武汉邮电科学研究院 陈永诗 陈志钢
1 引言
传输容量需求的增加继续驱动传输技术领域的进步，随着密集波分复用（DWDM）技术、光纤放大技术，包括掺铒光纤放大器（EDFA）、分布喇曼光纤放大器（DRFA）、半导体放大器（SOA）和光时分复用（OTDM）技术的发展和广泛应用，光纤通信技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发展，并且逐步向全光网络演进。2002年OFC会议上报道了速率高达10.92Tbps的273×40Gbps和10.2Tbps的DWDM系统。DWDM、OTDM、EDFA、DRFA、SOA以及与各种新型光纤和先进信号处理技术的结合将把光纤通信传输容量推向一个更高的水平。在如此高速率，特别是超长距离系统中，系统传输容量和距离是关键的技术衡量标准。而先进的光纤对超长距离系统是得到高容量传输最有效的途径之一，既具有能保持稳定可靠传输足够的富余度，又能支持宽带工作，减少非线性损伤，具有高的分布喇曼增益，简化网络管理。
多模光纤由于芯径和数值孔径比单模光纤大，具有较强的集光能力和抗弯曲能力，特别适合于多接头的短距离应用场合，并因多模光纤的系统费用仅为单模系统费用的1／4。近年来，多模光纤的应用呈逐年上升趋势，这主要是因为世界光纤通信技术将逐步转向纵深发展，并行光互联元件的实用化也大大推动短程多模光缆市场的快速增长，从而使多模光纤的市场份额持续上升。随着千兆比特以大网的建立，以大网还将从Gbps向10Gbps的超高速率升级，新一代适合激光系统使用的多模光纤将会随之研制并得到广泛应用。
本文简要回顾光纤类型和标准发展的历史，介绍光纤的性能要求、类型和发展趋势。
2 光纤类型标准和发展趋势
1966年高锟博士提出用光纤作为通信介质的设想，1970年美国康宁公司首先研制出衰减为20dB／km的单模光纤，从此以后，世界各国纷纷开展光纤研制和光纤通信的研究，形成了如今的通信革命的伟大局面。
通信用光纤的研制先后经历了0.85μm短波长多模光纤和1.30μm长波长多模光纤（ITU-T G.651）、1.31μm普通单模光纤（IT-T G.652）、1.55μm色散位移单模光纤（ITU-T G.653）、1.55μm非零色散位移单模光纤（ITU-T G.655）等重要发展阶段。
2．1 单模光纤
2．1．1 发展回顾
通信用传输光纤的进步从降低损耗和降低色散开始，不断减少线性效应和非线性效应影响，提升和改进产品质量。20世纪70年代末到80年代初，普通单模光纤（ITU-T G.652）研制成功；1983年，普通单模光纤商用化，色散位移单模光纤（ITU-T G.653）研制出来；1985年以后，色散位移单模光纤商用化，大量用于长距离、大容量的通信干线系统。为了适应新一代使用掺铒光纤放大器（EDFA）和密集波分复用（DWDM）通信系统的需要。1993年以后，先后研制出了色散补偿光纤和非零色散位移单模光纤（ITU-T G.655），并很快投入商业使用。1995年前后；开拓了1565～1625nm的L带，称为第四窗口。1998年，朗讯公司推出了全波光纤（All Wave Fiber），该光纤几乎完全消除了OH离子吸收峰，打开了1360～1460nm的第五窗口。1999年以后，又陆续推出了许多新型光纤品种。
2．1．2 单模光纤标准及分类
单模光纤标准新版本有：
ITU-T建议G.652：2000《单模光纤光缆特性人ITU-T建议G.653：2000《色散位移单模光纤光缆特性》；ITU-T建议G.654：2000《截止波长位移型单模光纤光缆特性》；ITU-T建议G.655：2000《非零色散位移单模光纤光缆特性》。
IEC 60793-2：2001《光纤第2部分：产品规范》。该标准包括B1.1、B1.2、B1.3、B2、B4类单模光纤，分别相应于G.652A和G.652B光纤、G.654类光纤、G.652C光纤（又称为低水峰光纤）、G.653类光纤、G.655A和G.655B光纤。
国标GB／T 9771.1～GB／T 9771.5-2000《通信用单模光纤系列》。该标准第l部分是B1.l类光纤，相应于G.652A和G652B光纤；第2部分是B1.2类光纤，相应于G.654类光纤；第3部分是B1.3类光纤，相应于G.652C光纤（又称为低水峰光纤）；第4部分是B2类光纤，相应于G.653类光纤；第5部分是B4类光纤，相应于G.655A和G.655B光纤。每一部分在主要技术内容上都参照了国际标准的规定，某些特性要求也参照了国际上同类产品的先进技术指标。
