毛 謙
摘 要：光纖是光纖通信系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的傳輸物理媒質(zhì)，由于信息傳送需求的不斷增長(zhǎng)，對(duì)光纖通信系統(tǒng)提 出了新的要求。于是，系統(tǒng)自然要對(duì)光纖提出新的要求。原有各種類型的光纖不能適應(yīng)這種新的需求，人們就 會(huì)研究開發(fā)新型光纖以滿足系統(tǒng)的要求。本文在簡(jiǎn)述了光纖的發(fā)展歷程及新型光纖產(chǎn)生的背景之后，介紹了 G.652D、G.655C和G.656三種新型光纖的主要特性以及它們的標(biāo)準(zhǔn)制訂情況。
關(guān)鍵詞：光纖通信 光纖 標(biāo)準(zhǔn)
1 概 述
自1966年"光纖之父"高錕博士預(yù)言光纖可以用于通信至今，已經(jīng)過去了37個(gè)年頭，光纖通信系統(tǒng)也已經(jīng) 實(shí)用了28年，如今可以說進(jìn)入了光纖通信技術(shù)發(fā)展的頂峰時(shí)期。系統(tǒng)的發(fā)展是與應(yīng)用密切相關(guān)的，系統(tǒng)和光電 子器件的進(jìn)步又對(duì)光纖提出了新的要求，促進(jìn)了光纖技術(shù)的發(fā)展。1975年第一個(gè)實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)是應(yīng)用于 市話中繼，而且當(dāng)時(shí)的速率是45Mbit/s，所使用的是多模光纖，而且應(yīng)用在850nm的短波長(zhǎng)窗口。隨著光纖通信 系統(tǒng)的應(yīng)用從市話擴(kuò)展到長(zhǎng)途，光纖850nm窗口的衰減顯然較大，當(dāng)時(shí)又研制成功了1300nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)器件，于是 就產(chǎn)生了應(yīng)用1300nm窗口的長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都還是使用G.651規(guī)范的多模光纖。隨著傳輸距離進(jìn) 一步延伸和傳輸速率的提高，多模光纖已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求。當(dāng)單模激光器研制成功的時(shí)候，G.652單模光纖 也應(yīng)運(yùn)而生。而且由于光纖的1550nm窗口的衰減比1310nm窗口的衰減低，所以更高速率系統(tǒng)由于光接收靈敏度 的降低又希望保持一定的傳輸距離，逐步轉(zhuǎn)到1550nm窗口來應(yīng)用。
從系統(tǒng)的角度來說，2.5Gbit/s以下的系統(tǒng)一般為衰減限制系統(tǒng)，而10Gbit/s及其以上速率的系統(tǒng)為色散限 制系統(tǒng)。從衰減盡可能小的方面看，10Gbit/s及其以上速率的系統(tǒng)應(yīng)工作在1550nm窗口，但G.652光纖在該窗口 的色散太大，達(dá)到18~20ps/nm·km，傳輸距離被限制在70~80km左右。能否使光纖在1550nm窗口的衰減又小而色 散也小呢，沒問題，當(dāng)時(shí)研制出來的G.653色散位移光纖，就是在G.652光纖的基礎(chǔ)上，將零色散點(diǎn)從1310nm窗 口移動(dòng)到1550nm窗口實(shí)現(xiàn)的。但是當(dāng)DWDM系統(tǒng)大量推廣應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于EDFA在DWDM中的使用，使進(jìn)入光纖的 光功率有很大的提高，會(huì)使光纖產(chǎn)生非線性效應(yīng)。由于G.653光纖在1550nm窗口的色散值太小，使得在G.653光 纖上工作的DWDM系統(tǒng)受四波混頻效應(yīng)的影響太嚴(yán)重。雖然可以采用非均勻波道間隔、色散支持技術(shù)等方法來克 服，但畢竟使系統(tǒng)變得復(fù)雜，或者還減少了有效使用波道數(shù)，所以并不理想。G.652光纖在1550nm窗口的色散較 大，足以抑制四波混頻現(xiàn)象，但因色散太大，不利于以10Gbit/s及其以上速率為基礎(chǔ)的DWDM系統(tǒng)長(zhǎng)距離傳輸。 雖然可以采用色散管理等技術(shù)來解決，也并不方便。所以人們就去尋求一種使光纖在1550nm窗口的色散既不很 大、又不為零的解決方案，這就是當(dāng)時(shí)稱為G.65x，后來規(guī)范為G.655的非零色散位移光纖。而且各個(gè)不同的光 纖廠家又設(shè)計(jì)制造出多種不同的G.655光纖，如大有效面積、低色散斜率等等。
