光纤技术的最新研究进展

查健江　梁乐天

网络泡沫破灭后，由于部分电信运营商倒闭，大量敷设的G.655光纤线路未获得充分应用，北美、西欧将重点逐渐转向城域网。低水峰光纤逐渐被专家推荐为域域网光纤的最佳选择。2003年美国康宁公司宣布不再生产常规G.652光纤，而以等同于常规G.652光纤的价格向市场推出低水峰光纤(G.652C，G.652D)。由于低水峰光纤与常规G.652A/B光纤可以兼容，且具有传输波段宽适合CWDM技术的独特优点，所以KMI预测低水峰光纤在2005年以后将超过G.652A/B和G.655光纤的总合，到2008年低水峰光纤将占据90%以上市场，见图1。

光纤技术的发展现状

1．无水峰光纤（ZWPF）――全波光纤G652C/D

无水峰光纤（ZWPF）（ITU-T的标准为G652C/D）是目前最先进的城域网用非色散位移光纤，结构上和普通G.652单模光纤无异。1998年美国朗讯（现在OFS）公司首先推出的这种新型单模光纤。它是采用一种新的生产制造技术，尽可能地消除OH离子1383nm附近处的“水吸收峰”，使光纤损耗完全由玻璃的本征损耗决定，在1280～1625nm的全部波长范围内都可以用于光通信。

无水峰光纤的出现使多种光通信业务有了更大的灵活性。由于有很宽的带宽可供通信之用，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。无水峰光纤的优点主要有：（1）可用波长范围增加100nm，使光纤可以从1260nm到1625nm的完整传输波段；（2）光纤的色散仅为1550nm波长区的一半，容易实现高比特率长距离传输。（3）可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理。

2．新型非零色散位移光纤（NZDSF）――G655C和G656光纤

最新的针对G655的研究是要找到低的色散斜率和大的有效面积的光纤，满足长途大容量的宽带传输。目前的发展方向开发中等非零色散光纤，提高非零色散绝对值到6-10ps/nm/km，包括中等色散与低色散斜率的结合；中等色散和大有效面积的结合。具体的办法是降低水峰，缩短截止波长，缩短零色散波长。2003年1月，ITU-T提出了G.656新型光纤的规范。

● G655C新型非零色散单模光纤和G655A/B光纤的主要区别在于：（1）G655B和G655C在C波段的色散值范围由G655A的0.1～6.0ps/nm*km上升到1.0～10.0ps/nm*km；（2）G655B和G655C增加了在1625nm最大值衰减值的要求，最大为0.4dB/km；（3）G655C和G655A/B相比，PMD从0.5ps/ 降低到0.2 ps/ ；

● G656新型非零色散单模光纤和G655C型光纤的主要区别在于：（1）G.656光纤的最小零色散波长和最大零色散波长之间的范围扩大到1450-1626nm，即工作波长范围比G655光纤大；（2）G.656光纤的最小色散系数及最大色散系数都可能比G655大，有利于抑制DWDM中的各种非线性效应；（3）G.656的色散值要求在使用波段内 为正值；（4）G.656的色散斜率要比G.655低（没有给出具体数据）；（5）G.656在标准中提出了色散系数纵向均匀性的要求。

国外的G655光纤以朗讯的真波（True-wave）低色散斜率型和康宁的大有效面积（LEAF）光纤为主，阿尔卡特的特锐（Teralight）光纤设计介于两者之间。朗讯的真波低色散斜率光纤使用波段从C波段（1530～1565nm）扩展到L波段（1565～1625nm），色散斜率小于0.05ps/(nm2•km)，色散随波长变化的幅度比其它的NZDSF光纤要小35%～55%。康宁的新一代增强型LEAF®光纤使用范围也覆盖了C波段和L波段，典型的有效传输截面积为72μm2，并增加了低水峰的要求。这类光纤有效地抑制了非线性效应，因而特别适于长距离、高速率和大容量的光纤通信系统应用。美国近年新建的国家级干线网络，全部采用G.655光纤。在越洋海底光缆上，G.655光纤更是得到广泛应用。

