陶智勇张继军
本文作者陶智勇先生，信息产业部武汉邮电科学研究院烽火科技学院教研中心主任；
张继军先生，烽火科技公司副总经理。
关键词：城域网光纤选型
一 城域网的需求
城域网的演进对光纤性能的要求将会产生巨大的影响，当前的城域网主要基于SDH多业务平台组成环网，在每个节点进行电路的交叉，光信号在每个节点进行3R再生。为了更有效地适应将来的业务流量，未来城域网络将由对波长透明的光网络组成，波长在每个节点直通和上下，而不必在每个节点进行3R再生。在透明的城域光网络中，必须确保信号在环中传送时不会产生严重的信号劣化。信号中继距离不再是10～40km，而应确保200km以上。城域网络必须能支持各种数据速率，如155Mb/s、2.5Gb/s、10Gb/s甚至是未来的40Gb/s或更高的速率。它必须支持各种协议，如以太网、ip、SDH，还有多种业务，如语音、数据、视频。光纤通常在1550nm波长区具有较低的衰减。因为1310nm激光器便宜，早期的系统多工作在1310nm波长区，城域网所用的光纤必须同时支持1310nm和1550nm。
波长透明的光网络也要求光纤与当前工作在1550nm波长区的DWDM兼容，以及与其他波长区兼容，来提供额外的容量和灵活性。用于城域接入网的不带放大器的短距离的CWDM具有更大的经济性，其波长间隔大约是20nm，允许使用便宜的非制冷的激光器和WDM滤波器，CWDM也需要更宽的波长工作区。
二 光纤的选型考虑
在已有网络中选择光纤时，有很多因素需要考虑，其中关键的两个是衰减和色散。这两个因素决定了光纤的选择，最终也影响了网络建设的费用。今天城域网的主流光纤是标准单模光纤(SMF)。其在1310nm区有最小的色散，在1550nm区具有最小的衰减，其主要特性如图1和2所示。SMF在O、S、C、L波段具有可用性，但是在1383nm区的衰减峰即水峰使其在E波段运用不理想。为了打开光传输的E波段，一种增强单模光纤(E-SMF)出现了，其在没有影响光纤的色散特性的前提下显著地降低了1383nm区水峰的衰减。因此E-SMF在1260nm到1625nm区，所有的波段都具有可用性。更宽的波长区使E-SMF在DWDM应用中更合适。
随着将来波长透明光网络在城域网环中的应用，系统将工作在超过信号再生中继距离的范围。由于SMF和E-SMF的色散系数较高，10Gb/s系统的色散距离限制在70km左右，较长的环网将需要色散补偿模块(DCM)，这种色散补偿模块实际上是由负色散系数的光纤组成，用来减轻光纤正色散值的积累，当这种模块用于超长距离时，他们会导致系统价格的上升和具有较大的衰减。一个DCM模块的价格与其所补偿的光纤价格几乎相同，而其导致的衰减将需要在环中增加额外的放大器。这样色散的限制使SMF适用于70km以下。
非零色散位移光纤(NZ-DSF)对于超过70km的应用是一个较好的选择，如图1所示，NZ-DSF其零色散点位置相对于SMF来说在较长的波长点，图2显示其衰减特性与SMF相同。NZ-DSF在1550nm区其衰减和色散是适合于高性能的传输的。NZ-DSF最初是为长距离优化设计的，新一代的NZ-DSF将在城域网中具有理想的工作性能。
图1显示两种可用于城域网的NZ-DSF：一种在1550nm区为8ps/nm.km的正色散系数，而另一种则为－8ps/nm.km的负色散系数，两种产品在1550nm区的适度色散系数提供了适于DWDM的传输性能。城域的NZ-DSF提供了从1440nm到1625nm，包括C、S、L波段的DWDM可用性，由于城域NZ-DSF的色散系数小于SMF的一半，所以其可能提供两倍于SMF的色散受限距离。在未来的系统中NZ-DSF光纤的工作距离将可以达到200km而不需要额外的色散补偿，当然也不需要色散补偿光纤(DCF)和光放大器。
尽管具有正负色散系数的NZ-DSF都可以让10Gb/s系统在C波段的工作距离大于200km，但是推荐使用具有正色散系数的光纤，原因是多方面的。首先，正色散系数光纤能提供更远的工作距离，且具有兼容40Gb/s系统的潜力，并且兼容已有的系统和接入应用。另外，10Gb/s和40Gb/s系统需要光纤能被标准的色散模块补偿，而当前标准的DCM是负色散系数的光纤，他们不能补偿负色散系数的NZ-DSF。
