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提高FTTH覆盖范围、降低安装成本的光纤新技术
作者：　发布时间： 03:02:13　来源：
Paulo Dainese，Merrion Edwards，Todd Rhyne，康宁公司；David Chen，Verizon公司已部署的FTTH商业应用显示，在人口密集区域，FTTH是最经济有效的覆盖方式。这些地方的用户大多居住在多住户大楼（MDU），因此FTTH系统必须为MDU部署进行仔细优化。世界领先的大多数运营商在MDU内部署FTTH时，都力争达到以下几个网络优化的目标：降低预安装成本，提高客户连接的建立速度，减少运营成本，提高覆盖范围、分路比和网络的用户数量。为了达到前两个目标，运营商需要提高部署速度和简化内部线路铺设的设备，还要降低劳动力和材料成本，减少安装过程中的返工次数。总之，在FTTH施工中，光缆必须像铜缆一样结实和灵活。然而，光缆存在弯曲损耗过大、在狭窄的管道中难以压缩等问题，如图1所示。康宁和Verizon都研究过光纤的安装问题，确认光纤只可以弯曲到5mm半径。而且，研究表明，为了将总的弯曲损耗控制在十分之几dB，每个5mm弯曲的损耗不得大于0.1dB/弯。传统单模光纤经过一个半径5mm的360o弯曲后，其损耗高达10dB（见附表）。而符合G.657标准的弯曲改进光纤，其损耗也有几个分贝。即使满足最严格的光纤弯曲标准G.657.B，一个完整弯曲的损耗也达到了1dB左右。真正的抗弯曲光纤经过一个5mm弯曲后，其损耗可以小于0.1dB，能够满足MDU内部线路安装的要求。例如，参考文献1比较了不同MDU场合和不同光纤类型的损耗。在很小的拐角处，类似铜线安装的条件下部署抗弯曲光纤，其总损耗能低至0.2dB。功率预算优化优化中心局和住户之间的光功率预算可以带来很多优势。例如，提高网络覆盖范围和分路比、降低整个网络的建设成本、提高用户数，进而降低每用户的成本、缩短投资回收期。因此，进行光功率预算是非常有价值和必要的。&典型的FTTH室内布线场合遇到的弯曲问题包括：a）走线安装弯曲；b）在MDU分布终端盒中收纳光纤；c）压力下弯曲。不同的技术，包括BPON、GPON、EPON或RF视频覆盖等，具有不同的功率预算特点。例如，RF视频覆盖的损耗预算大约为26dB，而GPON从中心局到光网络终端（ONT）的损耗预算大约为28dB。不过，任何网络运营商都不愿承担任何连接技术的功率损耗。采用真正的抗弯曲光纤有助于他们优化网络结构。如图2所示，如果室内布线中不存在任何弯曲，从中心局到用户的总衰减等于线缆自身、分路器、合路器和连接器的衰减之和。通过仔细控制元件质量、减小衰老损耗和环境影响，那么整个链路的损耗可以精确预测。也就是说，28dB的预算可以只留有0.4dB的余量。而由弯曲引起的额外损耗无法预计，这将导致功率预算失效，进而极大地提高了整个网络生存期光功率预算的失效概率。而且，在MDU中布线极易受到外界环境干扰，大大提高了弯曲引起的功率损耗。光纤的挑战如何提高光纤的弯曲损耗性能是一项颇为有趣的工作。目前已经有一些技术可以显著降低光纤的弯曲损耗。不过，最主要的挑战仍然是如何保证抗弯曲光纤与旧有光纤的兼容，这是运营商部署新型光纤的必然要求。换言之，光纤结构必须同时解决弯曲损耗问题和向下兼容问题。图3a显示了一些已经得到广泛应用的光纤技术，以及在设计限制条件下的性能。Y轴为对数坐标，弯曲半径减少几个毫米，损耗就可以改变数十个dB。因此在比较不同技术时，必须注意弯曲半径。&如果可以避免MDU部署光纤时遇到的各种弯曲，那么总的光链路损耗只包括光纤损耗、分路器损耗、合路器损耗和连接器损耗。此时使用合适的维护与保养方法，大多数网络可以实现距离或分路器使用量的优化，实现最高的性价比。从图中可以看出，标准单模光纤的弯曲损耗最大。而简单改进的小模场直径单模光纤（MFD）的弯曲损耗比标准单模光纤要小。