陕西广电网络的FTTH工程与光子晶体光纤的应用

刘 浩，李永安

（陕西广电网络传媒股份有限公司延安分公司，陕西 延安 716000）

1 广电网络与FTTH

FTTH（Fiber To The Home）即光纤入户，承载信息的光纤直接穿放入室，将光网络终端单元（ONU）安装在家庭用户或企事业用户所处室内，使相关信息直接通过光纤传送到用户身边。比起广电网络传统的光电结合的传输方式，FTTH 有着无源节能、业务承载量更大、带宽更大、抗干扰性能更优等特点。随着信息产业市场竞争的日益激烈，各大电信运营商都面临对用户的争夺；广电网络要做到更大的、良性的及可持续的发展，就必须更好地服务用户，顺应用户日益提高的需求，开展更多的广播电视业务新业务以及宽带接入新业务，随着相关业务量的日益增加以及用户对相关信息质量的要求日益提高，需要有带宽更大、更加稳定、传输质量更高和更安全的网络，才能达到对相关新业务的有效承载和支持，因而FTTH 是广电网络的必然选择。

1.1 陕西广电网络FTTH建设的现状

陕西广电网络的FTTH 业务已开展多年，目前大多数城镇用户已实现光纤入户，农村用户的FTTH改造也正在快速推进。陕西广电网络建成了由陕北A环、陕北B环、关中A环、关中B环、陕南A环、陕南B环组成的陕西广电省干OTN光传输网［1］，FTTH 网络入户方式采用双纤三波方式，可有效支撑高清电视广播、电视IP 直播、SDV 交换式视频以及VoD 点播、时移电视等广播电视业务，以及交互电视、网络视频、视频通信、网络游戏、VoIP 等宽带接入业务［2］，实现陕西广电网络所有用户高质量地使用相关信息功能，享受相关信息服务。

1.2 陕西广电网络FTTH 建设面临的困难与问题

陕西广电网络的FTTH 业务在快速发展的同时，也出现了困难和问题，这些困难和问题，将会对FTTH 业务的发展产生制约作用，有必要进行探讨和研究。

1.2.1 FTTH 建设的成本问题与设备的兼容互通问题

伴随FTTH 建设出现的成本较高的问题，在很大程度上制约了陕西广电网络FTTH 建设的速度和规模，尤其是对边远农村的FTTH 建设制约更为明显。

随着FTTH 产业的快速发展，目前可供选择的相关设备越来越多，但由于缺乏统一的标准，不同厂家设备的兼容与互通问题也是推高FTTH成本并阻碍FTTH发展的一个难题。以上两个问题需要设备生产厂家、信息产业运营商和有关组织的共同努力［3］，同时国家有关机构也应尽快制定统一的技术标准，为FTTH的发展清除障碍。

1.2.2 骨干网的带宽瓶颈问题

陕西广电网络已经建成了能够充分满足目前FTTH 业务需要的陕西广电省干OTN 光传输网，但随着FTTH 的快速推进，用户的需求将更加多样化和优质化，更多的新业务将得以开展，对骨干网的带宽、速度、安全性与保真性的要求将日益提高，届时骨干网将成为FTTH发展的瓶颈。

1.2.3 城镇传输网干线光缆线路建设与农村传输网干线光缆线路建设的困境

随着FTTH 业务的发展，城市传输网干线光缆资源日趋紧张，同时受制于城市规划和建设等各方面条件，很难有充足的管廊及杆路进行新的大芯数光缆线路的建设，光信息通道急需拓展与光缆线路建设受限的矛盾日益突出。

在边远地区，伴随FTTH 业务发展出现的问题是：受光缆传输距离的限制，需设置较多的前端机房，每个前端机房所覆盖的用户数量不多，形成了相关资源不能充分利用的困境。

FTTH业务的发展，为用户提供了更加方便、更加快捷、更加人性化的信息服务，同时也使得信息传输业务面临的环境更加复杂，对信息传输通道承载信息的量与传输速度，以及传输信息的安全性、保真性都提出了更高的要求。要达到更高的要求，就必须克服和解决面临的困难和问题，而一种性能极其优异的光纤的出现为我们提供了一种更有价值的选择，这种光纤就是光子晶体光纤。

