采取的解决方案是选用数十至上百个复用波长的高密集波分复用技术,即:将不同速率和性质的业务分配到不同的波长,在光路上进行业务量的选路和分插。 为此,需要研发出具有更宽的工作波长区的低水峰光纤(ITU-T G.652C) 来满足高密集波分城域网发展的需要。

众所周知,常规单模光纤G.652工作波长区窄的原因是1385nm附近高的水吸收峰。在1385nm附近,常规G.652光纤中只要含有10-9量级个数的OH-离子就会产生几个分贝的衰减,使其在1350——1450nm的频谱区因衰减太高而无法使用。为此,国外著名光纤公司都纷纷致力于研究消除这一高水峰的新工艺技术,从而研发出了工作波长区大大拓宽的低水峰光纤。

现以美国朗讯科技公司1998年研究出的低水峰光纤——全波光纤为例,说明该光纤的性能特点。

全波光纤与常规单模光纤G.652的折射率剖面一样。所不同的是全波光纤的生产中采用一种新的工艺,几乎完全去掉了石英玻璃中的OH-离子,从而消除了由OH-离子引起的附加水峰衰减。这样,光纤即使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。

由于低水峰,光纤的工作窗口开放出第五个低损耗传输窗口,进而带来了诸多的优越性:(1)波段宽。由于降低了水峰使光纤可在1280——1625nm全波段进行传输,即全部可用波段比常规单模光纤G.652增加约一半,同时可复用波长数也大大增多,故IEC又将低水峰光纤命名B1.3光纤,即波长段扩展的非色散位移单模光纤;(2)色散小。在1280——1625nm全波长区,光纤的色散仅为1550nm波长区的一半,这样就易实现高速率、远距离传输。例如,在140nm波长附近,10Gbit/s速率的信号可以传输200km,而无需色散补偿;(3)改进网管。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,在1310nm波长区传输模拟图像业务,在1350——1450nm波长区传输高速数据(10Gbit/s)业务,在1450nm以上波长区传输其他业务;(4)系统成本低。光纤可用波长区拓宽后,允许使用波长间隔宽、波长精度和稳定度要求低的光源、合(分)波器和其他元件,网络中使用有源、无源器件成本降低,进而降低了系统的成本。全波光纤的性能及应用,如表7所列。

B.色散位移单模光纤

色散位移单模光纤(ITU-T G.653光纤)于1985年商用。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状,力求加大波导色散,从而将最小零色散点从1310nm位移到1550nm,实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致,并且在掺铒光纤放大器1530——1565nm工作波长区域内。这种光纤非常适合于长距离单信道高速光放大系统,如:可在这种光纤上直接开通20Gbit/s系统,不需要采取任何色散补偿措施。

色散位移光纤的富有生命力的应用场所为单信道数千里的信号传输的海底光纤通信系统。另外,陆地长途干线通信网也已敷设一定数量的色散位移光纤。

虽然,业已证明色散位移光纤特别适用于单信道通信系统,但该光纤在通道进行波分复用信号传输时,存在的严重问题是在1550nm波长区的零色散产生了四波混频非线性效应。据最新研究报导,只要将色散位移单模光纤的工作波长选在大于或小于1550nm的非零色散区,其仍可用作波长复用系统的光传输介质。

色散位移单模光纤的性能及应用场合列于表8。

C.截止波长位移单模光纤

1550nm截止波长位移单模光纤是非色散位移光纤(ITU-T G.654光纤),其零色散波长在1310nm附近,截止波长移到了较长波长,在1550nm波长区域衰减极小,最佳工作波长范围为1500——1600nm。

获得低衰减光纤的方法是(1)适用纯石英玻璃作为纤芯和掺氟的凹陷包层;(2)以长截止波长来减小光纤对弯曲附加损耗的敏感。

因为这种光纤制造特别困难,最低衰减光纤十分昂贵,且很少使用。它们主要应用在传输距离很长,且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。

截止波长位移单模光纤的性能及应用场合,如表9所示。

D.非零色散位移单模光纤

非零色散位移单模光纤是在1994年美国朗讯和康宁专门为新一代带有光纤放大器的波分复用传输系统设计和制造的新型光纤(ITU-T G.655光纤)。这种光纤是在色散位移单模光纤的基础上通过改变折射剖面结构的方法来使得光纤在1550nm波长色散不为零,故其被称为“非零色散位移”单模光纤。

