摘 要
回顾了通信用光纤的发展历史，综述了最新发展的几种单模光纤，阐述了它们的几个关键参数与应用范围，描述了它们的制造技术。
1 通信用光纤的发展历史 R>
自从20世纪70年代光纤衰减降到实用化水平以来，光纤从多模光纤开始，其工作波长随着激光器技术的发展从0.85μm波长发展到衰减更低带宽更宽的1.3μm波长。这种光纤被当时的CCITT（现（ITU-T）列为G.651光纤。20世纪80年代初，单模光纤开始实用，且零色散波长设计在1.31μm。这种光纤被CCITT列为G.652单模光纤（SMF）。20世纪90年代初，1.55μm的激光器进入商用，这一波长上的光纤衰减最低，而且波长窗口较宽，对波分复用的应用较为有利。但是，G.652光纤在该波长下约+17ps/（nm·km）的色散，对应用有较大的限制。采用零色散位于1550nm的色散位移光纤（DSF）是较早的一个解决方法，此种光纤被CCITT列为G.653光纤。这种光纤主要用于海底光缆系统，它把单一波长传送几千公里。有些国家也一度广泛地用于陆上干线中。
随着光纤放大器和波分复用技术的迅速发展，人们发现DSF在1550nm附近的零色散会由于光纤的非线性效应而影响信号的传输。
为了克服色散位移光纤的非线性效应，出现了非零色散位移光纤（NZ-DSF）。这种光纤在1550nm波长上有一定范围的小色散。色散的下限保证足以抑制四波混频，色散的上限保证允许10Gb/s的单通道能传输250km以上，而无需色散补偿。这些NZ-DSF于1996年被ITU-T列为G.655光纤。这些初期的NZ-DSF在不同场合应用后发现，单一规格的NZ-DSF难以满足各种不同的使用场合，于是各个光纤制造厂相继开发了具有不同色散性能的NZ-DSF。其中色散范围已越出G.655建议书的规定，工作波长也超出了G.655建议书的范围，达到1600nm以上。为此，ITU-T于2000年4月的1997年～2000年研究期末期会议上把G.655类光纤分为G.655A和G.655B两个子类。
在非色散位移光纤方面的一个进展是对长波长宏弯损耗的改善，使得传输波长可以延伸到L波段。另外一个重大进展是朗讯公司通过采用新的制棒技术，成功地消除了1385nm附近的OH-引起的衰减峰，使得1310nm波长窗口（约1280～1325nm）与1550nm波长窗口（约1530～1565nm）之间的波段都能利用。为此，ITU-T于2000年4月的1997年～2000年研究期末期会议上把G.652类光纤分为G.652A、G.652B和G.652C三个子类。 表1 ITU-T G.655、G.655A、G.655B光纤光缆的主要技术指标
注:1）波长XX为特定值，XX≤25nm。
2）如果对于特定的光缆结构已经知道能支持对光缆PMDQ要求的最大PMD系数，则可以由成缆者来规定可选用的最大PMD系数。
2 NZ-DSF（G.655)
G.655A为NZ-DSF的基础了类，它适用于ITU-T G.691规定的带光放大器的单信道SDH（同步数字体系）系统和信道间隔不小于200GHz（1.6nm）的STM-64的ITU-T G.692带光放大器的波分复用传输系统；G.655B主要适用于信道间隔不小于100GHz的G.692DWDM(密集波分复用）传输系统。G.655光纤及其两个子类光纤的主要技术指标如表1所列。从表1可知，G.655A光纤除有些指标在G.655的基础上略严外，色散与工作波段都与G.655光纤相同，而G.655B光纤则有较大的变化。
采用DWDM技术，光纤Tb传输系统已成为现实。随着占据1530nm到1610nm之间C+L波段速度的加快，已经取得了高达3Tb/s的传输能力。选择最合适的传输光纤来满足DWDM的大容量和升级的要求，是实现这种高速传输的主要问题之一。
在G.655光纤分为G.655A与G.655B之前，许多光纤制造商为了适应各种WDM系统的需要，相继开发了不同色散、色散斜率和有效面积的NZ-DSF。
