陜西廣電網絡的FTTH工程與光子晶體光纖的應用

劉 浩，李永安

（陜西廣電網絡傳媒股份有限公司延安分公司，陜西 延安 716000）

1 廣電網絡與FTTH

FTTH（Fiber To The Home）即光纖入戶，承載信息的光纖直接穿放入室，將光網絡終端單元（ONU）安裝在家庭用戶或企事業用戶所處室內，使相關信息直接通過光纖傳送到用戶身邊。比起廣電網絡傳統的光電結合的傳輸方式，FTTH 有著無源節能、業務承載量更大、帶寬更大、抗干擾性能更優等特點。隨著信息產業市場競爭的日益激烈，各大電信運營商都面臨對用戶的爭奪；廣電網絡要做到更大的、良性的及可持續的發展，就必須更好地服務用戶，順應用戶日益提高的需求，開展更多的廣播電視業務新業務以及寬帶接入新業務，隨著相關業務量的日益增加以及用戶對相關信息質量的要求日益提高，需要有帶寬更大、更加穩定、傳輸質量更高和更安全的網絡，才能達到對相關新業務的有效承載和支持，因而FTTH 是廣電網絡的必然選擇。

1.1 陜西廣電網絡FTTH建設的現狀

陜西廣電網絡的FTTH 業務已開展多年，目前大多數城鎮用戶已實現光纖入戶，農村用戶的FTTH改造也正在快速推進。陜西廣電網絡建成了由陜北A環、陜北B環、關中A環、關中B環、陜南A環、陜南B環組成的陜西廣電省干OTN光傳輸網［1］，FTTH 網絡入戶方式采用雙纖三波方式，可有效支撐高清電視廣播、電視IP 直播、SDV 交換式視頻以及VoD 點播、時移電視等廣播電視業務，以及交互電視、網絡視頻、視頻通信、網絡游戲、VoIP 等寬帶接入業務［2］，實現陜西廣電網絡所有用戶高質量地使用相關信息功能，享受相關信息服務。

1.2 陜西廣電網絡FTTH 建設面臨的困難與問題

陜西廣電網絡的FTTH 業務在快速發展的同時，也出現了困難和問題，這些困難和問題，將會對FTTH 業務的發展產生制約作用，有必要進行探討和研究。

1.2.1 FTTH 建設的成本問題與設備的兼容互通問題

伴隨FTTH 建設出現的成本較高的問題，在很大程度上制約了陜西廣電網絡FTTH 建設的速度和規模，尤其是對邊遠農村的FTTH 建設制約更為明顯。

隨著FTTH 產業的快速發展，目前可供選擇的相關設備越來越多，但由于缺乏統一的標準，不同廠家設備的兼容與互通問題也是推高FTTH成本并阻礙FTTH發展的一個難題。以上兩個問題需要設備生產廠家、信息產業運營商和有關組織的共同努力［3］，同時國家有關機構也應盡快制定統一的技術標準，為FTTH的發展清除障礙。

1.2.2 骨干網的帶寬瓶頸問題

陜西廣電網絡已經建成了能夠充分滿足目前FTTH 業務需要的陜西廣電省干OTN 光傳輸網，但隨著FTTH 的快速推進，用戶的需求將更加多樣化和優質化，更多的新業務將得以開展，對骨干網的帶寬、速度、安全性與保真性的要求將日益提高，屆時骨干網將成為FTTH發展的瓶頸。

1.2.3 城鎮傳輸網干線光纜線路建設與農村傳輸網干線光纜線路建設的困境

隨著FTTH 業務的發展，城市傳輸網干線光纜資源日趨緊張，同時受制于城市規劃和建設等各方面條件，很難有充足的管廊及桿路進行新的大芯數光纜線路的建設，光信息通道急需拓展與光纜線路建設受限的矛盾日益突出。

在邊遠地區，伴隨FTTH 業務發展出現的問題是：受光纜傳輸距離的限制，需設置較多的前端機房，每個前端機房所覆蓋的用戶數量不多，形成了相關資源不能充分利用的困境。

FTTH業務的發展，為用戶提供了更加方便、更加快捷、更加人性化的信息服務，同時也使得信息傳輸業務面臨的環境更加復雜，對信息傳輸通道承載信息的量與傳輸速度，以及傳輸信息的安全性、保真性都提出了更高的要求。要達到更高的要求，就必須克服和解決面臨的困難和問題，而一種性能極其優異的光纖的出現為我們提供了一種更有價值的選擇，這種光纖就是光子晶體光纖。

