下一代电信网的光纤

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　　 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·

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