2.4 单模光纤的进展和应用

1970年，美国贝尔实验室根据英籍华人高锟提出的利用光导纤维可以进行通信的理论，成功地试制出了用于通信的光纤，此后光纤光缆得到迅速的发展。近50年来，光纤光缆的新产品层出不穷，而且在通信业得到了广泛的应用。本节将对目前常用的几种光纤性能做一介绍。

2.4.1 改变光纤结构、设计不同光纤

由式（2.3.17）可知，当归一化芯径参数V在1.5 <V<2.4范围时，波导色散系数为

式中，n₂和N_g2分别是包层的折射率和群折射率，a是光纤芯半径。因此，波导色散与制造光纤的材料特性和光纤的几何尺寸有关，改变单模光纤结构和参数设计，就有可能设计一种波导来改变零色散波长λ₀，例如减小纤芯半径和增加掺杂浓度，使λ₀移到光纤损耗最小的1550nm波长，这种光纤就是色散位移光纤。虽然色度色散通过零点，但这并不意味着就没有色散。首先，D_m+D_w=0只是对λ₀有效，而不是对光源谱宽Δλ内的所有波长有效；其次，二阶色散对色散也有贡献。

改变单模光纤结构和参数设计，可以获得在1550nm波长具有负色散值大的色散补偿光纤，还可以得到在1300nm和1550nm两个波长的色散都为零的色散平坦光纤。图2.3.10表示标准单模光纤、色散位移光纤、非零色散光纤和色散补偿光纤的折射率分布，图2.4.1表示色散平坦光纤的色散系数和折射率分布。

纯硅芯光纤（PSCF）的性能见图2.1.4。

2.4.2 G.652标准单模（SSM）光纤

标准单模光纤（Standard Single-Mode Fiber,SSMF）是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤，国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）把这种光纤规范为G.652《单模光纤和光缆特性》光纤，这属于第一代单模光纤，其特点是当工作波长为1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波段的损耗较大，为0.3～0.4dB/km；在1.55μm波段的损耗较小，为0.2～0.25dB/km。色散在1.3μm波段为±3.5ps/（nm·km），在1.55μm波段较大，约为20ps/（nm·km）。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gbit/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gbit/s的信号，传输距离超过50km时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块，另外由于它的使用也增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于DWDM系统。

经过ITU-T不断的修正，将G.652光纤划分为G.652A、G.652B、G.652C和G.652D四个子类，如表2.4.2所示。G.652A最高可应用到STM-16系统，也适用于传输40km的10Gbit/s以太网和G.693规定的STM-256系统。G.652B可支持高比特率传输。G.652C完全消除了1383nm附近的水峰，使工作波长从1260nm一直延伸到1625nm，从而使该光纤适用于城域网全波段粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM）系统。但该光纤在1550nm附近，由于大的正色散值，限制了最大的传输距离。G.652 D的应用场合与G.652 B类似，但它允许传输使用1360～1530nm之间的扩展波段。

表2.4.2～表2.4.4列出了G.652标准光纤与其他光纤的比较。

2.4.3 G.653色散位移光纤（DSM）光纤

G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上，为此，在20世纪80年代中期，成功开发了一种把零色散波长从1.3μm移到1.55μm的色散位移光纤（Dispersion-Shifted Fiber, DSF）。ITU把这种光纤规范为G.653《色散位移单模光纤和光缆特性》光纤，它属于第二代单模光纤。

G.653光纤也分为A和B两类，A类是常规的色散位移光纤，B类与A类类似，只是对PMD的要求更为严格，允许STM-64的传输距离大于400km，并可支持STM-256应用。

表2.4.4列出了G.653色散位移光纤与其他光纤的比较。

2.4.4 G.654截止波长位移单模光纤

为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学家们开发了一种应用于1.55μm波长的纯石英芯单模光纤，它是通过降低光纤包层的折射率，来提高光纤SiO₂芯层的相对折射率而实现的。ITU把这种光纤规范为G.654《截止波长位移单模光纤和光缆特性》光纤，该光纤具有更大的有效面积（大于110μm2），超低的非线性和损耗，它在1.55μm波长附近仅为0.151dB/km，可以尽量减少使用EDFA的数量，并具有氢老化稳定性和良好的抗辐射特性，特别适用于无中继海底DWDM传输。G.654光纤在1.3μm波长区域的色散为零，但在1.55μm波长区域色散较大，为17～20ps/（nm·km）。

G.654光纤也分为A、B和C三类，A类是常规的截止波长位移光纤（Cutoff Wavelength Shifted Fiber, CSF），B类支持1550nm波长范围城域网系统，也可用于长距离、大容量WDM系统，C类与A类相似，但对PMD要求更为严格，可支持高比特率和长距离应用。

