胡先志 胡佳妮
摘要：本文介绍了超大有效面积光纤的特性及其组成的密集波分复用系统。
关键词：有效面积 密集波分复用 光纤 系统
1 引言
随着人们对语言、数据、图像等信息业务需求的日益增长，迫使各个网络运营商不断地对其干线传输网络进行扩容升级。当今，各个网络运营商对干线传输网络的扩容升级普遍采用的技术方法是时分复用（TDM）和密集波分复用（DWDM）.
网络运营商在扩容升级中采用的方法是提高单信道速率，即时分复用将传输速率由10Gbit/s升至40Gbit/s和密集波分复用，即将信道间隔减小由100GHz缩小到50GHz甚至于25GHz。人们将更高速率和更多信道的信息合波后送入一根光纤，以求增大单根光纤的传输容量和降低每比特的成本。但是，更高的单信道速率和更小的信道间隔意味着对光纤的色散、色散斜率、偏振模色散、非线性效应（四波混频交叉相位调制等）等性能，提出新的严格要求。
1996年，康宁公司的刘燕民博士等为减小由密集波分复用注入光纤的有效面积上的光强过大使光纤产生了非线性效应，采用了增大光纤有效面积的方法开发了LEAF光纤。LEAF光纤折射率分布以下一个三角形内芯和一个折射率上升包环芯来达到扩大光纤有效面积的目的。LEAF光纤的典型有效面积为72μm2。LEAF光纤的特点是增加了光纤有效面积，提高了光纤承受更大的光功率能力，克服了光纤的非线性效应，改善了系统的光信噪比，延长了光放大器距离，增加了密集波分复用的信道数。本文仅就2001年9月30日--10月4日在荷兰阿姆斯丹召开的27届欧洲光通信会和11月12日-15日在美国召开的50届国际线缆会上分别介绍的日本采用了180μm2超大有效面积光纤特性和175μm2超大有效面积光纤组成的密集波分复用系统的组成与性能作了简要介绍，以飨读者。
2 光纤特点
可以供超大有效面积光纤选用的折射率分布形式有多种，但是考虑到超大有效面积光纤的截止波长和宏弯损耗，日立公司采用了折射率为-0.05％的下凹包层折射率分布，他们计算的光纤芯折射率分布应满足180μm2有效面积的要求。这种光纤的截止波长为1450nm，在1550nm的宏弯损耗（弯曲直径，20mm）为50dB/m。这种宏弯损耗水平的光纤，通过采用优化的松套管结构制造成光缆，可以实现在工作波长的传输。他们通过计算，确定了光纤芯折射率值n。
与其他光纤制造方法相比，VAD方法更适合于大量生产，故超大有效面积光纤采用VAD方法生产。这种光纤的典型性能。在松套成缆后，测量的1550nm衰减系数为0.82dB/km，偏振色散系数值为0.022ps/根号km。
3 光纤性能
当今，国内各大电信业务运营商已经或正在积极建设自己的2.5Gbit/s或10Gbit/s，甚至于为未来开通40Gbit/s的密集波分复用传输系统做技术准备。这样，在构筑下一代长途干线光网络时，人们首选G.655光纤用作为光传输介质。对G.655光纤要着重考虑的性能包括：衰减、色散、色散斜率、偏振模色散、非线性效应。这些性能互相依赖彼此影响，需要进行合理的权衡。
系统的中继距离与光纤衰减成反比。然而，人们用来解决光纤衰减的两个具体途径为：1）光纤材料通过提纯工艺使过渡金属离子和OH-离子的含量已降到百万分之一至十亿分之一；2）光纤制造过程日益完善使得光纤的制造缺陷，如气泡、芯包结构不完善等引起的损耗也基本消除。现在石英玻璃光纤本身的衰减已基本降低到了理论极限水平。另外，系统设备厂商则通过在传输线路上加放掺铒光纤放大器、拉曼放大器来对衰减的信号进行有效放大，以此来延长长途干线传输线路上光纤的传输中继距离。
光纤的色散是由于不同的光脉冲以略微不同的速度传输而引起的光脉冲展宽。在DWDM系统中特别是信道数几十上百和单信道速率为10Gbit/s或40Gbit/s的情况下，光纤色散对系统传输质量影响十分显著。系统设计者十分清楚的知道系统中继距离与光纤色散系数和传输速率平方倒数成反比。当DWDM系统中单信道传输速率越高，信道数越多，光脉冲传过光纤长度越长，脉冲就会展得更宽。脉冲展宽会使其与DWDM系统中其他相邻脉冲发生重叠，引起码间干扰。干扰越大，误码率越高或接收机不能区分数字编码的0和1。因此，高速率和密集波分复用系统系统应特别重视光纤的色散。
