超高速率、超大容量、超長距離的光纖傳輸技術是解決通信網(wǎng)未來帶寬需求的關鍵技術之一。在系統(tǒng)單信道速率向100 Gb/s甚至1 Tb/s演進過程中，傳統(tǒng)的G.652.D低水峰光纖仍將發(fā)揮重要作用。超高速率超大容量光纖通信在器件、調制格式、接收檢測方式等方面的創(chuàng)新，對通信光纖的性能提出了新的要求。進一步降低光纖損耗可以延長中繼距離；大有效面積光纖可以提高注入信道光功率，降低非線性效應，提高鏈路光信噪比（OSNR）。多芯光纖和少模光纖，可以增加空分復用維度，是未來突破光纖香農極限的研究方向之一。

光纖通信；超低損耗光纖；大有效面積光纖；少模光纖；多芯光纖

Ultrahigh-speed， ultralarge-capacity， ultralong-haul transmission are key to solving bandwidth shortage problems. As transmission speeds approach 100Gbit/s or even 1Tbit/s per channel， the standard G.652.D low-water peak fiber will still be important in high-speed， long-haul systems. New requirements on the optical fiber have emerged because modulation methods have evolved， and new innovations have been made in coherent detection and devices. The repeater distance can be increased by further decreasing the optical fiber attenuation coefficient. The nonlinear coefficient decreases as the effective area increases in the large effective area fiber （LEAF）. The OSNR of the fiber can be improved by increasing the input channel signal power. Multicore fiber and few-mode fiber can be used in space-division multiplex to avoid problems related to the Shannon limit.

optical fiber telecommunication； ultralow-loss fiber； large effective area fiber； few-mode fiber； multicore fiber

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用基礎上的移動電話用戶數(shù)和固網(wǎng)接入用戶數(shù)的持續(xù)增加，以及這些用戶的傳輸需求從語音和文字發(fā)展到圖片、視頻和其他類型的超大數(shù)據(jù)流，人們對網(wǎng)絡帶寬的需求日益迫切。因此造成作為基礎的光纖傳輸網(wǎng)面臨巨大的擴容壓力?！皩拵е袊睉?zhàn)略提升了運營商投資光纖網(wǎng)絡的興趣，這些投資將在未來幾年內給運營商帶來直接的回報。但由于投入產出巨大的剪刀差，電信業(yè)的毛利率在逐年下降，電信運營商越來越關注網(wǎng)絡建設成本。光纖通信技術在21世紀初依然保持著高速發(fā)展的勢頭，通信容量預計在未來10年左右將達到單根光纖的香農極限[1]。因此光纖廠商需要根據(jù)光纖通信技術的變化研發(fā)光纖新技術，更好地服務于通信光纖網(wǎng)絡的建設。而從運營商角度考慮，如何利用好已大規(guī)模應用的G.652.D光纖來實現(xiàn)超大容量、超高速率系統(tǒng)傳輸技術的演進？如何選用新的光纖技術來實現(xiàn)未來網(wǎng)絡擴容和投資回報的平衡？這些將是本文探討的問題。

1 超高速率超大容量傳輸

系統(tǒng)

1.1 實際的傳輸系統(tǒng)

目前的光纖傳輸網(wǎng)絡建設主流設備多是40G的波分復用系統(tǒng)，也存在部分100G的波分復用系統(tǒng)在建商用工程。這些工程采用了多種光纖光纜，如G.652光纖、LEAF光纖、G.655光纖、超低損耗光纖制作的光纖復合架空地線（OPGW）光纜等。特別是一些實際傳輸工程是在已經(jīng)安裝的G.652.D線路上實現(xiàn)的，這將在最大程度上保護運營商的資產安全。例如中興通訊在2012年OFC會議上報道了采用8個信道，單信道216.4 Gb/s的速率，實現(xiàn)了1 750 km普通單模光纖上的傳輸系統(tǒng)，頻譜效率達到了4 b/s/Hz[2]。美國Verizon公司在2012年OFC上會議報道了采用超級信道技術在1 503 km普通單模光纖中傳輸了21.7 Tb/s的工程[3]。8×216.4 Gb/s大容量傳輸工程現(xiàn)實中鏈路（總長1 750 km的G.652光纖）具體情況如表1、圖1所示。