大有效面积的NZ-DSF有康宁公司的LEAF（72μm2）、长飞公司的大保实光纤（84μm2）、藤仓公司的EXAF-A（74μm2）等，光纤的大有效面积可减小非线性效应，但是它们的色散斜率较大，都在0.096～0.115ps/（nm2·km）范围内，这会使DWDM系统内各个信道付出不同的衰减代价。
低色散斜率的NZ-DSF有朗讯公司的真波（True-wave）RS光纤（色散斜率≤0.05ps/(nm2·km)）和阿尔卡特公司的特锐（TeraLight)光纤（典型色散斜率为 0.058ps/(nm2·km)）等。特锐光纤具有较低的零色散波长，与低的色散斜率相结合，可以把传输波长向下延伸到C波段以下的S波段，向上延伸到L波段。表2列出其在各个波长下的色散值。
表2 特锐光纤在1440～1600nm波长上的色散值
海底光缆用特大有效面积负色散NZ-DSF有真波XL光纤。真波XL光纤的有效面积达到105μm2。这种光纤的大有效面积减小了光纤的功率密度，允许把更大的功率注入光纤，加大了海底放大器之间的距离，减少了放大器数目，具有显著的经济效益。虽然为了防止非线性所产生的FWM（四波混频），在工作波长区内所要求的小色散可以为正也可以为负，但负色散可以防止由光纤的非线性和光纤的色散的长距离上相互作用而产生的调制不稳定性所引起的信号劣化。在建设海底光缆线路时，要仔细地把三种类型的光纤组合在一起：真波XL光纤、低色散斜率的负色散真波SRS光波和常规单模光纤。常规单模光纤的正色散是作“补偿”用的，使路由上的平均色散近于零。
城域网用NZ-DSF已由康宁公司和阿尔卡特公司开发出来，其商品名分别为MertoCor和Tera-Lignt metro。它们都能使400km以内的城域网中每对光纤传输Tb级的信号。
以上的几类NZ-DSF基本上都能纳入G.655A或G.655B建议书中。随着更多新开发的光纤及其实际应用，G.655B建议书一定能有进一步的充实和改进。
3 色散补偿光纤和色散斜率补偿光纤
色散补偿光纤（DCF）是一种在C波段（第3窗口）具有较大负色散系数的特殊光纤，应用DCF可以在第3窗口补偿常规单模光纤（G.652光纤）在线路上所积累的色散。这种光纤的芯径可以减小到2μm左右，而光纤的折射率差可以增大至2%～4%。通过采用特殊的折射率分布，可以使光纤在1550nm波长处具有所需要的负色散系数和负色散斜率。表3列出了几种DCF的特性。
表3 DCF在1550nm波长上的特性
自1994年DCF进入商用以来，开发了许多品种。它不但可以用来补偿常规单模光纤在第3窗口的色散，而且也可用来补偿各种DSF（零色散或非零色散）在第3窗口中的色散斜率。能够补偿色散斜率的这种光纤被称为色散斜率补偿光纤（DSCF）。例如，日本古河电气开发的A型和B型DSCF在工作波段内具有很小的色散和很陡的负色散斜率，A型与零色散波长在1530nm的NZ-DSF（G.655光纤）一起工作，而B型与零色散波长在1550nm的DSF（G.653光纤）一起工作，前者使1530～1560nm波长范围内后者使1550～1580nm波长范围内的色散几乎完全平坦。
古河电气还开发了一种新型的色散补偿光缆。这种光缆应用反色散光纤(RDF)。RDF不但补偿常规单模光纤在第3窗口中的色散，而且还补偿其色散斜率，并具有小的非线性效应。应用RDF的系统具有以下的特点：
1)不需用DCF或色散补偿组件，DCF有插入损耗高和色散补偿不够完善的缺点。RDF本身不是一个器件，而是一根传输线。它的色散特性在数值上和斜率上都具有与常规单模光纤相反的符号。所以应用RDF的系统可以不用DCF或色散补偿组件而实现低的残余色散。而且，它的低损耗也改善了系统性能。
2)能够应用大功率的光纤放大器（EDFA），由于RDF和常规单模光纤的有效面积都大于DCF的有效面积，当EDFA的输出被注入系统时，脉冲的畸变要比DCF系统的小。所以，在RDF系统中能够用较大的EDFA功率。
