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1、常用单模光纤的特性和应用一、前言光纤是光信号的物理传输媒质，其特性直接影响光纤传输系统的带宽和传输距离，目前已开发出不同特性的光纤以适应不同的应用，常用的光纤种类有常规单模光纤G.652色散位移光纤G.653、截止波长位移单模光纤G.654、非零色散位移光纤G.655和适用于宽带传送的非零色散位移光纤G.656，前三种光纤的低损耗区都在1550nm波长附近，G.656光纤将非零色散位移光纤使用的波长范围延伸到了14601625nm波段。我国光纤标准等同采用了IEC(国际电工委员会)的分类编号方法，但人们有时也按ITU-T(国际电信联盟电信标准化部)建议的编号称呼相应的光纤，例如G. 652光纤
2、、G. 655光纤。玻璃 芯 / 玻璃包层单模光纤的分类如表1所示。目前在全球通信网络中最常用的单模光纤是:G.652,G.655和G.656光纤。表 1. 单模光纤的分类IEC分类编号光纤名称ITU-T建议编号B1.1非色散位移单模光纤G.652A,BB1.2截止波长位移单模光纤G.654Bl.3波长扩展的非色散位移单模光纤G.652CB2色散位移单模光纤G.653B4非零色散位移单模光纤G.655二、各种光纤的应用特性2.1、G.652单模光纤特性与应用ITU-TG.652新建议将G.652光纤分为A,B,C三个子类，如表1所示，A,B子类和C子类光纤分别与B1.1类和B1.3类光纤相对应
3、。A子类光纤适用于最高可达STM-16(2. 5 Gb/s)传输系统。B子类光纤适用于最高可达STM-64 (10 Gb/s)传输系统，对于1550 nm波长区域的高速率传输通常需要波长色散调节。C子类光纤适用于最高可达STM-64(10 Gb/s)传输系统，对于1550 nm波长区域的高速率传输通常也需波长色散调节。该子类光纤的主要特点是可将ITU-TG .95 7建议的SDH传输扩展到1360-1530 nm波段，在此波段内，波长色散会对最大线路长度有所限制或需要进行调节。表2 G.652单模光纤特性项 目特性要求A子类 B子类 C子类模场直径1310nm (8 .6 - 9. 5) 士0
4、 .7 m 包层直径 125士1 m同心度偏差 0.8 m包层不圆度毛 2.0%光缆截止波长 1260 m宏弯损耗 1550nm 0.50 dB(37.5 mm半径100圈) 16xx(l) nm 一 0. 50 dB筛选应力 0.69 GPa色散 零色散波长0 1300 nm01324 nm特性 零色散斜率So 0.093p s/nm2 未成缆光纤偏振模色散系数 一 xxps/(km)1/2光缆衰减系数 1310 nm 0.5 dB/km 0.4 d B/kmyyyynm 一 一 xxdB/km1550 nm 0.4 dB/km 0.35dB/km16xx(l)nm 一 0.40 dB/km
5、光缆偏振模色散系数 M 一 20个光缆段Q 一 0.01%PMDQ 一 0.5 ps/(Km)1/2 上限波长尚未完全确定，且xx25 nm。 如果对一种特定结构的光缆已经过验证.制造厂家可以在满足光缆PMDQ基本要求的情况下，对未成缆光纤选择规定最大的偏振模色散系数。 对于波 长YYYY，由买卖双方协商，建议为1383nmyyyy1480nm。 如果规定是水峰波长(1383nm)，则在扩展波段中大于和小于 yyyy的波长均可使用;如果规定值大于水峰波长，则在扩展波段中只有大于yyyy的波长可以使用。 取样光纤在室温和0.01大气压的氢气中暴露4天，取出再等待14天，这样老化后，在yyyy n
6、m测量的衰减平均值应不大于在1310 nm规定的衰减值。2.2、G.653单模光纤特性与应用满足ITU-T.G.653要求的单模光纤，常称色散位移光纤（DSFDispersion Shifled Fiber），其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。这种光纤主要用于海底光缆系统，它把单一波长传送几千公里，也有些国家一度广泛用于陆地干线中，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。美国AT&T早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。2.3、G.655单模光纤特性与应用ITU- TG.655新建议将G
