非零色散光纤发展动向—降低色散斜率.doc

非零色散光纤发展动向降低色散斜率1.非零色散光纤发展的历史背景 在光纤发展的历程中，90年代之前，人们一向追求在工作波长的低损耗、低色散，甚至零色散。沿着这个方向，使常规单模光纤（SMF）的零色散波长从1310nm移到了具有最低损耗的1550nm。石英单模光纤在该波长的损耗仅为1310nm波长的1/2，实现了最低损耗与零色散的“理想结合”，产生了色散位移单模光纤（DSF）。然而，在90年代初期，由于掺饵光纤放大器（EDFA）和波分复用（WDM）以及密集波分复用（DWDM）等光通信新技术的迅速推广应用，人们很快发现：DSF并不理想，用DSF建立的WDM系统受到四波混频（FWM）等非线性效应的严重影响，不利于DWDM，限制了信息速率的提高。为解决FWM问题，非零色散位移单模光纤（本文简称之为非零色散光纤，其英文缩写为NZ-DSF）于1994年前后应运而生，例如美国朗讯公司的真波光纤和美国康宁公司的SMF-LS光纤，代表了第一代非零色散光纤。这里，光纤的设计准则发生了改变：在给定的工作波长范围，色散不是越低越好，更不得为零，而是要求色散值限定在一定范围内，其最小绝对值，应当足够大，足以抑制FWM；其最大绝对值，应当足够小，以使色散补偿和色散管理的费用最低。这里的“绝对值”意味着NZ-DSF在工作波长的色散既可为正值也可为负值，可分别适用于不同的光通信系统。为了全面消除非线性效应的影响，在1997年，大有效面积光纤（LEAF）实现了商品化，LEAF也属于非零色散位移单模光纤类型，即ITU-T G.655光纤。这类光纤的研究和应用受到世界各国的普遍重视，其性能正在逐步得到全面优化。可以说，对于不论是海底的还是陆地的长距离高速率WDM/DWDM系统，非零色散光纤都是最理想的传输介质。2.降低色散斜率是当前非零色散光纤研究的重点 光通信技术在继续发展：EDFA的增益平坦波长范围已经从C波段（1530nm1565nm）拓宽到L波段（1565nm1620nm）；单信道传输速率已经从2.5Gb/s提高到10Gb/s、40Gb/s；信道数目（复用的波长数）已经从16、32、40向上百发展。不断发展的光通信新技术，对NZ-DSF的色散特性提出了更高的要求，其中最重要的是：要求在宽波长范围内WDM/DWDM各信道间的色散差别小，尤其是位于工作波长范围两侧的边缘信道之间的色散差别要小。遗憾的是，上述第一代的NZ-DSF和最初的LEAF都不能满足这些要求。其主要问题在于色散斜率过大。色散斜率参数表示光纤的色散随波长改变的速率，也称3次色散或高次色散。在长途WDM/DWDM系统中，由于色散累积，各信道的色散都随着传输距离的延长而增大。由于色散斜率的作用，各信道的色散累积量是不同的，位于工作波长范围两侧的边缘信道间的色散累积量差别最大，传输到一定距离，将使具有较大色散累积量的信道的色散超标，从而限制了整个系统的传输距离、传输速率或复用的信道数。色散斜率越大，色散累积量差别也越大，对系统性能的限制则越严重。采用NZ-DSF或LEAF建立的长途WDM/DWDM系统也需色散补偿。目前，广泛应用的是用色散补偿光纤（DCF）构成的色散补偿模块（DCM），因其价格不菲，最经济的方式是用一个DCM对各个信道同时补偿。然而，若色散斜率过大，这种方式就行不通了，这会使处于工作波长范围一侧的边缘信道发生过补偿而使另一侧的边缘信道发生补偿不足，不得不将工作波长范围划分成2个以上的子波段，每个子波段各用一个DCM分别补偿，这就增加了色散补偿费用。若对C波段和L波段同时复用，则需划分的子波段和使用的DCM就更多了。因此，近两年来，国外在非零色散光纤方面的研究重点是降低色散斜率，研制局部色散平坦的非零色散光纤。以下简介美国康宁等几家公司在这方面的最新研究成果。3.康宁研制的局部色散平坦的LEAF 在ECOC98会议上，康宁公司介绍了局部色散平坦的LEAF的设计和制造。图1示出该新型光纤的折射率分布（RIP）设计图。靠近光纤中心的低折射率环，是用于控制波导色散；附加的一个高折射率环，是用于改变基模的场分布，得到大有效面积，也是为了改善波导结构的抗弯特性。所设计的光纤在1450nm1600nm波长范围内色散平坦。适当地控制光纤结构参数，使零色散波长既可位于1400nm也可位于1600nm，因而在1550nm窗口的色散既可为正值也可为负值。