典型单模光纤模场直径约9.2m（1310nm波长时），而改进的MFD的模场直径大约8.6m。不过，单模光纤的模场直径不能一味减小，还必须与原有光纤兼容。如果将模场直径减少，譬如5m，那么弯曲损耗确实能够降低，但是其它参数也会有所改变，包括色散、零色散波长和截止波长等。它们之间的关系由物理定律决定，不可能单独改变其中一个。例如，降低截止波长，可避免模场色散或模场干涉。将不同模场直径的光纤连接在一起还会面临连接损耗问题。ITU G.652定义了能够兼容的模场直径，限制了单纯减少模场直径以换取弯曲损耗性能的方法。图中以橙色系颜色标示的其它光纤都属于这种传统结构，因此都有类似问题：如果要维持兼容性，就无法采用前面的方法。图3b比较了不同光纤的性能和兼容性，其中以标准单模光纤作为参照。右下侧的光纤均采用传统方法制造，即用化学沉积法形成所需的折射率分布。虽然这一类光纤保证了兼容性，但是性能提高非常受限。化学沉积法限制了这一类光纤的性能改进。图3b中左上方的是特殊类型的光纤，譬如光子晶体光纤（PCF）和带孔光纤（HAF）。图3a也比较了此类光纤的性能。这些光纤在包层加入了空气孔结构，孔的尺寸大约为几个微米。HAF和PCF结构极大地提高了弯曲损耗性能，但是无法与已有的G.652光纤和现场连接方式兼容（熔接、连接器连接）。而且，它不兼容已有制造技术，难以扩大制造规模，这都限制了它在FTTH中的大规模应用。图3b中右上侧是一种新型的光纤，它采用了可控纳米环结构。最近，它刚刚得到了商业应用。这种光纤能够与传统的G.652光纤兼容，同时性能提高了10倍。这种光纤采用了与PCF和HAF类似的物理原理，但并没有改变截止波长。它与传统沉积法光纤的根本区别在于，采用了结构化的包层。而且，纳米结构的制造可以与OVD制造工艺兼容，达到传统光纤的生产规模，从而满足FTTH对产能、成本和质量的要求。&光纤结构要求每个5mm弯曲的损耗小于0.1dB，但是与已有的G.652光纤和光纤现场连接方式不兼容。因此要求新型光纤具备更高的弯曲损耗性能，而且兼容已有光纤。&a）增大低折射率区域可以降低光纤的弯曲损耗，提高弯曲损耗性能，但是与G.652光纤无法兼容；b）化学沉积折射率突变包层光纤的低折射率区域增大，弯曲性能会得到改善，但其工作波长很快会超过G.652和G.657要求的1260nm截止波长。采用这种技术制造的光纤可以用任何熔接设备连接，几乎不需要改变熔接方法，用连接器连接也很简单。纳米结构光纤是图3所示的折射率突变结构光纤的一种。如图4a所示，这种光纤的弯曲损耗性能与低折射率区域的尺寸有关，而该尺寸又与环结构和折射率有关。简单来讲，低折射率区域可以看作一个势垒，当光纤弯曲时，可以将光能量限制在纤芯内。提高低折射率区域尺寸就可以提高弯曲损耗性能。但它也存在性能与兼容性的折中问题。结构型包层光纤中，折射率降低与波长的关系非常密切，而化学沉积法光纤中不存在这种问题。折射率随着波长增加而降低，使得工作波长变长，而在短波长时影响减少。而且，传统的掺氟技术无法得到大的负折射率系数，而纳米结构却很容易就能实现。因此，光纤可以做到很大的折射率突变，这样一来限制光的能力更好。这种技术还能保持低的截止波长，与G.652标准单模光纤兼容。纳米微结构光纤可以像铜线一样方便地安装，不需要过多考虑弯曲损耗的问题，将为FTTH的部署带来显著的技术与经济效益。运营商不再被弯曲损耗的功率补偿问题烦恼，避免了大量的重复劳动，为FTTH的发展起到极大的推进作用。参考文献1.&D.Z. Chen et al., &Requirements for Bend Insensitive Fibers for Verizon's FiOS and FTTH Applications,& pres. at NFOEC, paper NTuC2, 2008.
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