實(shí)際上，10Gbit/s及其以上速率的系統(tǒng)在光纖中的傳輸距離不僅受通常光纖的色度色散限制，更嚴(yán)重的是 受偏振模色散PMD的限制，普通G.652光纖和G.655光纖的PMD較大且具有統(tǒng)計(jì)特性，系統(tǒng)補(bǔ)償比較困難。為了滿 足高速率系統(tǒng)的要求，在2000年10月G.652光纖 和G.655光纖的標(biāo)準(zhǔn)修訂的時(shí)候，將G.652光纖細(xì)分為G.652A、 G.652B、G.652C三種類型。規(guī)定G.652A光纖只能支持2.5Gbit/s及其以下速率的系統(tǒng)（對(duì)纜內(nèi)光纖的PMD系數(shù)不 提要求），G.652B光纖可以支持10Gbit/s速率的系統(tǒng)（粗略地說，要求纜內(nèi)光纖的PMD系數(shù)小于0.5ps/km1/2） 。類似地，G.655光纖也相應(yīng)劃分為G.655A光纖和G.655B光纖，前者可支持波道間隔為200GHz以上的DWDM系統(tǒng)， 后者可以支持波道間隔為100GHz及其以下的DWDM系統(tǒng)，并能支持10Gbit/s 傳輸400km以上的距離。同時(shí)由于光 纖制造工藝的不斷成熟，特別是脫水工藝的改進(jìn)，使原來在1380nm附近出現(xiàn)的水吸收峰基本消失，使得G.652光 纖從1260nm到1670nm的整個(gè)范圍都可用以通信。于是把這種光纖命名為G.652C光纖，G.652C光纖也可以支持 10Gbit/s速率的傳輸。
當(dāng)在光纖上傳輸?shù)膯涡诺浪俾蔬_(dá)到40Gbit/s或?qū)τ谝?0Gbit/s為基礎(chǔ)的WDM系統(tǒng)，PMD的影響更為顯著，必 須進(jìn)一步嚴(yán)化對(duì)光纖的PMD指標(biāo)的要求。另一方面，10Gbit/s系統(tǒng)已成為光纖傳輸?shù)闹髁魉俾�，希望所有的光纖 包括G.652A、G.655A都能支持10Gbit/s系統(tǒng)的傳輸，對(duì)G.652B希望能支持10Gbit/s 傳輸3000km以上的距離，顯 然也必須減小PMD的影響。于是在2003年1月修訂G.652光纖和G.655光纖標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不僅對(duì)原G.652A、G.652B、 G.652C以及G.655A、G/655B的指標(biāo)做了調(diào)整，又定義了兩種新型的光纖G.652D和G.655C光纖。
初期的DWDM系統(tǒng)通常工作在C波段（1530~1565nm），然而，C波段只有35nm的范圍，即使采用0.4nm的波道 間隔，在1529~1560也只能安排80個(gè)波道。要進(jìn)一步增加波道數(shù)，就必須增大可利用的波長(zhǎng)范圍，例如可以把L 波段（1565~1625nm）利用起來，這樣，就有95nm的范圍可利用。由于1600~1625nm范圍光纖的色散太大，所以 在L波段1570~1603nm范圍內(nèi)可安排80個(gè)間隔為0.4nm的波道。C+L波段可以實(shí)現(xiàn)160波的系統(tǒng)。要繼續(xù)增加波道數(shù) ，當(dāng)然可以再減小波道間隔，但波道間隔的減小是有限度的，一方面增大了去復(fù)用的難度，另一方面太小的間 隔使每個(gè)波道可傳送的速率受到較大的限制。所以寄希望于再擴(kuò)大可利用波長(zhǎng)范圍。G.652C光纖的可用波長(zhǎng)范 圍達(dá)410nm，但整個(gè)范圍內(nèi)色散的變化太大，系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾y度和代價(jià)太大。于是人們想到，利用S+C+L三個(gè) 波段，為了減少系統(tǒng)的麻煩，又應(yīng)讓光纖在這個(gè)范圍內(nèi)色散的變化維持在一個(gè)較小的范圍，這就引出了對(duì)另一 種新型光纖的研究，ITU-T把這種光纖命名為G.656光纖。
本文在下面的部分主要介紹對(duì)G.652A、B、C，G.655A、B光纖的新要求和三種新型光纖G.652D、G.655C和 G.656的特性及其標(biāo)準(zhǔn)。
2 G.652D光纖
