2.4　单模光纤分类及应用

自从1970年，美国贝尔实验室根据高锟提出的利用光纤可以进行通信的理论，成功地试制出用于通信的光纤以来，光纤/光缆得到迅速发展。近40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和今后将广泛使用的新光纤的性能加以介绍。

2.4.1　改变光纤结构、设计不同光纤

由式（2.3.16）可知，当归一化频率V在1.5～2.4范围时，波导色散系数为

式中，n2和Ng2分别是包层折射率和群折射率；a是纤芯半径。因此，波导色散系数与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，通过减小纤芯半径和增加掺杂浓度，可使λ0变为能使光纤损耗达到最小的1 550nm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，我们注意到Dm+Dw=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波长处具有负色散系数大的色散补偿光纤，还可以获得在1 300nm和1550nm两个波长处具有色散都为零的色散平坦光纤。几种单模光纤的折射率分布如图2.4.1所示。色散平坦光纤的色散系数和折射率分布如图2.4.2所示。

纯硅芯光纤（PSCF）的结构及性能如图2.1.4所示。

2.4.2　G.652标准单模光纤

标准单模（Standard Single-Mode，SSM）光纤是指在1.3μm波长处具有零色散的单模光纤。国际电信联盟（ITU-T）把这种光纤规范为G.652标准单模光纤，它属于第1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——光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波长处的损耗较大，其衰减系数为0.3～0.4dB/km；在1.55μm波长处的损耗较小，其衰减系数为0.2～0.25dB/km。这种光纤在1.3μm波长处的色散为±3.5ps/（nm·km）；在1.55μm波长处的色散较大，约为20ps/（nm·km）。这种光纤可用于工作波长为1.55μm的2.5Gbit/s的干线系统。但由于在该波长处的色散较大，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，由于色散补偿模块的使用增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以这种光纤不适用于DWDM系统。

经过ITU-T不断的修正，将G.652标准单模光纤划分为G.652A、G.652B、G.652C和G.652D4个子类。通信光纤的工作窗口如表2.4.1所示。G.652A标准单模光纤最高可应用到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标准单模光纤可支持高比特率传输。G.652C标准单模光纤完全消除了1 383nm波长附近的水峰，使工作波长从1 260nm一直延伸到1 625nm，从而使该光纤适用于城域网全波段粗波分复用（CWDM）系统。但该光纤在1 550nm波长附近处，由于大的正色散系数与直接调制激光器产生大的波长啁啾相互作用而造成的信号波形畸变，限制了最大的传输距离。G.652D系数的应用场合与G.652B类似，但它允许传输使用1 360～1530nm波长之间的扩展波段。

G.652标准单模、G.655非零色散、G.656宽带非零色散位移光纤/光缆参数的比较如表2.4.2所示。G.657与G.652标准单模光纤/光缆参数的比较如表2.4.3所示。

在表2.4.3中，λ0min与λ0max是零色散波长范围，S0max是零色散波长斜率，Q是光缆发生偏振模色散（PMD）的概率。

2.4.3　G.653色散位移光纤

G.652标准单模光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一个波长上，这不仅使工程应用受到了一定的限制，而且在零色散波长为1.3μm的光纤放大器开发应用之前，使不经过光电转换过程的全光通信无法实现。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）。国际电信联盟把这种光纤规范为G.653色散位移光纤，它属于第2代单模光纤。

然而，G.653色散位移光纤零色散波长为1.55μm，这不利于多信道的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（Four Wave Mixing，FWM）的非线性光学效应，这种效应使2或3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，即非零色散位移光纤（Non Zero Dispersion Shift Fiber，NZ-DSF）。

G.653色散位移光纤也分为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B类对PMD的要求更为严格。G.653色散位移光纤允许STM-64的传输距离大于400km，并可支持STM-256应用。

