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    前沿技術:光纖技術與光纖網絡

    2006-03-22

    1.光導纖維技術特性
    1.1.非零色散光纖
      非零色散光纖(G.655光纖)的基本設計思想是在1550窗口工作波長區具有合理的、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, 具有最小數值限制,適宜開通具有足夠多波長的DWDM系統, 同時滿足TDM和DWDM兩種發展方向的需要。
      為了達到上述目的,我們可以將零色散點移向短波長側或長波長側, 使之在1550nm附近的工作波長區呈現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光纖的主要優點是可以利用色散補償其一階和二階色散;另外,由于在1550nm附近D為正,有可能與能夠產生負啁啾的MZ外調制器結合, 利用SPM技術來擴大色散受限傳輸距離甚至實現光孤子傳輸;最后, 這類光纖在1310nm波長區的色散較小,有利于開放1310窗口。但它的主要缺點是可能產生調制不穩定性;另外, 這類光纖對XPM的影響比較敏感, 由之產生的性能劣化較大。
      具有負色散的G.655光纖的主要優點是不存在調制不穩定性問題,接收機眼圖清楚, 對XPM的影響不敏感, 由之產生的性能劣化較小。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形狀類似的條件下,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, 不同廠家的具體設計和參數也不盡相同。原則上, 色散系數絕對值小有利于10Gbps信號傳得更遠, 但四波混和影響大, 復用的通路數少于色散系數絕對值較大的光纖,不利于密集波分復用系統應用。另外,隨著系統應用波長范圍向L波段擴展,這類光纖的零色散波長恰好處于1570nm附近,會發生四波混合問題,不利于開拓L波段應用。隨著復用通路數越來越大以及系統應用波長范圍向L波段擴展,這類光纖的弱點越來越顯著。
      總的來看,兩類光纖各有優缺點,共同的優點是均能支持以10Gbps為基礎的長距離DW DM傳輸系統。當傳輸距離為幾百公里范圍時, 即多數陸地傳輸系統應用場合,具有正色散的G.655光纖上的脈沖有壓縮現象,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象,必須使用色散補償技術。但要注意,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,例如海纜系統應用就是這樣。近來,隨著DWDM系統的工作波長區從C波段向L波段發展,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的主要光纖類型。
    1.2.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WDM傳輸系統中,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系統的傳輸距離。
      初期的G.655光纖主要是為C波段設計的, 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的發展, DWDM系統的應用范圍已經擴展到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, 如果色散斜率仍維持原來的數值{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, 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制的影響。為此, 開發低色散斜率的G.655光纖是非常必要。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波段色散補償的成本和復雜性。目前, 美國貝爾實驗室已開發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1565~1625n m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,通信系統的工作波長區可以順利地從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。
    1.3.大有效面積光纖
      超高速系統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的方法來消除,而非線性的影響卻不能用簡單的線性補償的方法來消除。光纖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傳輸距離和光區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的應用, 大有效面積光纖已經問世。