如前所述，對(duì)于10Gbit/s 及其以上速率的高速系統(tǒng)來說，PMD對(duì)其傳輸距離的影響極大，從表1中可以看出 ，要支持統(tǒng)傳輸距離達(dá)400km，則PMDQ必須小于0.5 ps/?km，此時(shí)可支持40Gbit/s系統(tǒng)的甚短距離2km的應(yīng)用。 當(dāng)PMDQ小于0.20 ps/?km時(shí)，10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)3000km以上，40Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)80km以上。當(dāng) PMDQ小于0.10 ps/?km時(shí)，10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可大于4000km，而40Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)400km以上。在2003年1月修改G.652光纖標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，希望全面提高G.652光纖的特性，至少都要支持10Gbit/s的長(zhǎng)途應(yīng)用，對(duì) G.652B要求支持40Gbit/s的長(zhǎng)途應(yīng)用，所以開始提出G.652B的PMDQ應(yīng)小于0.10ps/?km。后來基于考慮40Gbit/s 的應(yīng)用主要從城域網(wǎng)開始，10Gbit/s系統(tǒng)的傳送在3000km左右已經(jīng)可以覆蓋大部分應(yīng)用情況，所以放寬到0.20 ps/?km。經(jīng)過調(diào)整過的各類G.652光纖的特性為：G.652A支持10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)400km，10Gbit/s以太 網(wǎng)的傳輸達(dá)40km，支持40Gbit/s系統(tǒng)的距離為2km。相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)如表2所示。
表2 G.652A光纖參數(shù)指標(biāo)
對(duì)于G.652B型光纖，必須支持10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)3000km以上，40Gbit/s系統(tǒng)的傳輸距離為80km。 相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)如表3所示。
對(duì)于G.652C型光纖，基本屬性與 G.652A相同，但在1550nm的衰減系數(shù)更低，而且消除了1380nm附近的水吸 收峰，即系統(tǒng)可以工作在1360~1530nm波段。相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)如表4所示。
為了使無水吸收峰光纖也能支持G.652B所支持的那些應(yīng)用，必須對(duì)無水吸收峰光纖的PMDQ提出更嚴(yán)的要求 ，因此有必要定義一種新的光纖類型，即G.652D型光纖。這種光纖的參數(shù)指標(biāo)如表5所示�？梢钥闯觯珿.652D型 光纖的屬性與G.652B光纖基本相同，而衰減系數(shù)與G.652C光纖相同，即系統(tǒng)可以工作在1360~1530nm波段。
3 G.655C光纖
G.655光纖是為適于DWDM的應(yīng)用而開發(fā)的。2000年版的G.655標(biāo)準(zhǔn)只將其分為A、B兩種類型。類似于對(duì)G.652 各類型光纖的要求全面提高，對(duì)G.655的A、B兩類光纖的要求也都提高了，分別如表6和表7所示。也就是說，雖 然新的G.655A光纖仍只能支持200GHz及其以上間隔的DWDM系統(tǒng)在C波段的應(yīng)用，卻已經(jīng)可以支持以10Gbit/s為基 礎(chǔ)的DWDM系統(tǒng)了。而新的G.655B光纖可以支持以10Gbit/s為基礎(chǔ)的100GHz及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C和L波段 的應(yīng)用。
為了既能滿足100GHz及其以下間隔DWDM系統(tǒng)在C、L波段的應(yīng)用，又能使N×10Gbit/s系統(tǒng)傳送3000km以上， 或支持N×40Gbit/s系統(tǒng)傳送80km以上，就規(guī)范了一種新的G.655C型光纖。這種光纖的特性如表8所示�？梢钥� 出除了PMDQ為0.20 ps/*km之外，它的其他屬性和G.655B是一樣的。
4 G.656光纖