光纤类别按ITU-T分为：G.652A、G.652B G.652C G.653 G.654、G.655B；按IEC分为：B1.1、B1.2、B1.3、B2、B4；我国光纤型号命名等效采用了IEC规定。
G.652和G.655类光纤是国内常用的单模光纤，G.653和G.654类光纤在国内很少使用。
由于IEC 60793-2：2001和国标GB／T 9771.l～GB／T 9771.5-2000对单模光纤规定的技术指标基本上与ITU-T建议G.652、G.653、G.654和G.655的规定是协调一致的。因此仅将ITU-T建议新版本的主要内容介绍如下。
◆ ITU-T建议 G.652
G.652类光纤分为G.652A、G.652B、G.652C三个子类。G.652A光纤主要适用于ITU-T G.957规定的SDH传输系统和G.691规定的带光放大的单通道直到STM-16的SDH传输系统；G.652B光纤主要适用于ITU-T G.957规定的SDH传输系统和G.691规定的带光放大的单通道SDH传输系统及直到STM-64的ITU-T G.692带光放大的波分复用传输系统；G.652C光纤（即波长段扩展的非色散位移单模光纤，又称为低水峰光纤，例如Lucent的全波光纤。）主要适用于ITU-T G.957规定的SDH传输系统和G.691规定的带光放大的单通道SDH传输系统和直到STM-64的ITU-TG.692带光放大的波分复用传输系统，这类光纤允许G.957传输系统使用在1360～1530nm之间的扩展波段，增加了可用波长范围，使可复用的波长数大大增加，是未来城域网新敷光纤的理想选择。
◆ ITU-T建议G.655
G.655类光纤分为了G.655A、G.655B两个子类。G.655A光纤主要适用于ITU-T G.691规定的带光放大的单通道SDH系统和直到具有通道间隔不小于200GHz的STM-64的ITU-T G.692带光放大的波分复用传输系统；G.655B光纤主要适用于通道间隔不大干100GHz的G.692密集波分复用传输系统。
2.1.3 单模光纤发展趋势
随着更大传输容量的需求和DWDM的继续发展，要求光纤工作在更宽的频率范围，从C波段发展到L波段和S波段；消除1383nm衰减水峰，从O波段扩展到E波段，实现全波段传输。为了适应这种情况，ITU-T对石英玻璃单模光纤的工作波长范围作出了定义，如表6。长距离DWDM用的光纤还应具有适宜的色散值、合适色散符号和小的色散斜率，适宜大的有效面积，很低的PMD值和衰减值，并通过不同光纤配置实现色散管理、减少线性影响和非线性损伤、最佳噪声特性等来达到超长距离、超大容量传输。喇曼光纤放大器（EDFA）的出现和推广应用，进一步改善了光信噪比（OSNR）和扩展了光纤放大器之间的距离，喇曼放大要求设计出在泵埔波段低衰减光纤，以得到高的喇曼效率。
与长途网相比，城域网面临更加复杂多变的业务环境，直接支持大用户，需要服务的人口众多、密集，网络节点分布集中，信息量大，业务密度高，网络的物理半径（相对长途而言）较小，即通信距高较短，地下管道拥挤，网络动态变化幅度大，需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。因此，提高网络运行效率、降低建设成本和运行费用十分关键。采用密集波分复用（DWDM）技术是一个很有前途的解决方案。而城域网用光纤类型的选择是运营商和网络设计者应慎重考虑的问题。为了克服信道间隔不能无限变窄对于扩大系统容量的限制，利用具有更宽工作波长范围的单模光纤自然更理想。已经开发了低水峰单模光纤，也称全波光纤，这种新型光纤属于ITU-T G.652C类型，它在C、L波段的色散太大，不是理想光纤。康宁、阿尔卡特、住友均推出了城域网用非零色散位移光纤，但是，这些光纤不适于包括在S波段的传输，人们又在开发S-C-L三波段传输的城域网用新型光纤。
2．2 多模光纤
2．2．1 发展历史回顾
世界上第一根衰减低于20dB／km的石英玻璃光纤，是一根0.63μm短波长的单模光纤，芯径仅几微米，用如此细的单模光纤来构成通信系统，非常困难，首先是连接、耦合问题不好解决。在这种情况下，人们将主要研究目标转向了多模光纤，并取得了成功。
