陜西廣電網(wǎng)絡(luò)的FTTH工程與光子晶體光纖的應(yīng)用

劉 浩，李永安

（陜西廣電網(wǎng)絡(luò)傳媒股份有限公司延安分公司，陜西 延安 716000）

1 廣電網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)終端單元（ONU）安裝在家庭用戶或企事業(yè)用戶所處室內(nèi)，使相關(guān)信息直接通過光纖傳送到用戶身邊。比起廣電網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的光電結(jié)合的傳輸方式，F(xiàn)TTH 有著無源節(jié)能、業(yè)務(wù)承載量更大、帶寬更大、抗干擾性能更優(yōu)等特點。隨著信息產(chǎn)業(yè)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(wǎng)絡(luò)要做到更大的、良性的及可持續(xù)的發(fā)展，就必須更好地服務(wù)用戶，順應(yīng)用戶日益提高的需求，開展更多的廣播電視業(yè)務(wù)新業(yè)務(wù)以及寬帶接入新業(yè)務(wù)，隨著相關(guān)業(yè)務(wù)量的日益增加以及用戶對相關(guān)信息質(zhì)量的要求日益提高，需要有帶寬更大、更加穩(wěn)定、傳輸質(zhì)量更高和更安全的網(wǎng)絡(luò)，才能達(dá)到對相關(guān)新業(yè)務(wù)的有效承載和支持，因而FTTH 是廣電網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。

1.1 陜西廣電網(wǎng)絡(luò)FTTH建設(shè)的現(xiàn)狀

陜西廣電網(wǎng)絡(luò)的FTTH 業(yè)務(wù)已開展多年，目前大多數(shù)城鎮(zhèn)用戶已實現(xiàn)光纖入戶，農(nóng)村用戶的FTTH改造也正在快速推進(jìn)。陜西廣電網(wǎng)絡(luò)建成了由陜北A環(huán)、陜北B環(huán)、關(guān)中A環(huán)、關(guān)中B環(huán)、陜南A環(huán)、陜南B環(huán)組成的陜西廣電省干OTN光傳輸網(wǎng)［1］，F(xiàn)TTH 網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)，以及交互電視、網(wǎng)絡(luò)視頻、視頻通信、網(wǎng)絡(luò)游戲、VoIP 等寬帶接入業(yè)務(wù)［2］，實現(xiàn)陜西廣電網(wǎng)絡(luò)所有用戶高質(zhì)量地使用相關(guān)信息功能，享受相關(guān)信息服務(wù)。

1.2 陜西廣電網(wǎng)絡(luò)FTTH 建設(shè)面臨的困難與問題

陜西廣電網(wǎng)絡(luò)的FTTH 業(yè)務(wù)在快速發(fā)展的同時，也出現(xiàn)了困難和問題，這些困難和問題，將會對FTTH 業(yè)務(wù)的發(fā)展產(chǎn)生制約作用，有必要進(jìn)行探討和研究。

1.2.1 FTTH 建設(shè)的成本問題與設(shè)備的兼容互通問題

伴隨FTTH 建設(shè)出現(xiàn)的成本較高的問題，在很大程度上制約了陜西廣電網(wǎng)絡(luò)FTTH 建設(shè)的速度和規(guī)模，尤其是對邊遠(yuǎn)農(nóng)村的FTTH 建設(shè)制約更為明顯。

隨著FTTH 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，目前可供選擇的相關(guān)設(shè)備越來越多，但由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家設(shè)備的兼容與互通問題也是推高FTTH成本并阻礙FTTH發(fā)展的一個難題。以上兩個問題需要設(shè)備生產(chǎn)廠家、信息產(chǎn)業(yè)運營商和有關(guān)組織的共同努力［3］，同時國家有關(guān)機構(gòu)也應(yīng)盡快制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為FTTH的發(fā)展清除障礙。

1.2.2 骨干網(wǎng)的帶寬瓶頸問題

陜西廣電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建成了能夠充分滿足目前FTTH 業(yè)務(wù)需要的陜西廣電省干OTN 光傳輸網(wǎng)，但隨著FTTH 的快速推進(jìn)，用戶的需求將更加多樣化和優(yōu)質(zhì)化，更多的新業(yè)務(wù)將得以開展，對骨干網(wǎng)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(wǎng)將成為FTTH發(fā)展的瓶頸。

1.2.3 城鎮(zhèn)傳輸網(wǎng)干線光纜線路建設(shè)與農(nóng)村傳輸網(wǎng)干線光纜線路建設(shè)的困境

隨著FTTH 業(yè)務(wù)的發(fā)展，城市傳輸網(wǎng)干線光纜資源日趨緊張，同時受制于城市規(guī)劃和建設(shè)等各方面條件，很難有充足的管廊及桿路進(jìn)行新的大芯數(shù)光纜線路的建設(shè)，光信息通道急需拓展與光纜線路建設(shè)受限的矛盾日益突出。