      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構,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G.655光纖水平, 而且色散系數規范已大為改進,提高了下限值, 使之在1530~1565nm窗口內處于2~6ps/(nm.km) 之內, 而在1565~1625nm窗口內處于4.5~1 1.2ps/(nm·km) 之內, 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計,其光區段長度也可以比普通光纖增加約10km。盡管其色散為正, 也可能產生調制不穩定性, 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,其色散系數可高達11.2ps/(nm·km),使高波段通路的色散受限距離縮短,或傳輸距離很長時功率代價變大;當應用范圍從C波段擴展到L波段時需要較復雜的色散補償技術,這就不得不采用高低波段兩個色散補償模塊的方法,從而增加了色散補償成本;另外其MFD也偏大, 在1550nm處大約為9.2nm到10nm, 因此微彎和宏彎損耗需要仔細控制。
      在理論上,光纖的線性色散總是可以補償的,而非線性卻很難補償。大有效面積光纖從本質上改進了系統抗非線性的能力,這一優點特別表現在間隔100GHz、容量為40×10G bps以上的C波段WDM系統中,此時其系統設計窗口較大,色散補償的精度要求較低。我們可以認為,在C波段,由大有效面積光纖構成的以10Gbps為基礎的高密集WDM系統信噪比較高, 誤碼率較低, 光放大器的間隔較長, 系統總長度也較長, 代表了干線光纖的又一新發展方向。
      在實際應用中,我們也可以采用正色散和負色散光纖交替連接的方式來完成色散補償,從而消除色散的影響,但這會為維護運行帶來麻煩。
    1.4.無水峰光纖
      與長途網相比,城域網面臨更加復雜多變的業務環境,它要直接支持大用戶,需要頻繁的業務量疏導和帶寬管理能力。但其傳輸距離卻短得多,通常只有50~80km, 因而很少應用光纖放大器,光纖色散也不是問題。那么,在這樣的應用環境下要最經濟有效地流通業務,光纖成為至關重要的網絡設計因素。
      采用數十乃至數百個復用波長的高密集波分復用技術是一項很有前途的長遠解決方案。屆時,網絡可以將各種不同速率和性質的業務分配給不同的波長,在光路上進行業務量的選路和分插。在這類應用中,開發具有盡可能寬的可用波段的光纖成為關鍵。目前影響可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰,只要在光纖內部有幾個OH離子ppb(par ts per billion)就足以導致在1385nm附近產生幾分貝的衰減,使1350~1450nm中約100n m寬的頻譜因衰減太高而無法使用。若能設法消除這一水峰,則光纖的可用頻譜可望大大擴展,無水峰光纖就是在這種形勢下誕生的。不同公司制造的無水峰光纖具有不同的名字,下面以美國朗訊科技公司的無水峰光纖-全波光纖為例進行講述。
      全波光纖采用了一種新的生產工藝,幾乎可以完全消除內部的氫氧根(OH)離子,從而可以比較徹底地消除由之引起的附加水峰衰減。光纖衰減將僅由硅玻璃材料的內部散射損耗決定,在1385nm處的衰減可低達0.31dB/km。由于內部已清除了氫氧根,因而光纖即便暴露在氫氣環境下也不會形成水峰衰減,具有長期的衰減穩定性。除了沒有水峰以外,全波光纖與普通的標準G.652匹配包層光纖一樣。然而,由于沒有了水峰,光纖可以開放第5 個低損傳輸窗口,從而帶來一系列好處:
      1.4.1可用波長范圍增加100nm,使光纖可以提供從1280nm到1625nm的完整傳輸波段,全部可用波長范圍比常規光纖增加約一半, 可復用的波長數大大增加。
      1.4.2由于在上述波長范圍內,光纖的色散僅為1550nm波長區的一半,因而,容易實現高比特率長距離傳輸。例如在1400nm波長附近, 10Gbps速率的信號可以傳輸200km而無需色散補償。
      1.4.3可以分配不同的業務給最適合這種業務的波長傳輸,改進網絡管理。例如可以在1310nm波長區傳輸模擬圖像信號,在1350~1450nm波長區傳輸高速信號(高達10Gbps),在1450nm以上波長區傳輸其他信號。
      1.4.4當可用波長范圍大大擴展后,容許使用波長間隔較寬、波長精度和穩定度要求較低的光源、合波器、分波器和其他元件,使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降,降低了整個系統的成本。
    2.光纖傳輸系統

    前沿技術:光纖技術與光纖網絡(圖一)