光纤的偏振模色散是指单模光纤中脉冲的两个互相垂直的偏振模，以不同的速度的传输所引起来的时延差。系统的最大传输距离与偏振色散系数平方和传输速率平方的倒数成反比，即偏振模色散系数越大，传输速率越高，系数最大传输距离就越短。偏振模色散与色散相似会使光脉冲展宽和相邻脉冲重叠，进而引起接收机的误码。而且光纤的色散和色散斜率已有成熟的补偿技术，偏振模色散的补偿方法正处在研究中，所以对40Gbit/s传输系统要求链路的偏振模系数应小于0.1ps/根号km。
光纤的色散斜率是光纤色散与波长的变化关系，即二阶色散。在密集波分复用系统中展宽的光脉冲在光纤中传输时，不同的波分复用信道光脉冲之间有一个相对的时延。如在40Gbit/s传输系统中光纤在C波带和L波带的色散斜率太大无法得到充分的补偿，那么，这就意味着可用的信道较少。
光纤的非线性效应包括：受激拉曼散射，受激布里渊散、自相位调制、交叉相互调制和四波混频。正是从密集波分复用技术带来的每根光纤承载的十几个至几下个乃至数百个波长光源注入的过大功率引起了光纤非线性效应。光纤非线性效应限制了系统的传输速率和传输距离，并影响到系统的传输质量。解决非线性效应最实用的方法是通过扩大光纤的有效面积（即，光纤的载光区途径）来达到减小光纤芯区单位戴面的光强的目的。为此，康宁、朗讯、阿尔卡特和长飞的G.655光纤的有效面积为分别为：72μm2左右，而日立公司和KDDI研究实验室于2001年研究出了有效面积分别为180μm2和175μm2的光纤。他们已成功在175μm2的光纤上进行了40Gbit/s×25的306km无中继密集波分复用试验。
4 系统组成
本文介绍了175μm2超大有效面积光纤组成的306km无中继DWDM试验系统所用的光纤有效面积和无中继距离都堪称世界第一。试验系统组成为：发射机是由25个DFB-LD组成，发射机波长范围为：
547.0-1566.4nm，各信道间隔为100GHz。奇、偶信道的光各用一个阵列波导光栅耦合后送入一个20Gbit/s LiNbO3（LN）强制调制器和一个20Gbit/s脉冲发生器，通过LN强制调制器和一个20Gbit/s RS信号被分成二个理想的20Gbit/s数据流，再由一个偏振复用器将奇、偶光信道时分复用输入光纤链路（175μm298km+110km NZ_DSF+175μm298km）送入传输线路的25个WDM信号总的光功率增加到1.1W。通过在发射机端的175μm2超大有效面积光纤来减小光纤链路上前半部分，因注入光纤的光功率过大而引起的不希望有的非线性效应。在接收机端的175μm2超大有效面积光纤允许试验采用输出功率为4W的1480nm光纤激光器泵浦光源。传输后，传输线路中的累计色散用色散补偿光纤进行补偿。在接收机用二个级联的1nm光带通滤波器来选出所需要的信道。用正弦驱动偏振不敏感电吸收调制器的二级光栅将接收的40Gbit/s进行光时分解复用成10Gbit/s信号。
5 系统性能
从传输了306km后的眼图来看，除了长距离传输积累了十分大的色散外，信号波长范围的中心和边缘信道的眼图开度十分清晰。这说明，超大有效面积光纤有效地抑制试验中的非线性效应。
信号传输了306km后，25个信道上测量的误码率与Q值对应。所获得的平均和最坏的Q值分别是15.9dB和15.6dB。
人们监测了经过306km传输后信号光谱。25个信道上的光信噪比大于18dB/0.2nm。
另外，由于超大有效面积光纤折射率分布比标准单模光纤折射率分布低，所以超大有效面积光纤本身的偏振模色散系数很小，这样超大有效面积光纤在40Gbit/s超长距离无中继系统中扮演再重要作用。
摘自《电子工程技术与标准化》2002.1
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