7、.655光纤分为A,B两个子类。两个子类光纤均是非零色散位移单模光纤。由于其具有少量色散，抑制了对密集波分复用系统极为不利的四波混合增长和非线性效应。该光纤的最佳使用波长为1530-1565 nm，某些场合也可扩展到更高的波长，直至16xx nm(xx25 nm)。A类光纤适用于G.691具有光放大器的单通道SDH系统和G.692具有光放大器的多通道系统，但有以下限制:(1) 中等注一入功率(-5d Bm);(2) 通路间隔妻200G Hz;(3) 除非PMD进行规定，会对10G b/s系统传输长度有所限制。B类光纤也适用G.691具有光放大器的单通道SDH系统和G.692具有光放大器的多通道
8、系统，但有以下扩展:(1) 更高的注入功率;(2) 通路间隔簇100G Hz;(3 )对 400k m长的10G b/s系统，没有PMD问题。表4 G.655单模光纤特性项 目特性要求A子类 B子类 模场直径1310nm (8 - 11) 士0 .7 m 包层直径 125士1 m同心度偏差 0.8 m包层不圆度毛 2.0%光缆截止波长 1480 m宏弯损耗 1550nm 0.50 dB(37.5 mm半径100圈) 16xx nm 一 0. 50 dB筛选应力 0.69 GPa波长色散系数C波段 max和min 1530 nm和1565 nmDmax 0.1 ps/nmkm 6.0 ps/nm
9、kmDmin 6.0 ps/nmkm 10.0 ps/nmkm未成缆光纤偏振模色散系数 一 xx ps/(km)1/2光缆衰减系数 1550 nm 0.35dB/km16xx(l)nm 一 0.40 dB/km光缆偏振模色散系数 M 一 20个光缆段Q 一 0.01%PMDQ 一 0.5 ps/(Km)1/2 ITU-T G.655建议对A和B子类单模光纤的特性要求如表4所示。表4中可以看出:(1)A , B两子类光纤对色散的规定有所不同，B子类还对上下波长边界的色散差(Dmax一Dmin)进行了限制，使色散斜率较小，有利于密集波分复用(DWDM)的应用。(2)B 子类单模光纤还可扩展应用于L
10、波段，对其色散系数提出了要求(特定)，对16 xxnm的光缆衰减系数也作了规定。(3) B子类单模光纤对光缆偏振模色散系数提出了具体规定。表5三种光纤的主要技术参数光纤种类G.652光纤G.653光纤G.655光纤大有效面积光纤模场直径（标称值）8.6-9.5m变化不超过107-8.3m变化不超过108-11m变化不超过109.5m变化不超过10模场同心度偏差1m1m1m1m2m长光纤截止波长c1250nm-1470nm-22m长光缆截止波长cc1260nm1270nm1480nm-零色散波长1300-1324nm1500-1600nm-零色散斜率0.093psnm（的平方）km0.085ps
11、nm（的平方）km-0.1psnm（的平方）km最大色散系数20ps/nmkm(1525-1575nm) 3.5psnmkm(1525-1575nm) 0.1-6.0psnmkm(1530-1565nm) 1-6.0psnmkm(1530-1565nm) 包层直径1252m1252m1252m1252m典型衰减系数（1550nm）0.17-0.25dBkm0.19-0.25dBkm0.19-0.25dBkm0.19-0.25dBkm1550nm的宏弯损耗1dB0.5dB0.5dB0.5dB适用工作窗口1310nm和1550nm1550nm1550nm1550nm三、光纤衰减和色散对传输系统中继
12、距离的影响。3.1 G.652光纤衰减和色散对传输系统中继距离的影响在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82.5Gbits或16甚至322.5Gbits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10Gbits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
13、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。在2003年1月修改G.652光纤标准时，希望全面提高G.652光纤的特性，至少都要支持10Gbit/s的长途应用，对G.652B要求支持40Gbit/s的长途应用，所以开始提出G.652B的PMDQ应小于0.10ps/（km）1/2。后来基于考虑40Gbit/s的应用主要从城域网开始，10Gbit/s系统的传送在3000km左右已经可以覆盖大部分应用情况，所以放宽到0.20 ps/（km）1/2。经过调整过的各类G.652光纤的特性为：G.652A支持10Gbit/s系统传输距离可达400km，10Gbit/s以太网的传输达40