3)能够进行宽带传输，RDF的色散斜率是负的，与常规单模光纤的相反。所以，把RDF的长度与常规单模光纤的长度进行恰当的配合，就能够在1530～1570nm之间得到平坦的色散斜率。
以上各种色散补偿和色散斜率补偿光纤尚未由ITU-T纳入G系列建议书。
4 非色散位移光纤（G.652)
G.652A为单模光纤的基础子类，它适用于ITU-T G.957和ITU-T G.691中的传输系统，直到STM-16。G.652B适用于ITU-T G.957、ITU-T G.691和ITU-T G.692中的传输系统，直到STM-64。G.652C适用于ITU-T G.957、ITU-T G.691和ITU-T G.692中的传输系统，直到STM-64。对于在1550nm波长区域的高比特率传输，一般将需要调节色度色散。这个子类也允许在1360nm以上和1530nm以下的部分波段内进行ITU-T G.957的传输。G.652光纤与光缆及其两个子类的主要技术指标如表4所列。 表4 ITU-T G.652、G.652A、G.652B和G.652C光纤光缆的主要技术指标
注：1）波长XX为特定值，XX≤25nm。
2）如果对于特定的光缆结构已经知道能支持对光缆PMDQ要求的最大PMD系数，则可以由成缆者来规定可选用的最大PMD系数。
3）波长yyyy被推荐为1383nm≤yyyy≤1480nm，由买卖双方协商同意。如果规定的是水峰处（1383nm），则更长或更短的波长都可以在延伸波段内应用。如果规定的数值大于水峰处，那么在延伸波段中只可以应用大于yyyy的波长。
4）在按照IEC60793-2中关于B1.3类光纤的氢老化之后，在yyyy nm抽测到的平均衰减应当小于或等于在1310nm所规定之值。
从表4可知，G.652A除有些指标加严并明确了对PMD不作规定以外，其他各项参数基本上都与的规定延伸到L波段（第4窗口）并对PMD作了规定。G.652C在G.652B的基础上增加了在水峰附近的一个波长上的衰减规定，以保证在S波段（第5窗口）的传输。
图1示出了G.652A光纤的典型衰减光谱特性。我们能够注意到曲线上的三个特点：
波长λ/μm
图1 G.652A光纤的典型衰减光谱特性。图中○内的数字代表波长窗口号
1)在短波长区内的衰减随波长的增加而减小，这是因为在这个区域内，与波长的4次方成反比的瑞利散射所引起衰减是主要的；
2)在1.6μm以上的波长上由于宏弯损耗和二氧化硅吸收而使衰减有上升的趋势；
3)曲线上有OH-引起的几个吸收峰（亦称水峰），特别是1.385μm波长上的峰。
改善宏弯损耗和二氧化硅吸收就能得到G.652B光纤。在此基础上再消灭水峰就能得到G.652C光纤。朗讯科技公司首先利用独特的制棒技术开发出来的全波光纤和康宁公司最近开发的SMF28-e光纤都属于G.652C光纤。图2示出了全波光纤典型的衰减光谱特性全波光纤消除了水峰衰减外，其他性能都与常规单模光纤（G.652光纤）相同。它能采用与常规单模光纤同样的连接方法和连接器。
波长λ/μm
全波光纤最适合于在城域网中应用。利用其新开辟的第5窗口（1.35～1.53μm）把波长谱扩大了大约180nm。因为这段波长处于第2窗口与第3窗口之间，光纤的衰减小于1310nm处的衰减，而色散则小于1550nm区域内的数值。这意味着能更好地利用光纤的低色散区。在这样宽阔的波长区内，采用粗波分复用（CWDM）代替DWDM往往能够取得相当大的经济效益。
5 现代单模光纤的偏振模色散(PMD)及其改善
偏振是光波振动方向的一个特性。在单模光纤中的光会在两个互相垂直的方向上振动，称为偏振模。如果光纤是不对称的，在这两个方向上传播的模就具有相对延迟，这种延迟称为PMD，通常用ps来衡量。光纤的这种不对称性的内在原因主要是纤芯的不圆度与掺杂波度的不均匀；外在原因也有很多，如光纤所受的外界侧向负载等。两个正交的偏振模之间的模耦合会减小PMD。这种模耦合也可以是内在的，即光纤内部的耦合点；也可以是外来的，即光纤的弯曲、挤压或扭转。