      實現全數字化的綜合業務網(ISDN)這一未來通信網的總目標中,數字光纖通信技術將發揮重要作用,數字光纖通信系統具有信號便于進行數字處理、傳輸中抗干擾、抗雜波能力強、無噪聲積累等優點,因此它是長距離干線的主要方式。數字光纖通信的基本原理是將數字通信中的數據傳輸信號首先經過電—光轉換成光脈沖數字信號,然后通過光纜傳輸到數字通信的對方,最后再經過光—電轉換、放大、均衡與定時再生成數據傳輸信號。這一轉換傳輸過程如圖1所示:光纖網的拓撲結構,基本上可以分為三種:星形、總線形和環形,而從網絡的分層模型來看,可以把網絡從上到下分成若干層,這也可與等級結構相結合來理解,每一層又可劃分為若干子網,這就相當于同一等級的各個交換中心及其傳輸系統構成的網與網還可以劃分為若干小的子網,以使整個數字網能有效地為通信服務。我國規定一級干線光纖通信網的假設參考數字段HRDS( Hypothesis Reference Digital Section)長度為420Km,假設參考數字鏈路HRDL(Hypothesis Reference Digital Link )長度為5000Km,實際上有些數字段或數字鏈路的長度遠超過上述長度。而二級光纖網的假設參考數字段長度為280K,而對于面積較大的省區可以按420 Km來考慮。

    前沿技術:光纖技術與光纖網絡(圖二)
      光纖數字傳輸系統中的中繼距離的長度,應根據光發送機、光接收機的性能以及光纖衰減、色散等技術指標來進行估算。中繼段內光鏈路如圖2所示:因此中繼距離的段長度可按下式來計算:
      L=Ps-PR-Me-∑Ac/Af+As+Mc
    式中:L—中繼段長度(Km)
      Ps—S點入光纖光功率(dBm)
      PR—R點出光纖光功率(dBm)
      Me—設備富余系數(dB)
      ∑Ac—S和R點間其它連接的衰減(dB)
      Af—光纜光纖衰減常數(dB/Km)
      As—光纜固定接頭平均熔接衰減(dB/Km)
      Mc—光纜富余系數(dB/Km)
    3.光纖網絡的施工技術
      光纖通信網,分光纖線路和傳輸設備兩大部分,光纜線路與設備方面的施工是以光纖分線架(ODF架)為分界,光連接器外側為線路部分,光纖線路部分包括不同形式的光纜、光纜連接件以及成端插件(連接器)等構成。
      3.1光纜的敷設
      光纜的敷設分為管道光纜敷設、架空光纜敷設、直接光纜敷設、水底光纜敷設幾種方式。光纜由于輕、直徑細給施工帶來了方便,但太細軟加上盤長遠遠超過普通電纜,又給敷設提出了新的技術要求,所以光纜線路的敷設要嚴格執行規范規程的技術標準去組織施工。光纜敷設方式的設計應根據光纜的技術特性和所使用區域的地理及地質實況來確定,以使所選擇的敷設方式具有高的性能價格比。
      3.2光纜的連接
    光纜的連接是光纜施工中直接影響線路傳輸質量和使用壽命的關鍵技術,就光纖的連接方式,可分為活動連接和固定連接兩大類。
      3.2.1.光纖的活動連接,又稱為活接頭。這種連接方式是由光連接器實現的,光連接器是由插頭和插座組成,其插頭、插座是工廠生產時根據用途制成帶不同長度光纖的連接插件,一端為線路另一端是設備的尾纖。光連接器分為多模和單模,目前多模光纖連接器插入損耗包括互換性、重復性要求小于1dB,單模光纖連接器的插入損耗一般為0.5和1dB兩個規格,此種連接一般用于光纜線路終端。
      3.2.2.固定連接即永久性連接。固定連接都用于光纜線路中,光纜線路中的固定連接工作量是很大的,因此,固定連接對線路質量有著十分重要的意義。光纖的固定連接分為熔接法和機械連接法,光纖固定接頭的損耗,由于受被連接光纖本身參數以及外部工藝等因素的影響,因此光纖連接損耗的一致性受到一定的限制。工程中以平均連接損耗來衡量,從實用化來看,0.5dB的連接損耗已經可以滿足基本要求了,但隨著光纖生產工藝和連接技術的不斷成熟,光纖連接損耗已經大大的降低。在光纖連接技術中被廣泛采用的是熔接法,此種方法可以做到平均連接損耗小于0.1dB,該方法是借助光纖熔接機的電極尖端放電,電弧產生的高溫使被接光纖熔為一體。
    4、我國光纖網的發展
      我國光通信經過了20多年的長足發展,目前光纜總長度已超過100萬公里,并在光通訊的高新技術研究領域也取得了很大的進展。特別是在進入九十年代后,先進的SDH系統新技術在光網絡建設中起到了主要作用,我國成為世界上采用SDH系統新技術最早和最多的國家之一,目前1550nm摻餌光纖放大器(EDFA)和高密集波分復用(DWDM)等高新技術已開始應用于核心網絡中,我國的光纖網絡及相關技術已進入世界先進水平的行列。進入21世紀后,怎樣使光纖網架進一步合理完善,是我國光纖網絡發展新的課題。
    5、光纖網絡的主流技術
    5.1.光纖新技術
      光纖制作技術現已基本成熟,并大量生產,當今普遍采用的是零色散波長λ0=1.3μm 的單模光纖,而零色散波長λ0=1.55μm 的單模光纖已研制成功,并已進入實用階段,它在1.55μm波長的衰減很小,約0.22dB/km,所以更適合于長距離大容量,是長距離骨干網的優選傳輸介質。目前,為了適應干線和局域網的不同發展要求,已研制出非零色散光纖、低色散斜率光纖、大有效面積光纖、無水峰光纖等新型光纖。而人們對超長波長光纖的研究,仍處于一種理論探討階段。其傳輸距離理論上可達到數千公里,可以達到無中繼傳輸。
    5.2.光纖放大器
