光纤通信技术中光纤应用的现状

1、 前言现代这个通讯信息发达的时代，品种繁多的光纤层出不穷，不仅在光通信 和光传感中占据着越来越重要的地位，而且在工业、电力、军事、航空航天、生 物医学等方面也发挥着越来越重要的作用。随着3G网络的大规模建设、IPv6的 试用和建设、 光进铜退战略进一步实施，国内外对常规通信光纤的需求进一步 高涨，光纤成为通信市场最为紧俏的商品之一。因此，我们需要改进工艺，降低 光纤成本，使光纤到户可以尽快的在广大家庭中得到应用。第一章 光纤的分类光纤是光导纤维（OF： Optical Fiber）的简称。但光通信系统中常常将Opti cal Fibe （光纤）又简化为Fiber，例如：光纤放大器（Fiber

2、Amplifier）或 光纤干线（Fiber Backbone）等等。有人忽略了 Fiber虽有纤维的含义，但在 光系统中却是指光纤而言的。因此，有些光产品的说明中，把fiber直译成“纤 维”，显然是不可取的。光纤实际是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低 的材料作成的包层所被覆，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号 在纤芯中传播前进的媒体。光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性 能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同， 诸如：损耗小；有一定带宽且色散小；接线容易；易于成统；可靠性 高；制造比较简单；价廉等。光纤的分类主要是

3、从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法 上作一归纳的，兹将各种分类举例如下。（ 1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（ 0.85pm、 1.3pm、1.55pm）。（2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三 角型、W型、凹陷型等）。（ 3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光 纤。（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液 体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、 镍等）和塑料等。（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等， 拉

4、丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。第二章 光纤通信技术中光纤应用的现状普通单模光纤传统的普通单模光纤(G.652光纤)在1310nm波长窗口色散为0,但是损耗 较大(0.35dB/km)，在1550nm波长窗口损耗小(0.2dB/km)，但是色散较大 (20ps/nmkm)。为了利用光纤的1550nm长窗口的低损耗特性和成熟的光放大技 术(EDFA),而又想具有低色散，可以对光纤的结构进行设计，从而使零色散波长 产生位移，设计出了色散位移光纤，即G.653光纤。G.653光纤在1550nm波长 窗口的低损耗和低色散特性非常适合光纤孤子通信的需要，在高速光纤孤子通信 系统中得到了

5、大量应用，但是它1550rim处的色散为零，在进行WDM时会产生严 重的 FWM 效应，不适应波分复用系统的需要。高强度耐弯单模光纤在光通信领域中，高强度耐弯单模光纤是企业最具竞争力的一种光纤，主 要是因为在光纤网建设重点由骨干网向城域网、用户接入网发展，高强度耐弯单 模光纤主导的全业务接入网正在成为光缆市场的主要拉动力，其中最具代表性的 就是正在迅速发展的 FTTH 网络，高强度耐弯单模光纤特点就是光纤可以沿着建 筑拐角施工，从而降低网络布线的成本。无水峰光纤与传统的单模光纤相比，无水峰光纤具有下列优势：其一，在全部可用波长 范围内比常规光纤增加了约一半，可复用的波长数大大增加，可实现超大容

6、量传 输；其二，可用波长范围大大扩展后，可以采用稀疏波分复用(CWDM)方案，使用 波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的元件，使元器件特别是无源器件的 成本大幅度下降；其三，13501450nm波长窗口的光纤色散仅为1550nm波长区 的一半，容易实现高比特率长距离传输。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。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。在c波段，由大有效面积光纤构成的以 10Gbit/s 为基础的

7、高密集 WDM 系统信噪比较高，误码率较低，光放大器的间隔 较长，因而得到了广泛的应用。宽带光传输用非零色散光纤宽带非零色散平坦光纤以 G.656 光纤为例，其特点是在工作波长范围内色 散应大于所要求的非零值，有效面积合适，色散斜率基本为零。因此，应用 G.656 光纤既可显著降低系统的色散补偿成本，又可进一步发掘石英玻璃光纤潜在的巨 大带宽。使用G.656光纤时，可保证通道间隔100GHz、40Gbit/s系统至少传输 400km。第三章 光纤通信技术中光纤的发展光子晶体光纤与常规光纤不同，光子晶体光纤(PCF)是由石英玻璃一空气孔微小结构组成 的光纤，其又可以分为实芯光纤和空芯光纤，即前者

8、是由石英玻璃棒和石英玻璃 毛细管加热拉制成的，而后者则是由石英玻璃管和石英玻璃毛细管加热拉制成 的。在PCF的拉制过程中，改变拉制温度和速度就可以调整PCF的结构和性能， 使得PCF作为光传输介质和光器件具有许多诱人之处，实际上，人们是通过调整 纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离方式来达到分别制造出具有低 衰减、高色散、非线性效应小(大模场直径或者大有效面积)、保偏和小弯曲损耗 等性能的PCF的目的。单模光纤这是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单模光纤 (SMF： Single ModeFiber)。目前，在有线电视和光通信中，是应用最广泛的 光纤。由于，光纤的