如果不对PMD进行适当的控制，则会在数字传输系统中产生过大的误码。在实际中，沿光纤长度上光纤的性能会有所变化，而且光纤还会受到诸如径向压力、弯曲和扭转等随机的外界骚扰，所以PMD的瞬时值是一个随时间、温度和波长变化的随机变量。这些瞬时值符合麦克斯韦密度函数，其平均值随光纤长度以平方根的规律增加。通常所称的PMD就是指这个平均值。
根据ITU-T G.691建议，要满足光通道代价不大于1dB的要求，所容许的PMD的计算公式为：
式中B为以Gb/s表示的比特率。这就是说速率为2.5Gb/s、10Gb/s和40Gb/s时，容许的PMD值分别为40ps、10ps和2.5ps。据此，ITU-T推荐了0.5ps/km1/2的PMD最大值。后来又考虑到链路上的PMD应当是统计值，各标准化组织都在考虑以统计值的形式来规定PMD。例如，ITU-T第15研究组在1997年～2000年研究期的末期会议上，除了对最高传输速率一般不超过10Gb/s的G.652A及G.655A两种光纤取消PMD的规定外，对其余的G.652、G.653、G.654和G.655光纤都规定了在由20个光缆段所组成的链路上，超过0.5ps/km1/2设计最大值PMDQ的概率Q为0.01%。
由于PMD的随机性质，难于像色度色散那样进行补偿。最近有些厂家正在研究各种PMD补偿技术，例如带外前向纠错技术、电域补偿技术和光域补偿技术，但是要实现商用和经济上可行，可能尚需一段时间。因此，从光纤预制棒的制造和光纤的拉制两方面来改善PMD指标还是目前较为有效的方法。
5.1改进光纤预制棒制造的方法
最先投入工业化生产的光纤预制棒制造技术有MCVD（改进化学汽相沉积法）、PCVD（等离子体化学汽相沉积法）、VAD（汽相轴向沉积法）和OVD（外汽相沉积法）。MCVD和PCVD法采用天然石英管生产单模光纤，预制棒的尺寸受到石英管的限制而不能太大，因此光纤的生产效率低且成本高。在激烈的市场竞争中，迫使采用MCVD和PCVD方法生产的工厂设法提高生产效率和降低成本。于是，在预制棒的外层采用OVD法（混合法）来制造或者在外层套上合成管（套管法）来制造。到目前为止，用汽相沉积法制造的大预制棒的方法有8种，如表5所列
表5 制造大预制棒的汽相沉积法
根据表5所列各种方法制造的预制棒所拉制的光纤来看，就PMD而言，混合法最好，尤其是VAD+OVD法。套管法要差些。这可能是由于用混合法时容易对掺杂的均匀性和棒的不圆度进行控制。优选折射率分布和折射率差也可以改善PMD，但是光纤折射率分布的设计需要兼顾截止波长、零色散波长、色散斜率等其他性能，因此实现起来比较困难。
5.2旋转光纤
另外一种比较容易实现的方法是在光纤拉制的过程中旋转光纤。这种方法已被一些制造厂用来生产PMD低而稳定的光纤。用这种方法制作的光纤称为旋转光纤。
研究证明，把成品光纤进行扭转可以减小PMD。但是，它在光纤中留有内在的扭矩，会在着色和成缆时产生麻烦；加进去的扭距在光纤中留存了应力，它限制了以后在光缆制造和安装、接续与使用中能够施加的扭转量；应力-光学效应抵消了扭转而降低了所施加的有效扭转。
若在拉制光纤时把扭转形成于高温光纤之中就能消除这些缺点。最初是在拉丝时旋转预制棒，但是在高速拉丝时，以高速旋转一根笨重而且通常不太平衡的预制棒难度较大。后来采用的一种方法是在拉丝时操纵牵引轮附近的涂覆光纤来变化扭矩，在光纤中引入一个摇摆的扭转。这种方法曾被用来进行大规模生产，并获得了始终如一的低PMD光纤。这种方法的缺点在于需要复杂的旋转机械而且通常在卷绕到盘上的光纤中加上了一个有弹性的扭转。
大约在1997年，意大利FOS光纤公司开发了一种新设备，它能够通过光纤涂覆器的旋转在拉丝时使光纤旋转。图3示出了用旋转光纤涂覆器来制造旋转光纤所用设备的示意图，为了清楚起见，图中只绘出了一个涂覆器。在旋转的模子中的流体能够将裸光纤旋转，向上把扭转传送到颈缩区，并向下传送到牵引轮。