然而国产G655光纤生产尚未形成规模，国内所使用的G655光纤主要依赖于进口。包括康宁的LEAF光纤、朗讯的“真波”光纤和阿尔卡特的“特锐”光纤等。国内只有长飞的“大保实”光纤占有国内G655光纤市场的一定份额。未来几年，G655光纤市场供应量50%将依赖于进口。努力开发出具有自主知识产权的G655光纤和G656光纤，是摆在我们面前的当务之急。

3．新型耐弯光纤（Bending Insensitive Fiber）

随着光纤到户和局域网的不断发展，在用户网光缆工程中需要一种弯曲半径很小的光纤用来制作光纤跳线和室内光缆。目前主要有两种形式的耐弯光纤，一种是小芯径高折射率差的常规的G.652光纤，另一种是新型空心光纤。

由于受制于弯曲损耗和机械应力，普通G.652弯曲半径大于30mm，在应用过程中遇到很多麻烦。日本住友电气公司开发了一种超耐弯曲光纤(Ultra-High Bending Resistant Fiber)，其弯曲半径可达7.5mm。但它是在常规光纤上，通过提高纤芯/包层折射率差，以及减小纤芯直径的途经，使模场直径减小到6.3μm (波长为1310nm时)，常规的G.652光纤的模场直径为9.2μm。由于模场直径的减小，从而大大降低了弯曲损耗，以致使其弯曲半径可减小到7.5mm。

然而，普通单模光纤如果要实现弯曲半径达到5mm甚至更小，芯径必须很小才能够保证单模状态下进行传播，这对熔接过程和使用寿命造成了很大的麻烦。首先，模场直径的减小增大了连接损耗，特别是与常规光纤连接时，仅因模场直径失配一项，将产生高达0.6dB的附加损耗。其次，弯曲半径的减小增大了光纤的应变，从而将大大降低光纤的使用寿命。

相比之下，近年来得到快速发展的光子晶体光纤（PCF）在制作耐弯曲光纤方面具有独特的优势。这种光纤的包层直径只有80微米，在5mm的弯曲半径下损耗小于0.1 dB/m。另外，空心光纤具有的多层空心结构可以独立控制基模和高阶模，在1.3微米处传输单模。例如住友电工成功的生产出单模空心光纤，其损耗比相同MFD的普通HNA光纤低10％（HNA－high numerical aperture 高数值孔径）。

其他光纤的应用和发展

1． 非线性光纤光学的发展

随着光纤制造技术的不断发展，到1979年已经可以将1550nm波长附近的损耗降到0.2dB/km。低损耗光纤的获得，不仅导致了光纤通信领域的革命，而且导致了非线性光纤光学这个新领域的出现。早在1972年，已有人研究了单模光纤中的受激拉曼散射和受激布里渊散射，这些工作促进了诸如光感应双折射、参量四波混频和自相位调制等其他非线性现象的研究。1973年，有人提出“通过色散和非线性效应的互作用将会导致光纤产生类孤子脉冲”这一重要结论。1980年在实验室中就发现了光孤子，并在20世纪80年代导致了超短光脉冲的产生和控制方面的一些成就。另外一个重要的进展时光纤用于光脉冲压缩和光开关。非线性光纤光学到了90年代持续发展，出现了掺入稀土元素制作放大器和激光器。1995年EDFA的商用化导致多信道光波系统设计上的革命。1996年，光纤光栅和光子晶体光纤的发展引起了广泛关注。这些非线性光纤光学的重大发展，在21世纪必将继续。

2．高SBS阈值光纤

光纤损耗的主要原因是瑞利散射，但是现在的光纤是使用在带有掺铒放大器密集波分复用大容量、高速度的通信系统中，输入光波长多、功率大，因为大功率引起信号与光纤的相互作用而产生各种非线性效应，严重影响系统的性能和限制再生中继距离，如受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）。SRS和SBS都是通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现，频移量决定于非线性介质。

