长途光缆骨干传输网光纤选型建议

1 前言

作为光传输网络物理平台基础的光缆在网络的建设成本（CAPEX）和维护成本（OPEX）中占有举足轻重的地位，特别是其中光纤的选择对于未来传输系统的扩容更是具有决定性的影响。日本NTT公司基于G.653(色散位移光纤，DSF)光纤上构建波分复用系统被迫采用L波段，已经是业内人士非常熟悉的事例。在新技术飞速发展的今天，传输基础速率不断增加，WDM系统的波长间隔不断加密，使用光纤的带宽不断扩大，无电中继传输距离不断增长，对光纤参数提出更多的要求。因此，对于网络运营者而言，光纤的选择是一项十分慎重的任务，光纤的选择不仅要考虑当前的应用情况，更要考虑未来技术的发展。不能仅根据光纤的结构、物理参数和性能来比较，必须结合传输系统的应用开发情况，从两个不同的角度来考虑网络中光纤的选择。本文将从光纤和传输系统两个方面来比较目前常用的光纤，并对下一代可能应用的光纤进行简单的描绘，从而给出与长途骨干传输网（一、二级）有关的光纤选择建议

2 目前常用光纤的性能比较

目前，在我国长途骨干传输网中，主要应用着G.655和G.652两种单模光纤。G.652和G.655光纤是ITU-T关于光纤的建议号，分别被称为标准单模光纤（SSMF）和非零色散位移光纤（NZDSF）。下面分别简要介绍一下各自的性能。

2.1 G.652光纤

G.652光纤是目前我国在长途骨干网中应用最多的光纤，也是1310nm波长性能最佳的色散未位移光纤，它同时具有1310nm和1550nm两个窗口。G.652光纤的纤芯折射率分布主要有匹配包层和下陷包层两类，零色散点位于1310nm窗口，而最佳衰减点位于1550nm窗口。其中1310nm窗口处的典型值为：衰减系数为0.3 ~ 0.4dB/km，色散系数<3.5ps/（nm·km）。而1550nm窗口处的典型值为：衰减系数为0.19 ~ 0.25dB/km，色散系数<20ps/（nm·km）。目前在我国长途骨干网上，根据不同的传输系统，G.652光纤应用在不同的工作窗口，PDH系统工作在1310nm窗口，SDH系统则应用在1550nm窗口，而密集波分复用系统依据掺铒光纤放大器（EDFA）的特性，也工作于1550nm窗口。

2.2 G.655光纤

G.655光纤是1994年推出的非零色散位移光纤（NZDSF），G.655光纤通过设计光纤折射率剖面，使零色散点移到1550nm窗口，使1550nm窗口同时具有最小色散和最小衰减。它在1550nm窗口处的典型参数为：衰减系数<0.25dB/km，在1530~1565nm区间的色散系数绝对值为1~6ps/（nm·km）。G.655光纤1550nm区较小的色散系数有效避免了四波混频效应的影响。我国从2000年起开始在长途骨干网上大规模地引入G.655光纤，主要应用在1550nm窗口，开通以10Gbit/s为基础的波分复用系统。

G.655光纤1550nm工作区的色散既可以为正值，也可以为负值。根据应用场合的不同，采用不同的色散光纤。例如，在中美海缆、SEA-ME-WE3和APCN2等海缆中均采用了色散位于负区的G.655光纤，它与G.652光纤结合使用，大大提高了传输长度。

根据零色散点和模场直径的不同，市场上常见的G.655光纤主要包括两种：一是朗讯公司生产的真波光纤（RS-True Wave Fiber），二是康宁公司生产的大有效面积光纤（LEAF）。目前在我国大量使用的康宁公司的E-LEAF光纤和长飞公司的大保实光纤实际上与LEAF光纤属于同类，均属于大有效面积光纤。RS-True Wave光纤色散斜率小，仅为0.045ps/（nm2.km），在整个C波段和L波段的色散变化小，有利于将工作波长由C波段扩展到L波段；而LEAF光纤的色散斜率为0.09ps/（nm2.km），但增加了光纤的模场直径，从而增加了光纤的有效面积。在相同入纤功率时，降低了光纤中传播的功率密度，减小了光纤的非线性效应。可以说，两种光纤各有所长，目前在我国各运营商的长途骨干网中均有应用。

3 现有商用化波分复用技术在不同光纤中传输性能比较

目前，波分复用技术日趋成熟，以2.5Gbit/s和10Gbit/s为基础的WDM系统已经在各个电信运营商的一级干线、二级干线乃至于城域网中得到应用。因此，以下将从目前广泛应用的2.5Gbit/s 和10Gbit/s WDM两个方面来分析比较两种光纤的传输性能。