2 光子晶體光纖

關于光子晶體光纖的研究是在光子晶體研究的基礎上開展的。光子晶體的概念提出于1987年［4-6］，以Yablonovich 和John 為代表的光子晶體研究的先驅者，根據半導體晶體因內部原子的周期性分布（晶格）形成周期性的內部電勢場，對在其中運動的電子產生調制作用，形成對電子運動的能量（頻率）選擇機制，即形成能帶結構（導帶與禁帶）的原理，設想使光傳輸介質材料的介電常數（折射率）在光波長尺度上以某種空間周期性變化，這種“光子晶體”也可使在其中傳輸的光波受到周期性調制，形成能帶結構（光子帶隙），對光波產生能量（頻率）選擇作用，這個設想在1991 年得到了驗證；同理，以某種特定的規律破壞光子晶體介電常數（折射率）在空間上的嚴格周期性也相當于傳統半導體晶體的摻雜或者引入缺陷，能量（頻率）與缺陷態相吻合的光子將被限定于光子晶體中的相應位置，這就是光子晶體的光子局域特性。

因其所具有的光子帶隙和光子局域兩大特性，光子晶體可以精確地控制或引導其內的光子的運動，因而光子晶體是一種在光通信領域有著無限潛力的革命性基礎材料。

光子晶體光纖是一種二維的光子晶體。光子晶體光纖由具有特定周期性的線型微結構組成，光纖的纖芯則是一個線缺陷，由于光子局域特性的作用，光被限制在此纖芯中。目前，光子晶體光纖主要有空氣纖芯和介質纖芯（實芯）兩大類。

2.1 光子晶體光纖的優異特性

光子晶體光纖具有許多極其優異的特性。對于空氣纖芯的光子晶體光纖而言，由于光在空氣纖芯中傳輸，因而光的傳輸損耗極低，有害的非線性效應也極低，其作為光通信系統的傳輸通道，具有傳統光纖所不能比擬的優勢；實芯的光子晶體光纖具有無休止的單模傳輸特性、優異且可控的色散特性、優異且可控的非線性特性等等；同時光子晶體光纖可以極為方便地實現某一特性的改變或者實現某些特性的特定優化組合，這使得光子晶體光纖在密集波分復用系統中有著無可比擬的優勢，由于這些優異特性的得到和改變，都是通過光纖結構參數或材料種類的改變或優化調整實現的，因而其實現不僅非常容易，而且具有很高的可控度。

2.1.1 無休止的單模傳輸特性

目前，光通信系統中使用最為廣泛的是標準單模光纖。其特點是當工作波長為1310nm 時色散低，信號畸變小，但傳統單模光纖只能在一定的頻率范圍內實現單模傳輸，這限制了其傳輸容量和傳輸距離的繼續增大。

實芯的光子晶體光纖具有“無休止單模傳輸”特性，是指其能夠在整個光頻率范圍內支持單模傳輸；相關研究證明，光子晶體光纖能夠在337nm 至1550nm波長范圍內實現單模傳輸［7］。

2.1.2 大模場低損耗特性

為了實現光通信系統大容量、高質量傳輸，需要低損耗、低干擾，并且色散特性優異的通信光纖，但截至目前，人們還沒有研制出兼具這幾種特性的傳統光纖。

光子晶體光纖的無休止單模特性與光纖的尺寸并無關系，因而可以根據光通信系統傳輸的需要設計光纖模場面積。相關研究證明，光子晶體光纖可以輕易達到接近150nm2的模場有效面積，光纖的模場面積的增大，可以降低光纖中傳輸的光功率相對密度，相對光功率密度的降低，有助于抑制或消除光纖中的有害非線性效應，對于光通信系統實現低損耗、大容量、高速率的信號傳輸具有重要意義［8］。

2.1.3 色散可控特性

色散是光纖的基本傳輸特性之一。在信息傳輸過程中，人們希望光纖色散為零，以保證相關信息在傳輸過程中不會發生畸變。然而為了消除非線性干擾，多信道密集波分復用系統中信息的傳輸，則需要使用有微量色散的光纖，即非零色散光纖。在高速度、大容量、高密度的光纖通信系統的開發過程中，為了實現高質量的信息傳輸，人們引入了光纖色散補償技術，出現了色散補償光纖。

傳統光纖是通過摻雜來改變色散特性的，因而傳統的非零色散光纖和色散補償光纖制作工藝較為復雜；而且傳統單模色散補償光纖的負波導色散的增大，是通過增大纖芯和包層的折射率差實現的，傳統光纖通過摻雜改變材料折射率，其折射率差無法達到很大，因而傳統光纖的色散補償范圍有限；同時傳統的色散補償光纖的傳輸損耗也比較大［9］。

光子晶體光纖可在1550nm窗口附近較大的波長范圍內，實現正的、接近零的和負的平坦色散特性［9，10］，因此光子晶體光纖可以具有很強的色散補償能力；同時光子晶體光纖的反常色散特性也是實現光孤子傳輸的必要條件［9，11］。