G.652标准单模光纤、G.653色散位移光纤、G.655非零色散位移光纤和色散补偿光纤的比较如表2.4.4所示。

2.4.4　G.654截止波长位移光纤

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工作波长为1.55μm的纯石英芯单模光纤，它是通过降低光纤包层折射率、提高SiO2芯层的相对折射率而实现的。国际电信联盟把这种光纤规范为G.654截止波长位移光纤（Gutoff WaveLength Shifted Fiber，CWSF）。该光纤具有更大的有效面积（大于110μm2），以及超低的非线性和损耗。它在1.55μm波长附近处的衰减系数仅为0.151dB/km，这样可以尽量减少使用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截止波长位移光纤在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截止波长位移光纤也分为A、B和C三类：A类是常规的截止波长位移单模光纤；B类支持1 550nm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

20世纪80年代末，1.55μm波长的分布反馈激光器（DFB-LD）研制成功，其激光输出谱线很窄，因而1.55μm波长成为人们关注的热点。G.653色散位移光纤在工作波长为1.55μm时的衰减系数比在工作波长为1.3μm时的衰减系数小，故其传输距离几乎增加了一倍，但是光纤衰减仍是光纤的一个限制因素。20世纪90年代初，1.55μm波长的掺铒光纤放大器（Er3+-Doped Fiber Amplifer，EDFA）研制成功，打破了1.55μm波长光纤通信系统传输距离受光纤衰减的限制。EDFA在1.55μm波长处提供有用的信号增益，使在用G.653色散位移光纤的长途干线中，可每隔一定距离插入一个EDFA，这种全光传输的距离可延长至几百千米甚至几千千米。然而，G.653色散位移光纤在工作波长为1.55μm处色散为零，并会产生四波混频，导致信道间发生串扰，不利于多信道的WDM传输。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，国际电信联盟规范为G.655非零色散位移光纤。G.655非零色散位移光纤实质上是一种改进的G.653色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm波长处，而是在1.525μm或1.585μm波长处。在光纤的制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使其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传输速率达到10Gbit/s，而无须色散补偿。G.655非零色散位移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G.655非零色散位移光纤综合了G.652标准单模光纤和G.653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G.655非零色散位移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）及国内长飞公司的大保实光纤等均属于G.655非零色散位移光纤。

G.655非零色散位移光纤也分为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非零色散位移光纤的PMD值要使STM-64系统至少传输40km，同时还要支持海底光缆的应用，而当G.655C非零色散位移光纤的PMDQ最大值为0.2ps/km1/2时，还要支持STM-256系统传输80km的应用。

由表2.4.2、表2.4.4可见，G.655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。近年来，G.655非零色散位移光纤的用量在逐步增加。

2.4.6　G.656宽带非零色散位移光纤

由于光信号在1 385nm波长附近处被光纤材料中的氢氧离子吸收，其衰减谱会产生一个较大的损耗峰，所以早期的光纤通信系统，工作波段只能使用0.85μm波长（第一窗口）和1.3μm波长（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）。随着光电器件和光纤技术的进步，人们为了利用光纤通信系统在1.55μm波长处光信号损耗几乎最小的特性，又在该工作波段开发出了许多先进的实用化的光纤通信系统，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这个C波段（Conventional Wavelength Band）。随着1 290～1 660nm工作波段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起用了1 600nm波长。为了将DWDM系统应用于城域网，仅使用现有的工作波段是不够的，为此，光纤制造商把光纤材料中的氢氧离子浓度降到了10-8以下，消除了光信号在1 360～1 460nm工作波段的损耗峰，使该工作波段的光纤衰减系数降低到0.3dB/km，而且其色散也小，所以这种光纤通信在相同比特率下传输距离更长。该工作波段就是E波段（Extended Wavelength Band），它位于O波段和S波段之间。全波光纤就是指在光纤的整个工作波段，从1 260nm波长开始到1 675nm波长终止，都可以被用于通信的光纤。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。国际电信联盟把这种光纤规范为G.656宽带非零色散位移光纤。

光纤的C波段正好与EDFA波段一致，这是目前常用的光纤波段，以它为参考，比C波段短的称为S波段（Short Wavelength Band），比C波段长的称为L波段（Long Wavelength Band），比C波段更长的称为U波段（Ultralong Wavelength Band），如表2.4.1所示。光纤的损耗谱和工作窗口如图2.4.3所示。