14、km，支持40Gbit/s系统的距离为2km。对于G.652B型光纤，必须支持10Gbit/s系统传输距离可达3000km以上，40Gbit/s系统的传输距离为80km。3.2 G.653光纤衰减和色散对传输系统中继距离的影响将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
15、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0.1psnmkm，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。3.3 G.655光纤衰减和色散对传输系统中继距离的影响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（ITUT规范为0.1-6psnmkm）。这样，可大大减轻四波混
16、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10Gbits的信号可以不受色散限制地传输300km以上。按照光纤在1550nm处的色散系数的正负，G.655型光纤又分为两类：正色散系数G.655型光纤和负色散系数G.655型光纤。典型的G.655光纤在1550nm波长区的色散值为G.652光纤的1/41/6，因此色散补偿距离也大致为G.652光纤的46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
17、/km1/2。即便按0.1ps/km1/2考虑，这也可以完成至少400km长的40Gbit/s信号的传输。根据零色散点出现的位置的不同，G.655光纤在1530nm1565nm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。四、消除光纤衰减和色散影响的措施光纤的光传输性能包括:衰减系数、色散系数、色散斜率、偏振模色散、非线性效应和工作波长范围等。现在人们十分清楚，不同层次的网络需要不同传输性能的光纤。4.1基于G
18、.652光纤G.652光纤在我国已大量敷设，G.652光纤进行扩容主要有两种方法，即波分复用（WDM）方式和时分复用（TDM）方式。利用WDM技术在G.652光纤上实现超高速传输是我们的重要选择，而且这种方案越来越受到人们的青睐。WDM克服了色散对高速系统的限制，以2.5Gbit/sN系统为例，虽然在整个线路上传输的速率是10Gbit/s或20Gbit/s，但每个波长承载的业务只有2.5 Gbit/s，这样就大大减轻了对系统色散参数的要求。采用马赫曾德尔外调制时，色散受限距离可达1000KM。因而我们可以在不采取色散调节措施的情况下，在常规G.652光纤上开通超高速系统。除WDM技术外，TDM
19、的10 Gbit/s系统也实现了商用化。在Gbit/s光纤上，即使采用外调制技术，10 Gbit/s系统的色散受限距离也只有50KM左右，因而必须采取色散调节措施。虽然目前色散调节的方法很多，可真正能够实用化的只有色散补偿光纤法（DCF）。这种方法将使系统对色散的限制完全消除，只要在长途传输线路中间断地插入色散补偿光纤，系统就可以采用TDM技术方便地扩容到10 Gbit/s、20 Gbit/s甚至40Gbit/s。这种技术的缺点是DCF带来了较大的插入损耗，需要采用光放大器EDFA予以补偿，整个系统会引入较多的EDFA，成本较高，另外DCF本身的价格也比较贵。到现在为止，对于G.652光缆，几
20、乎所有的大公司都选择N2.5 Gbit/s WDM作为发展策略，在不使用色散补偿手段的情况下方便地进行扩容。这也可为未来的全光网的发展积累技术，但也有公司认为2.5 Gbit/s作为基准速率低了一些，应先采用TDM的10Gbit/s系统，然后再发展更高速率的WDM系统。但是当前TDM方式费用较大，必须进行色散补偿，而且以后系统再扩容也必须采用WDM方式。4.2 基于G.653光纤较G.652光纤而言，在G.653光纤上运行10 Gbit/s及其以上速率系统要简单些，因为1550nm窗口是零色散窗口，这就完全消除了色散限制。在G.653光纤上进行扩容时，开始无一例外地要采用TDM方式。如果只考虑
21、TDM方式扩容，G.653光纤无疑是最好的选择，特别是和外调制器及EDFA相结合，可以达到超长距离的全光传输。现在G.653光纤面临的一个挑战是开WDM系统的问题，难以开通多路WDM系统。当光纤中有多个波长的信号传播，且信号的强度达到一定程度时，会发生严重的四波混频现象，产生较大的串扰。当然采用不等间隔波长安排时，也不排除开通8波长以上的波分复用系统，但需要十分精细的设计，而且占用了本来就不富裕的EDFA的放大带宽。G.653光纤只是单波长系统的最佳选择，单通道可以直接开通TDM 10 Gbit/s甚至20 Gbit/s系统，但是G.653光纤限制了未来波分复用的应用。从发展趋势上看，WDM技