3.1 2.5Gbit/s WDM系统

在以2.5Gbit/s为基础的WDM系统中，传输系统的色散容限较大，每通道可达12800ps/nm，不存在色散补偿问题。因此，单从色散的角度来说，在600km左右的光复用段设置情况下，采用1550nm窗口的2.5Gbit/s SDH系统和以2.5Gbit/s为基础的WDM系统工作在G.652光纤和G.655光纤上并无不同。当然，由于G.655光纤色散系数较小，在不需要色散补偿的情况下，无电中继距离较采用G.652光纤长，对于LEAF光纤，理论计算可达1700km。目前，以2.5Gbit/s为基础的WDM系统一般应用在G.652光纤上，无电中继距离可达640km。当然也可采用G.655光纤开通2.5Gbit/s WDM系统，只是从实际的应用来看，采用G.655光纤的优势不够明显；而从投资成本的角度看，采用G.652光纤又是非常经济的。因此，可以说，在以2.5Gbit/s为基础的WDM系统中，采用G.652光纤是非常合适的

3.2 10Gbit/s WDM系统

10Gbit/s SDH和WDM系统的色散容限一般为800ps/nm，最大也不过1600ps/nm。理论上来讲，采用G.655光纤后，与G.652光纤相比，可以大大减少色散光纤的补偿量。这也是目前在应用10Gbit/s WDM系统的情况下，广泛采用G.655光纤的原因。但是，对于10Gbit/s为基础的WDM系统，由于影响的因素较多，不仅是传统的衰减、色散等参数，还包括偏振模色散（PMD）、非线性效应（包括SPM、XPM、FWM等）、功率均衡、色散斜率均衡等。因此，10Gbit/s WDM的系统配置是各方面参数达到优化的综合结果，在系统设计时，应综合考虑上述所有参数。表2为对几个厂家在G.652和G.655两种光纤上开通10Gbit/s WDM系统时的站段设置比较，表中数值均为FEC打开和不采用喇曼（RAMAN）放大器时的参数，该表中的G.655光纤指康宁公司的E-LEAF光纤。根据表中的数据可以得知，不同厂家的产品适应两种光纤的程度不同，除厂商A外，其他厂家在两种光纤上的性能稍有差别，但差别不大。

表2仅是从功率预算的角度提出G.652和G.655两种光纤上的站段设置不同，并未体现出两种光纤色散系数的不同。事实上，根据对目前各厂商10Gbit/s WDM系统的了解，G.655光纤上开通10Gbit/s WDM均需要色散补偿，过去通常所说的G.655光纤上开通10Gbit/s WDM不需要色散补偿对于短距离应用可能是允许的，但在实际的网络中，无论是在G.652光纤上还是在G.655光纤上均需要进行色散补偿（DCM），只是补偿光纤的长度或补偿方式略有不同。色散补偿的过程会引入较大的衰减，也可能增加光纤非线性效应，引起四波混频(FWM)等多种不利因素。因此，色散补偿并不仅仅是对色散补偿，而是多种影响平衡的结果。目前常用的色散补偿方式包括过补偿、欠补偿和零补偿等几种，从系统总体性能来讲，在G.652光纤和G.655光纤上一般采用欠补偿方式，而实现方式上则多种多样，色散补偿模块可放置在发送端功率放大器、线路放大器和接收端预置放大器三种放大器中的一种或多种的中间级，补偿原则依据不同的生产厂商或不同的WDM系统制式而定。色散补偿模块一般采用负色散光纤进行补偿，在G.655光纤上也可采用少量正色散光纤。

当然，对于10Gbit/s WDM系统，每个光复用段的PMD值（群时延，DGD）应小于10ps。这并非是对某种光纤的要求，而是对于传输系统的要求。可以说，PMD并不是区分G.652光纤和G.655光纤的最重要因素。根据对现有G.652光纤的测试，只要在生产和敷设过程中对PMD的指标进行了要求，均可以开通10Gbit/s WDM系统。从现场测试的PMD结果来看，我国原邮电部"八五"、"九五" 期间敷设的绝大部分G.652光纤可满足10Gbit/s WDM系统的传输需求。

