摘要 本文介紹了寬帶光傳輸非零色散位移光纖（G.656 光纖）、塑料光纖和光子晶體等通信光纖的特性以及它們的最新研究動向。
關鍵詞 寬帶 色散 光纖
1 引言 >
隨著計算機的普及和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得人們對信息的需求量與日俱增。這樣光纖通信技術就義不容辭地承擔起了海量信息的傳輸和交換。根據(jù)20多年的光纖通信技術工程應用經(jīng)驗，我們應該根據(jù)不同類型的網(wǎng)絡所承擔任務的特點來選擇不同性能的光纖品種來完成不同類型的網(wǎng)絡應用所應該履行各種各樣的業(yè)務職責。為此，對于從事通信光纖研究人員就應該針對通信光纖具體的網(wǎng)絡應用環(huán)境問題， 積極開展對光纖的材料種類、制造工藝和性能測量研究，以求能夠用優(yōu)越性價比的光纖來進一步滿足核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)光纖通信技術發(fā)展的需求。
在長期從事通信光纖研究的實踐工作中，人們已經(jīng)掌握了可以用來制造光纖的材料有石英玻璃、多組份玻璃、紅外玻璃、塑料、光子晶體等的基礎上，還應該積極開展就各種光纖材料性能、制造方法、性能測量方法等方面的深入細致地研究分析。今天，為什么通信光纖大都選用石英玻璃，其理由是石英玻璃具有優(yōu)越的物理、化學性能，原料提純簡單，氣相沉積和拉絲成型控制精度高等。通信石英玻璃光纖的技術發(fā)展動向是從材料方面應該以合成材料來代替天然材料以提高材料純度，降低光纖衰減。在制造工藝上必須采用復合工藝（如用PCVD+OVD等）來代替單一工藝（MCVD、AVD、PCVD或者OVD）以提高生產(chǎn)效率，降低光纖價格。以特殊的脫水工藝來消除通信石英玻璃光纖在1385nm的水峰來擴大通信石英玻璃光纖的可工作波長范圍：1260～1670nm，以滿足粗波分復用CWDM需求。
我們認為，在本文中除了應該在重點闡述光纖材料的同時，還應該兼顧通信光纖及其性能的研究和分析。因為不同的通信網(wǎng)絡對光纖的性能要求各異，所以通信光纖研究人員已經(jīng)根據(jù)網(wǎng)絡的特點開發(fā)出了許多不同的類型的光纖品種，以滿足各種各樣通信網(wǎng)絡層次的光纖通信技術的需要。人們正是針對DWDM核心網(wǎng)的遠距離、大容量、高速率的通信特點研究出了核心網(wǎng)用的G.655 光纖和G.656 光纖以及接入網(wǎng)的短距離、小容量、低速率的特點， 研究出了接入網(wǎng)用的塑料光纖和光子晶體光纖。本文將簡單介紹ITU-T 2004 年6月發(fā)布的寬帶光傳輸非零色散位移光纖（G.656 光纖）、塑料光纖和光子晶體光纖的性能特點以及它們的最新研究動向。
2 研究動向
2.1 寬帶光傳輸用非零色散光纖
G.655 光纖的研究重點就是優(yōu)化色散系數(shù)、色散斜率、有效面積、工作波長范圍。為了更加適應DWDM系統(tǒng)的傳輸速率、信道間隔、工作波長的不斷變化需要，國際電信聯(lián)盟第15 研究組于2003年1 月將2000年版的ITU-T G.655 A 、B 兩種光纖，進一步細分為ITU-TG.655A、B、C三種光纖。他們細分的理由是G.655A光纖只支持200GHz及其以上間隔的DWDM，10Gbit/s系統(tǒng)傳輸400km在C波段的應用，也可以支持以10Gbit/s 為基礎的DWDM 系統(tǒng)。G.655B 光纖支持100GHz 及其以下間隔的DWDM 在C 和L 波段的10Gbit/s 系統(tǒng)傳輸3000km 的應用。G.655C光纖消除在1385nm 附近的水峰，系統(tǒng)可以在1360～1530nm工作，既能滿足100GHz 及其以下間隔的DWDM在C和L波段的應用，又能使N×10Gbit/s系統(tǒng)傳輸3000km，或者N× 40Gbit/s 系統(tǒng)傳輸80km以上。然而，G.655光纖在N×10Gbit/s的DWDM系統(tǒng)應用中，人們發(fā)現(xiàn)其存在著工作波長窄，色散斜率大等問題，為了解決G.655 光纖的問題，世界各個著名光纖制造廠商開展了寬帶光傳輸用非零色散位移光纖的研究，最近幾年已經(jīng)研究出了這種新型光纖，即寬帶光傳輸用非零色散位移光纖。
