[科普中国]-非零色散光纤

定义

色散位移光纤在1550nm单一波长处，进行长距离传输具有很大优越性，但当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光放大器时，DFS光纤就会在零色散波长区出现严重的非线性效应，这限制了波分复用（WDM）的应用。为此，ITU-T制定了G.655建议，G.655光纤在1550nm窗口保留了适量的色散，以抑制四波混频1。

非零色散光纤是指在符合ITU-T G.655建议的光纤中，一类在1550nm附近的色散不为零的光纤。具体的来说，所谓非零色散光纤，是指光纤的工作波长不是在1550nm的零色散点，而是移到1540~1565范围内，在此区域内的色散值较小，为1.0~4.0ps/(nm*km)，尽管色散系数不为零，但与一般单模光纤相比，此范围内色散和损耗都比较小，且可采用波分复用技术和光纤放大器（EDFA）来实现大容量超长距离的传输1。

设计思想从历史上看，最早的非零色散光纤（G.655光纤）是20世纪90年代中期出现和发展起来的G655.A光纤。G.655光纤的基本设计思想是从两个方面来改进色散特性。一方面使光纤在1550nm波长区具有合理的较低的色散，可以支持10Gbit/s信号传输足够长的距离而不需要色散弥补，即便对于更长距离的传输或40Gbit/s信号传输也只需要较少的色散补偿，从而节省了昂贵的色散补偿器及其附加光放大器的成本。同时较低的色散也降低了40Gbit/s系统的自相位调制影响。另一方面，设法使色散值保持非零特性，即具有一起码的最小数值（例如至少2ps/(nm*km)，为了抑制非线性影响，目前倾向于取更高值）足以压制四波混合和交叉相位调制等非线性影响，适应WDM系统波长通路间隔日益变窄，通路数量日益日益增加的趋势。简言之，G.655光纤需要同时兼顾TDM和WDM两个发展方向的需要。为了达到上述目的，初期的G655光纤将零色散点移向短波长侧（1450~1510nm范围）或长波长侧（1570nm附近），使之在1550nm附近的工作波长区呈现一定大小的色散值以满足上述要求2。

设计要点为适应EDFA/WDM系统的推广使用，非零色散光纤在设计时应重点考虑以下几点3：

（1）在1540~1565波长区，色散应控制在1.0~4.0ps/(nm*km)；

（2）增大光纤的横场直径（MFD），以便减小功率密度，降低非线性效应；

（3）在工作的波段区内，仍应保证损耗最低即0.2dB/km左右；

（4）偏振色散应小于0.05ps/km；

（5）纤芯内的折射率分布宜采用三角形或梯形；

（6）由于MFD的增加和波长零色散点的移动，将造成弯曲损耗的增加，应进行必要的最佳化设计

发展历程最早的非零色散光纤（G.655光纤）是20世纪90年代中期出现和发展起来的G655.A光纤，后来才逐渐出现不断优化的G655.B/C/D/E光纤2。

第一代G.655光纤最早的非零色散光纤（G.655光纤）是20世纪90年代中期出现和发展起来的G655.A光纤，后来才逐渐出现不断优化的G655.B/C光纤2。

一、具有正色散的G.655光纤

1.主要优点

（1）假设传统G.655光纤在1550nm波长区的色散值为G.652光纤的1/4，则色散补偿距离也大致为G.652光纤的4倍，或者说所需的色散补偿光纤的长度仅为补偿G652光纤的1/4，不仅色散补偿成本远低于G.652光纤，而且对色散补偿光纤的PMD的容忍性也高了一倍2。

（2）G655光纤可以利用色散补偿其一阶和二阶色散2。

（3）由于在1550nm附近色散系数D为正，有可能与能够产生的负啁啾的MZ外调制器结合，利用自相位调制（SPM）技术来扩大色散受限传输距离乃至实现光孤子传输2。

（4）这类光纤在1310nm波长区的色散较小，有利于开放1310窗口2。

2.不足之处

（1）由于典型G.655光纤的有效面积为55~72μm^2，而G652光纤的有效面积为80μm^2，因而G.655光纤的非线性损伤略大，使每一光区段的允许损耗少1~2dB2。