采用一些技术，沿光纤长度上引入正弦应力，对SBS频移VB改变几个百分点，如巴西光子研究中心的J.D.Marconi和J.M. Chavez等对光纤施加三角型和梯形的应力，使布里渊阈值上升7.8dB和8dB。布里渊频移也可通过改变光纤芯径在长度方向上的变化，即改变纵向声频来影响布里渊频移。同样也可以通过改变光纤长度方向上的掺杂浓度来实现。这个技术曾使SBS阈值提高了7dB。

康宁公司的SMF-28e无水峰光纤在1550nm的Aeff大约为82 ，典型gB值约为5x10-11m/w，得Pth（SBS）＝46.5mW（约17dBm）。康宁公司于2004年2月份公布的一种属于G.652D的新型光纤－NexCor，将布里渊阈值提高了3dBm（即达到20 dBm，合100mw），正如它宣传资料上所说的，该光纤可以实现“单模传输，双倍功率，三网合一”的功能（如图3）。这样，如果将NexCor光纤部署在FTTH网络里面，单根光纤上的用户数量就可以翻倍；如果部署在长途骨干网或城域网，中继距离可以延长而不需要放大器，节约了成本。

3．传感器用保偏光纤及其系列

保偏光纤更多地应用于传感器，如光纤陀螺、光纤水听器和光纤电流传感器等。因为光纤陀螺、光纤水听器等主要应用于军事领域，所以其中的元器件，如保偏光纤等，国外对我国实行禁运，必须靠自力更生来进行研制。

光纤陀螺用的保偏光纤，由于需绕成直径很小的环圈，所以对其耐弯曲性能有很高的要求。为了提高光纤的耐弯曲性能，一般需将其模场直径相应地缩小。随着EDFA的发展，工作波长为1550nm的光源得到了进一步的应用，光纤陀螺用的保偏光纤采用1550nm工作波长的也越来越多。由于光纤陀螺的分辨率与绕成环圈的保偏光纤的长度成正比，所以为了既提高光纤陀螺的分辨率，又不增加光纤环圈的体积，一般采用减小保偏光纤直径。如80μm直径PMF，成倍增加保偏光纤长度的办法。保偏光纤的截面结构，常见的类型有熊猫型、领结型、椭圆茄克型和椭圆芯型。

4．光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）

● 光子晶体光纤的导光原理和特性

光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。由于引入空孔可以得到在石英玻璃中掺杂所无法实现的大折射率差，所以可以获得常规光纤所没有的各种新的特性。

● 光子晶体光纤的研究进展

PCF的先锋是英国Bath大学的Philip Russell先生，Russell在1995年成功制造出光子晶体结构的光纤，并在1999年成功地进行首次中空PCF光导演示。丹麦的Lyngby公司是业界首个商用PCF 供应商。该公司认为solid-core PCF业务需求正在快速增长，特别是那些能将多模二极管发出的光转换为高质量单模光束的双包层光纤增速最为迅速。日本NTT公司和三菱电缆公司对光子晶体光纤的高双折射性进行了很多研究，开发出一种优于熊猫型保偏光纤的PMF。该光纤100米和1.5公里范围内的偏振模式串扰为-35dB和-22dB，这些值优于熊猫光纤。1550nm处的模式双折射为1.4X10-3，是熊猫光纤的三倍。总之，光子晶体光纤的潜在应用包括超宽色散补偿、短波长光弧子传输/发生、超短脉冲激光器/放大器、高功率光传输、高功率PCF激光器、极短拍长的偏振保持光纤、光纤传感和光开关等。相信不久的将来光子晶体光纤的应用将更加广泛。

结束语

当今世界，科学技术正成为经济社会发展的决定性力量，科技自主创新能力正成为国家竞争力的核心。在当前，国内光纤厂家虽然购买了较为先进的光纤光棒制造设备，但普遍存在技改力度不足和自主知识产权拥有量较少的问题，国内绝大多数光纤光棒专利都被国外企业所申请。面对国内光纤市场严重供过于求，国内光纤企业只有走自主创新之路，突破国外光纤企业的合围，提高自身竞争力，扩大对外销售渠道。

编辑/刘永正 liuyongzheng@txbl.net