下一代電信網(wǎng)的光纖

2019-11-04 22:49:18

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供稿：網(wǎng)友

　　光纖作為傳輸媒質(zhì)，為光傳輸提供了巨大而廉價的可用帶寬，在光傳送網(wǎng)的發(fā)展中起著重要作用。下一代電信網(wǎng)需要支持更大容量、更長距離的傳輸，因而開發(fā)敷設(shè)下一代光纖已成為構(gòu)筑下一代電信網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，本文就下一代光纖的分類、特點、應用及其設(shè)計考慮做簡要討論。
　　
　　開發(fā)應用下一代光纖的必要性
　　
　　當前，電信界正面臨著一場百年未遇的巨變，開放市場、引入競爭的進度明顯加快，電信治理體制改革的力度明顯加大。非凡是近年來，以因特網(wǎng)為代表的新技術(shù)革命正在深刻地改變傳統(tǒng)的電信觀念和體系框架，其迅猛發(fā)展的速度是人類歷史上所有工業(yè)中最快的。資本投資也大量集中在這一領(lǐng)域，新概念、新技術(shù)更是不斷出現(xiàn)，令人眼花繚亂,目不暇接。目前，北美骨干網(wǎng)上的業(yè)務量已達到了約6～9個月左右就翻一番的地步，比聞名的半導體芯片性能進展的摩爾定律(約18個月左右就翻一番)還要快2～3倍，而且迄今沒有減緩的跡象。過不了多少年，全球的因特網(wǎng)業(yè)務將超過話音業(yè)務，100年來始終占據(jù)絕對主導地位的話音業(yè)務將最終讓位給數(shù)據(jù)業(yè)務。
　　從我國的具體國情分析，非凡是近幾年來ip業(yè)務量的發(fā)展趨勢看，今后5～10年電信網(wǎng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務量也同樣可能超過話音業(yè)務量，傳統(tǒng)電話網(wǎng)將不可避免要過渡到以數(shù)據(jù)業(yè)務——非凡是IP業(yè)務為中心的、融合的下一代電信網(wǎng)，下一代電信網(wǎng)將最終支持包括話音在內(nèi)的所有業(yè)務。簡言之，從網(wǎng)絡(luò)的角度看，傳統(tǒng)的以電話業(yè)務為基礎(chǔ)的電路交換網(wǎng)無論從業(yè)務量設(shè)計、容量、組網(wǎng)方式，還是從交換方式上來講都已無法適應這一新的發(fā)展趨勢，開發(fā)新一代的、可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)已成為電信界的共同心愿。各大公司都在設(shè)計構(gòu)思未來網(wǎng)絡(luò)的藍圖，諸如可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)(CUN)、一體化網(wǎng)(UN)、下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)和新的公眾網(wǎng)(NPN)等等。雖然網(wǎng)絡(luò)名稱不同，但其基本思路都是共同的，即具有統(tǒng)一的IP通信協(xié)議和巨大的傳輸容量，能以最經(jīng)濟的成本靈活、可靠、持續(xù)地支持一切已有和將有的業(yè)務和信號。顯然，這樣的網(wǎng)絡(luò)其基礎(chǔ)物理層只能是波分復用(WDM)光傳送網(wǎng)，這樣才可能提供巨大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，保證可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、容量和性能以及廉價的成本，支持當前和未來的任何業(yè)務和信號。
　　綜上所述，電信網(wǎng)正開始向下一代可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展, 而構(gòu)筑具有巨大傳輸容量的光纖基礎(chǔ)設(shè)施是下一代網(wǎng)絡(luò)的物理基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應上述超高速、長距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢, 開發(fā)下一代新型光纖已成為開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。目前, 為了適應干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要, 已出現(xiàn)了兩種不同的新型光纖, 即非零色散光纖(G.655光纖)和無水吸收峰光纖。