22、术在传输网上的应用是必然的，现在的问题是以哪个速率为基准速率。在许多国家的网上，已不鼓励使用G.653光纤。我国也基本上不会再在网上使用这种光纤。4.3 基于G.655光纤在G.655光纤上运行10 Gbit/s或更高速系统比较容易。由于这类光纤既解决了光纤的线性色散受限问题，又解决了光纤的非线性问题。因此既可以单波长采用TDM方式直接开通10 Gbit/s甚至20Gbit/s系统，又可以采用WDM方式以2.5Gbit/sN（N4，8，16） 或10 Gbit/sN（N4，8）开通高速系统，满足了TDM和WDM两种发展方向的要求。以Lucent的真波光纤为例：在15401565 Nm区间，光纤
23、色散系数在1.04.0 ps/(nm.km)，这个值已足以消除四波混频的相位匹配效应，从而基本避免了非线性影响；而低色散系数又不至于对系统造成色散受限。它既可以开通高速率的10 Gbit/s、20Gbit/s的TDM系统，又可以采用WDM方式进行扩容。现在出现的G.655光纤主要有两种，最先出现的是Lucent公司的真波光纤（True Wave Fiber），它的零色散点在1530Nm以下的短波长区，在15491561 Nm这个最常用的EDFA增益平坦区，色散系数为2.03.0 ps/(nm.km)，这个值已足以消除四波混频的相位匹配效应，从而基本避免了非线性影响；而低色散系数又不至对系统造成
24、色散受限。据Lucent提供的资料：即使单波长传输10 Gbit/s的TDM系统，其色散受限距离仍可达300左右。在Lucent的应用中，使用的是色散“正区”，在这一区域， 自相位调制效应（SPM）可以压缩脉冲宽度，从而有利于减轻色散的压力。但是它会带来调制不稳定性（MIModulation Instability），MI效应随光功率的提高和系统距离的延长而增长。关于MI效应有不同的看法：一种认为可以用滤波器滤出产生的干扰信号，另一种则认为它是不可克服的缺陷。但是到现在为止，有关真波光纤陆地WDM系统的应用似乎并没出现很大的问题。几乎与Lucent公司同时，康宁公司也推出了自己的非零色散光纤S
25、MFLS，与真波光纤不同的是：它的零色散点处于长波长区1570 Nm附近，而在15301565 nm光放大器能放大的频谱区域，光纤的色散值都为负值，系统工作于色散“负区”，其中值得我们注意的是：它在1545nm的典型色散值为-1.5ps/(nm.km)，因而在15491560 Nm这一我们最感兴趣的区间，其色散值在1.0 ps/(nm.km)以下，这对通路数大于等于16的波分复用系统不利，但其允许的色散受限距离要相对长一些。康宁公司认为选用色散负区的主要原因是：(1)可以避免MI效应。(2)当超长链路级联，需要色散补偿时，因SMFLS积累的是负色散，因而采用常规的G.652光纤就可实现，而真波
26、光纤系统则需要价格昂贵的色散补偿光纤DCF。SMFLS光纤在越洋海缆中得到较广泛的应用，如中美海缆系统等。因为海缆的无电中继距离极长，一般只在登陆站上设立电中继器，而在海里，全部是用光放大器EDFA作为中继器，如果采用的系统工作在色散“正区”，MI效应会有很大的积累，因而采用了色散处于负区的G.655光纤，由于线路的色散为负值，可以采用性能稳定的G.652光纤每隔一段距离进行一次色散补偿。从理论上讲，G.655光纤的传输容量目前至少可达到160Gbit/s。它成功地克服了G.652的色散受限和G.653无法进行波分复用的缺点，升级也比较灵活，既可以先上TDM系统，也可以先上WDM系统，而且不需
27、要其他补偿措施。在目前业务量需求不大的情况下，可先在非零色散光纤上开通2.5Gbit/s系统，当容量需求增加到一定程度时，我们可以采用WDM的2.5Gbit/s4（8）或TDM的10 Gbit/s两种方式进行扩容，即使容量需求达到40 Gbit/s以上，仍可采用10 Gbit/sN WDM技术满足运营者的要求。五、参考资料：1、孙学康、张金菊，光纤通信技术，北京邮电大学出版社，2001.32、陈永诗等，色散补偿光纤及其应用前景，光通信研究，1994.13、戴菜青等，色散补偿光纤及其应用，光通信技术，1996.44、张成良，一种新型光纤一G.655光纤，电信技术，1999.35、王临堂，单模光纤的标准动态，电线电缆，2001.49