（2）可能产生所谓的调制不稳定性2。

（3）这类光纤对XPM的影响比较敏感，由之产生的性能劣化较大2。

（4）利用G.652光纤时仅能补偿其一阶色散2。

二、具有负色散的G.655光纤

1.主要优点：不存在调制不稳定性问题，眼图清楚，对XPM的影响不敏感，由之产生的性能劣化较小2。

2.不足之处

（1）零色散点1570nm落入L波段，影响L波段的应用2；

（2）不能利用SPM来扩大色散受限传输距离2；

（3）在光纤制造工艺相同和折射率剖面形状类似的条件下，零色散波长较长的光纤要求有较大的波导色散，因而芯包折射率差较大，从而使损耗较大而有效面积较小2。

三、两类光纤的比较

两类光纤各有优缺点，当传输距离为几百公里范围时，即多数陆地传输系统应用场合，具有正色散的G.655光纤上的脉冲有压缩现象，眼开度较大，调制不稳定性（MI）影响不大，比较有利，具有负色散的普通G.655光纤复用通路数不多。当传输距离大于1000km时，两类光纤上的脉冲均呈较大的展宽现象，必须使用色散补偿技术。但具有正色散的G.655光纤上的脉冲频谱展宽将会大到使部分功率落到WDM滤波器通常之外，或者会由于光放大器链的增益带变窄而被滤掉，这种情况下负色散G.655光纤性能较好，例如海缆系统应用就是这样。近来，随着WDM系统的工作波长区从C波段向L波段的发展，只有正色散光纤才有可能满足这种发展的需要，因而具有正色散的G.655光纤正成为在陆地光纤通信系统的主要光纤类型，而具有负色散的G.655光纤在陆地传输系统中已经自然淘汰，目前，主要用于海缆系统2。

第一代G.655光纤主要为C波段（1530~1565nm）通信窗口设计的，有美国Lucent公司的True Wave光纤和Corning公司的SMF-LS光纤，它们的色散斜率较大。随着宽带光纤放大器（BOFA）的发展，WDM系统已经扩展到L波段（1562~1620nm）。在这种情况下，如果色散斜率仍然维持原来的数值（0.07~0.10ps/(nm*km)），长距离传输时短波长和长波长之间的色散差异将随着距离的增大而增大，势必造成L波段高端过大的色散，影响10 Gbit/s及以上高码速信号的传输距离，或者采用高代价的色散补偿措施，而低波段的色散又太小，多波长传输时不足以抑制FWM、SPM、XPM等非线性效应，因此，研制和开发出低色散斜率的光纤具有重要的实际意义4。

第二代G.655 光纤第二代G655光纤适应了第一代G655光纤的要求，且具有较低的色散斜率，较好的满足了DWDM（密集波分复用）的要求。第二代G655光纤主要有美国Lucent公司的True Wave-RS光纤和True Wave-XL光纤，其色散斜率降低到0.05ps/(nm*km)以下，Corning公司的LEAF（大有效面积光纤）、Pireli公司推出的Free Light光纤，把工作波长扩展到1625nm处。第二代G655光纤成功克服了光纤非线性所带来的传输损伤，大大提高了光纤通信系统的传输性能4。

G.655.C / G.656光纤初期的DWDM系统通常工作在C波段，后来又利用了L波段。为进一步扩大可利用的波长范围以增加波道数，人们想到了利用S+C+L三个波段。为了减少系统的麻烦，又让光纤在这个范围内的色散的变化维持在一个较小的范围内，这就引出了另一种新型光纤的研究。2002年日本NTT公司和CLPAJ公司提出，经过9个月的研究，提出了这种光纤的基本规范，并把这种光纤命名为G.656光纤。G.656光纤光缆品性如图所示4。