2.4.5 G.655非零色散位移光纤（NZ-DSF）

色散位移光纤在1.55μm波长处色散为零，不利于多信道WDM传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频（FWM）的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤，ITU-T规范为G.655《非零色散位移单模光纤和光缆特性》光纤。非零色散位移光纤（NZ-Dispersion Shifted Fiber, NZ-DSF）实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm处。在光纤的制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到10Gbit/s，而不需要色散补偿。非零色散光纤消除了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散位移光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。AT&T研制的真波光纤（True WaveTM）、美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤（Leaf Fiber）、阿尔卡特的特锐光纤（TeraLightTM）以及国内长飞公司的大保实光纤等均属于非零色散光纤。

G.655光纤也分为A、B和C三类，分别应用于信道间距为200GHz、100GHz和50GHz的情况。G.655B和G.655C光纤的PMD值在STM-64系统中至少要传输40km，同时还要支持海底光缆的应用，而当G. 655C光纤的PMD_Q最大值为0.2ps/时，还要支持STM-256系统传输80km的应用。

表2.4.2列出了G.652光纤与G.655、G.656光纤/光缆参数的比较。由表可见，非零色散位移光纤综合了常规光纤和色散位移光纤最好的传输特性，是新一代DWDM光纤通信系统的最佳传输介质，将在大容量线路中取代色散位移光纤。

2.4.6 G.656宽带非零色散位移光纤（WNZ-DSF）

光纤在1383nm波长附近，由于OH-离子的吸收，产生一个较大的损耗峰，所以早期的光纤通信系统，只能使用光纤的0.85μm波段（第一窗口）和1.3μm波段（第二窗口），现在人们把早期使用的这一波段称为初始波段（Original Wavelength Band, O）。随着光电器件和光纤技术的进步，人们为了利用光纤在1.55μm波段损耗几乎最小的特性，又在该波段开发出了许多先进的实用的光纤通信系统，这一波段称为第三窗口。使用DWDM技术建立起来的许多长距离干线系统和海底光缆系统就是使用光纤的这一C波段（Conventional Wavelength Band, C）。随着工作在1290～1660nm波段的光纤拉曼放大技术的突破以及为了满足DWDM系统向长波方向扩展的需要，光纤制造商和系统开发者又启用了1600nm波段。为了将DWDM系统应用于城域网，仅使用现有的波段是不够的，为此光纤制造商在1380nm波长附近，把OH-离子浓度降到了10-8以下，消除了1360～1460nm波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3dB/km左右，可应用于光纤通信，而且色散值也小，所以在相同比特率下传输的距离更长。该波段就是E波段（Extended Wavelength Band, E），它位于初始波段（O波段）和短波段（Short Wavelength Band, S）之间。这样一来，全波光纤，顾名思义，就是在光纤的整个波段，从1280nm开始到1675nm终止，这样的宽波段都可以用来通信。与常规光纤相比，全波光纤应用于DWDM，可使信道数增加50%，这就为DWDM系统应用于城域网创造了条件。ITU-T把这种光纤规范为G.656《宽带非零色散位移单模光纤和光缆特性》。

光纤的C波段正好与EDFA工作波段一致，这是目前常用的光纤波段，以它为参考，比它波长短的称为S段，比它长的称为L波段（Long Wavelength Bandw, L），比它的波长更长的称为U波段（Ultralong Wavelength Band, U），如表2.4.1和图2.4.2所示。

G. 656宽带非零色散位移光纤（Wide NZ-DSF, WNZ-DSF）克服了以往使用的G. 652、G. 653和G. 655光纤的一些缺陷，可广泛地应用到长途骨干网和城域网络，该光纤具有优异的色散特性，在S+C+L波段内的最小色散系数大于2ps/（nm·km），最大色散系数不超过14ps/（nm·km），其在1550nm处的有效面积为52～64μm2。由于在S+C+L波段内都具有较合适的色散系数，并且具有适中的有效面积，可以有效地抑制非线性效应，因此该光纤可在S+C+L波段内应用密集的波分复用技术。该光纤具有优异的相对较小的色散斜率和相对较低的色散系数，大大降低了色散补偿的代价，具有优异的衰减特性，在1460～1650nm内衰减都小于0.4dB/km，在1550nm处的衰减小于0.22dB/km。此外，该光纤还具有优异的偏振模特性、几何性能和机械性能。表2.4.2列出了G.652与G.655、G.656光纤/光缆参数的比较。

