常用单模光纤的特性和应用0001

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. 6

2、52光纤、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

3、对应。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(10Gb/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专输扩展到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.

4、5)士 0 .7 卩 m包层直径125士 1叩同心度偏差< 0.8 ym包层不圆度毛< 2.0%光缆截止波长< 1260 ym宏弯损耗 1550nm< 0.50 dB(37.5 mm 半径 100 圈)16xx (l)nm< 0. 50 dB筛选应力> 0.69 GPa色散零色散波长 入01300 nmw入q< 1324 nm特性零色散斜率Sow 0.093p s/nm 2 ?未成缆光纤偏振模色散系数一w xx ps/(km)光缆衰减系数1310 nmw 0.5 dB/kmw 0.4 d B/kmyyyy nm一xx dB/km1550 nmw 0.4

5、 dB/kmw 0.35dB/km16xx(l) nmw 0.40 dB/km光缆偏振模色散系数M20个光缆段Q一0.01%1/2PMD一w 0.5 ps/(Km) 上限波长尚未完全确定，且 xx < 25 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 PMD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。 对于波长丫丫丫丫由买卖双方协商，建议为 1383nmcyyyy < 1480nm 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

6、。 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 nm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(DSP Dispersion ShifledFiber ),其零色散波长移位到损耗极低的155Onm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

7、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.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(xx < 25 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

8、S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 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可题。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 卩 m包层直径125士 1叩同心度偏差< 0.8 ym包层不圆度毛< 2.0%光缆截止波长< 1480 ym宏弯损耗 1550nm< 0.50 dB(37.5 mm 半径 100 圈)16xx

9、 nm< 0. 50 dB筛选应力< 0.69 GPa波长色散系数C波段入max和入min1530 nm和 1565 nm> 0.1 ps/nm km> 6.0 ps/nm kmDnin< 6.0 ps/nm km < 10.0 ps/nm km未成缆光纤偏振模色散系数1/2< xx ps/(km)光缆衰减系数1550 nm< 0.35dB/km16xx(l) nm< 0.40 dB/km光缆偏振模色散系数M20个光缆段0.01%1/2PMD> 0.5 ps/(Km)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

10、。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 CU)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)8.6-9.5卩m变化不超过土 10%7-8.3 u m变化不超过土 10%8-11 u m变化 不超过土 10%9.5 u m变

11、化 不超过土 10%模场同心度偏差W1卩m<1 u m<1 u m<1 u m2m长光纤 截止波长入c<1250nm-<1470nm-22m长光缆截止波长入CC<1260nm<1270nm<1480nm-零色散波长1300-1324nm1500-1600nm-零色散斜率< 0.093ps nm(的平方)km< 0.085ps nm(的平方)km-< 0.1ps / nm(的平方)km最大色散系数< 20ps/ nm km (1525-1575nm)< 3.5ps /nm km (1525-1575nm)0.1-6.0

12、ps /nm- km (1530-1565nm)1-6.0ps /nm km (1530-1565nm)包层直径125±2 u m125±2 u m125±2 u m125±2 u m典型衰减系数(1550nm0.17-0.25dB /km0.19-0.25dB / km0.19-0.25dB / km0.19-0.25dB /km1550nm的宏弯损耗< 1dB< 0.5dB< 0.5dB< 0.5dB适用工作窗口1310 nm和 1550nm1550nm1550nm1550nm三、光纤衰减和色散对传输系统中继距离的影响。3.1

13、 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 8X2.5Gbit /s或16甚至32x2.5Gbit /s系统。但由于 G.652光纤在 155Onm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10Gbit /s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155Onm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。

14、因此在骨干 传输网上，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PMD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 10

15、Gbit/s以太网的传输达40km, 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 80km3.2 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DWD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

16、线性四波混合效应的源 泉。一般来讲，四波混合的效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0.1ps /nm- km,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

17、色散（ITUT规范为0.1-6ps /nmkm）。这样，可大大减轻四波混合的 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10Gbit /s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

18、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/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1530nm- 1565nm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

19、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.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WD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/s x N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。采用马赫一曾德尔外调

20、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50K毗右，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10Gbit/s、20 Gbit/s甚至40Gbit/s。这种技术的缺点是 DCF带来了

21、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，几乎所有的大公司都选择 NX 2.5 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勺10Gbit/s系统， 然后再发展更高速率的 WD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.65

22、3 光纤上运行 10 Gbit/s 及其以上速率系统要简单些，因为155Onm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WD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

23、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 1O Gbit/s 甚至 2O 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，WD技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

24、，又可以采用 WD方式以2.5Gbit/s x N( N= 4，8，16) 或 10 Gbit/s x N( N= 4，8)开通高速系统，满足了 TDM和WD两种发展方向的要求。以Luce nt的真波光纤为例：在15401565 Nm区间，光纤色散系 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WD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

25、 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色散受限。据Luce nt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300km左右。在Luce nt 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(Ml ModulationInstability)， 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Luce nt公司同时，康宁公司也推出了自己的非零色散光纤SMR LS,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