综上所述，在以10Gbit/s为基础的WDM系统中，G.655光纤较G.652光纤并未显示出十分明显的技术优势。另外，如果从每个WDM系统的建设成本来比较，G.655光纤加上其色散补偿模块（DCM1）的造价可能会比G.652光纤加上其色散补偿模块（DCM2）低一些。但对于新建大容量（目前一般为48或96芯光纤）光缆来讲，初期投产也仅使用一对光纤，由于G.655光纤的单价要高于G.652光纤，会使G.655光纤光缆的投资将远远高于G.652光纤光缆。因此，空余光纤的使用，特别是未来的传输系统应用是决定采用G.655光纤还是G.652光纤的关键。当然，在以10Gbit/s为基础WDM系统的网络中，特别是在长途骨干传输网中，针对不同的传输设备厂家，采用G.652光纤的WDM系统造价也未必高于采用G.655光纤的同样WDM系统，因为当采用G.652光纤的WDM系统站段设置较采用G.655光纤情况下长时，可大大减少WDM终端设备（OTM）的数量，而WDM终端设备（OTM）的价格较光放大器（OA）高出近一个数量级。

4 与光纤有关的光传输网技术的发展

众所周知，自动交换的全光传送网是未来各种业务的最基础平台，也是光传输网的发展方向。围绕着智能全光网络这一核心，许多新技术和新产品正在研究开发之中，并将逐步走向商用化。在骨干传输领域，其研究方向主要包括传输容量的不断增加、无电中继传输距离的不断延长和网络的智能化水平的不断提高三个方面。基于光包交换技术（GMPLS）的全光网络智能化实现主要与软件技术和网络拓扑研究有关，而传输容量和传输距离与光纤传输媒介直接相关。随着传输带宽的不断增加、通路间隔的不断加密和基础传输速率的不断增高，对光纤的参数要求逐步增加，在传统的衰减、色散等基础上增加了衰减斜率、色散斜率、光纤非线性、PMD等方面的要求，下面根据未来可能的技术应用，提出对未来传输网络中的光纤要求。

4.1 超长距离WDM系统

超长距离（Ultra Long-haul）WDM系统是现在设备供货商炒作最热的技术之一，许多厂商声称可在2002年推出商用化的以10Gbit/s为基础的超长距离WDM系统，以40Gbit/s为基础的超长距离WDM系统要比以10Gbit/s为基础的超长距离 WDM系统晚些时间。已经有2.4Tbit/s (240×10Gbit/s)WDM系统采用全喇曼放大器在-D/+D光纤（正色散与负色散光纤混用，不是G.655和G.652光纤）上7400km无中继传输试验成功的报道。一般认为1500~2000km无电中继传输的WDM系统可以认为是超长距离WDM系统，该系统的目标传输距离有可能达到4000km无电中继。该系统与一般WDM系统的主要不同在于光均衡器（Optical Equalizer）的采用，对各信道的功率斜率和色散斜率分别进行补偿，最终达到最佳的传输效果。但是，由于目前常用的E-LEAF光纤色散斜率较大，需要补偿的段落较G.652光纤短，同样的传输距离，则需要更多的补偿模块，并且目前其色散斜率补偿光纤也尚未商用，实验室中在G.655光纤上采用超长距离WDM系统进行的试验仅仅是对功率斜率的补偿。当然，在超长距离WDM系统中也有可能采用喇曼放大器，采用喇曼放大器后，超长距离WDM系统在G.652光纤和G.655光纤上的传输性能上相差不多。采用喇曼放大器的目的主要有两个，一是增加传输距离，二是提高整个WDM复用段的传输性能，如OSNR。但是，喇曼放大器的使用必将增加大量的投资。事实上，如果功率斜率调整技术应用的效果好，在G.652光纤中可以大大减少喇曼放大器的使用，正如表2中的A厂商已经在其普通的WDM上采用功率斜率调整技术，在不采用喇曼放大器的情况下，可以实现12×26dB（光放段的数量×每个光放段的衰减量）的传输。当然，超过表中规定的站段配置时，则有可能配置喇曼放大器，并需要采用色散斜率补偿。

因此，单从超长距离WDM系统的应用来看，G.652光纤的性能要优于G.655光纤。另外，虽然个别厂商以现有G.652光纤和G.655光纤为基础开发生产独特的频带放大系统，并采用反向和同向喇曼放大技术，实现超长距离传输，但其成本要高于一般带宽应用的WDM系统。

