大有效面積超低損耗新型光纖及其應用

高雄

中國電信股份有限公司江蘇分公司

0 引言

近年來，隨著物聯網、數據中心和移動互聯網的快速發展，骨干網絡上的流量保持了持續快速的發展態勢。根據思科公司可視化網絡指數預測：2016年度全球IP流量為1.2ZB，月均96EB；而到2021年，全球IP流量將達到每年3.3ZB，月均278EB。未來5年，全球IP流量將增長近三倍，即從2005年到2021年將增長127倍。整體上看，從2016年到2021年，IP流量會以24%的復合年均增長率（CAGR）增長。中國互聯網絡信息中心的調查顯示：截止2016年7月，我國互聯網國際出口帶寬已達7，974，779Mbps，半年增長率為20.1%。隨著第五代移動通信（5G）商用在即，預計將會進一步推進網絡流量的持續迅猛增長，這將使得骨干網絡的建設和升級迎來較大的挑戰。以中國移動為例，其已將骨干網的傳輸帶寬從2014年的81Tbps增長到2016年的280Tbps。面臨網絡流量迅猛增長的趨勢，預計光傳送網和光纜網快速發展的總趨勢將會繼續保持較長一段時間。

目前，以單信道100Gbps基礎的波分傳輸系統已經在通信運營商中廣泛應用，業界關注的重點已經開始轉移至400Gbps甚至更高速率系統的研究，從而實現網絡容量進一步的拓展。目前已經提出多種方法向400Gbps乃至更高速率光傳輸系統邁進，其中包括雙載波PM-16QAM、四載波PM-QPSK等，其中主流方式是雙載波PM-16QAM。學術界和工業界一般認為：在超長距離和超大容量光通信系統中，可以引入更高階調制方式來提高頻譜的利用率，并借助低損耗的放大器來實現想要的傳輸距離。因此，傳輸光纖的低損耗和大有效面積面積性能如何進一步改進已經成為新一代光網絡中的關鍵技術。本論文結合當前光網絡的發展趨勢，對于超低損耗和大有效面積光纖的原理、技術及應用進行了討論，并對其在現網中的部署和演進進行了分析。

1 新一代光纖通信系統中對光纖的需求

1.1 超大容量光纖通信系統

自1966年高錕與Hockham共同提出了光纖可以作為通信傳輸媒介的想法以來，光纖通信系統的發展在短短數十年中取得了多次技術革新，單根光纖所支持的通信容量也獲得了極大地提升。步入21世紀后，隨著系統擴容的需要及器件水平的發展，相干光通信技術再度成為研究的熱點。采用高頻譜效率的幅度-相位聯合調制格式并結合相干檢測和前向糾錯等技術手段，可以進一步提高單信道通信速率，使其從10Gbps量級提高到100Gbps量級，業界普遍認為到2020年左右，光纖通信系統的單信道速率能提高到400Gbps甚至1Tbps。

如圖1所示，2016年的OFC會議中報道了單根光纖中分別采用高斯型DP-64APSK和DP-32QAM調制方案，在6375km和6800km距離上分別實現了34.9Tbps和33.3Tbps的傳輸總容量，其頻譜效率可達8.3bps/Hz，是目前單根光纖中所獲得的最高的頻譜效率，其傳輸鏈路中采用的就是corning公司的EX3000超低損耗大有效面積面積新型光纖。

1.2 影響系統性能的光纖參數

傳統的強度調制-直接檢測光纖通信系統中，制約系統性能的主要參數包括光纖損耗、色散及非線性。對于長距離大容量傳輸系統而言，普遍使用摻鉺光纖放大器（EDFA）和拉曼放大器（FRA）來代替中繼器，因此光纖色散和非線性帶來的信號失真便成為了主要問題。而引入相干光通信系統之后，色散導致的信號失真可以通過高速數字信號處理（DSP）實現完全補償，系統性能的影響要素轉而又成為損耗和非線性。對于相位調制相干接收的光纖傳輸系統而言，系統光信噪比 （OSNR）可以用公式（1）表示:

圖1 2016年OFC會議中創紀錄的實驗系統圖

上式中N為信道數，Pch為信道功率，PASE為ASE噪聲等效功率，PNLI為非線性等效功率。由式（1）可見：影響系統OSNR的參數當中，既有與光纖的非線性特性相關的光纖參數，又有與系統相關的參數。引入光纖品質因數FOM（Figure of Merit）用以評價光纖性能，定義如下：