      摻餌光纖放大器(EDFA)為數字、模擬以及相干光通信的中繼器,可傳輸不同的碼率,并可以同時傳輸若干波長的光信號。在光纖網絡升級中,由模擬信號轉換為數字信號、由低碼率改為高碼率,系統采用光波復用技術擴容時,都不必改變摻餌放大器的線路和設備。摻餌放大器可作為光接收機的前置放大器,光發射機的后置放大器及光源器件的補償放大器。
    5.3.寬帶接入
       針對不同環境下的商業用戶和居民用戶有多種寬帶接入的解決方案。接入系統主要完成三大功能:高速傳輸、復用/路由、網絡延伸。目前,接入系統的主流技術有以下幾種。ADSL技術能在雙絞銅線上經濟地傳輸每秒幾兆比特的信息,它既支持傳統的話音業務,又支持面向數據的因特網接入,局端ADSL接入復用設備將數據流量復用后,選路到分組網絡,將話音流量傳送給PSTN、ISDN或其它分組網絡。Cable modem能在光纖同軸混合網中提供高速數據通信,它將同軸電纜傳輸帶寬劃分為上行通道和下行通道,因而能提供VOC在線娛樂、因特網接入等業務,同時也能提供PSTN業務。固定無線接入系統在智能天線和接收機等方面采用了許多高新技術,是接入技術中的一種創新方式,也是目前接入技術中最不確定的一種方式,仍需在今后的實踐中進一步的探索。而光接入系統能提供足夠的帶寬,支持目前可預見的各種業務,但目前尚有技術和經濟等問題需進一步地在產品開發及技術上創新,以使其成為21世紀網絡接入系統的主流技術。
    5.4.硅技術
      光網絡技術的創新進一步需要從石英光纖維到復合半導體設備等一整套元件,其中包括激光器、傳感器及調制解調器等。為滿足這些廣泛的功能要求,針對低成本電子設備發展起來的硅技術正在挺進光電學領域,目前,對光學的硅化處理正沿著兩條分別被稱為硅光實驗室(SIOB)及微電機械系統(MEMS)的道路不斷創新。
      SIOB技術是在一個硅晶片上,無源器件與激光器和傳感器可以集成在活字支撐架上,上面連接著各種各樣的元件,對于小型模塊,采用SIOB技術制造的光學集成電路有足夠的密度。SIOB技術已被應用于集成激光器、光電傳感器、無源波分割器、WDM濾波器、無光光纖吸球狀透鏡附加體、旋轉鏡、光學轉向元件,以及電積金屬等。
      從90年代中期開始,集成光電技術就開始應用于通信網絡,如Dragone路由器,一種在DWDM系統中合并路由波長信道的光集成電路,現已從8信道發展為72信道,與此同時微電機系統(MEMS)是一種微小的堅固機械部件,它的制造可以通過外延生長、圖案形成和蝕刻處理等集成電路制造技術在基片上完成,其尺寸通常小于1毫米,可對復雜芯片實現集成。目前MEMS技術仍處于研究階段,科學家試圖利用硅芯片本身制造出用于光學通信的帶有可移動部件的元件,深信在21世紀微電機系統這一硅光電領域的創新技術,在不久的將來應用于下一代光網絡。
    6、21世紀網絡發展展望
      未來網絡要求具備結構設置上高度的靈活性和軟件可編程能力,目前發展迅速的智能網是針對現有電話網開發的業務生成平臺,未來網絡將采用一個與之相似的功能更強的互聯網協議IP業務平臺,這個平臺將以用戶與服務供應商之間的服務水平協議(SLA)為基準,通過策略管理器來執行這些協議,策略管理器指示網絡設備及其支持系統怎樣處理路由和交換數據包,是提供可靠的、可擴展的、安全的和可管理的數據網絡的關鍵所在。
      未來網絡將以四“S”技術為基石組成,即系統(Systems)、軟件(Software)、硅片(Silicon)和服務(Services) 。對此,我們可以理解為:系統方面,未來網絡的核心將是光子、光網絡的傳輸因子將直接是波長而不是分組,載有信息的光子將直接進入城域網、企業網、路由器和服務器、甚至用戶家庭。軟件方面,網絡軟件是未來網絡的粘合劑,由于客戶要求大量可編程的平臺來開發各種新業務、新應用,所以軟件就會成為一個網絡的新增亮點。硅片方面,網絡的價值將持續地向芯片轉移,對于單芯片系統突破的要求將持續增長,從芯片開始能提供解決方案的設備供應商將是未來五年中最大的贏家。服務器方面,在競爭者的環境下,專業化的服務器將是拓展網絡市場空間的關鍵。
      由于光纖通信DWDM摻餌光纖放大器不斷取得新的成果,使得單色傳輸網在本世紀向多色寬帶網過渡已成為必然。全球信息基礎設施(GII)新概念的形成,已被稱之為新一代的因特網,其目標是實現任何人在任何時間、任何地點,可以經濟、方便、安全地享用各種信息服務,GII的實現形式是綜合高速信息網,即為寬帶的IP網。目前發達國家對光電集成技術的研究投入大量的人力、物力和財力,在某些領域已形成產業化,推動國民經濟的高速發展。隨著光電集成技術研究取得新的創新,必將形成一條朝陽產業鏈。雖然光子、電子集成線路(PEIC Photo Electronic Integraed Circuit),所需的工藝復雜,至今尚未商用,但可以深信在大力開展多學科交叉集成技術研究的今天,由電子器件、光電子器件和光波導光子器件的綜合集成技術,在21世紀必將成熟,可以預料光電集成工藝一旦成熟,就會使光纖通信技術產生質的飛躍和突破,那時光纖通信網絡將向著多色、寬帶、智能的方向發展。


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