9、纤芯很细(约10pm)而且折射率呈阶跃状分布，当归一化 频率V参数V2.4时，理论上，只能形成单模传输。另外，SMF没有多模色散， 不仅传输频带较多模光纤更宽，再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消， 其合成特性恰好形成零色散的特性，使传输频带更加拓宽。SMF中，因掺杂物不 同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤(DePr-essed Clad Fiber )， 其包层形成两重结构，邻近纤芯的包层，较外倒包层的折射率还低。另外，有匹 配型包层光纤，其包层折射率呈均匀分布。多模光纤将光纤按工作彼长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤（MMF： MUlti ModeFiber）

10、。纤芯直径为50pm,由于传输模式可达几百个，与 SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。在历史上曾用于有线电视和通信系统的 短距离传输。自从出现 SMF 光纤后，似乎形成历史产品。但实际上，由于 MMF 较 SMF 的芯径大且与 LED 等光源结合容易，在众多 LAN 中更有优势。所以，在短 距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。MMF按折射率分布进行分类时，有：渐 变（GI）型和阶跃（SI）型两种。GI型的折射率以纤芯中心为最高，沿向包层 徐徐降低。从几何光学角度来看，在纤芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。由于， 光的各个路径所需时间大致相同。所以，传输容量较SI型大。SI型MMF光纤的 折射

11、率分布，纤芯折射率的分布是相同的，但与包层的界面呈阶梯状。由于 SI 型光波在光纤中的反射前进过程中，产生各个光路径的时差，致使射出光波失真， 色激较大。其结果是传输带宽变窄，目前SI型MMF应用较少。色散使移光纤单模光纤的工作波长在1.3Pm时，模场直径约9Pm，其传输损耗约0.3dB / km。 此时，零色散波长恰好在 1.3pm 处。石英光纤中，从原材料上看 1.55pm 段的传输损耗最小（约0.2dB / km）。由于现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA） 是工作在1.55pm波段的，如果在此波段也能实现零色散，就更有利于应用1.55Pm 波段的长距离传输。于是，巧妙地利用光纤材料中

12、的石英材料色散与纤芯结构色 散的合成抵消特性，就可使原在1.3Pm段的零色散，移位到1.55pm段也构成零 色散。因此，被命名为色散位移光纤（DSF： DispersionShiftedFiber）。加大 结构色散的方法，主要是在纤芯的折射率分布性能进行改善。在光通信的长距离 传输中，光纤色散为零是重要的，但不是唯一的。其它性能还有损耗小、接续容 易、成缆化或工作中的特性变化小（包括弯曲、拉伸和环境变化影响）。DSF就 是在设计中，综合考虑这些因素。色散平坦光纤色散移位光纤（DSF）是将单模光纤设计零色散位于1.55pm波段的光纤。而 色散平坦光纤（DFF： Dispersion Flatte

13、ned Fiber）却是将从 1.3Pm 到 1.55pm 的较宽波段的色散，都能作到很低，几乎达到零色散的光纤称作DFF。由于DFF 要作到1.3pm1.55pm范围的色散都减少。就需要对光纤的折射率分布进行复杂 的设计。不过这种光纤对于波分复用（WDM）的线路却是很适宜的。由于DFF光 纤的工艺比较复杂，费用较贵。今后随着产量的增加，价格也会降低。色散补偿光纤对于采用单模光纤的干线系统，由于多数是利用1.3pm波段色散为零的光纤 构成的。可是，现在损耗最小的1.55pm,由于EDFA的实用化，如果能在1.3pm 零色散的光纤上也能令1.55pm波长工作，将是非常有益的。因为，在1.3Pm零

14、 色散的光纤中，1.55Pm波段的色散约有16ps/km/nm之多。如果在此光纤线路 中，插入一段与此色散符号相反的光纤，就可使整个光线路的色散为零。为此目 的所用的是光纤则称作色散补偿光纤（DCF： DisPersion Compe-nsationFiber）。 DCF与标准的1.3pm零色散光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大。DCF 也是WDM光线路的重要组成部分。3.7色散控制光纤（DMF）DWDM （密集波分复用）系统要求色散控制，使系统的色散特性既能足以抑制 FWM（四波混频），又要使总色散为零。过去用交替连接正/负色散的光纤或色散 沿光纤长度渐变的光纤进行。在OFC99会议

15、上，NTTdocomo的40kmDMF,其色散 符号周期性变化是每20km为1周期。在1550nm的平均色散为-0.06ps/nm,色散 斜率0.064ps/nm,衰减系数0.2dB/km,两端的截止波长分别为1.05nm和l.llMm。 NTTdocomo 是通过在拉丝过程中控制拉丝速度、改变包层直径，实际上是改变了 芯径，而芯径影响色散的方式来实现其色散符号周期性变化的。用于局域网的新型多模光纤局域网和用户驻地网的高速发展，大量的综合布线系统也采用了多模光纤 来代替数字电缆，因此多模光纤的市场份额会逐渐加大。之所以选用多模光纤， 是因为局域网传输距离较短，虽然多模光纤比单模光纤价格贵50%100%，但 是它所配套的光器件可选用发光二极管价格则比激光管便宜很多，而且多模光纤 有较大的芯径与数值孔径容易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元器件价格 也低得多。空芯光纤美国一些公司及大学研究所正在开发一种新的空芯光纤，即光是在光纤的 空气中传输。从理论上讲，这种光纤没有纤芯，减小了衰耗。增长了通信距离， 防止了色散导致的干扰现象，可以支持更多的波段，并且它允许较强的光功率注 入，预计其通信能力可达到目前光纤的 10