為了進一步規(guī)范各個著名光纖制造廠商寬帶光傳輸用非零色散位移光纖的性能指標，2004年6月國際電信聯(lián)盟標準化部門發(fā)布了寬帶光傳輸用非零色散光纖和光纜的特性（ITU-T G.656 單模光纖和光纜）的建議。G.656 光纖是“寬帶光傳輸用非零色散光纖”，即在寬闊的工作波長1460～1625nm 內(nèi)色散非零。G.656 光纖實質(zhì)上是一種寬帶非零色散平坦光纖， 其特點在工作波長范圍內(nèi)色散應該大于所要求的非零值，有效面積合適，色散斜率基本為零。因此，G.656 光纖既可以顯著降低系統(tǒng)的色散補償成本，又可以進一步發(fā)掘石英玻璃光纖潛在的巨大帶寬。G. 656光纖可保證通道間隔100GHz、40Gbit/s 系統(tǒng)至少傳400km。G.656光纖和光纜的性能參數(shù)建議值，如表1所示。表2列出了G.656光纖鏈路和系統(tǒng)設計的一些重要參數(shù)之間的關系。為了使讀者理解方便，本文就G.655 光纖和G.656 光纖的性能分別予以簡單介紹。
G.655A 光纖支持ITU-T G.691、G.692 和G.693應用時的推薦使用值。對于G.692 應用，考慮到使用的具體光纖的信道波長和色散特性，最大的發(fā)射功率將受到限制，它適用于通道間隔200GHz及其以上DWDM系統(tǒng)在C波段的應用，同時也支持以10Gbit/s 為基礎的DWDM系統(tǒng)。
G.655B 光纖支持以10Gbit/s 為基礎的100Hz及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C 波段和L 波段的應用。表2中所列出的G.655B 光纖參數(shù)支持ITU-T G.691、G.692、G.693和G.959.1 應用的推薦使用值。對于G.692 規(guī)定的應用，取決于所使用光纖的信道波長和色散特性，發(fā)射功率可以大于G.655A 光纖，典型的最小波長間隔為100GHz。G.655B 光纖的PMDQ 為0.50ps/km 1/2，可以保證10Gbit/s傳輸系統(tǒng)的傳輸距離達到400km。
G.655C 光纖性能與G.655B 光纖性能相似，但是G.655C 光纖應該既能滿足100及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C 波段和L波段的應用，又要求G.655C光纖的PMDQ比G.655B光纖低，即G.655C光纖的PMDQ為0.20ps/km 1/2，使得G.655C 光纖在N×10Gbit/s系統(tǒng)傳輸300km以上，或者支持N×40Gbit/s 系統(tǒng)傳輸80km以上的應用。
由表2得知，G.656 光纖性能本質(zhì)仍然屬于非零色散光纖。G.656 光纖與G.655 光纖不同的是，（1）具有更寬的工作帶寬，即G.655 光纖工作帶寬為1530～1625nm（C+L 波段）, 而G.656 光纖工作帶寬則是1460～1625nm（S+C+L 波段），將來還可以拓寬超過1460～1625nm，可以充分發(fā)掘石英玻璃光纖的巨大帶寬的潛力；（2）色散斜率更小（更平坦）能夠顯著地降低DWDM系統(tǒng)的色散補償成本。G.656光纖是色散斜率基本為零、工作波長范圍覆蓋S+C+L波段的寬帶光傳輸?shù)姆橇闵⑽灰?a href="http://www.kuhero.cn/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=4101">光纖。由表2 可知，G.656光纖的PMDQ為0.10ps/km 1/2，使得G.656光纖在N×10Gbit/s 系統(tǒng)傳輸4000km以上，或者支持N×40Gbit/s系統(tǒng)傳輸400km以上的應用。G.656 光纖特別適合作為通道間隔100GHz、傳輸速率40Gbit/s、傳輸距離400km的DWDM或者CWDM系統(tǒng)的光傳輸介質(zhì)。
2.2 塑料光纖
為了降低局域網(wǎng)光纖接入成本，短距離局域網(wǎng)光纖多采用石英玻璃光纖多模光纖加發(fā)光管的配置方案。那么局域網(wǎng)石英玻璃光纖的研究重點是通過提高多模光纖梯度折射率分布控制精度和改善光源注入條件的方法來提高石英玻璃多模光纖的工作帶寬和減小光纖的衰減，以適應吉比特以太網(wǎng)和10吉比特以太網(wǎng)發(fā)展的需要。近幾年，國內(nèi)外著名的光纖機構(gòu)紛紛研究出了新一代的50/125 μm的多模光纖。這種多模光纖的主要特點是由于光纖制造中消除了梯度折射率分布中心的缺陷，使得梯度折射率分布控制精度遠遠高于傳統(tǒng)50/125μm的多模光纖，從而大大提高了多模光纖的工作帶寬。新一代的50/125μm的多模光纖與850nm的VCSEL配合使用，可以實現(xiàn)在850nm波長上進行10Gbit/s 串行傳輸300m距離。