图3 拉丝塔示意图和扭转坐标
增加光纤扭转量的措施：
1)增加旋转光涂覆器与牵引轮之间的距离；
2)降低拉丝速度；
3)采用优化的涂覆模设计或者增加涂覆粘度；
4)增加旋转模的最大角速度和反向频率，它们的典型值分别是10000r/min(≈1000rad/s）和4Hz。
目测回收的光纤，证实卷绕的光纤中残余弹性扭转是可以忽略的。模子的高速转动并不影响光纤的涂覆。反而由于旋转增加了涂覆的轴向对称性而对涂覆的同心度略有改善。
为了能用实验方法得到留存在光纤中的扭转量，该公司开发了一种光纤旋转在线监测技术。这种技术利用光纤包层的不圆度（＜2%），在光纤颈缩区附近进行横向在线测量，并对测量数据进行实时傅里叶分析。根据所得到的功率谱上出现的很容易分辨的峰及根据峰的频率与光纤的真实扭转之间的相互关系，进行监测。采用这种技术就能可靠地保证光纤有适当的扭转量，从而取得低而稳定的PMD。
6 现代单模光纤的优化设计
现代单模光纤的优化设计与整个光通信系统的设计有关。一般来说，要考虑以下几点：
1)适当的色度色散（正的或者负的）和零色散波长；2)小的色散斜率；3)大的有效面积；4)在工作波段内低的微弯和宏弯损耗；5)低的PMD；6)衰减与以前各代光纤相当。
前面4点都与光纤的折射率分布有关。常规的匹配包层型单模光纤的折射率分布最为简单。NZ-DSF的折射率分布比较复杂，种类很多。折射率分布越复杂，可以调节的参数就越多。加环梯形的折射率分布有6个可调节的参数：中心梯形与环的高度，环的宽度与位置，梯形的上下半径。为了优化设计，对各个参数都进行扫描，在截止波长、弯曲损耗、色散斜率、色散和有效面积之间进行最佳的折衷。特别要注意到以下的几个关系：增加有效面积会增加色散斜率；减小色散斜率会增加弯曲损耗；提高截止波长能减小色散斜率，但是过高的截止波长不能保证单模工作;增加色散值能减小色散斜率。
采用比较复杂的折射率分布虽然能够取得好的折衷，但是增加了制棒的复杂性和预制棒的成本。在上述提到的几种预制棒制造技术中，PVCD和MCVD技术最适合制造复杂折射率分布的预制棒。VAD技术在这方面要差一些。因此，要生产折射率复杂的大预制棒时，宜采用MCVD+OVD法、PCVD+OVD法、MCVD+合成管法、PCVD+合成管法。
7 结束语
我国的光纤生产虽然在20世纪80年代后期就建立了西古和长飞两家合资企业，但是初期的光纤产量较小，“八五”期间仅约10万km。从“九五”开始，光纤产业得到了快速的发展，2000年达到580万km，2001年达到800万km。约占国内需求量的70%以上。“十五”期间，全国干线光缆传输网将继续进行改造与完善，提高网络资源利用率，以适应向城域网和接入网发展的需求，继续放大网络规模容量。“十五”期间，干线光缆传输网将采用先进的DWDM技术和大容量SDH系统，积极发展全光网络。预计到2005年，全国光纤的需求量将达到2600万km，平均年增长率约25%。光纤的生产量将超过需求量而进入国际市场。
我国虽然在20世纪80年代初就引进了制棒设备，但是由于多种原因，在2001年前，我国只有长飞公司和西古公司生产少量的预制棒。2001年起，老企业扩产和新企业的投产大大增加了预制棒的产量。不同类型和不同性能的光纤需要不同的预制棒。过去由于一部分光纤和大部分预制棒是进口的，除了长飞公司自主开发了大有效面积的大保实光纤以外，光纤都是国外开发的产品。为了适应我国今后的光缆组网的需要，积极发展制棒工业是当务之急。制棒设备与技术都要引进。在设备方面，既要考虑适合于需求量大的折射率分布比较简单的光纤，又要考虑适合于折射率较为复杂的以及新开发的光纤。在制棒技术方面，除了工艺以外，如本文所述的预制棒折射率分布的设计技术都是非常必要的。
摘自：《国际线缆与连接》
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