1971～1980年期间，是多模光纤研究开发的第一个活跃期，70年代末到80年代初长波长多模光纤（ITU-T G.651）商用化，建立了50／125μm梯度多模光纤工业标准。1981～1995年期间，是多模光纤增加品种、投入规模生产的稳定应用期。国际上纷纷利用50／125μm梯度多模光纤建立了实用化的局间干线光纤通信系统。但在1983～1984年，单模光纤（G.652光纤）技术成熟，50／125μm光纤在干线光纤通信系统中的地位迅速地被单模光纤取代，同时，50／125μm光纤转向局域网（LAN）数据传输领域。为了降低LAN系统成本，普遍采用价格低廉的发光二极管（LED）作光源，而不用昂贵的半导体激光器（LD），LED的发散角比LD的大得多，而当时已有的50／125μm光纤，其芯径和数值孔径都比较小，不利于与LED的高效耦合。为使连接耦合容易，使耦合入光纤的光功率更大，国际上开发了具有较大芯径和较大数值孔径的梯度多模光纤，例如62.5/125μm，80/125μm，100/140μm等，芯径从50μm增加到100μm，数值孔径从0.2增加到0.3以上，为多模光纤在LAN系统中的推广应用创造了条件。此后不久，50/125μm光纤的大部分市场份额就被新兴起的62.5/125μm梯度多模光纤所取代。80／125μm，100／140μm等多模光纤则由于弯曲损耗较高、制造成本较高、外包层直径特殊等种种原因没有得到广泛应用。
自20世纪90年代中期以来，多模光纤研究与开发进入了一个新阶段。由于计算机信息处理容量的增加和因特网的迅速发展，使信息速率呈指数增长趋势。在北美、西欧等发达国家，以前建立的几十、几百Mbps的数据LAN系统已经落伍，向Gbps（千兆比特／秒）以上的超高速率发展。IEEE于1998年6月通过了IEEE 802.3zGigabit以太网标准。1999年2月，国际上有关标准化组织开始考虑10Gbps以太网标准（IEE 802.3ae），该标准已于2002年上半年出台。技术的进步，促进了多模光纤的发展，必须提高原来光纤的性能，开发新一代多模光纤（NGMMF），以满足Gigabit以太网应用（1～10G）的需要。
2．2．2多模光纤发展趋势
本地网络（LAN）中，包括校园网络，采用的都是多模光纤。常用的多模光纤中主要有Ala类50／125μm和Alb类62.5/125μm两种类型。对本地网络，在发展吉比特（Gigabit）以太网（Ethernet）标准以前，没有更多安装那种多模光纤的讨论。由于62.5/125μm光纤芯径大、数值孔径大，具有较强的集光能力，是最普遍的多模选择。62.5／125μm光纤一直主宰多模光纤市场。其中，北美应用的62.5/125μm光纤最多，而日本、西欧则较多地采用50／125μm光纤。由于62.5／125μm光纤固有的性质，在850nm的模式带宽小于200MHz·km，使用上受到限制。目前的这两种多模光纤都能提供支持如以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）和FDDI协议在标准规定的距离内所需的带宽，其性能已被过去十几年的应用所证明，二者具有同样的包层直径和机械性能，在1300nm能提供类似的带宽，二者都能升级到Gigabit的速率，标准组织接受了这两种光纤。当速率提高时，就存在使用那种光纤好的问题。62.5μm与50μm多模光纤有那些差别，那种光纤更适合于用户使用，选择光纤时应考虑那些因素。答案是：具体情况具体分析。一方面，主要取决于网络的要求，即该网络在今后几年将需要支持那些应用和需要多长的链路长度；另一方面，也取决于是安装新线路，还是老线路升级。
一些短程光纤通信应用部门也在考虑应用多模光纤的10Gbps系统标准。这种超高速率LAN系统，必须采用激光器做光源，并配用高性能多模光纤和其它新技术。其目标之一。就是建立采用多模光纤的850nm波长串行速率10Gbps传输300m的系统标准。于是，美国康宁、朗讯等公司联合向各个标准体提出了新一代多模光纤，国际上开始了关于新一代多模光纤的研究与开发，包括标准研究（技术规范、测量程序）。新一代多模光纤是针对激光器为光源的情况优化的多模光纤，也称新型50μm多模光纤。这种光纤的主要特点如下：
◆这是一种工作波长为850nm的新型50／125μm梯度型多模光纤；
◆其纤芯的梯度折射率分布精确程度远比传统的50／125μm光纤的高，主要是消除折射率分布的中心缺陷；
◆这种光纤是专为配用850nm的VCSEL光源而设计制造的；
◆该光纤应确保在850nm波长以10Gbps速率串行传输至少300m距离。因此要求光纤的“激光器带宽”为2000MHz·kin，用DMD测量技术进行检测来保障该指标。
IEEE 802.3ae标准中规范了新一代多模光纤（光缆）特性。IEC和TIA也定义了新一代多模光纤的限模注入带宽或激光器带宽为2000MHz·km。
3 结束语
本文回顾了光纤发展的历史，介绍了光纤的类型、标准和性能要求，对单模光纤和多模光纤今后发展趋势发表了粗浅的看法。
摘自《智能建筑资讯》2003年 第1期
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