1.2 大容量傳輸實驗

構建超高速率、超大容量、超長距離的光纖傳輸網(wǎng)有多種技術實現(xiàn)方式。從已經(jīng)報道的傳輸實驗來看，它們在技術上各有特色，在實驗中也選擇不同類型的光纖，以達到速率、容量和距離上匹配的傳輸目的。例如Alcatel公司在2002年報道成功實現(xiàn)了256個信道，單信道42.6 Gb/s的密集波分復用（DWDM）技術在常規(guī)單模光纖中傳輸100 km，系統(tǒng)總容量已經(jīng)可達到10.24 Tb/s的實驗，其頻譜效率是1.28 b/s/Hz[4-6]。而光孤子通信技術則是采用超短光脈沖，由于光孤子在光纖的反常色散區(qū)中群速度色散和非線性效應相互平衡，因而，經(jīng)過光纖長距離傳輸后，光孤子波形和速度都保持不變。2001年朗訊公司報道成功實現(xiàn)了采用光孤子技術在4 000 km的色散管理線路上的太比特大容量的傳輸實驗[7]。光時分復用（OTDM）是增加通道數(shù)據(jù)速率的一種實現(xiàn)方法。2010年ECOC會議上Pengyu Guan等人報道了采用OTDM方法實現(xiàn)單信道1.28 Tb/s傳輸525 km由色散管理鏈路構成的傳輸線路。該文中提到的信號源是1.6 ps鎖模激光器經(jīng)過啁啾脈沖壓縮到600 fs的超短光脈沖。光信號脈沖經(jīng)過525 km光纖傳輸后脈沖寬度展寬到650 fs，在長距離傳輸方面存在一定的技術挑戰(zhàn)[8]。而近幾年來隨著100G技術的標準、器件等方面的成熟，主流技術均采用偏振復用、相位調制方法和相干檢測技術。在100G傳輸技術的光纖選擇方面，采用G.652光纖和常規(guī)的摻鉺光纖放大器（EDFA）放大技術，傳輸線路單個跨段大約在50 km左右，這種配置可以實現(xiàn)超過1萬公里的超長距離、單波長速率超100G以上、總容量超太比特的波分復用（WDM）傳輸系統(tǒng)。如采用EDFA和拉曼放大混合技術，則可以提高跨段長度，如80 km，但缺點是會降低傳輸系統(tǒng)的最大傳輸長度[9]。而采用超低損耗的光纖，例如1 550 nm的損耗典型值為0.163 dB/km G.652光纖，則可以將單波長速率112 Gb/s的信號，在單跨段長度100 km和拉曼放大的線路上傳輸超過1萬公里，系統(tǒng)的總容量可達4.48 Tb/s。近年來光纖通信技術又有突破，單信道速率已經(jīng)超過100 Gb/s，達到400 Gb/s或1 Tb/s。Bell實驗室在2011年美國光纖通信展覽會（OFC）上報道了采用高階的相位正交振幅調制（QAM）和相干檢測方式實現(xiàn)了在4 800 km的大有效面積光纖中傳輸3×485 Gb/s的信號，頻譜效率高達4 b/s/Hz[10]。在單信道太比特傳輸方面，YiRan Ma等人2009年首次報道了單信道1 Tb/s在普通單模光纖中傳輸600 km的技術，其頻譜效率為3.3 b/s/Hz[11]。2011年和2012年通過器件、算法和系統(tǒng)等方面的優(yōu)化，單信道太比特傳輸?shù)木嚯x得到大幅度的提高，更貼近實用化水平。這些傳輸技術從40G到100G，再到1太比特的演進，有的方案采用了近年來最新推出的超低損耗光纖、大有效面積光纖或色散管理線路等，但也有很多超高速率、超大容量的傳輸方案依然采用了常規(guī)的G.652光纖。為更好對比各種傳輸方案， 我們將部分信息摘錄于表2中。表2中的標準單模光纖（SSMF）表示無特殊性能指標優(yōu)化的G.652光纖。

通過分析全球光纖通信工程和傳輸實驗的技術發(fā)展趨勢，結合傳輸技術對光纖的要求，本文認為光纖技術發(fā)展的方向為：

（1）G.652.D光纖在超高速率光纖傳輸網(wǎng)的建設中仍然將發(fā)揮重要作用，并且色散將不再是制約系統(tǒng)傳輸距離的主要因素。在大多數(shù)應用場景，G.652.D光纖仍然具有良好的性能價格比。

（2）低損耗的單模光纖和超低損耗的單模光纖，在需要長跨段的應用場景，有助于提高光纖鏈路的OSNR。

（3）大有效面積單模光纖，包括低損耗的大有效面積光纖，既降低了光纖的非線性效應，又提高鏈路的OSNR，應用于海底光纜及超長距離無中繼傳輸?shù)忍厥鈭龊暇哂休^好的技術實用性。但是G.654光纖存在與普通單模光纖的熔接兼容性差，截止波長偏大、拉曼增益小等問題。目前國際電信聯(lián)盟（ITU-T）已經(jīng)修訂了G.654系列標準。

