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光网络用的各种光纤技术现状
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The Status of Optical Fiber Technology Used in
Optical Network
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■信息产业部电子第八研究所高工 张春安
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各种光网络对光纤的技术要求
光纤在各种光网络中的实际应用决定了对光纤技术性能的要求。对于短距离光传输网络，考虑的重点是适合激光传输和模式带宽更宽的多模光纤，以支持更大的串行信号信息传输容量。
对于长距离海底光缆传输系统而言，为了减少价格昂贵的光纤放大器数量应重点考虑采用具有大模场直径面积和负色散的光纤增大传输距离。
而对陆上长距离传输系统考虑的重点是能够传输更多的波长，而且每个波长都尽可能以高速率进行传输，同时还要解决光纤的色散问题，即使光纤的色散值随波长的变化达到最小值。
对于域域网和环形馈线来说，由于传输的距离相对比较短，考虑的重点是光网络成本而不是传输成本。就是说要解决好光纤传输系统中上/下路的分/插复用问题，同时还必须把插/分波长的成本降至最低。
传输用光纤
光纤技术在传输系统中的应用，首先是通过各种不同的光网络来实现的。截止目前建设的各种光纤传输网的拓朴结构基本上可以分为三类:星形、总线形和环形。而进一步从网络的分层模形来说，又可以把网络从上到下分成若干层，每一层又可以分为若干个子网。也就是说，由各个交换中心及其传输系统构成的网与网还可以继续化分为若干个更小的子网，以便使整个数字网能有效地通信服务，全数字化的综合业务数字网(ISDN)是通信网的总目标。ADSL和CATV的普及、城域接入系统容量的不断增加，干线骨干网的扩容都需要不同类型的光纤担当起传输的重任。
色散补偿光纤(DCF)
光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。这是在通信网中必须避免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。一般来说，光纤色散包括材料色散和波导结构色散两部分，材料色散取决于制造光纤的二氧化硅母料和掺杂剂的分散性，而波导色散通常是一种模式的有效折射率随波长而改变的倾向。
色散补偿光纤是在传输系统中用来解决色散管理的一种技术。非色散位移光纤(USF)以正的材料色散为主，它与小的波导色散合并以后，在1310nm附近产生零色散。而色散位移光纤(DSF)和非零色散位移光纤(NZDSF)是采用技术手段后，故意把光纤的折射率分布设计为可产生与材料色散相比的波导色散，使材料色散和波导色散相加后，DSF的零色散波长就移到了1550nm附近。1550nm波长是当前通信网中应用最多的一个波长。在海底光缆传输系统中，则是通过把两种分别具有正色散和负色散的光纤相互结合来组成传输系统进行色散管理的。
随着传输系统的距离增长和容量的增加，大量的WDM和DWDM系统投入使用。在这些系统中，为了进行色散补偿又研制出了可在C波段和L波段上工作的双包层和三包层折射率分布的DCF。在C波段上可进行色散补偿的SMF的色散值为60
65Ps/nm/km，其有效面积(Apff)达到23 28 m2，损耗为0.225 0.265dB/km。
放大用光纤
在石英光纤芯层内掺杂稀土元素就可以制成放大光纤了，如掺铒放大光纤(EDF)，掺铥放大光纤(TOF)等等。放大光纤与传统的石英光纤具有良好的整合性能，同时还具有高输出、宽带宽、低噪声等许多优点。用放大光纤制成的光纤放大器(如EDFA)是当今传输系统中应用最广的关键器件。EDF的放大带宽已从C波段(1530
1560nm)扩大到了L波段(1570 1610)，放大带宽达80nm。最新研究成果表明EDF也可在S波段(1460 1530)进行光放大，业已制造出感应喇曼光纤放大器，在S波段上进行放大。
对于L波段(1530 1560nm)放大光纤，在高输出领域已研发出了双包层光纤。其中第一包层多模传输泵浦光，在纤芯单模包层传输信号光并掺杂钉(Yb)作感光剂，以增大吸收系数。
在解决光纤的非线性方面，采用共参杂Yb或La(镧)等稀土元素制作出EYDF光纤。这种光纤几乎无FWM发生。这是因为Yb离子与Er离子集结后增大了Er离子间的距离，解决了由于Ev离子过度集中集结而引起的浓度消光，同时也增加了Er离子掺杂量，提高了增益系数，从而降低了非线性。
对于L波段(1570 1610nm)放大光纤，已报导日本住友电工研发的采用C波段EDF需要长度的1/3短尺寸EDF而扩大到L波段的EDF。制作成功适合40Gb/s高速率传输，总色散为零的L波段三级结构光纤放大器。该放大器第一段为具有负色散的常规EDF，而第二、三段波长色散值为正值的短尺寸EDF。