虽然，具有较高正色散系数的SMF可用于补偿负色散系数的NZ-DSF，但1km的SMF仅能补偿2km的负色散系数的NZ-DSF因此需要大量的SMF，这必将显著增加网络的衰减使补偿显得不现实。同时由于色散斜率的不一致，这种补偿将会导致系统不同波长区的色散积累差异较大。在将来的40Gb/s系统中色散限制要求更严，所有的光纤色散积累必须得到补偿，考虑到40Gb/s系统具有较高的色散补偿要求，为了与其他系统的兼容，因此建议城域网环境使用具有正色散系数的光纤。
从图1可见，负色散系数NZ-DSF的零色散点在1620nm以上。它在L波段具有较低的色散系数，而在1310nm具有较高的色散系数，其L波段的低色散将增加通道间的非线性串扰，这一特性限制了DWDM系统在这一区域的运用。而1310nm的高色散系数也限制了它的可用性。
因为正色散系数城域NZ-DSF零色散点大致在1400nm。它在1310nm具有相对低的色散系数，其色散系数只相当于负色散NZ-DSF的1/4，典型值为－6ps/nm.km。相比较而言，E-SMF或者SMF在1310nm区具有零色散点，将具有单信道最长的色散受限距离。
三 光纤对系统费用的影响
光纤的选择对系统的费用和升级具有重要意义。对于10Gb/s系统，E-SMF能达到70km的工作距离，正色散系数NZ-DSF对于长距离、与已有系统兼容和系统升级是最佳选择。不同的传输所要求的每一种光纤具有不同的价格，对将来网络升级费用也不一样，今天城域网的距离受限通常在网络的两个节点(具有3R再生中继功能)之间，综合上述因素考虑，E-SMF或者SMF是最经济的选择。NZ-DSF城域光纤通常要比SMF贵70%到80%。图3给出了一个10Gb/s系统在250km范围内使用不同光纤费用敏感性的例子。
从是否需要色散补偿的方面来比较，可见：使用SMF或者E-SMF在超过70km需要两个DCM90来补偿SMF的色散，此外两个模块带来的大约19dB的衰耗，可能在环中需要一个额外的放大器。当采用正色散系数和负色散系数NZ-DSF，对10Gb/s的系统，在超过200km时才需要色散补偿，正色散NZ-DSF适用于更长的传输距离，因为其可用DCM补偿。图3给出10Gb/s系统在250km的应用，负色散系数NZ-DSF需要等价于25km的SMF的色散补偿，这种补偿带来大约7dB的损耗，这有可能需要额外的放大器。正色散系数NZ-DSF需要最小的色散补偿，仅需一个DCM30即可，其带来的少量衰耗可能不需要额外的放大器。
不同的光纤价格，对色散补偿是否需要，这些都将影响透明光网络的总体费用，而且DCM也可能增加网络的设计复杂性，从而带来额外的费用。每一个DCM必须放置在网络中的恰当位置，确保所有的波长，经过不同的传输距离都能得到恰当的补偿。
图4给出了SMF、正色散系数NZ-DSF和负色散系数NZ-DSF的相对网络建设费用。建议根据不同的传输距离选择不同的光纤：低于70km，SMF和SMF是最经济的，因为它们的光纤价格最低，用于10Gb/s的系统也不需要色散补偿；70～200km NZ-DSF尽管价格较高，但由于SMF需要色散补偿，可能需要三倍的代价，所以推荐采用正色散系数的NZ-DSF。而负色散系数的NZ-DSF虽然也行，但对于更远的距离和40Gb/s的系统具有色散受限；超过200km正色散NZ-DSF是最经济的选择，对于250km的环网，负色散系数NZ-DSF由于需要单模光纤SMF进行色散补偿和额外放大器，导致负色散系数NZ-DSF几乎需要两倍以上的费用。在将来40Gb/s应用中几乎100%的需要色散补偿，考虑到光纤的易于补偿性，建议采用正色散系数NZ-DSF。SMF对于40Gb/s的系统即使很短的距离建设费用也会很高，几乎需要两倍于正色散系数NZ-DSF的色散补偿。负色散系数NZ-DSF对于40Gb/s的系统从色散受限角度来说是不适用的。
四 结论
当信号在每个节点具备3R再生功能时，SMF光纤是今天城域网的最佳选择，但由于将来的网络基于不同数据速率和传输速率，光纤最佳选择会有所不同。将来城域网络将是透明的光波长网络，将需要更远的传输距离，更高的数据速率，将会使有效传输距离缩短。这些因素会对将来光纤的选择提出更严格的要求。建议低于70km，采用E-SMF是最经济的，因为SMF和E-SMF光纤价格都很低，用于10Gb/s的系统也不需要色散补偿。超过200km，则正色散系数NZ-DSF是最恰当的选择。对于传输距离不确定的透明波长光网络，建议采用混合E-SMF和正色散系数NZ-DSF光纤的光缆，E-SMF适合于今天的经济应用，正色散系数ZN-DSF适合于将来的严格需要。
(全文完)
摘自《世界电信网络》
