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G.655光纤的特点及其应用

发布日期:2015-11-17 浏览次数:

摘要:随着长途通信传输容量的成倍增长,以10Gbit/s为基础的波分复用技术全面走向商用。新开发的G.655光纤是开通大容量传输系统的较好的媒介。

关键词:波分复用 光纤 色散 四波混合 G.655 

1.引子

       21世纪是一个多媒体的时代,电信网也将是一个宽带、大容量的多媒体网络。长途骨干传输网正 向以单根光纤提供Tbit/s(=1000Gbit/s)信息容量的方向发展。中国网通的G.655长途骨干网已经初具规模,为其今后向社会提供宽带传输 通路奠定了基础。中国电信的改组也初步完成,未来两年内,中国电信将建设完成超高速骨干传输网。随着今年底第二条京济宁干线光缆线路工程的开工,中国电信 在长途骨干传输网上大规模使用G.655光纤的时代到来了。那么,为什么要使用G.655光纤呢?

 

2.光纤的非线性影响

       我们都知道,近10年来,G.652光纤一直占据着光纤市场的主导地位,但是随着光纤传输速 率的提高,尤其是近年来,随着光纤放大器的应用和波分复用(WDM)技术的发展,人们对光纤又有了一些新的要求。在以前的传输网上,进人光纤的光功率不 大,光纤呈现线性传输特性,影响光纤传输特性的因素主要是损耗和色散。然而,随着光纤放大器的应用,超过+18dB以上的光信号被耦合进一根光纤,波分复 用技术使一根光纤中有了数十条甚至上百条光波道。这时,较高的光能量聚集在很小的截面上,光纤开始呈现出非线性特性,并成为最终限制传输系统性能的关键因 素。主要的非线性现象是受激散射和非线性折射(克尔效应)。

       受激散射主要分为受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。其中SRS对于单波长 系统的影响可以忽略不计,但是对于高密集的波分复用系统,SRS将成为限制通路数的主要因素。拉曼散射和布里渊散射都使入射光能量降低,并在光纤中形成损 耗。这种损耗在入射功率低时影响甚微,但入射功率达到一定程度时,损耗就会到影响系统的正常运行。

       克尔效应是在光功率较高时,光纤的折射率随光强变化而变化的非线性现象。主要有自相位调制、 交叉相位调制和4波混合,其中尤以四波混合对大功率WDM系统影响最大。在波道频率间隔相等和光纤的色散很低的情况下,四波混合会将大量的信道的功率转移 到另一条渡道上。这不仅使有用的信道的功率损失,而且导致信道间串音,严重影响系统性能。特别是当波道波长接近光纤零色散点时,这一现象更加突出。

 

3.各种光纤的比较

       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8×2.5Gbit/s或16甚至32×2.5Gbit/s系统。但由于G.652光纤在1550nm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1550nm 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。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。

       这里,不得不提及G.653光纤。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DWDM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。

       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色散(ITU—T规范为0.1-6ps/nm·km)。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。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。

 

上述三种光纤的主要技术规范见表1。

 

表1 ITU-T关于光纤的主要规范

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)

8.6-9.5μm
变化不超过±10%

7-8.3μm
变化不超过±10%

8-11μm
变化不超过±10%

9.5μm
变化不超过±10%

         

模场同心度偏差

≤1μm

≤1μm

≤1μm

≤1μm

         

2m长光纤截止波长λc

≤1250nm

--

≤1470nm

--

         

22m长光缆截止波长λcc

≤1260nm

≤1270nm

≤1480nm

--

         

零色散波长

1300-1324nm

1500-1600nm

--

--

         

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)

0.1-6.0ps/nm·km
(1530-1565nm)

1-6.0ps/nm·km
(1530-1565nm)

包层直径

125±2μm

125±2μm

125±2μm

125±2μm

典型衰减系数(1550nm)

0.17-0.25dB/km

0.19-0.25dB/km

0.19-0.25dB/km

0.19-0.25dB/km

         

1550nm的宏弯损耗

≤1dB

≤0.5dB

≤0.5dB

≤0.5dB

         

适用工作窗口

1310nm和1550nm

1550nm

1550nm

1550nm

         
 

 

       表1中提及的大有效面积光纤是一种改进型G.655光纤。其模场直径比一般的G.655光纤大,光有效面积达 72μm(的平方)以上,可承受更高的入射光功率。由于光纤的非线性效应与入射的光功率密度成正比,而功率密度又与纤芯的有效面积成反比,因而这种光纤可 以更有效地克服非线性效应。同时,这种光纤的色散系数规范也大为改进,提高了下限值,使之在1530nm-1565nm窗口内处于1至 6ps/nm·km,从而进一步减小四波混合的影响。因而这种光纤非常适合高速率的DWDM系统,从目前看,大有效面积G.655光纤将成为今后长途骨干 传输网的首选光纤。

 

