现代新型光纤

现代新型光纤1第1页，共27页，2023年，2月20日，星期日第四节现代新型光纤影响传输距离的因素主要有两个，其一是光纤损耗，其二是光纤色散。光纤损耗所限制的最长传输距离可通过光纤放大器得以继续延伸，但光纤色散对传输距离的限制限制不容忽视，尤其是在高速率、大容量信号传输时，色散的影响更为强烈。2第2页，共27页，2023年，2月20日，星期日目前，ITU－T已经在建议G.652、G.653、G.654、G.655和G.65x中分别定义了五种不同类型的单模光纤。一、标准单模光纤(G.652光纤)

这种光纤就是我们目前广泛应用的常规单模光纤，称之为1310nm波长性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位单模光纤。3第3页，共27页，2023年，2月20日，星期日这种光纤可适用于1310nm和1550nm窗口工作。1310nm波长工作时，理论色散值为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低。4第4页，共27页，2023年，2月20日，星期日1.01.21.41.6-20246材料色散波导色散全色散波长(m)色散系数(ps/km•nm)SiO2单模光纤色散与光波长的关系5第5页，共27页，2023年，2月20日，星期日SiO2光纤的损耗-波谱曲线6第6页，共27页，2023年，2月20日，星期日二、色散位移光纤(DSF)（G.653）目前常规的石英单模光纤有三个低损耗窗口即850nm，1310nm和1550nm，其中1550nm窗口损耗最低，而1310nm窗口具有零色散特性。如果在这种光纤上采用1550nm波长，虽然损耗最小，但色散很大(约17ps/nmkm)，直接影响到传输性能，因此必须重新设计一种新型光纤。7第7页，共27页，2023年，2月20日，星期日色散位移光纤(DSF)就是为将零色散点从1310nm移到1550nm处而设计的一种光纤，它可使工作于1550nm最低损耗波长点同时也具有零色散。目前采用的方法是通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值，从而移动零色散点达到修正色散的目的，实现1550nm处的低损耗与零色散。为达到零色散点移位的目的，目前采用的方法是设计新型的光纤剖面折射率分布。8第8页，共27页，2023年，2月20日，星期日色散位移光纤的色散9第9页，共27页，2023年，2月20日，星期日单模光纤的折射率分布形状1、单包层阶跃型DSF2、单包层渐变型DSF3、多包层型DSF10第10页，共27页，2023年，2月20日，星期日三、1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）这种光纤是指1550nm波长损耗最小的光纤，它的设计重点是如何降低1550nm处的衰减，其零色散点仍然位于1310nm波长处。主要应用与需要很长再生段距离的海底光纤通信。11第11页，共27页，2023年，2月20日，星期日四、非零色散光纤近几年为解决1550nm波长下采用EDFA以后出现的大容量实现问题，提出了密集波分复用(DWDM)技术。即在1550nm附近(1530～1560nm)，选用密集的多路光载波，各自受到不同信号的调制，然后汇集在一根光纤上通过EDFA实现大容量超长距离的传输，尤其是G.653光纤(DSF)在1550nm处优良性质是人们考虑的首选光纤。12第12页，共27页，2023年，2月20日，星期日但进一步的研究发现：DSF在单波长、长距离通信中具有很大的优越性。但当用于WDM系统时，在零色散波长区将出现严重的非线性问题，限制了WDM技术的应用，成为DSF(G.653)的主要缺陷；从而引出了另一种新型光纤一非零色散光纤(NZDF)。13第13页，共27页，2023年，2月20日，星期日NZDF的工作原理为了容许在光纤上传播较大功率和多路波长，诞生了非零色散光纤(NZDF)。其特点是将DSF的零色散点进行了移动，使1540～1565nm范围内色散值保持在1.0～4.0ps/nmkm，避开了零色散区，但又保持了较小的色散值。而零色散点可设置在1550nm以下或以上的较短波长范围内(如1520nm或1570nm)。14第14页，共27页，2023年，2月20日，星期日五、色散补偿光纤(一)概述目前，光纤通信发展迅猛，业已安装了大量的G.652常规单模光纤。这种光纤虽然在1310nm色散几乎为零，但损耗较大，虽然掺镨光纤放大器(PDFA)是工作在1310nm波长区，但该器件尚未成熟，价格昂贵。DSF对现有线路的升级和扩容无能为力。在这种情况下，如何解决常规光纤在1550nm波长下的色散问题已成当务之急，而色散补偿光纤(DCF)正好应运而生。15第15页，共27页，2023年，2月20日，星期日(二)色散补偿的基本原理色散补偿，又可称为光均衡，其基本原理是当光脉冲信号经长距离光纤传输后，由于色散效应而产生脉冲展宽或畸变，这时可用一段色散补偿光纤来修正，目的是消除展宽和畸变。例如：普通单模光纤的色散在1550nm波长工作区是正色散值，因此，可以设计一段特殊的光纤使之在该波长区具有负的色散系数，而且其负色散系数很大，因此用很短的一段负色散光纤即可补偿几十千米的普通光纤所产生的色散，使在1550nm窗口也实现了无展宽的接收波形。这一段特殊光纤因其功能而称之为色散补偿光纤(DCF)。16第16页，共27页，2023年，2月20日，星期日DCF的主要特点是：①DCF可放在光纤线路中的任何位置上(仅受到EDFA和光接收机灵敏度的限制)，安装灵活方便。②DCF的色散补偿量可以控制，且性能稳定。③DCF具有很大的负色散(在1550nm波长处)，足可抵消G.652光纤在1550nm处的正色散。对原使用1310nm的G.652光纤系统的升级和扩容(变至1550nm波长区)而言，只需少量的DCF和EDFA即可达到目的。17第17页，共27页，2023年，2月20日，星期日④DCF虽然引入了插入损耗，但可通过EDFA予以弥补。⑤改善DCF的剖面结构和制造工艺，可实现较大范围的色散补偿，且得到较低衰减。18第18页，共27页，2023年，2月20日，星期日(三)DCF的结构与性能