2 光子晶体光纤

关于光子晶体光纤的研究是在光子晶体研究的基础上开展的。光子晶体的概念提出于1987年［4-6］，以Yablonovich 和John 为代表的光子晶体研究的先驱者，根据半导体晶体因内部原子的周期性分布（晶格）形成周期性的内部电势场，对在其中运动的电子产生调制作用，形成对电子运动的能量（频率）选择机制，即形成能带结构（导带与禁带）的原理，设想使光传输介质材料的介电常数（折射率）在光波长尺度上以某种空间周期性变化，这种“光子晶体”也可使在其中传输的光波受到周期性调制，形成能带结构（光子带隙），对光波产生能量（频率）选择作用，这个设想在1991 年得到了验证；同理，以某种特定的规律破坏光子晶体介电常数（折射率）在空间上的严格周期性也相当于传统半导体晶体的掺杂或者引入缺陷，能量（频率）与缺陷态相吻合的光子将被限定于光子晶体中的相应位置，这就是光子晶体的光子局域特性。

因其所具有的光子带隙和光子局域两大特性，光子晶体可以精确地控制或引导其内的光子的运动，因而光子晶体是一种在光通信领域有着无限潜力的革命性基础材料。

光子晶体光纤是一种二维的光子晶体。光子晶体光纤由具有特定周期性的线型微结构组成，光纤的纤芯则是一个线缺陷，由于光子局域特性的作用，光被限制在此纤芯中。目前，光子晶体光纤主要有空气纤芯和介质纤芯（实芯）两大类。

2.1 光子晶体光纤的优异特性

光子晶体光纤具有许多极其优异的特性。对于空气纤芯的光子晶体光纤而言，由于光在空气纤芯中传输，因而光的传输损耗极低，有害的非线性效应也极低，其作为光通信系统的传输通道，具有传统光纤所不能比拟的优势；实芯的光子晶体光纤具有无休止的单模传输特性、优异且可控的色散特性、优异且可控的非线性特性等等；同时光子晶体光纤可以极为方便地实现某一特性的改变或者实现某些特性的特定优化组合，这使得光子晶体光纤在密集波分复用系统中有着无可比拟的优势，由于这些优异特性的得到和改变，都是通过光纤结构参数或材料种类的改变或优化调整实现的，因而其实现不仅非常容易，而且具有很高的可控度。

2.1.1 无休止的单模传输特性

目前，光通信系统中使用最为广泛的是标准单模光纤。其特点是当工作波长为1310nm 时色散低，信号畸变小，但传统单模光纤只能在一定的频率范围内实现单模传输，这限制了其传输容量和传输距离的继续增大。

实芯的光子晶体光纤具有“无休止单模传输”特性，是指其能够在整个光频率范围内支持单模传输；相关研究证明，光子晶体光纤能够在337nm 至1550nm波长范围内实现单模传输［7］。

2.1.2 大模场低损耗特性

为了实现光通信系统大容量、高质量传输，需要低损耗、低干扰，并且色散特性优异的通信光纤，但截至目前，人们还没有研制出兼具这几种特性的传统光纤。

光子晶体光纤的无休止单模特性与光纤的尺寸并无关系，因而可以根据光通信系统传输的需要设计光纤模场面积。相关研究证明，光子晶体光纤可以轻易达到接近150nm2的模场有效面积，光纤的模场面积的增大，可以降低光纤中传输的光功率相对密度，相对光功率密度的降低，有助于抑制或消除光纤中的有害非线性效应，对于光通信系统实现低损耗、大容量、高速率的信号传输具有重要意义［8］。

2.1.3 色散可控特性

色散是光纤的基本传输特性之一。在信息传输过程中，人们希望光纤色散为零，以保证相关信息在传输过程中不会发生畸变。然而为了消除非线性干扰，多信道密集波分复用系统中信息的传输，则需要使用有微量色散的光纤，即非零色散光纤。在高速度、大容量、高密度的光纤通信系统的开发过程中，为了实现高质量的信息传输，人们引入了光纤色散补偿技术，出现了色散补偿光纤。

传统光纤是通过掺杂来改变色散特性的，因而传统的非零色散光纤和色散补偿光纤制作工艺较为复杂；而且传统单模色散补偿光纤的负波导色散的增大，是通过增大纤芯和包层的折射率差实现的，传统光纤通过掺杂改变材料折射率，其折射率差无法达到很大，因而传统光纤的色散补偿范围有限；同时传统的色散补偿光纤的传输损耗也比较大［9］。

光子晶体光纤可在1550nm窗口附近较大的波长范围内，实现正的、接近零的和负的平坦色散特性［9，10］，因此光子晶体光纤可以具有很强的色散补偿能力；同时光子晶体光纤的反常色散特性也是实现光孤子传输的必要条件［9，11］。