2000年10月ITU-T第15研究组(SG15)通过的G.655光纤的最新标准,将G.655光纤分为两种类型:G.655A和G.655B。G.655A光纤主要适用带光放大器的单信道SDH传输系统;G.655B光纤主要适用密集波分复用传输系统。

G.655光纤的基本设计思想是1550nm波长区域具有合理的低色散,足以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿;同时,其色散值又必须保持非零特性来抑制四波混频和交叉相位调制等非线性效应的影响,以求G.655光纤适宜同时满足开通时分复用和密集波分复用系统的需要。为此,人们先后研发出了第一代非零色散位移单模光纤,又陆续开发出第二代产品如:低色散斜率非零色散位移单模光纤、大有效面积非零色散位移单模光纤和色散平坦型非零色散位移单模光纤。

a.非零色散位移单模光纤

为使非零色散位移单模光纤在1550nm附近工作波长区呈现出非零色散特性,通过改变光纤折射率剖面形状,即以改变其波导色散的方式来使得零色散点移向短波长侧或长波长侧,进而制得正色散非零色散光纤和负色散非零色散光纤,如图9所示。

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,在1550nm附近色散为正,有可能与产生负啁啾的MZ外调制器结合,利用自相位调制技术来扩大色散受限传输距离乃至实现光弧子传输。它的主要缺点是可能产生所谓的调制不稳定性。

具有负色散的G.655光纤的主要优点是不存调制不稳定性问题,眼图清楚,对交叉相位调制的影响不敏感,由此产生的性能劣化较小;缺点是不能利用自相位调制来扩大色散受限传输距离,也不支持光弧子通信。另外,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时仅能补偿其一阶色散,但G.652光纤成本较低。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,色散系数对值小些有利于10Gbit/s信号传得更远,但四波混频影响大,复用的通路数少于色散系数绝对值较大的光纤,因而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波段的扩展,由于这类光纤的零色散波长恰好处于1570nm附近,会发生四波混频,因而不利于开拓L波段应用。总的看,随着复用通路数越来越大以及系统应用波长范围向L波段的扩展,这类光纤的弱点越来越显著。

b.低色散斜率非零色散位移单模光纤

所谓色散斜率指光纤的色散随波长而变化的速率,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,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,会使具有较大色散积累量的通路的色散值超标,从而限制了整个WDM系统的传输距离。为此,1998年美国朗讯科技公司研发出一种低色散斜率G.655光纤(真波RS光纤)。光纤色散斜率已从0.07ps/(nm2•km)降至0.05ps/(nm2•km)以下。

低色散斜率非零色散位移单模光纤的色散一致性在整个第三和第四波段应用窗口上提供了数值有限的色散,消除了四波混频的非线性效应。这个色散阻止了各信号波长间的相位匹配,因此消除了波长混合干扰,极低的色散值使得高达10Gbit/s的传输速率在无需色散补偿的情况下,在多波长的每一个波长上进行长距离传输。

非色散位移单模光纤是专门为1310nm系统而设计的,可降低损耗,获得最大带宽。当光纤用于高容量放大系统中时,光纤在1550nm波长处的高色散(大约为17ps/(nm•km))可能会需要增加色散补偿或传输设备的成本。

与非色散位移单模光纤和其它G.655光纤相比,低色散斜率非零色散位移单模光纤的色散补偿成本最低。例如,拥有较大有效面积的非零色散位移单模光纤,其色散随波长的变化比较大,对于长距离的密集波分复用系统来说,这一较大的色散变化率使得复杂的色散补偿方案的使用势在必行,一个波段须划分为若干个子波段,每个子波段用不同的色散补偿量分别进行补偿,而低色散斜率非零色散位移光纤省去了这一复杂的过程,节约了成本。

低色散斜率非零色散位移光纤的纤芯呈特殊的折射率分布,纤芯周围由几层不同折射率的合成石英包层包围,从而在第三和第四应用波段中获得低衰减和非零色散性能。这大大降低了色散补偿的成本,甚至可能无需再进行色散补偿。

c.大有效面积非零色散位移单模光纤

超高速系统的主要性能限制是色散和非线性效应。通常,线性色散可以用色散补偿的方法来消除,而非线性效应的影响却不能用简单的线形补偿的方法来消除。光纤的有效面积是决定光纤非线性效应的主要因素,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效应的影响,但同时也降低了系统的要求和性能价格比。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。1996年,为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用,大有效面积非零色散位移单模光纤已经问世。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72μm2以上,零色散点处于1510nm左右,其弯曲性能、模色散和衰减性能均可达到常规G.655光纤的水平。

