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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(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，骨干網(wǎng)絡(luò)上的流量保持了持續(xù)快速的發(fā)展態(tài)勢。根據(jù)思科公司可視化網(wǎng)絡(luò)指數(shù)預(yù)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(dá)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(huì)以24%的復(fù)合年均增長率（CAGR）增長。中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心的調(diào)查顯示：截止2016年7月，我國互聯(lián)網(wǎng)國際出口帶寬已達(dá)7，974，779Mbps，半年增長率為20.1%。隨著第五代移動(dòng)通信（5G）商用在即，預(yù)計(jì)將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)流量的持續(xù)迅猛增長，這將使得骨干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和升級迎來較大的挑戰(zhàn)。以中國移動(dòng)為例，其已將骨干網(wǎng)的傳輸帶寬從2014年的81Tbps增長到2016年的280Tbps。面臨網(wǎng)絡(luò)流量迅猛增長的趨勢，預(yù)計(jì)光傳送網(wǎng)和光纜網(wǎng)快速發(fā)展的總趨勢將會(huì)繼續(xù)保持較長一段時(shí)間。

目前，以單信道100Gbps基礎(chǔ)的波分傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在通信運(yùn)營商中廣泛應(yīng)用，業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)移至400Gbps甚至更高速率系統(tǒng)的研究，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)一步的拓展。目前已經(jīng)提出多種方法向400Gbps乃至更高速率光傳輸系統(tǒng)邁進(jìn)，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(xué)術(shù)界和工業(yè)界一般認(rèn)為：在超長距離和超大容量光通信系統(tǒng)中，可以引入更高階調(diào)制方式來提高頻譜的利用率，并借助低損耗的放大器來實(shí)現(xiàn)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(jìn)一步改進(jìn)已經(jīng)成為新一代光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。本論文結(jié)合當(dāng)前光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，對于超低損耗和大有效面積光纖的原理、技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了討論，并對其在現(xiàn)網(wǎng)中的部署和演進(jìn)進(jìn)行了分析。

1 新一代光纖通信系統(tǒng)中對光纖的需求

1.1 超大容量光纖通信系統(tǒng)

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(tǒng)的發(fā)展在短短數(shù)十年中取得了多次技術(shù)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(jì)后，隨著系統(tǒng)擴(kuò)容的需要及器件水平的發(fā)展，相干光通信技術(shù)再度成為研究的熱點(diǎn)。采用高頻譜效率的幅度-相位聯(lián)合調(diào)制格式并結(jié)合相干檢測和前向糾錯(cuò)等技術(shù)手段，可以進(jìn)一步提高單信道通信速率，使其從10Gbps量級提高到100Gbps量級，業(yè)界普遍認(rèn)為到2020年左右，光纖通信系統(tǒng)的單信道速率能提高到400Gbps甚至1Tbps。

如圖1所示，2016年的OFC會(huì)議中報(bào)道了單根光纖中分別采用高斯型DP-64APSK和DP-32QAM調(diào)制方案，在6375km和6800km距離上分別實(shí)現(xiàn)了34.9Tbps和33.3Tbps的傳輸總?cè)萘?，其頻譜效率可達(dá)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(tǒng)性能的光纖參數(shù)

傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測光纖通信系統(tǒng)中，制約系統(tǒng)性能的主要參數(shù)包括光纖損耗、色散及非線性。對于長距離大容量傳輸系統(tǒng)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(tǒng)之后，色散導(dǎo)致的信號失真可以通過高速數(shù)字信號處理（DSP）實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，系統(tǒng)性能的影響要素轉(zhuǎn)而又成為損耗和非線性。對于相位調(diào)制相干接收的光纖傳輸系統(tǒng)而言，系統(tǒng)光信噪比 （OSNR）可以用公式（1）表示:

圖1 2016年OFC會(huì)議中創(chuàng)紀(jì)錄的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

上式中N為信道數(shù)，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(tǒng)OSNR的參數(shù)當(dāng)中，既有與光纖的非線性特性相關(guān)的光纖參數(shù)，又有與系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)。引入光纖品質(zhì)因數(shù)FOM（Figure of Merit）用以評價(jià)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(shù)，下標(biāo)中的ref代表參考光纖，L為光纖實(shí)際長度。由式（2）不難看出：光纖的有效面積與光纖品質(zhì)因數(shù)（FOM）正相關(guān)，而的損耗系數(shù)以及非線性系數(shù)與FOM負(fù)相關(guān)。因此，增大光纖的有效面積和減小損耗能夠提高系統(tǒng)的OSNR，從而改善系統(tǒng)的性能?？紤]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(jì)算出不同有效面積和損耗系數(shù)光纖的FOM值，見表1所示。