2 光纖技術的發(fā)展歷程和

中國光纖產業(yè)的技術

突破方向

2.1 光纖技術的發(fā)展歷程

從1970年世界上第一根光纖拉制出來，到光纖的衰耗降到20 dB/km的實用化水平，光纖技術的進步一直依賴于材料技術的突破和設備技術的進步。而1998年零水峰光纖概念的初次出現(xiàn)，為光纖制造廠商打開了二氧化硅光纖脫羥基的工藝路徑，全世界光纖廠商通過對設備和工藝的改造實現(xiàn)了低水峰光纖的規(guī)?；a。21世紀初單模光纖的新技術標準將低水峰光纖列為G.652. C和G.652.D兩個子類，并迅速地獲得了光傳輸市場的認可。2002年超低損耗概念光纖的實驗室水平已接近石英光纖的極限（0.1484 dB/km）[12-19]，但是由于光纖工藝和設備的局限帶來的成本上升，該光纖并沒有獲得市場的認可。EDFA的普遍使用克服了光纖衰耗的問題，超低損耗光纖也沒有列入光纖標準研究。在2.5G和10G建設過程中，由于色散和偏振模色散（PMD）對信號的損傷，光纖鏈路中必須進行色散補償和PMD補償。色散補償光纖（DCF）的研發(fā)成功解決了線路色散的問題，而光纖拉絲過程中搓扭技術的實現(xiàn)使得光纖鏈路的PMD值大大改善。這些技術的發(fā)展使得G.652.D光纖大規(guī)模地應用在10G到40G的傳輸工程建設上。

2.2 超低損耗光纖技術仍有待突破

光纖技術發(fā)展的主線之一，是在光纖損耗、色散、偏振模色散、非線性系數(shù)等指標的不斷完善、以及這些指標與光纖工作窗口、系統(tǒng)傳輸技術之間的平衡。近年來，新調制格式和相干檢測方式極大地克服了光纖鏈路的色散導致的傳輸距離限制，這使得進一步降低光纖衰減和非線性系數(shù)又成為關注的重點。

光纖的損耗水平是與制造光纖的材料、工藝、設備技術緊密相關的。光纖在通信窗口的損耗主要來自材料的紅外和紫外吸收拖尾、水峰吸收、散射損耗、彎曲損耗和缺陷帶來的損耗。采用低水峰工藝制備的光纖，其損耗最大來源是散射損耗。通信光纖的散射損耗包括線性散射和非線性散射。非線性散射主要是受激拉曼散射和受激布里淵散射。而光纖中的線性散射主要是瑞利散射。光纖中瑞利散射是由于光纖芯子中摻雜的二氧化鍺的密度與濃度起伏所引起。而摻雜二氧化鍺的主要目的是增大光纖芯子的折射率，形成單模光纖的波導。要進一步降低光纖的損耗，需要降低部分瑞利散射損耗，最佳的途徑是采用單一材料的純硅芯。而為了形成波導，必須在純硅芯外沉積摻氟的包層，這對設備、工藝和波導設計等方面提出了很大挑戰(zhàn)。在超低損耗光纖的制備上，由于該類光纖的材料結構與普通G.652光纖區(qū)別很大，需要通過摻氟工藝實現(xiàn)折射率降低的光學包層來滿足光纖波導結構的需要。從材料的角度看，純硅芯光纖由于二氧化硅芯層材料全部是玻璃網(wǎng)絡形成體，未摻雜網(wǎng)絡修飾體，使得玻璃網(wǎng)絡的致密性與均勻性提高。因此純硅芯光纖可以最大程度上克服摻雜引起的密度與濃度起伏，也就降低了瑞利散射損耗。但是，由于玻璃網(wǎng)絡的致密性，導致其芯子羥基（-OH）脫除更困難，因此，純硅芯光纖較難實現(xiàn)去除水峰，達到低水峰標準。純硅芯光纖的另外一個弊端是工藝過程的復雜性和制備難度導致產能有限，光纖的制造成本會有所上升。圖2給出了G.652和超低損耗光纖的折射率示意圖。超低衰減光纖能否大規(guī)模應用還有待市場的檢驗。