2002年，日本NTT公司和CLPAJ公司提出了應(yīng)規(guī)范一種適用于DWDM系統(tǒng)S+C+L波段應(yīng)用的新型光纖，即在 S+C+L波段為非零色散的光纖，得到各國(guó)專家的廣泛支持。經(jīng)過9個(gè)月的研究，提出了這種光纖的基本規(guī)范，各 公司對(duì)這種光纖也都開展了研究，提出了對(duì)一些關(guān)鍵指標(biāo)取值的建議。在激烈的討論之后，除少數(shù)參數(shù)外（雖 然少數(shù)，卻很關(guān)鍵），基本達(dá)成了一致的意見，并把這種新型光纖命名為G.656光纖。目前提出的有關(guān)G.656光 纖的規(guī)范如表9所示。
表9中對(duì)模場(chǎng)直徑MFD和色散系數(shù)還有不同的意見。這兩個(gè)參數(shù)的取值涉及許多與應(yīng)用有關(guān)的方面，兩個(gè)值 之間也是關(guān)聯(lián)的。例如，MDF與光纖熔接損耗、色散系數(shù)、有效面積、非線性效應(yīng)等都有關(guān)。色散系數(shù)更直接影 響到系統(tǒng)特別是高速系統(tǒng)的受限傳輸距離、密集波分復(fù)用系統(tǒng)的四波混頻等非線性效應(yīng)等。對(duì)于不同的應(yīng)用， 例如是城域還是長(zhǎng)途，CWDM還是DWDM等，考慮的出發(fā)點(diǎn)不同，對(duì)取值的選取自然有所不同。筆者的觀點(diǎn)是：既 然應(yīng)用有所區(qū)別，就應(yīng)該允許參數(shù)值有差異。因此比較妥善的解決方案是不必強(qiáng)求用一組指標(biāo)來滿足所有的應(yīng) 用，可以把G.656光纖也分為A、B等不同類型，分別規(guī)范適宜于其應(yīng)用的相應(yīng)指標(biāo)，則可以實(shí)現(xiàn)各得其所。
5 結(jié) 語
光纖技術(shù)在30多年來，有了很大的發(fā)展，特別是光纖制造工藝水平的不斷提高，使光纖的質(zhì)量、成品率極 大地提高，光纖的成本也在不斷下降，為系統(tǒng)的應(yīng)用提供了較有利的條件。反過來，系統(tǒng)應(yīng)用的種類和范圍不 斷擴(kuò)大，也對(duì)光纖提出了新的要求。為了滿足系統(tǒng)的應(yīng)用，不斷開發(fā)出新的光纖類型。G.655和G.656光纖的出 現(xiàn)，就是很好的例證。事物的發(fā)展、變化總是無止境的，光纖技術(shù)的發(fā)展也不會(huì)停滯不前。我們不僅要密切注 意和跟蹤它的發(fā)展，適時(shí)做出各種新型的光纖。還希望光纖領(lǐng)域的同行們與系統(tǒng)的專家們密切結(jié)合，提出適合 于新的應(yīng)用的新型光纖，為我國(guó)光纖通信技術(shù)的發(fā)展，做出新的更大的貢獻(xiàn)。
作者簡(jiǎn)介
毛 謙 1943年生于浙江省江山市。1964年畢業(yè)于武漢郵電學(xué)院，1982年于武漢郵電科學(xué)研究院獲工學(xué)碩 士學(xué)位。常年從事數(shù)字通信及光纖通信設(shè)備、系統(tǒng)和光傳送網(wǎng)絡(luò)、光接入網(wǎng)的研究、開發(fā)工作。現(xiàn)任武漢郵電 科學(xué)研究院副院長(zhǎng)兼總工程師；教授級(jí)高級(jí)工程師；烽火科技學(xué)院院長(zhǎng)；信息產(chǎn)業(yè)部光通信產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn) 中心主任、總工程師；中國(guó)網(wǎng)銳實(shí)驗(yàn)室主任；國(guó)際電聯(lián)ITU-T SG15 中國(guó)專家組成員；信息產(chǎn)業(yè)部郵電科技委委 員；中國(guó)通信學(xué)會(huì)會(huì)士；中國(guó)通信學(xué)會(huì)光通信專業(yè)委員會(huì)主任；湖北省通信學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，光通信委員會(huì)主任 委員，學(xué)術(shù)委員會(huì)主任委員；湖北省電子學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)；中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)傳送網(wǎng)與接入網(wǎng)技術(shù)委員會(huì)副主 席；湖北省標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)信息委員會(huì)主任委員；獲國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家稱號(hào)和國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。