　　
　　　
　　
　　非零色散光纖
　　
　　非零色散光纖
　　非零色散光纖(G.655光纖)的基本設(shè)計思想是在1550窗口工作波長區(qū)具有合理的、較低的色散, 足以支持10Gbps的長距離傳輸而無需色散補償，從而節(jié)省了色散補償器及其附加光放大器的成本; 同時,其色散值又保持非零特性, 具有最小數(shù)值限制，例如2ps/( nm·km)以上,足以壓制四波混合和交叉相位調(diào)制等非線性影響, 適宜開通具有足夠多波長的DWDM系統(tǒng), 同時滿足TDM和DWDM兩種發(fā)展方向的需要。
　　為了達到上述目的,我們可以將零色散點移向短波長側(cè)或長波長側(cè), 使之在1550nm四周的工作波長區(qū)呈現(xiàn)一定大小的色散值以滿足上述要求。典型G.655光纖在1550nm波長區(qū)的色散值為G.652光纖的1/6～1/7，因此色散補償距離也大致為G.652光纖的6～7倍，色散補償成本(包括光放大器、色散補償器和安裝調(diào)試)遠低于G.652光纖。另外，由于G.655光纖采用了新的光纖拉制工藝，具有較小的極化模色散，單根光纖的極化模色散一般不超過0.05ps/km0.5 。即便按0.1ps/km0.5考慮，這也可以實現(xiàn)至少400km長的40Gbps信號的傳輸。
　　在兩種零色散點不同偏移方向的G.655光纖中，具有正色散的G.655光纖的主要優(yōu)點是可以利用色散補償其一階和二階色散；另外，由于在1550nm四周D為正,有可能與能夠產(chǎn)生負啁啾的MZ外調(diào)制器結(jié)合, 利用SPM技術(shù)來擴大色散受限傳輸距離甚至實現(xiàn)光孤子傳輸；最后, 這類光纖在1310nm波長區(qū)的色散較小,有利于開放1310窗口。但它的主要缺點是可能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性；另外, 這類光纖對XPM的影響比較敏感, 由之產(chǎn)生的性能劣化較大。
　　具有負色散的G.655光纖的主要優(yōu)點是不存在調(diào)制不穩(wěn)定性問題, 接收機眼圖清楚, 對XPM的影響不敏感, 由之產(chǎn)生的性能劣化較小。其缺點是不能利用SPM來擴大色散受限傳輸距離, 也不支持光孤子通信, 1310nm窗口色散較大；此外，在光纖制造工藝相同和折射率剖面外形類似的條件下，零色散波長較長的光纖要求有較大的波導色散，因而芯包折射率差較大，從而往往使之損耗較大而有效面積較小；最后，利用G.652光纖來補償這類光纖雖然僅能補償其一階色散, 但G.652光纖成本較便宜。在具有負色散的G.655光纖中，不同廠家的具體設(shè)計和參數(shù)也不盡相同。原則上, 色散系數(shù)絕對值小有利于10Gbps信號傳得更遠, 但四波混和影響大, 復用的通路數(shù)少于色散系數(shù)絕對值較大的光纖，不利于密集波分復用系統(tǒng)應用。另外，隨著系統(tǒng)應用波長范圍向L波段擴展，這類光纖的零色散波長恰好處于1570nm四周，會發(fā)生四波混合問題，不利于開拓L波段應用。隨著復用通路數(shù)越來越大以及系統(tǒng)應用波長范圍向L波段擴展，這類光纖的弱點越來越顯著。
　　總的來看，兩類光纖各有優(yōu)缺點，共同的優(yōu)點是均能支持以10Gbps為基礎(chǔ)的長距離DWDM傳輸系統(tǒng)。當傳輸距離為幾百公里范圍時，即多數(shù)陸地傳輸系統(tǒng)應用場合，具有正色散的G.655光纖上的脈沖有壓縮現(xiàn)象，眼開度較大，MI影響不大，比較有利，具有負色散的普通G.655光纖也同樣可用，但復用通路數(shù)不夠多；當傳輸距離大于1000km時，兩類光纖上的脈沖均呈較大的展寬現(xiàn)象，必須使用色散補償技術(shù)。但要注重，具有正色散的G.655光纖上的脈沖頻譜展寬將會大到其中部分功率落到WDM濾波器通帶之外，或者會由于光放大器鏈的增益帶變窄而被濾掉。此時，負色散G.655光纖將是唯一的選擇，例如海纜系統(tǒng)應用就是這樣。近來，隨著DWDM系統(tǒng)的工作波長區(qū)從C波段向L波段發(fā)展，具有正色散的G.655光纖正逐漸成為未來陸地光纖通信系統(tǒng)的主要光纖類型。