DCF的主要特点是具有较大的负色散(在1550nm处)，以补偿常规光纤在1550nm时产生的较大正色散，因此从色散特性上看，仍属于一种色散位移光纤，但与DSF的要求和目的截然不同。1、结构近年来，采用MCVD、VAD、PCVD等方法已制出了具有较高性能的DCF。其结构以单包层和W型光纤较为常见，也有用三包层和四包层结构来实现的。最高的DCF研制水平已达－548ps/nmkm。但目前最大的问题是这种光纤的损耗较大。19第19页，共27页，2023年，2月20日，星期日2、性能评价：DCF的主要性能包括色散、传输损耗、连接损耗和弯曲损耗等。⑴色散评价

DCF最主要的参数即为色散值，希望它所产生的负色散越大越好。因为大负色散可使DCF的长度缩短，减小占用空间。⑵传输损耗由于在DCF制造过程中，采用了特殊的结构(如增大Δ)，因此它的传输损耗往往比常规光纤要大，应在工艺条件上加以改进，如以较大的张力控制光纤可减小损耗。20第20页，共27页，2023年，2月20日，星期日⑶连接损耗由于DCF的模场直径与常规光纤的模场直径不匹配，因此将这两种光纤直接连接时会引起较大的连接损耗。解决方法可采用模场直径调节技术(即利用光纤中掺杂剂的热扩散)解决，如日本藤仓公司报道，以纯石英为包层的光纤熔接损耗最低可达0.12dB。⑷弯曲损耗在实际应用中，DCF总是环绕在卷轴上，以减小体积，因此必须仔细控制弯曲损耗。21第21页，共27页，2023年，2月20日，星期日(四)DCF应用主要用于DCF实现高速率、大容量通信以及实现高质量视频传输。22第22页，共27页，2023年，2月20日，星期日六、色散平坦光纤随着光纤通信的迅速发展，人们开始寻求充分开发和利用光纤有效带宽的途径，也就是说不应只满足于在某一波长上具有零色散或低色散，最好应实现在整个光纤通信的长波长波段(1300nm～1600nm)不仅具有低损耗、也要有低色散。这种光纤即称之为色散平坦光纤(DFF)，这种类型的光纤对由WDM技术实现在一根光纤上同时承载多个光载波来说意义重大。本节主要介绍这种光纤的结构与特性。23第23页，共27页，2023年，2月20日，星期日色散平坦光纤的色散－－－－24第24页，共27页，2023年，2月20日，星期日(一)W型DFF

为了能够在宽波段内得到平坦的小色散特性，采用的方法还是改变折射率的分布。最初的DFF是采用W型光纤制作的，因为这种光纤可以实现在两个不同波长(λ=1305nm和1620nm)达到零色散，而且在这两个零色散点之间，色散特性平坦，数值也较小。(二)多包层DFF25第25页，共27页，2023年，2月20日，星期日七、超长波长光纤从原理上分析，减小光纤损耗影响以提高光纤通信中继距离的方法有：提高光发射机的入纤光功率；提高光接收机的接收灵敏度；降低光纤损耗系数。在这三个方法中，利用前两者来提高光纤通信的中继距离潜力有限，这是因为：当入纤光功率太强时，将引起光纤的非线性效应，产生受激散射，从而导致光纤衰减的增大，反而减少