对于S波段(1460 1530nm)放大光纤，日本NEC公司采用双波长泵浦GS-TD FA进行了10.92Tb/s的长距离传输试验，利用1440nm和1560nm双波长激光器(LD)实现了29%的转换率;NTT采用单波和1440nm双通道泵浦激光器实现了42%的转换率(掺铥浓度为6000ppm);Alcatel公司采用1240和1400nm多波喇曼激光器实现了48%转换率，同时利用800nm钛兰宝石激光器和1400nm多级喇曼激光器双波长泵浦实现了50%的转换率，最新报导日本旭硝公司又提出了以铋(Bi)族氧化物玻璃为基质材料的S波段泵浦放大方案。简言之，需要解决的主要技术课题是如何降低声子能量成份的掺杂量和提高量子效率问题。
超连续波(SC)发生用光纤
超连续波是强光脉冲在透明介质中传输时光谱超宽带现象。做为新一代多载波光源受到业界广泛关注。从1970年Alfano和shapiro在大容量玻璃中观察到的超宽带光发生以来，已先后在光纤，半导体材料、水等多种多样物质中观察到超宽带光发生。采用单模光纤的SC光源就是应用上述复数光源方法进行解决技术课题的一个有效手段。
1997年，日本NTT公司研发成功双包层和4包层折射率分布结构，芯经沿长度方向(纵向)呈现锥形分布，具有凸型色散特性的光纤。2000年又研发成功采用SC光的保偏光纤(PM-SC光纤)。
高非线性SC光纤大都采用光子晶体纤维和锥形组径纤芯纤维的高封闭结构，光子晶体纤维制造技术已取得了新的突破，今后的研究方向是低成本SC光纤制造技术及如何在下一代网络中具体应用。
光器件用光纤
随着大量光通信网的建设和扩容，有源和无源器件的用量不断增大。其中应用最多的是光纤型器件，主要有光纤放大器、光纤耦合器、光分波合波器、光纤光栅(FG)、AWG等。上述光器件必须具有低损耗、高可靠性、易于和通信光纤进行低损耗耦合和连接才能应用于通信网络中。于是就研发生产出了FG用光纤和器件耦合用光纤(LP用光纤)。
FG是石英系光纤中的GeO2、B2O3、P2O5等掺杂剂受紫外光照射或与H2发生化学反应后由于玻璃密度变化而引起折射率变化形成的。紫外线感应折射率的变化值因玻璃成份不同而不同，所以为了提高光敏特性，实现FG的长期温度稳定性，又研究了掺杂Sn，Sb等重金属而解决紫外线吸收问题。
现已开发研制出各种降低FBG损耗的光纤。如波导结构多层膜埋入光纤等，为进一步降低损耗，必须使包层和芯部的光敏特性尽量一致。在光敏特性变化量为10%、折射率变化量为1
10-3时则损耗值可小于0.1dB。
光器件用耦合光纤是随着AWG与PLC光器件性能不断提高而发展起来的，已开发出与PLC的MFD值相同的高△光纤;通过热扩散膨胀法(TEC)使普通光纤高△值光纤的MFD达到一致，这种新型光纤采用的TEC法可以使光纤的连接损耗由原来的1.5dB降至目前的0.1dB以下。
保偏光纤
保偏光纤最早是用于相干光传输而被研发出来的光纤。此后，用于光纤陀螺等光纤传感器技术领域。近几年来，由于DWDM传输系统中的波分复用数量的增加和高速化的发展，保偏光纤得到了更加广泛地应用。目前应用最多的是熊猫光纤(PANDA)。PANDA光纤目前大量用作尾纤使用，与其它光纤器件相连接为一体在系统中使用。
单模不可剥离光纤(SM-NSP)
单模不可剥离光纤是一种即使去除光纤被复层以后仍有NSP聚脂层保留在光纤包层表面，以保护光纤的机械性能和高可靠性的新型光纤。
SM-NSP光纤与常规SM光纤具有相同的外径、偏心量、不因度精度。但是ASM-NSP光纤具有的机械强度大大高于SM，具有优良的可靠性，接续试验表明，无论是SM-NSP光纤相互连接还是把SM-NSP光纤与SM光纤连接，其接续特性、耐环境性能均良好。可广泛用于传输系统的光纤，是一种理想的新型配线光纤。
深紫外光传输用光纤(DUV
目前固体激光器和气体激光器研究的课题之一就是深紫外光领域( 250nm)的激光器振荡技术。在固体激光器领域，采用CLBO(CsLiB6O10)结晶的Nd:YAG激光器的四倍波(
=266nm)、五倍波( =213nm);在气体激光器领域，F2( =157nm)，KY2( =148nm)，Ar2( =126nm)，而采用ArF的环氧树脂激光器的振高波长
=193nm等。
在半导体基片表面处理，在生物化学领域中对DNA的分析测试和化验、在医疗领域内对近视治疗等应用领域中，深紫外光都得到了极其广泛的应用。对能传输深紫外光的光纤开发工作也成为人所关注的重大技术课题。
从DUV光纤的损耗光谱化可以看出，在波长为 =200nm时，传输损耗发生急聚变化，而在1240和1380nm处出现二个峰值，我们认为这是由OH的伸缩振动引起的吸收造成的。
相同的预制棒在拉丝过程中因拉丝条件不同，损耗光谱值也不同，DUV拉制过程中(当 <220nm)拉丝速度为0.5m/分，炉温为1780℃时，光纤损耗值最小，光使用波长为193nmArF激光源时，最小透过率约为60%/m。光纤的损耗是随拉丝速度加快，炉温升高而增加，在220nm波长处产生吸收增加，这种增加值是由E'中心引起的，属拉丝工艺缺欠造在的。
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