ITU-T G.656光纤使网络运营商更容易配置带宽，无须进行色度色散补偿就可以直接在系统中采用CWDM系统。

表中，λ_0min&λ_0max是零色散波长范围，Q是光缆发生偏振模色散（PMD）的概率。

2.4.7 G.657接入网用光纤

随着光纤宽带业务向家庭延伸（Fiber To The Home,FTTH），通信光网络的建设重点正在由核心网向光纤接入网发展。在FTTH建设中，由于光缆被安放在拥挤的管道中或者经过多次弯曲后被固定在接线盒和插座等狭小空间的线路终端设备中，所以FTTH用的光缆应该是结构简单、敷设方便和价格便宜的光缆。为了规范抗弯曲单模光纤产品的性能，ITU-T于2006年在日内瓦通过了ITU-T G.657《接入网用弯曲不敏感单模光纤和光缆特性》建议。

在实际使用的光缆线路中，光缆中的光纤不可避免地会受到各种弯曲应力作用，这些弯曲应力作用的结果是使光纤中的传导模变换为辐射模，导致光功率损失。研究证明，光纤的弯曲损耗α与光纤的折射率分布结构参数（相对折射率Δ、纤芯半径a）有关，即

式中，k是比例常数，它与光纤接触面的粗糙程度和材料特性有关。从式（2.4.2）可以得到一个启示：通过增大Δ就可以提高光纤抗弯曲性能。由此可以推测，抗弯曲光纤应该具有比较大的纤芯/包层折射率差的结构。另外，阶跃折射率单模光纤的弯曲性能也可以用无量纲参数MAC表示，如式（2.4.3）所示。

式中，MFD为模场直径，λ_c为截止波长。由此可见，光纤的弯曲敏感性随着MFD值的减小而降低。这就意味着，具有小MFD和长λ_c的光纤比具有大MFD数值和短λ_c的光纤具有更低的弯曲敏感性。由此得出的结论是，G. 657光纤应该是一种具有小MFD或者长λ_c的光纤。

按照工作波长和使用范围，G.657光纤可以分成G.657 A和G.657 B两类，均可以在1260～1625nm整个波长范围工作。G.657 A光纤的传输和互连性能与G.652 D相同；不同的是，为了改善光纤接入网中的光纤接续性能，G.657 A光纤具有更好的弯曲性能和更精确的几何尺寸。

G.657 B光纤的传输工作波长分别是1310nm、1550nm和1625nm，它的熔接和连接特性与G.652光纤完全不同，可以在弯曲半径非常小的情况下正常工作。表2.4.3列出了G.657与G.652光纤/光缆参数的比较。

2.4.8 正负色散光纤和色散补偿光纤（DCF）

（1）正色散单模光纤（Positively Dispersive single mode Fiber,PDF）

正色散值可以减小非线性效应对DWDM系统的影响，大部分G.65x序列单模光纤在1550nm波长附近具有正的色散值，可作为PDF光纤。

（2）负色散单模光纤（Negative Dispersive single mode Fiber,NDF）

负色散值可以减小非线性效应对DWDM系统的影响，G.655单模光纤在1550nm波长附近具有负的色散值，可作为NDF光纤。

（3）色散补偿光纤（DCF）

具有大的负色散值，它是针对现已敷设的1.3μm标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。为了使现已敷设的1.3μm光纤系统采用WDM/EDFA技术，就必须将光纤的工作波长从1.3μm改为1.55μm，而标准光纤在1.55μm波长的色散不是零，而是正的17～20［ps/(nm·km)］，并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速率、大容量、长距离的通信。典型的DCF特性见表2.4.5，几种单模光纤的结构和折射率分布比较见图2.3.10。

色散补偿光纤早在20世纪80年代就提出来了，但是直到20世纪90年代中期，当光通信系统从2.5Gbit/s发展到10Gbit/s时才获得广泛的使用。随着比特速率的增加，色散已成为普通单模光纤（G.652）传输距离超过100km时的主要限制。为此开发了使零色散波长从1.3μm移到1.55μm（处于常用C波段的中心）的色散位移光纤（DSF）。但是很快就认识到，由于色散在这一窗口接近零容易产生四波混频（FWM），所以很难实现DWDM。研究发现，通过设计使光纤在这一窗口具有有限的色散就可以减轻FWM的影响，这就使科学家们开发了非零色散位移光纤（NZ-DSF），从而使传输距离扩大到600km也不必在光纤中间进行色散补偿，但是在收/发两端还是需要的。然而基于NZ-DSF的WDM系统，使传输带宽超过32nm，距离也超过2000km以及40Gbit/s系统的出现，要求色散补偿光纤除补偿色散和色散斜率外，还提出非线性影响弱和弯曲损耗小的要求。为此又开发了专为补偿NZ-DSF的色散补偿光纤。据2001年OFC报道，已研制出能够抑制自相位调制的DCF，其主要参数如表2.4.5所示，利用该表列出的两类光纤做成的色散补偿模块的色散和损耗特性如图2.4.3所示。

大有效芯径面积单模光纤（Large Effective-area Fiber,LEF），在工作信号波长具有大的有效面积，可以减小非线性效应对DWDM系统的影响。