　　低色散斜率光纖
　　所謂色散斜率指光纖色散隨波長變化的速率，又稱高階色散。在長途W(wǎng)DM傳輸系統(tǒng)中，由于色散的積累，各通路的色散都隨傳輸距離的延長而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散積累量是不同的，其中位于兩側(cè)的邊緣通路間的色散積累量差別最大。當傳輸距離超過一定值后，具有較大色散積累量通路的色散值超標，從而限制了整個WDM系統(tǒng)的傳輸距離。
　　初期的G.655光纖主要是為C波段設(shè)計的, 因而色散斜率稍大一點問題不太大。然而, 隨著寬帶光纖放大器技術(shù)的發(fā)展, DWDM系統(tǒng)的應用范圍已經(jīng)擴展到L波段, 全部可用頻帶可以從1530～1565nm擴展到1530～1625nm。在這種情況下, 假如色散斜率仍維持原來的數(shù)值(大約0.07～0.10ps/(nm2·km)), 長距離傳輸時短波長和長波長之間的色散差異將隨距離增長而增加，勢必造成L波段高端過大的色散系數(shù), 影響10Gbps及以上速率信號的傳輸距離，或者說需要代價較高的色散補償措施才行，而低波段的色散又嫌太小，多波長傳輸時不足以壓制四波混合和交叉相位調(diào)制的影響。為此, 開發(fā)低色散斜率的G.655光纖成為必要。通過降低色散斜率，我們可以改進短波長的性能而不必增加長波長的色散，使整個第三和第四窗口的色散變化減至最小，同時可以降低C波段和L波段色散補償?shù)某杀竞蛷碗s性。目前, 美國貝爾實驗室已開發(fā)出新一代的低色散斜率G.655光纖(真波RS光纖), 光纖色散斜率已從0.075ps/(nm2·km) 降到0.05ps/( nm2·km)以下。典型低色散斜率G.655光纖在1530～1565nm波長范圍的色散值為2.6～6.0 ps/(nm·km), 在1565～1625nm波長范圍的色散值為4.0～ 8.6 ps/(nm·km)。其色散隨波長的變化幅度比其他非零色散光纖要小35％～55％，從而使光纖在低波段的色散有所增加，最小色散也可達2.6ps/(nm·km)，可以較好地壓制四波混合和交叉相位調(diào)制影響，而另一方面又可以使高波段的色散不致過大，可低于8.6ps/(nm·km)，仍然可以使10Gbps信號傳輸足夠遠的距離而無須色散補償，通信系統(tǒng)的工作波長區(qū)可以順利地從C波段擴展至L波段而不至于引起過大的色散補償負擔，甚至只需一個色散補償模塊即可補償整個C波段和L波段。
　　大有效面積光纖
　　超高速系統(tǒng)的主要性能限制是色散和非線性。通常，線性色散可以用色散補償?shù)姆椒▉硐蔷€性的影響卻不能用簡單的線性補償?shù)姆椒▉硐９饫w的有效面積是決定光纖非線性的主要因素，盡管降低輸入功率或減少系統(tǒng)傳輸距離和光區(qū)段長度也可以減輕光纖非線性的影響，但同時也降低了系統(tǒng)要求和性能價格比，可見光纖的有效面積是長距離密集波分復用系統(tǒng)性能的最終限制。為了適應超大容量長距離密集波分復用系統(tǒng)的應用, 大有效面積光纖已經(jīng)問世。
　　其中以美國康寧公司的Leaf光纖為例，光纖的截面積采用了分段式的纖芯結(jié)構(gòu)，典型有效面積達72μm2以上, 零色散點處于1510nm左右, 其彎曲性能、極化模色散和衰減性能均可達到常規(guī)G.655光纖水平, 而且色散系數(shù)規(guī)范已大為改進，提高了下限值, 使之在1530～1565nm窗口內(nèi)處于2～6ps/(nm·km) 之內(nèi), 而在1565～1625nm窗口內(nèi)處于4.5～11.2ps/(nm·km) 之內(nèi), 從而可以進一步減小四波混合的影響。由于有效面積大大增加, 可承受較高的光功率, 因而可以更有效地克服非線性影響, 若按72μm2面積設(shè)計,這至少減少大約1.2dB的非線性影響。按目前的有效面積設(shè)計，其光區(qū)段長度也可以比普通光纖增加約10km。盡管其色散為正, 也可能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性, 但由于有效面積變大,其影響將遠小于普通正色散光纖。其主要缺點是有效面積變大后導致色散斜率偏大, 約為0.1ps/( nm2·km), 這樣在L波段的高端，其色散系數(shù)可高達11.2ps/(nm·

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