美国康宁公司的大有效面积非零色散位移单模(Leaf)光纤的优点是低色散、大有效面积、优异的弯曲性能,而且降低了非线性效应。

大有效面积非零色散位移单模光纤提供更大光功率承受能力,改善了光信噪比,延长了光放大器距离,增加了密集波分复用信道数等。大有效面积光纤的关键性能优点是降低了各种非线性效应(如图10所示)。因为非线性效应是当今DWDM系统最大的性能约束条件。

大有效面积非零色散位移单模光纤除了在常规工作带(C带:1530——1565nm)具有小有效面积非零色散位移光纤的工作性能外,这种光纤更适合于用来构筑下一代电信网,即工作波长向长带,即L带:1565——1625nm的迁移。康宁公司通过试验证明,大有效面积的非零色散位移单模光纤比小有效面积非零色散位移单模光纤具有更好的传输性和更低的系统成本。在C带和L带,大有效面积非零色散位移单模光纤通过采用大的光传输有效面积的方法来降低DWDM传输中的非线性效应,例如:四波混频、自相位调制和交叉相位调制,使其更适合于DWDM系统的传输。

正是由于大有效面积非零色散位移单模光纤增大了光传输距离,所以这种光纤系统中只需很少的光放大器和中继器,从而直接降低了网络建设和维护成本。大有效面积常规单模光纤也应与已敷设的光纤和光器件相适应。事实上,特别是当它与常规单模光纤和其他光纤连接时,大有效面积非零色散位移单模光纤的较大的模场直径改善了其接续性能。因此,选用大有效面积非零色散位移单模光纤是最容易和最经济的提高网络传输信息量的方法,表10列出了非零色散位移单模光纤的性能及应用场合。

D.

色散平坦单模光纤

1988年,色散平坦光纤商用化。这种光纤在1310nm——1550nm波段范围内都是低色散,且具有两个零色散波长,即1310nm和1550nm这种光纤可用中心波长更宽的激光器和用工作波长在1310nm和1550nm的标准激光器与LED进行高速传输。但是,色散平坦单模光纤折射率剖面结构复杂,制造难度大,尤其是该光纤的衰减大,离实用距离很远。这种光纤的性能和应用场合见表11。

E.色散补偿单模光纤

随着光纤放大器的应用,衰减对光纤通信系统距离的限制已不成问题,而色散却严重阻碍了常规单模光纤工作波长由1310nm向1550nm的升级扩容。 为解决这一实际问题,人们研制出了色散补偿单模光纤。

色散补偿单模光纤是一种在1550nm波长处有很大的负色散的单模光纤,当前实验色散补偿单模光纤的色散系数为50——-548ps/(nm•km),衰减一般为0.5——1.0dB/km。

当常规单模光纤系统工作波长由1310nm升级扩容至1550nm波长工作区时,其总色散呈正色散值,通过在该系统中加入一段负色散光纤,即可抵消几十公里常规单模光纤在1550nm处的正色散,从而实现业已安装使用的常规单模光纤工作波长由1310nm升级扩容至1550nm,进而实现高速率、远距离、大容量的传输。至于色散补偿光纤加入给系统带来的衰减完全可由光纤放大器予以补偿。

色散补偿单模光纤的性能及应用场合列入表12。

4. 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,电话网和蜂窝移动通信网的规模都居世界第二。到1999年9月底全国电信网规模已超过1.5亿门电话,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60Gbit/s——1Tbit/s,可见其发展潜力之大。

光纤是电信网基础之基础,在电信网构筑中,我们必须要考虑15——20年寿命期仍能满足传输容量和速率的发展需要。从我国未来发展需要看,我国东部地区的新干线建设将逐渐转向以10Gbit/s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,我国西部地区的通信业务需求在很长时间内都难以赶上东部地区,因而采用以2.5Gbit/s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,新敷光纤继续采用G.652光纤是符合中国国情的合理的选择。

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:第二代的G.655光纤产品的低色散斜率非零色散位移和大有效面积非零色散位移光纤在性能上都足以支撑我国未来至少15年的容量和速率的发展需要。

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,可选用工作波长范围扩大的低水峰光纤(波长扩展的非包散位移单模光纤)。

专业题库/通信技术/光纤.txt · 最后更改: 2019/02/22 10:50 由 welog

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