大保实光纤(G.655)性能及其应用

       随着全球通信容量的飞速增长,EDFA和DWDM技术的日益成熟,光电技术和器件的快速 更新发展,促使光纤的性能达到更高的速率、更大的容量。大保实光纤就具有更均衡的有效面积,低色散斜率和低PMD等特性,可以有效地抑制非线性效应,适用 于长距离、高速率、大容量的DWDM通信系统的应用。这样,通信网络设计者可以充分利用DWDM技术和光电器件的功能,增加系统设计的灵活性。 

 

1.波分复用系统发展的要求

       在WDM通信网中,干线传输的波道多,功率大,而光纤中的非线性效应是影响系统性能的主要因素。非线性效应包括四波混频(FWM),自相位 调制 (SPM),互相位调制(XPM),及由受激散射产生的拉曼散射(SRS)和布里渊散射(SBS)。光纤中的非线性效应与光功率密度有关。对WDM系统影 响最大的非线性效应为SPM。SPM是由于光脉冲中心强度引起折射率变化产生的脉冲展宽。有SPM产生功率损失与有效面积的关系如(1)式:其中D为光纤 色散,Aeff为有效面积。 1  FWM指两个或三个波长的光波混合产生新波长光波的现象,是影响DWDM通信的主要非线性效应之一。有FWM一起的光噪声功率如(2)式所示:式中P为每 通道光功率,n2为非线性折射率,α为光纤损耗,Δλ为信道间隔。 2  对WDM系统影响最大的两种非线性效应都随有效面积的增加而减小。因此,大有效面积的非零色散位移光纤是应用于大容量DWDM系统的最优化设计光纤。

 

2.大保实(G.655)光纤 

       大保实(非零色散位移单模光纤)光波导有利于高速率、大容量的通信传输。其折射率剖面为多包层抛 物线型。纤芯折射率的高低对导光面积的影响最大,1%的折射率波动将会引起有效面积数平方微米的变化。通过调整芯径和下陷层的高低可以获得1550nm窗 口的低色散及零色散点的低斜率,并可以控制直至L波段的较平坦的色散分布。外环的作用一方面适当地增加有效面积,减小非线形效应;另一方面,外环折射率的 高低和宽窄可以使光波场的更大部分分布于光波导的中心,以避免宏弯和微弯损耗,降低光纤性能受外部因素干扰的敏感性。

       理论分析和实践表明,多包层折射率分布利用其基模波导色散控制原理,是构成大有效面积非零色散位移光纤最理想的结构。而PCVD工艺由于其折射率分布控制 精确、均匀,因此,大保实光纤在衰减、色散、色散斜率及偏振模色散(PMD)等指标上得到进一步优化,能满足高速率、大容量、多通道的通信需要。 

       在大保实光纤生产的核心工序--预制棒沉积过程中,我们利用PCVD工艺沉积均匀性好,折射率分布精细的特点,分别控制芯层和包层的沉积,既保证了完善的 光学性能,又提高了制造效率。通过控制非等温等离子体的功率,反应物GeCl4、SiCl4等气体的流量,以及真空条件下的压力和温度分布等工艺因素,可 以获得所需要的理想的折射率分布,平衡各个使光纤有效面积,色散、色散斜率及抗弯曲能力调整到最佳状态。 

       在PCVD沉积过程中,非均相反应过程不受温度影响,减少了沉积对温度的敏感性。微波功率直接耦合到负压的反应区域内,使沉积不受沉积衬管热传导性的影 响。通过精确控制折射率不同界面的掺杂量和GeO2、氟等物质的扩散,进一步提高了光波导的对称性和均匀性,并且减小了产生PMD的主要因素之一--光纤 内应力的影响,使大保实光纤的PMD的链路值不大于0.1ps/。 

       大保实光纤不仅在1550nm工作波段有较小并且稳定的正色散值,在L波段(1565nm~1625nm)也有较低的色散和衰耗,因此,大保实光纤能充分 支持DWDM在L波段的传输。为有效地抑制四波混频等非线性效应,我们权衡了有效面积和色散斜率,使大保实光纤能可靠地应用于密集波分复用系统中。

 

3.系统实验

       我们用大保实光纤成功地实现了16×10Gbit/s 400公里无误码的传输实验。

       试验中的系统受条件限制,有调制的信号光只有7个波道,其余9个波道用直流光顶替。其基本参数为:速率,9.95328Gbit/s;测试误码率的信号图 案,231-1伪随机码;灵敏度条件,BER<10-12。 1550.92nm波道传输400km后的接收眼。 

        在误码率BER=10-10时,系统传输各通道代价均小于1dB。在传输实验中, 没有出现四波混频(FWM),自相位调制(SPM)等非线性效应。PMD也没有对传输产生影响。

        大保实光纤权衡了有效面积和色散斜率的影响,在大有效面积的基础上,调整了色散和色散斜率等光学性能,使大保实光纤更有利于克服非线性效应对系统的影响,满足长距离,高速率的DWDM传输。在L波段的色散和衰耗控制,提供了更好地扩容性。

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