4.2 TDM 40Gbit/s和超大容量(Ultra High Capacity)WDM系统

目前，商用化的40Gbit/s TDM和WDM系统正在研发之中，在实验室环境下成功进行以40Gbit/s为基础的各种容量WDM系统的报道经常可以在各种专业报纸、杂志看到，目前的实验室世界记录已经达到10.9Tbit/s（273×40Gbit/s）；当然，也有个别运营商网络上关于40Gbit/s WDM进行现场测试的报道，如美国的WORLDCOM。商用化的40Gbit/s SDH和WDM系统预计2002~2003年投入市场。

在TDM 40Gbit/s系统中，光驱动和调制模块是关键，在线路编码方式上，部分厂商开发RZ编码代替NRZ编码，以减少高密度传输中的非线性效应。而在40Gbit/s WDM系统中遇到的最大问题包括光复用技术以及光纤的非线性效应、色散管理、PMD补偿等因素的影响。为实现50GHz间隔的波分复用，目前一般采用偏振间插复用技术，实现大容量高密度的波分复用系统。根据编码方式和调制方式的不同，40Gbit/s系统的色散容限一般为几十到上百ps/nm，为保证长距离无电中继的传输，需要比10Gbit/s系统更为严格和精细的色散补偿，并采用类光孤子技术，通过对光源采用预啁啾，并在传输一段距离后采用色散补偿光纤，将展宽后的光脉冲压缩，起到类似孤子传输。但是，根据目前大容量40Gbit/s WDM系统的试验结果，单独的G.652光纤和G.655光纤，可以实现系统的传输，但是传输距离较短，很难实现长距离的传输，对于大容量的WDM系统（80波以上），其传输距离仅为几十公里到一百多公里。当然，以现有G.652光纤和G.655光纤为基础，采用RAMAN放大和超强（Super）FEC技术，可以实现波数不多的WDM系统传输几百公里。目前已有40×40Gbit/s WDM系统在G.652光纤上传输480km的试验报道，采用载频抑制RZ编码（CS-RZ），在每个OA之间需要采用色散斜率补偿光纤，色散斜率补偿光纤的价格要比一般色散补偿光纤高些。

研究表明，如果继续在现有光纤上开通大容量40Gbit/s WDM系统的商用化传输，其传输系统设计比较复杂，无电中继传输距离也较短，采用现有的光缆线路，传输距离极限可能不超过1000km，并且所应用的设备技术成本较高。G.655和G.652光纤传输40Gbit/s WDM系统存在的主要问题见表3所示。

5 新型光纤研究

为适应未来传输网络的发展，光缆制造商们在不断研究适合于未来高速大容量传输系统的物理媒介，传输系统制造商也在积极寻找适合其传输系统的下一代光纤。虽然至今并未达成一致，形成新的国际标准，但在该领域的研究成果报告表明，一些新型光纤正逐步走出实验室，在一些国际海缆工程中采用。例如，亚太二号（APCN2）海缆采用-D/+D光纤，前7个光放段采用负色散E-LEAF光纤（在1552.52nm处的色散系数为-3.22ps/（km.nm））,然后采用1段SMF光纤（在1552.52nm处的色散系数为18.48ps/（km.nm））作为截止位移光纤（CSF）。目前可用于未来应用的新型光纤一般包括四种，其优缺点比较如表4所示。表中DMF表示两种光纤的混合，RDF表示反向色散光纤。

从工程建设和光缆线路的维护来看，DMF不适合在陆地光缆系统中采用，PSCF或MDF将可能是未来光纤的解决方案。特别是中色散光纤（MDF）具有低噪声和低非线性，更适合于高速大容量WDM系统，一般认为与G.655.B类光纤相似。该类光纤已有商用化产品，包括PureGuide、Teralight等。其1550nm处的色散系统为8 ps/（km.nm），有效面积为65μm2。

虽然现有G.655.B光纤在PMD、色散等方面的性能还需要进一步提高，需要增加其有效面积，还有可能采用小线性色散补偿等。但是该类光纤可以认为是下一代光纤的雏形，具有十分美好的前途。

6 几点建议

综上所述，在我国长途骨干传输网中开通2.5Gbit/s和10Gbit/s为基础速率的WDM系统，G.652光纤具有一定的优势，特别是在目前G.655光纤价格明显高于G.652光纤的情况下，更应优先考虑G.652光纤。但研究表明，现有的G.652和G.655光纤本身的性能已经不能满足40Gbit/s为基础WDM系统的传输，需要采用新一代的光纤。

下面是笔者对长途骨干网光纤选型的几点建议：

（1）考虑到下一代光纤的不成熟性，同时考虑到网络建设的成本，在目前的长途骨干光缆建设中应以G.652光纤为主；