光纤技术的发展及其应用

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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)、激光喇曼光放大器(SRA)、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，而先进的光纤制造技术既能保持稳定、可靠的传输以及足够的富余度，又能满足光通信对大宽带的需求，并减少非线性损伤。G.652常规单模光纤在需要支持更大容量更长距离和更宽频谱范围的传输系统中，以往并不突出的色散与非线l生效应等问题变得重要起来，其性能已难以满足这些要求。
光纤技术的进步可以从两个方面来说明：一是通信系统所用的光纤;二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及l550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无“水峰”的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从l280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几十倍、几百倍上千倍的增长。随着电信业务的不断更新与发展一些具有各自特点的光纤正受到运营商的亲睐。
1.多模光纤
多模光纤可用于850nm或1310nm波长的系统中。多模光纤衰耗较大，由于存在模间色散，传输带宽受限，故适用于较短距离传输，但多模光纤数值孔径(NA)值大(约为单模光纤的2～3倍)故连接耦合效率高。多模光纤大的有效通光面积允许大功率光信号传输与分配，而不会出现非线性。
近年来，高速以太网的快速发展，使得多模光纤的应用增速很快，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。多模光纤在数据链路、城域网以及用户分配网中具有广阔的应用前景。通信技术的不断进步，将进一步促进多模光纤的发展。
2.非零色散位移光纤(G.655光纤)
在理想状态下，整个波长应用区域中光纤的色散应为一个恒定值。然而所有光纤的色散均随波长的改变而改变，此变化的大小可由其色散斜率来量化，斜率越小，色散随波长变化的幅度越小。
非零色散位移光纤(G.655光纤)是针对G.652和G.653两种光纤在密集波分复用系统中使用存在的问题而开发出来的，其在1550nm窗口同时具备最小衰耗与较小的色散值。保持一定的光纤色散值可以有效克服DWDM系统中的四波混频现象，从而实现多波长密集复用。G.655光纤主要适用于高速率的密集波分系统，随着大容量传输系统的建设，G.655光纤将得到更广泛的应用。
3.全波光纤
随着人们对光纤带宽需求不断扩大，通信业界一直在努力探求消除“水吸收峰”的途径。全波光纤(AllWaveFiber)的生产制造技术，从本质上来说，就是通过尽可能地消除0H离子的“水吸收峰”的一项专门的生产工艺技术，它使普通标准单模光纤在1385nm附近处的衰减峰，降到足够低的程度。它消除了光纤玻璃中的0H离子，从而使光纤损耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被“压平了，从而使光纤在1280～1625nm的全部波长范围内部可以用于光通信，拓展了未来光波复片j的工作波长范围。
全波光纤与传统的单模光纤相比具有一下特征：
(1)在1400nm波段衰减降低200%。
(2)可使用的波长范围增加50%(从200nm增大到300nm)。
ITU-T将“全波光纤”定义为G.652c类光纤，丰要适用于ITUT的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。全波光纤在城域网建设中将会大有作为，从网络运营商的角度来考虑，有了全波光纤，就可以采用粗波分复用技术，取其信道间隔为20nm左右，这时仍可为网络提供较大的带宽，而与此同时，对滤波器和激光器性能要求却大为降低，这就大大降低了网络运营商的建设成本。全波光纤的出现使多种光通信业务有了更大的灵活性，由于有很宽的波带可供通信用，我们就可将全波光纤的波带划分成不同通信业务段而分别使用。可以预见，未来中小城市城域网的建设，将会大量采用这种全波光纤。
人类追求高速、宽带通信网络的欲望是永无止境的，在目前带宽需求成指数增长的情况下，全波光纤正越来越受到业界的关注，它的诸多优点已被通信业界广泛接受。
4.聚合物光纤
目前通信的主干线已实现了以石英光纤为基质的通信，但是，在接入刚和光纤人户(FTTH)工程中，石英光纤却遇到了较大的困难。由于石英光纤的纤芯很细(6～10nm)，光纤的耦合和互按都面临技术困难，因为需要高精度的对准技术，因此对于距离短、接点多的接入网用户是一个难题。而聚合物光纤(POF，PolymerOpticalFiber)由于其芯径大(0.2～1.5nm)，故可以使用廉价而又简单的注塑连接器，并且其韧性和可挠性均较好，数值孔径大，可以使用廉价的激光源，在可见光区有低损耗的窗口。
聚合物光纤分为多模阶跃型SIPOF和多模渐变型G1、POF两大类，由于SIPOF存在严重的模式色散，传输带宽与对绞铜线相似，限制在5MHz以内，即便在很短的通信距离内也不能满足FDDl、SDH、B-ISDN的通信标准要求，而Gl、POF纤芯的折射率分布呈抛物线，模式色散大大降低，信号传输的带宽在100m内可达2.5Gbit/s以上。因此，聚合物光纤是目前FTTH工程中最有希望的传输介质，有可能成为接入网，局域网等的理想传输介质。
5.光予晶体光纤
对石英光纤来说，光子晶体光纤(PCF，PhotonicCrystalFiber)的结构特点是在其中间沿轴向均匀排列空气孔，这样从光纤端面看，就存在一个二维周期性的结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，利用这个缺陷，光就能够在其中传播。PCF与普通单模光纤不同，由于它是由周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以有中空光纤或微结构光纤之称。PCF具有特殊的色散和非线性特性，在光通信领域将会有广泛的应用。
PCF引人注目的一个特点是，结构合理，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，即所谓的“无休止单模”特性，这个特性已经有了很好的理论解释。这需要满足空气孔足够小的条件，空气孔径与孔间距之比必须不大干0.2。空气孔较大的PCF将会与普通光纤一样，在短波长区会出现多模现象。
PCF的另一个特点是它具有奇异的色散特性。现在人们已经在PCF中成功产生了850nm光孤子，预计将来波长还可以降低。PCF在未来超宽WDM(波分复用技术)的平坦色散补偿中可能扮演重要角色。
6.结束语
光纤技术的不断进步，给光通信也带来了飞速的发展。但目前，光纤在光通信应用中还有许多问题有待解决。如色散与弥散、有限色散和小色散斜率、负色散、偏振模色散、非线性、大芯区有效面积弯曲损耗、综合优化面临的矛盾、有效面积与色散斜率、负色散与损耗等。鉴于科学技术的不断进步和生产工艺的不断提高，这些问题都会找到合适的解决办法。