在邊遠(yuǎn)地區(qū)，伴隨FTTH 業(yè)務(wù)發(fā)展出現(xiàn)的問題是：受光纜傳輸距離的限制，需設(shè)置較多的前端機房，每個前端機房所覆蓋的用戶數(shù)量不多，形成了相關(guān)資源不能充分利用的困境。

FTTH業(yè)務(wù)的發(fā)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(wù)，同時也使得信息傳輸業(yè)務(wù)面臨的環(huán)境更加復(fù)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(dá)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(yōu)異的光纖的出現(xiàn)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(guān)于光子晶體光纖的研究是在光子晶體研究的基礎(chǔ)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(qū)者，根據(jù)半導(dǎo)體晶體因內(nèi)部原子的周期性分布（晶格）形成周期性的內(nèi)部電勢場，對在其中運動的電子產(chǎn)生調(diào)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(jié)構(gòu)（導(dǎo)帶與禁帶）的原理，設(shè)想使光傳輸介質(zhì)材料的介電常數(shù)（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?shù)墓獠ㄊ艿街芷谛哉{(diào)制，形成能帶結(jié)構(gòu)（光子帶隙），對光波產(chǎn)生能量（頻率）選擇作用，這個設(shè)想在1991 年得到了驗證；同理，以某種特定的規(guī)律破壞光子晶體介電常數(shù)（折射率）在空間上的嚴(yán)格周期性也相當(dāng)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體的摻雜或者引入缺陷，能量（頻率）與缺陷態(tài)相吻合的光子將被限定于光子晶體中的相應(yīng)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(dǎo)其內(nèi)的光子的運動，因而光子晶體是一種在光通信領(lǐng)域有著無限潛力的革命性基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(zhì)纖芯（實芯）兩大類。

2.1 光子晶體光纖的優(yōu)異特性

光子晶體光纖具有許多極其優(yōu)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(yīng)也極低，其作為光通信系統(tǒng)的傳輸通道，具有傳統(tǒng)光纖所不能比擬的優(yōu)勢；實芯的光子晶體光纖具有無休止的單模傳輸特性、優(yōu)異且可控的色散特性、優(yōu)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(xiàn)某一特性的改變或者實現(xiàn)某些特性的特定優(yōu)化組合，這使得光子晶體光纖在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中有著無可比擬的優(yōu)勢，由于這些優(yōu)異特性的得到和改變，都是通過光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)或材料種類的改變或優(yōu)化調(diào)整實現(xiàn)的，因而其實現(xiàn)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(tǒng)中使用最為廣泛的是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。其特點是當(dāng)工作波長為1310nm 時色散低，信號畸變小，但傳統(tǒng)單模光纖只能在一定的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)單模傳輸，這限制了其傳輸容量和傳輸距離的繼續(xù)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(nèi)支持單模傳輸；相關(guān)研究證明，光子晶體光纖能夠在337nm 至1550nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)單模傳輸［7］。

2.1.2 大模場低損耗特性

為了實現(xiàn)光通信系統(tǒng)大容量、高質(zhì)量傳輸，需要低損耗、低干擾，并且色散特性優(yōu)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(tǒng)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(guān)系，因而可以根據(jù)光通信系統(tǒng)傳輸?shù)男枰O(shè)計光纖模場面積。相關(guān)研究證明，光子晶體光纖可以輕易達(dá)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?shù)墓夤β氏鄬γ芏?，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(yīng)，對于光通信系統(tǒng)實現(xiàn)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(guān)信息在傳輸過程中不會發(fā)生畸變。然而為了消除非線性干擾，多信道密集波分復(fù)用系統(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)過程中，為了實現(xiàn)高質(zhì)量的信息傳輸，人們引入了光纖色散補償技術(shù)，出現(xiàn)了色散補償光纖。

傳統(tǒng)光纖是通過摻雜來改變色散特性的，因而傳統(tǒng)的非零色散光纖和色散補償光纖制作工藝較為復(fù)雜；而且傳統(tǒng)單模色散補償光纖的負(fù)波導(dǎo)色散的增大，是通過增大纖芯和包層的折射率差實現(xiàn)的，傳統(tǒng)光纖通過摻雜改變材料折射率，其折射率差無法達(dá)到很大，因而傳統(tǒng)光纖的色散補償范圍有限；同時傳統(tǒng)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(nèi)，實現(xiàn)正的、接近零的和負(fù)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(xiàn)光孤子傳輸?shù)谋匾獥l件［9，11］。