据称，这种设计的重要特点之一是：光纤的有效面积总是大于模场直径对应的截面积，这意味着在降低非线性效应的同时仍可保持良好的抗弯特性。该新型光纤的主要技术参数列于表1。图1 康宁研制的局部色散平坦LEAF的折射率分布表1 康宁研制的局部色散平坦LEAF的主要技术参数（在1550nm波长） 注：用Pin Grid Array即针格阵列试验检测。 （ECOC98，p37）4.日本住友研制的局部色散平坦的NZ-DSF 最初，在OFC98会议上，日本住友公司和古河公司就已分别报道了各自对局部色散平坦的大有效面积光纤的研制情况，有关的RIP结构和光纤特性参数已在本刊1998年5期做了介绍，本文不再重复。仅指出一点：当初采用的光纤设计有截止波长太短（不足1m）的缺点，致使所研制的光纤存在弯曲损耗高的风险。在ECOC98会议上，日本住友再次报道了该公司研制的局部色散平坦的NZ-DSF。考虑到有效面积、弯曲损耗、色散特性以及实际可行性等因素，该公司设计了芯部具有3层结构的下凹内包层的RIP，如图2所示。从中心向外，依次由掺锗的主芯、掺氟的副芯、掺锗的环形芯、掺氟的下凹内包层和纯二氧化硅外包层构成。其设计意图是将截止波长移到较长波长，其有效面积也略有减小（从55m2减到50m2），这都是为了在获得局部色散平坦的同时改善抗弯特性。已用VAD工艺制造了样品。测量了3根样品，每根样品的长度为10km，所测光纤的截止波长（2m光纤ITU-T标准方法测试值）特别长，都大于2m，但是，当传输距离大于200m之后，其有效截止波长就小于1550nm，因此，实际系统在1550nm窗口仍可单模工作。该新型光纤的其他主要特性列于表2。图2 日本住友研制的局部色散平坦NZDSF的折射率分布表2 日本住友研制的局部色散平坦NZDSF的主要技术参数（1550nm波长）（ECOC98，p131）5.美国朗讯制造的低色散斜率真波光纤 美国朗讯公司也在ECOC98会议上介绍了该公司的低色散斜率真波光纤，并称之为第二代NZ-DSF。早在1998年6月，该公司就已经推出了相关商品，称为TrueWave RS Fiber，即降低色散斜率的真波光纤（RS=Reduced Slope），可简称为真波RS光纤。在该光纤的设计中，考虑了弯曲特性的改善，要求其有效面积约为55m2。该公司设计了梯度芯下凹环上升环下凹包层的RIP结构，传输原理与80年代的W型色散平坦光纤相同，其原理是：控制波导的几何尺寸，使波导色散在工作波长范围内有大的负斜率，从而降低总色散斜率。80年代的W型色散平坦光纤的主要缺点是弯曲损耗大、制造公差紧，因而，难以大规模生产，一直未能商用。为避免这些问题，朗讯公司所设计的真波RS光纤在工作波长范围的有效折射率总比包层的折射率高，从而消除了基模截止问题，改善了宏弯与微弯特性；从追求1310nm到1550nm的双窗口色散平坦改为追求1550nm窗口的局部色散平坦，使制造公差相对放松，有利于大规模生产。已用MCVD工艺制造了4000km的这种低色散斜率的真波光纤。与第一代NZ-DSF相比，工作波长范围的平均色散有所增加，这有利于抑制四波混频；在工作波长范围内的最大色散值和色散变化量有所下降，使色散补偿与色散管理更容易，也延长了由色散限制的传输距离。该光纤的主要技术参数（在1550nm波长）列于表3。表3 朗讯的低色散斜率真波光纤的主要技术参数（在1550nm波长）（ECOC98，p139）6.结束语 这篇文章简述了第一代非零色散光纤包括最初的LEAF的色散斜率对光通信系统性能的限制，介绍了国际上著名的几家光纤公司在降低非零色散光纤的色散斜率方面的研发情况。据报道，美国朗讯贝尔实验室已经使用真波RS光纤成功地进行了40信道、每信道传输速率40Gb/s、传输距离400km的系统实验，充分证明了这种光纤非常适用于长距离高速率DWDM系统。最近获悉，法国阿尔卡特公司也已于1999年6月推出了该公司开发的G.655新型光纤。据称，该新型光纤把降低色散斜率与减小偏振模色散（PMD）有机结合，并且具有较大的有效面积，最适用于DWDM系统，其传输速率高达1.6Tb/s以上。阿尔卡特公司将该新型光纤命名为“特锐光纤（TeralightTM）”。在我国，武汉长飞公司生产的非零色散光纤（该公司称之为“保实光纤”，它实际上