2.1.4 丰富的非线性特性

除优异而可控的色散特性外，光子晶体光纤还具有极为丰富多样的非线性效应，光子晶体光纤的非线性效应有些已经为人们所熟知，有些还有待于进一步研究；这些非线性特性也为光孤子的产生和传输、光频率的变换、超连续谱的产生和传输等技术提供了重要的手段，对于光通信系统发展的意义不可估量。

3 光子晶体光纤在陕西广电网络FTTH 业务发展中的应用价值

陕西广电网络的FTTH 业务的快速发展，对信息传输的通道有着承载量更大、传输更快、安全性和保真性更高的要求，对于光缆就意味着单纤信息容量更高、损耗更低、色散更小或可控等等。而光子晶体光纤以其优异的光学特性，可以满足前述所有要求。

3.1 解决骨干网的带宽瓶颈问题，摆脱城网与农网建设困境

光子晶体光纤的无休止单模特性，使其单纤信息容量远高于传统光纤，这对于解决省干传输网的带宽瓶颈问题、城市干线传输网资源困境问题，同时对于增加用户接入网与分配网传输容量都有着极大的应用潜力。

光子晶体光纤可以做到大模场低损耗，大有效面积光子晶体光纤的特性将会十分优良，这对于增加光缆传输距离，在边远地区合理组网，更加有效地推进陕西广电网络在边远地区的FTTH业务无疑具有极大的优势。

大有效面积光子晶体光纤的传输容量更大，同时可有效抑制或消除光纤传输过程中的有害非线性效应，降低或消除有害干扰，具有优良的传输特性，这为继续提高传输容量提供了充分的可能，是FTTH 业务进一步发展的绝佳选项，也是下一代的光通信系统的绝佳选项。

3.2 进一步提升网络传输质量

光子晶体光纤有着优异而且可控的色散特性，利用这种特性，可以极其方便地实现光纤的非零色散，也可以极其方便地实现高质量的光纤色散补偿。

另外，利用实芯光子晶体光纤所具有的丰富的非线性效应，可以极其方便地实现光孤子等高质量通信方式，可以为光通信系统传输质量的持续提高提供可靠支撑。通过结构参数的调整，光子晶体光纤可以很方便地实现某个特定功能或者实现某些特定功能的组合，可以使单纤具备多种优异特性，这是传统光纤无法达到的。这些优良特性将有助于进一步提升网络传输的安全性、保真性、稳定性，更好地为用户服务。

结束语

FTTH 业务的实施，极大地加速了信息产业的进步，从而对光通信系统提出了更高的要求，也对作为光通信系统的信息传输通道的光纤提出了更高的要求。在光通信系统发展的过程中，传统光纤面临困境和挑战；而光子晶体光纤的所有传输特性都是极其优异的，而且可以实现多种传输特性的同时兼顾，同时达到优异，这对于光通信系统的进一步发展无疑具有重大意义。

光子晶体光纤对于解决FTTH 业务发展中所遭遇的困难和问题，理论上具有重要价值，同时也是具有现实可行性的。光子晶体光纤的基本制造工艺与传统光纤相同，其截面尺度可以与传统光纤同量级并符合现行光通信系统的技术标准，可在传统的光通信系统中直接应用，而不需要改变相关的设备接口；无论作为过渡手段用于传统的光通信系统以改善通信质量，还是用于下一代光通信系统以实现技术的突破，光子晶体光纤均不存在设备兼容障碍。光子晶体光纤的单纤信息承载量远大于传统光纤，用于城市或乡村的FTTH业务，可大幅度节约光缆资源，有效解决前述的困难和问题；同时光子晶体光纤理论上的损耗也是远低于传统光纤的，用于边远地区的FTTH 业务，可突破现行的FTTH 组网时两个前端机房之间的距离不大于17km 的限制，减少前端机房的数量（同时也可以使其分布更合理）；因而光子晶体光纤的应用，可以大大地节约FTTH 业务的建设成本和运行维护成本，提高FTTH 业务的经济效益和社会效益，加速FTTH 业务乃至信息产业发展的步伐。

光子晶体光纤进入应用所面临的主要问题是光纤微结构的瑞利散射使其损耗高于理论值，目前光子晶体光纤的实验室损耗值已与传统的单模光纤相当，但低损耗光子晶体光纤的大规模生产尚需时日。随着科技发展与工艺进步，低损耗的光子晶体光纤必将大规模进入应用，信息产业领域一场深刻的技术革命将从此开始。