其中為非線性折射率，Leff是有效長度，Aeff是有效面積，α是損耗系數，下標中的ref代表參考光纖，L為光纖實際長度。由式（2）不難看出：光纖的有效面積與光纖品質因數（FOM）正相關，而的損耗系數以及非線性系數與FOM負相關。因此，增大光纖的有效面積和減小損耗能夠提高系統的OSNR，從而改善系統的性能。考慮段長取75km為例，選用G.652光纖（有效面積80μm2 波長1550nm，損耗0.2dB/km@1550nm）作為參考光纖，可以從理論上計算出不同有效面積和損耗系數光纖的FOM值，見表1所示。

表1 不同光纖品質因數對比表

從上述結果能夠看出，與傳統的G.652光纖相比，超低損耗大有效面積光纖由于其FOM值的提高，可以給系統帶來3～5dB左右的性能提升。2016年，中國移動首次在省際骨干京津濟寧光纜線路上使用超低衰減大有效面積G.654.E光纖，圖2給出了光纖的原始衰減和成纜后的衰減。相關的測試結果表明普通G.652光纖與超低損耗大有效面積G.654.E光纖有著非常好的兼容性，而且光纖的損耗與普通G.652.D光纖相比有著明顯的優勢，大約能夠實現0.035dB/km的降低。使用該光纖能夠大大降低非線性效應帶來的影響，可以降低的跨段損耗約為3～4dB，這也為陸地超大容量和超長距離光纖通信系統給出了很好的選擇。

2 大有效面積和超低損耗光纖關鍵技術

2.1 大有效面積光纖

（1）三角型芯LEAF

三角型芯LEAF是Corning公司推出的新型色散位移光纖，它使用OVD工藝制造，折射率分布如圖3（a）所示。其有效面積大于80μm2，在1550nm波長處的損耗為0.21dB/km。從圖3（b）可以看出在有效面積方面，LEAF與DSF的對比。并且該光纖與普通單模光纖SMF相比，其彎曲損耗只有SMF的一半。該光纖的零色散點略小于1550nm，它的色散斜率為0.1ps/（nm2.km），稍微大于SMF的0.07ps/（nm2.km）。在使用該光纖的時候，可以借助其大有效面積來改善非線性，從而能夠使得入射功率提高約2dB。

圖2 原始光纖衰減和成纜后光纜衰減對比圖（光纖2100 km，1420 km光纜皮長）

圖3 三角型LEAF光纖圖

（2）基座型LEAF

日本富士通公司也推出了一款LEAF。如圖4所示，它的芯徑比較小，而且結構剖面也很簡單。其模場直徑可達到9.5μm，并且色散斜率小于0.l ps/（nm2.km）。其k值略大于0.94。

圖4 基座型光纖的折射率剖面

（3）三包層型LEAF（梯型）

三包層型LEAF折射率剖面如圖5所示。其中纖芯既可以是拋物線型，也能夠是梯型。此光纖的有效面積遜色于環

（4）環型LEAF

環形光纖的剖面結構如圖6（a）所示。從圖6（b）可以看出，借助環形折射率剖面，LEAF的有效面積可以做到146μm2。它的色散斜率為0.09 ps/（nm2.km），并且彎曲直徑為20mm的時候，彎曲損耗大約為6dBm，性能與普通的DSF相比要好很多。型光纖。但其優點是色散更加平坦一些，從而其在WDM傳輸系統里更顯優勢。