2.1.4 豐富的非線性特性

除優(yōu)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(yīng)，光子晶體光纖的非線性效應(yīng)有些已經(jīng)為人們所熟知，有些還有待于進(jìn)一步研究；這些非線性特性也為光孤子的產(chǎn)生和傳輸、光頻率的變換、超連續(xù)譜的產(chǎn)生和傳輸?shù)燃夹g(shù)提供了重要的手段，對于光通信系統(tǒng)發(fā)展的意義不可估量。

3 光子晶體光纖在陜西廣電網(wǎng)絡(luò)FTTH 業(yè)務(wù)發(fā)展中的應(yīng)用價值

陜西廣電網(wǎng)絡(luò)的FTTH 業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，對信息傳輸?shù)耐ǖ烙兄休d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(yōu)異的光學(xué)特性，可以滿足前述所有要求。

3.1 解決骨干網(wǎng)的帶寬瓶頸問題，擺脫城網(wǎng)與農(nóng)網(wǎng)建設(shè)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(yuǎn)高于傳統(tǒng)光纖，這對于解決省干傳輸網(wǎng)的帶寬瓶頸問題、城市干線傳輸網(wǎng)資源困境問題，同時對于增加用戶接入網(wǎng)與分配網(wǎng)傳輸容量都有著極大的應(yīng)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(yōu)良，這對于增加光纜傳輸距離，在邊遠(yuǎn)地區(qū)合理組網(wǎng)，更加有效地推進(jìn)陜西廣電網(wǎng)絡(luò)在邊遠(yuǎn)地區(qū)的FTTH業(yè)務(wù)無疑具有極大的優(yōu)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(yīng)，降低或消除有害干擾，具有優(yōu)良的傳輸特性，這為繼續(xù)提高傳輸容量提供了充分的可能，是FTTH 業(yè)務(wù)進(jìn)一步發(fā)展的絕佳選項，也是下一代的光通信系統(tǒng)的絕佳選項。

3.2 進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量

光子晶體光纖有著優(yōu)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(xiàn)光纖的非零色散，也可以極其方便地實現(xiàn)高質(zhì)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(yīng)，可以極其方便地實現(xiàn)光孤子等高質(zhì)量通信方式，可以為光通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的持續(xù)提高提供可靠支撐。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，光子晶體光纖可以很方便地實現(xiàn)某個特定功能或者實現(xiàn)某些特定功能的組合，可以使單纖具備多種優(yōu)異特性，這是傳統(tǒng)光纖無法達(dá)到的。這些優(yōu)良特性將有助于進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩?、保真性、穩(wěn)定性，更好地為用戶服務(wù)。

結(jié)束語

FTTH 業(yè)務(wù)的實施，極大地加速了信息產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，從而對光通信系統(tǒng)提出了更高的要求，也對作為光通信系統(tǒng)的信息傳輸通道的光纖提出了更高的要求。在光通信系統(tǒng)發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)光纖面臨困境和挑戰(zhàn)；而光子晶體光纖的所有傳輸特性都是極其優(yōu)異的，而且可以實現(xiàn)多種傳輸特性的同時兼顧，同時達(dá)到優(yōu)異，這對于光通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展無疑具有重大意義。

光子晶體光纖對于解決FTTH 業(yè)務(wù)發(fā)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(xiàn)實可行性的。光子晶體光纖的基本制造工藝與傳統(tǒng)光纖相同，其截面尺度可以與傳統(tǒng)光纖同量級并符合現(xiàn)行光通信系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可在傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)中直接應(yīng)用，而不需要改變相關(guān)的設(shè)備接口；無論作為過渡手段用于傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)以改善通信質(zhì)量，還是用于下一代光通信系統(tǒng)以實現(xiàn)技術(shù)的突破，光子晶體光纖均不存在設(shè)備兼容障礙。光子晶體光纖的單纖信息承載量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)光纖，用于城市或鄉(xiāng)村的FTTH業(yè)務(wù)，可大幅度節(jié)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(yuǎn)低于傳統(tǒng)光纖的，用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的FTTH 業(yè)務(wù)，可突破現(xiàn)行的FTTH 組網(wǎng)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(shù)量（同時也可以使其分布更合理）；因而光子晶體光纖的應(yīng)用，可以大大地節(jié)約FTTH 業(yè)務(wù)的建設(shè)成本和運行維護(hù)成本，提高FTTH 業(yè)務(wù)的經(jīng)濟效益和社會效益，加速FTTH 業(yè)務(wù)乃至信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。

光子晶體光纖進(jìn)入應(yīng)用所面臨的主要問題是光纖微結(jié)構(gòu)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(tǒng)的單模光纖相當(dāng)，但低損耗光子晶體光纖的大規(guī)模生產(chǎn)尚需時日。隨著科技發(fā)展與工藝進(jìn)步，低損耗的光子晶體光纖必將大規(guī)模進(jìn)入應(yīng)用，信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域一場深刻的技術(shù)革命將從此開始。