2.3 提高光纖的有效面積是光纖

研發(fā)的方向之一

大有效面積（LEAF）光纖在超高速率、超大容量傳輸系統(tǒng)中受到重視，是因為光纖有效面積的提高，可以使得光纖的非線性系數(shù)從常規(guī)單模光纖的1.26 w-1km-1降到大有效面積光纖的大于等于1 w-1km-1， 甚至減小到一半。非線性系數(shù)降低的優(yōu)點是可以讓注入光纖信號光最優(yōu)功率的提高和光纖鏈路單跨段長度的增大。這樣的配置可以減小網(wǎng)絡建設的中繼放大的需求，在特殊網(wǎng)絡建設場合具有較大優(yōu)勢，例如海纜通信等。國際電信聯(lián)盟已修訂了截止波長位移單模光纖的G.654光纖標準，其主要特征是根據(jù)光纖在1 550 nm處的不同有效面積等指標劃分了類別，以便更好地指導光纖制造與使用，詳細情況請參見表3。在海纜通信建設方面，為減少海底放大器數(shù)量，除了要求擴大光纖1 550 nm的模場外，還要求進一步降低光纖的損耗。該類光纖的波導結構設計要求更為復雜，如果同時要實現(xiàn)更低的光纖損耗，制造難度會增大。超低損耗大有效面積光纖的制造成本會有一定幅度的上升。

大有效面積超低衰減光纖目前主要應用于海底光纜。據(jù)住友公司網(wǎng)站介紹，其純硅芯大有效面積超低衰減光纖從20世紀80年代開始應用，到目前為止銷售總量已超過100萬公里。與每年上億公里的G.652.D光纖相比，這仍然是一個細分的應用。與普通超低衰減光纖類似，大有效面積超低衰減光纖能否大規(guī)模應用于陸上大容量、超長距離傳輸，仍然取決于制造技術的突破和成本的降低，取決于整個傳輸系統(tǒng)的性價比能否得到大幅改善。

2.4 多芯、少模光纖等新概念光纖是

中長期研究方向

由于香農極限限制了單根光纖的傳輸容量（100 Tb/s），為了解決未來通信網(wǎng)擴容的壓力，研究人員做了很多探索。這些探索研究包括少模光纖和多芯光纖等新型光纖以及采用這些新光纖做的傳輸實驗。例如：Fatih Yaman等人[20]在2010年報道成功實現(xiàn)了總容量為10×112 Gb/s信號在5 032 km的少模光纖中的傳輸實驗。少模光纖的精確剖面設計，可使同一根光纖支持多個不同的模式復用傳輸，進一步擴大了通信復用的維度，提升了傳輸?shù)膸?。少模光纖的優(yōu)點是光纖設計理論完善、工藝技術成熟和制備技術可行。Jun Sakaguchi等人在2012年OFC會議上報道了世界上最大容量的傳輸實驗結果[21]，在一根10.1 km的19芯光纖里面?zhèn)鬏斄?05 Tb/s的信號，實現(xiàn)的頻譜效率高達30.5 b/s/Hz。多芯光纖被認為是最有希望在未來突破光纖香農極限的光傳輸網(wǎng)擴容技術。多芯光纖領域的研究集中在日本。日本光纖廠商和大學在光纖設計、制造、測試和傳輸實驗方面的研究比較深入，同時打破了單根光纖傳輸容量的世界紀錄。他們的研究開創(chuàng)了光纖通信擴容的一種技術路線。但是，多芯光纖的接續(xù)存在難度，缺乏媲美單模光纖熔接范式的低成本的自動化解決方案。光放大、耦合等多方面的問題也有待一一解決。因此國際通信業(yè)界也有質疑的聲音表示多芯光纖不如多根光纖在使用方面的簡單、便捷。

這些新概念光纖在探索解決未來傳輸技術“瓶頸”方面做出了有益探索，但是研究還停留在實驗室階段，還沒有研究工程化方面的課題，還需要光纖廠商、器件廠商、系統(tǒng)設備廠商等多方努力。

3 結束語

雖然多種光纖都可以實現(xiàn)超高速率、超大容量、超長距離的傳輸，但是光纖通信網(wǎng)的建設還是要根據(jù)實際需求出發(fā)，選擇合適的光纖鏈路方案。從普適性方面看，G.652.D光纖可適應從40G到100G、甚至1 Tb/s的建設，且G.652.D具有成本優(yōu)勢。從對傳輸性能提升方面看，超低損耗和大有效面積光纖可應用于大跨段、超長距離通信網(wǎng)以及海底光纜的建設。但是目前超低損耗光纖技術突破難，供應少，成本高，應用還很少；對系統(tǒng)傳輸帶來的益處也還有待在實際傳輸鏈路中進行更系統(tǒng)性的研究。多芯光纖和少模光纖從空分復用的維度將進一步提高光纖通信的容量，但是這一技術能否從實驗室研究走向規(guī)模應用，還需等待光纖通信行業(yè)從技術、需求和現(xiàn)實出發(fā)做大量的研究和探索。中國光纖廠商、器件廠商、系統(tǒng)設備制造商和運營商需要在未來的光纖通信技術研究上加強合作，突破關鍵技術，擁有自主知識產權，制訂國家標準，形成全產業(yè)鏈良性互動與發(fā)展。

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