圖5 三包層型LEAF光纖剖面

（5）雙環型LEAF

如圖7所示，雙環型LEAF的有效面積可超出100μm2，并且其色散斜率為0.1 ps/（nm2.km），很有希望制造出色散更加平坦并且有效面積也十分大的光纖。

圖6 環型LEAF光纖圖

圖7 雙環型LEAF光纖剖面圖

2.2 超低損耗光纖

超低損耗光纖可以基于G.652標準光纖制造，最大特點是使用了純硅纖芯，在1550nm波長處的衰減值為0.17～0.18dB/km。這與普通G.652光纖的0.2dB/km指標相比，要低0.02～0.03dB/km，超低損耗G.652光纖的典型值為0.168dB/km。傳統商用的超低損耗光纖多屬于G.652B非低水峰光纖，其在1310nm及O波段（1260～1360nm）、S波段（1460～1530nm）、1550nm及C波段（1530～1565nm）、L波段（1565～1625nm）及U波段（1625～1675nm）的衰減很小。特別是在C波段的損耗系數幾乎接近光纖理論衰減值，所以當前超低損耗光纖主要使用的是L波段和C波段以及拉曼放大常用的S波段等波長范圍。在設備配置不變的前提下，超低損耗光纖比標準G.652光纖的傳輸距離更遠，在接收端得到的信號強度更大和光信噪比更高。

超低損耗、純硅芯單模光纖通過改進光纖預制棒的制造工藝和折射率，使得芯層中沒有摻雜，減弱由于瑞利散射等損耗，從而可以進一步降低光纖的損耗。借助純硅纖芯的技術，可以進一步將石英光纖的衰減降低至接近理論的最低值0.15dB/km。要想應用于陸上長途傳輸，光纖在具備低損耗的同時還需要與現有的G.652光纖兼容，因此已經商用的陸地傳輸超低損耗光纖采用的模場直徑和有效面積均與傳統G.652光纖一致，這給客戶應用和工程施工都帶來很多便利。

2.3 新型大有效面積和超低損耗光纖

國外一些制造商如日本住友和美國OFS、康寧都制造出了自己的低損耗大有效面積單模光纖。住友Z-Plus Fiber ULL光纖在1550nm處的有效面積為112μm2，Z-Plus Fiber 130 ULL的有效面積達到130μm2。康寧和OFS公司的產品甚至在1550 nm處的有效面積可以達到150μm2。國內亨通、烽火和長飛等企業也都制造出了各自的低損耗大有效面積單模光纖，亨通在國內首創開發出了UUA ULL大有效面積單模光纖和NGFCorn ULL單模光纖。從表2中可以看出，在損耗系數和有效面積方面，我國商用化的低損耗大有效面積單模光纖與國際企業商用化產品還是有一定差距的。

表2 國內外低損耗大有效面積單模光纖的關鍵指標對比表

針對未來陸地干線對大有效面積和超低衰減相結合的需求，經過ITU-T的討論，2016年底發布了特地針對陸地干線的G.654.E光纖標準（如表3和4所示）。針對陸地干線特殊的使用環境，G.654.E標準相對于原有的G.654.B和D標準，它對光纖彎曲性能的要求更為嚴格，并且將MFD的范圍適當收緊以便其可以兼容現有網絡干線G.652光纖。國內外幾個主流光纖制造商也都推出了符合G.654.E標準的超低衰減大有效面積光纖產品，使得大有效面積產品在光纖光纜產業鏈和產品標準方面掃清了在陸地上應用的最后障礙。

表3 現有及未來的干線光纖的參數指標表

表4 ITU-T G.654最新標準與超低衰減大有效面積光纖參數對比表

針對已經完成標準化的大有效面積與超低損耗特性結合起來的G.654.E光纖，各大光纖生產制造商都紛紛推出了新的產品，表5中給出了目前幾種代表性的G.654E光纖。不難看出，多數新型光纖在1550nm處的損耗已經降到很低了，最低可至0.149dB/km，并且有效面積最大能做到150μm2（近乎普通單模光纖的兩倍），對G.654.E光纖的未來發展提供了很好的支持。

表5 G.654.E新型光纖表

3 結束語

物聯網、大數據和云計算等的應用推進了網絡帶寬需求的持續快速增長，光纖通信系統的傳輸容量需要不斷進行提升以適應這些需求。目前主流的光纖通信系統正在從100Gbps向400Gbps乃至更高速率接口演進，廣泛采用的相干光接收和軟判決糾錯碼等技術方案都需要光纖鏈路具有較小的損耗和非線性系數。因此，開發和使用超低損耗和大有效面積光纖成為業界關注的熱點。G.654E光纖同時具有極低的損耗和大有效面積，已經成為超大容量光纖通信系統首選的光纖型號。但其是否具有和G.652光纖一樣的可靠性、穩定性以及較長的壽命，還需要進一步考察。