2.1.4 豐富的非線性特性

除優異而可控的色散特性外，光子晶體光纖還具有極為豐富多樣的非線性效應，光子晶體光纖的非線性效應有些已經為人們所熟知，有些還有待于進一步研究；這些非線性特性也為光孤子的產生和傳輸、光頻率的變換、超連續譜的產生和傳輸等技術提供了重要的手段，對于光通信系統發展的意義不可估量。

3 光子晶體光纖在陜西廣電網絡FTTH 業務發展中的應用價值

陜西廣電網絡的FTTH 業務的快速發展，對信息傳輸的通道有著承載量更大、傳輸更快、安全性和保真性更高的要求，對于光纜就意味著單纖信息容量更高、損耗更低、色散更小或可控等等。而光子晶體光纖以其優異的光學特性，可以滿足前述所有要求。

3.1 解決骨干網的帶寬瓶頸問題，擺脫城網與農網建設困境

光子晶體光纖的無休止單模特性，使其單纖信息容量遠高于傳統光纖，這對于解決省干傳輸網的帶寬瓶頸問題、城市干線傳輸網資源困境問題，同時對于增加用戶接入網與分配網傳輸容量都有著極大的應用潛力。

光子晶體光纖可以做到大模場低損耗，大有效面積光子晶體光纖的特性將會十分優良，這對于增加光纜傳輸距離，在邊遠地區合理組網，更加有效地推進陜西廣電網絡在邊遠地區的FTTH業務無疑具有極大的優勢。

大有效面積光子晶體光纖的傳輸容量更大，同時可有效抑制或消除光纖傳輸過程中的有害非線性效應，降低或消除有害干擾，具有優良的傳輸特性，這為繼續提高傳輸容量提供了充分的可能，是FTTH 業務進一步發展的絕佳選項，也是下一代的光通信系統的絕佳選項。

3.2 進一步提升網絡傳輸質量

光子晶體光纖有著優異而且可控的色散特性，利用這種特性，可以極其方便地實現光纖的非零色散，也可以極其方便地實現高質量的光纖色散補償。

另外，利用實芯光子晶體光纖所具有的豐富的非線性效應，可以極其方便地實現光孤子等高質量通信方式，可以為光通信系統傳輸質量的持續提高提供可靠支撐。通過結構參數的調整，光子晶體光纖可以很方便地實現某個特定功能或者實現某些特定功能的組合，可以使單纖具備多種優異特性，這是傳統光纖無法達到的。這些優良特性將有助于進一步提升網絡傳輸的安全性、保真性、穩定性，更好地為用戶服務。

結束語

FTTH 業務的實施，極大地加速了信息產業的進步，從而對光通信系統提出了更高的要求，也對作為光通信系統的信息傳輸通道的光纖提出了更高的要求。在光通信系統發展的過程中，傳統光纖面臨困境和挑戰；而光子晶體光纖的所有傳輸特性都是極其優異的，而且可以實現多種傳輸特性的同時兼顧，同時達到優異，這對于光通信系統的進一步發展無疑具有重大意義。

光子晶體光纖對于解決FTTH 業務發展中所遭遇的困難和問題，理論上具有重要價值，同時也是具有現實可行性的。光子晶體光纖的基本制造工藝與傳統光纖相同，其截面尺度可以與傳統光纖同量級并符合現行光通信系統的技術標準，可在傳統的光通信系統中直接應用，而不需要改變相關的設備接口；無論作為過渡手段用于傳統的光通信系統以改善通信質量，還是用于下一代光通信系統以實現技術的突破，光子晶體光纖均不存在設備兼容障礙。光子晶體光纖的單纖信息承載量遠大于傳統光纖，用于城市或鄉村的FTTH業務，可大幅度節約光纜資源，有效解決前述的困難和問題；同時光子晶體光纖理論上的損耗也是遠低于傳統光纖的，用于邊遠地區的FTTH 業務，可突破現行的FTTH 組網時兩個前端機房之間的距離不大于17km 的限制，減少前端機房的數量（同時也可以使其分布更合理）；因而光子晶體光纖的應用，可以大大地節約FTTH 業務的建設成本和運行維護成本，提高FTTH 業務的經濟效益和社會效益，加速FTTH 業務乃至信息產業發展的步伐。

光子晶體光纖進入應用所面臨的主要問題是光纖微結構的瑞利散射使其損耗高于理論值，目前光子晶體光纖的實驗室損耗值已與傳統的單模光纖相當，但低損耗光子晶體光纖的大規模生產尚需時日。隨著科技發展與工藝進步，低損耗的光子晶體光纖必將大規模進入應用，信息產業領域一場深刻的技術革命將從此開始。