隨著半導體材料制造水平的不斷提高和生產(chǎn)成本的大幅度的降低，光纖、有源/無源光器件的價格日益便宜，從而推動了光纖到大樓（FTTB）、光纖到家庭（FTTH）、光纖到桌面（FTTD）的實用化發(fā)展進程。特別是最近幾年，日本和美國等發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出了梯度折射率分布塑料光纖。由于塑料光纖制造工藝簡單、材料便宜和連接成本低的新型光纖等，所以其已經(jīng)被應用于企業(yè)和大學校園局域網(wǎng)的內(nèi)部通信系統(tǒng)。
與石英玻璃光纖相比，塑料光纖（POF, Plastic Optical Fiber）以其芯徑大、制造簡單、連接方便、可用便宜光源等優(yōu)點正在受到寬帶局域網(wǎng)建設者的青睞。正是寬帶局域網(wǎng)的迅速發(fā)展帶來了POF 技術的革命性進步，特別是以全氟化的聚合物（如商用產(chǎn)品名稱為CYTOP）為基本組成的氟化塑料光纖（PF-POF）在局域網(wǎng)的逐步使用，從而標志著PF-POF 正在由試驗室步入局域網(wǎng)工程應用。
一般，在局域網(wǎng)的工程應用的POF是以全氟化的聚合物為基本組成的PF-POF。眾所周知，PF-POF的研究要點為衰減、帶寬、制造方法等問題。最早POF 是用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制成的。由于PMMA材料中存在著大量的C-H鍵諧振會引起很大的光吸收，所以PMMA-POF 在650nm的衰減系數(shù)高達160dB/km以上。研究人員采用全氟化的聚合物材料為基本成份制造出了在850nm和1300nm的衰減系數(shù)小于20dB/km 的PF-POF。究其原因是氟化的聚合物中的C-F 鍵大大減小了光吸收，故全氟化的聚合物PF-POF 的衰減系數(shù)十分小。
與石英玻璃光纖相同，提高POF帶寬主要方法有，（1）采用梯度折射率分布結(jié)構(gòu)；（2）精確控制小的材料色散、高的模耦合和小的差分模衰減之間的作用。因此，為了提高POF帶寬和減小模間色散，POF都采用梯度折射率分布結(jié)構(gòu)；再通過選擇小的材料色散材料，提高模耦合效率和減小差分模衰減等措施可達到提高POF帶寬的目的。表3 列出了當前PMMA-POF、PF-POF和擠塑PF-POF的性能及其應用的最高水平，供讀者參考。
長期以來，POF的生產(chǎn)采用的是1982年由日本慶應大學發(fā)明的“界面凝膠”工藝。該工藝利用作為包層的塑料管與塑料管內(nèi)作為纖芯的混合液體之間發(fā)生的“界面凝膠”作用來形成POF的梯度折射率分布結(jié)構(gòu)的。但是，“界面凝膠”工藝生產(chǎn)PF-POF 的“界面凝膠”反應需要很長的時間，所以該工藝的生產(chǎn)成本比較高。為了進一步降低POF的制造成本，美國OFS公司試驗室的Whitney R.White 等人開發(fā)出了一種簡單擠塑工藝來生產(chǎn)PF-POF。這種擠塑工藝是借助兩臺擠塑機分別擠出芯和包層材料熔體，然后兩種材料熔體在擠塑機頭處合為一體形成一個同心的熔體流，摻雜材料位于熔體的中心。在擠塑機頭后，這些熔體材料流過一個長加熱擴散管，從而允許來自熔體的中心的小分子摻雜劑擴散到包層材料熔體中。通過控制溫度、停留時間和芯/包層材料的相對流速，人們就可以制造出各種折射率分布結(jié)構(gòu)和芯/尺寸的PF-POF。擠塑PF-POF 的性能及其應用的最高水平，如表3所示。
2.3 光子晶體光纖
眾所周知，材料科學是光纖通信技術的基礎，即正是在半導體激光器和光纖的發(fā)明之后才誕生了光纖通信。由通信光纖研究的歷程中，我們可以深切得到這樣一個結(jié)論，通信光纖品種的不斷更新、性能研究的突破，這一切都是建立在通信光纖材料研究的突破上。例如石英玻璃光纖的誕生， 使得世界的通信由電通信進入光通信；紅外光纖的成功進一步減小了光纖的理論傳輸衰減； 塑料光纖的問世，又大大降低了光纖和接續(xù)的成本，從而推動了光纖通信到家庭、光纖到桌面的步伐。光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點，使得其具有獨特性能，為光纖通信開發(fā)出新型光纖奠定了技術基礎。隨著PCF 的導光理論、制造工藝和應用技術的成熟，PCF有望成為下一代光纖通信用的光傳輸介質(zhì)。1991 年，Russell 根據(jù)光子晶體傳光原理又提出了光子晶體光纖的概念。最近，人們又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶體光纖。