G.656宽带非零色散位移光纤（Wide NZ-DSF，WNZ-DSF）克服了以往光纤的一些缺陷，可广泛地被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1 550nm波长处的有效面积为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，具有优异的光纤衰减特性。在1 460～1 650nm工作波段内，G.656宽带非零色散位移光纤衰减系数都小于0.4dB/km；在1 550nm波长处，其衰减系数小于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。

G.656宽带非零色散位移光纤的应用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采用DWDM系统。

2.4.7　G.657接入网用光纤

随着宽带业务向家庭延伸，通信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经过多次弯曲后被固定在接线盒和插座的狭小空间的线路终端设备中，所以FTTH应该使用结构简单、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，国际电信联盟于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，光纤的弯曲衰减系数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相对折射率差的结构。另外，阶跃单模光纤的弯曲性能也可以用无量纲参数MAC表示为

式中，MFD为模场直径；λc为截止波长。由此可见，光纤的弯曲敏感性随着MFD的减小而降低。这就意味着，小的模场直径和长的截止波长的光纤具有更低的弯曲敏感性。由此可知，G.657接入网用光纤应该是一种具有小的模场直径或长的截止波长光纤。

按照工作波段和使用范围，G.657接入网用光纤可以分成G.657A和G.657B两类，均可以在1 260～1 625nm整个波长范围工作，其特性参数如表2.4.3所示。G.657A接入网用光纤的传输和互连性能与G.652D标准单模光纤相同；不同的是，为了改善光纤接入网中的光纤接续性能，G.657A接入网用光纤具有更好的弯曲性能、更精确的几何尺寸。

G.657B接入网用光纤的工作波长分别是1 310nm、1 550nm和1 625nm，它的熔接和连接特性与G.652标准单模光纤完全不同，可以在弯曲半径非常小的情况下正常工作。

2.4.8　正、负色散单模光纤和色散补偿光纤

对于正色散单模光纤（PDF），正色散系数可以减小其非线性效应对DWDM系统的影响。大部分G.65x序列单模光纤在1550nm波长附近处具有正色散系数，可作为正色散单模光纤。

对于负色散单模光纤（NDF），负色散系数也可以减小其非线性效应对DWDM系统的影响。G.655单模光纤在1 550nm波长附近处具有负色散系数，可作为负色散单模光纤。

色散补偿光纤（Dispersion Compensating Fiber，DCF）是具有大负色散值的光纤，它是针对现已敷设的1.3μm波长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波长光纤通信系统采用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波长处的色散值不是零，而是正的17～20ps/（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值的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高传输速率、大容量、长距离的通信。DCF在1 550nm波长处的主要参数如表2.4.5所示。

色散补偿光纤的概念早在20世纪80年代就提出来了，但是直到20世纪90年代中期，当光纤通信系统从2.5Gbit/s发展到10Gbit/s时才获得广泛的使用。随着光纤比特率的增加，色散值的大小已成为普通单模（G.652）光纤传输距离超过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。但是由于光纤的色散值在这一窗口接近零容易产生四波混频，所以很难实现DWDM。研究发现，如果通过设计使光纤在这一窗口具有有限的色散值就可以减轻FWM的影响，这就使科学家们开发了G.655非零色散位移光纤，从而使传输距离扩大到600km且不必在光纤中间进行色散补偿，但是在光纤通信系统的收/发两端还是需要色散补偿的。所以对于基于非零色散位移光纤的WDM系统及40Gbit/s以上系统，光纤除了要补偿色散和色散斜率外，还要满足非线性和弯曲损耗小的要求。为此又开发了专为补偿非零色散位移光纤的色散补偿光纤，现已研制出能够抑制自相位调制的DCF。DCF的色散和衰减特性如图2.4.4所示。

对于大的有效芯径面积单模光纤（LEF），光信号在工作波长处具有大的有效面积，可以减小其非线性效应对DWDM系统的影响。