表1 不同光纖品質(zhì)因數(shù)對比表

從上述結(jié)果能夠看出，與傳統(tǒng)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(tǒng)帶來3～5dB左右的性能提升。2016年，中國移動(dòng)首次在省際骨干京津濟(jì)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(guān)的測試結(jié)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(yōu)勢，大約能夠?qū)崿F(xiàn)0.035dB/km的降低。使用該光纖能夠大大降低非線性效應(yīng)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(tǒng)給出了很好的選擇。

2 大有效面積和超低損耗光纖關(guān)鍵技術(shù)

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(diǎn)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(shí)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(jié)構(gòu)剖面也很簡單。其模場直徑可達(dá)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(huán)

（4）環(huán)型LEAF

環(huán)形光纖的剖面結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。從圖6（b）可以看出，借助環(huán)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(shí)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(yōu)點(diǎn)是色散更加平坦一些，從而其在WDM傳輸系統(tǒng)里更顯優(yōu)勢。

圖5 三包層型LEAF光纖剖面

（5）雙環(huán)型LEAF

如圖7所示，雙環(huán)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(huán)型LEAF光纖圖

圖7 雙環(huán)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(biāo)準(zhǔn)光纖制造，最大特點(diǎn)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(biāo)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(tǒng)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(shù)幾乎接近光纖理論衰減值，所以當(dāng)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(shè)備配置不變的前提下，超低損耗光纖比標(biāo)準(zhǔn)G.652光纖的傳輸距離更遠(yuǎn)，在接收端得到的信號強(qiáng)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(jìn)光纖預(yù)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(jìn)一步降低光纖的損耗。借助純硅纖芯的技術(shù)，可以進(jìn)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(yīng)用于陸上長途傳輸，光纖在具備低損耗的同時(shí)還需要與現(xiàn)有的G.652光纖兼容，因此已經(jīng)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(tǒng)G.652光纖一致，這給客戶應(yīng)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(dá)到130μm2?？祵幒蚈FS公司的產(chǎn)品甚至在1550 nm處的有效面積可以達(dá)到150μm2。國內(nèi)亨通、烽火和長飛等企業(yè)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(nèi)首創(chuàng)開發(fā)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(shù)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(yè)商用化產(chǎn)品還是有一定差距的。

表2 國內(nèi)外低損耗大有效面積單模光纖的關(guān)鍵指標(biāo)對比表

針對未來陸地干線對大有效面積和超低衰減相結(jié)合的需求，經(jīng)過ITU-T的討論，2016年底發(fā)布了特地針對陸地干線的G.654.E光纖標(biāo)準(zhǔn)（如表3和4所示）。針對陸地干線特殊的使用環(huán)境，G.654.E標(biāo)準(zhǔn)相對于原有的G.654.B和D標(biāo)準(zhǔn)，它對光纖彎曲性能的要求更為嚴(yán)格，并且將MFD的范圍適當(dāng)收緊以便其可以兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)干線G.652光纖。國內(nèi)外幾個(gè)主流光纖制造商也都推出了符合G.654.E標(biāo)準(zhǔn)的超低衰減大有效面積光纖產(chǎn)品，使得大有效面積產(chǎn)品在光纖光纜產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)方面掃清了在陸地上應(yīng)用的最后障礙。

表3 現(xiàn)有及未來的干線光纖的參數(shù)指標(biāo)表

表4 ITU-T G.654最新標(biāo)準(zhǔn)與超低衰減大有效面積光纖參數(shù)對比表

針對已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)化的大有效面積與超低損耗特性結(jié)合起來的G.654.E光纖，各大光纖生產(chǎn)制造商都紛紛推出了新的產(chǎn)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(shù)新型光纖在1550nm處的損耗已經(jīng)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(fā)展提供了很好的支持。

表5 G.654.E新型光纖表

3 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等的應(yīng)用推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的持續(xù)快速增長，光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量需要不斷進(jìn)行提升以適應(yīng)這些需求。目前主流的光纖通信系統(tǒng)正在從100Gbps向400Gbps乃至更高速率接口演進(jìn)，廣泛采用的相干光接收和軟判決糾錯(cuò)碼等技術(shù)方案都需要光纖鏈路具有較小的損耗和非線性系數(shù)。因此，開發(fā)和使用超低損耗和大有效面積光纖成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。G.654E光纖同時(shí)具有極低的損耗和大有效面積，已經(jīng)成為超大容量光纖通信系統(tǒng)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(wěn)定性以及較長的壽命，還需要進(jìn)一步考察。