光子晶體光纖（PCF）是一種由單一介質(zhì)（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構(gòu)成、并且在二維方向上呈現(xiàn)周期性緊密排列（周期性六角形）、而在三維空間（光纖軸向）基本保持不變的波長量級空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)包層的新型光纖。與常規(guī)光纖不同，PCF是由石英玻璃—空氣孔微小結(jié)構(gòu)組成的光纖，其又可以分為實芯光纖和空芯光纖，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛細管加熱拉制成的，而后者則是由石英玻璃管和石英玻璃毛細管加熱拉制成的。正是通過前按照設計出的PCF 的基本結(jié)構(gòu): 按照預先設計的形狀（六角形）將石英玻璃毛細管緊密地排列在作為纖芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛細管的周圍，即集束成棒，再通過加熱拉制就可以制成所需要的性能的PCF。表征PCF 性能的3 個特征參數(shù)是纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距離。在PCF的拉制過程中，改變拉制溫度和速度就可以調(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)和性能，使得PCF作為光傳輸介質(zhì)和光器件具有許多誘人之處。實際上，人們是通過調(diào)整纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距離方式來達到分別制造出具有低衰減、高色散、非線性效應�。ù竽鲋睆交蛘叽笥行娣e）、保偏和小彎曲損耗等性能的PCF的目的。
PCF具有的低損耗、小色散、低非線性效應特性，使得其在光纖通信領域的應用是非常有前途的，尤其是對于長途通信系統(tǒng)。隨著PCF 設計方法和制造工藝的不斷改進，PCF性能日趨完善。特別是K.Tajima 等人通過合理設計結(jié)構(gòu)參數(shù)，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r尺寸，以及d/ r值，從而達到既減小PCF的衰減，又改善PCF 的色散和色散斜率的目的。現(xiàn)在，PCF已經(jīng)進入了實驗室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗研究階段。
2003年初的世界光纖通信（OFC）會議上，日本電報電話公司接入網(wǎng)業(yè)務系統(tǒng)試驗實的K.Tajima等研制出衰減為0.37dB/km 、長度超過10km的超低衰減、長長度的PCF。PCF 具有完全的單模特性。PCF的可用工作波長范圍為0.458 ～1.7μ m。只要對0.458～1.7μm工作波長范圍進行優(yōu)化，PCF的傳輸容量將會得到大大的提高。NTT公司的研究人員利用PCF組成10km的線路進行了8×10Gbit/s的波分復用傳輸試驗，試驗效果良好。C. Peucheret等人的研究小組利用5.6km的PCF線路進行工作波長為1550nm的40Gbit/s的傳輸試驗。這個試驗系統(tǒng)所用的PCF 的有效面積是72μm2、其衰減為1.7dB/km 、色散系數(shù)為32ps/km·nm。試驗表明，PCF作為光信號傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)的性能沒有明顯的劣化。這充分證明，與常規(guī)光纖相比，PCF作為光信號傳輸介質(zhì)最大的優(yōu)勢是在保證很小的偏振模色散系數(shù)的前提下，色散系數(shù)、有效面積和非線性系數(shù)可以靈活設計。隨著PCF的導光理論、制造工藝和應用技術的成熟，PCF有望成為下一代光纖維通信用的光傳輸介質(zhì)。
3 結(jié)論
由上所述，通信光纖技術的發(fā)展過程是光纖材料、制造技術、性能光纖和光纖品種發(fā)展過程。為此，我們可以得到這樣3 個結(jié)論，（1）光纖通信的發(fā)展是光纖、器件、系統(tǒng)三者彼此發(fā)展，共同促進的結(jié)果；（2）不同種類的通信光纖是為不同層次的網(wǎng)絡服務的；（3）為了滿足新的通信系統(tǒng)應用， 光纖研究人員一定會不斷地開發(fā)出新型的通信光纖。
胡先志：高級工程師，長期從事光纖通信技術工作，已經(jīng)發(fā)表論文70 余篇，出版光纖通信方面的著作4部和譯作9 部。同時，還兼任《光通信研究》編委。
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