中國(guó)移動(dòng)研究院│柳晟

商用新型超低損光纖已是大勢(shì)所趨規(guī)模部署亟待完善產(chǎn)業(yè)鏈

中國(guó)移動(dòng)研究院│柳晟

目前100G波分傳輸系統(tǒng)已廣泛商用，超低損耗和大有效面積等新型光纖有望助力下一代400G波分傳輸系統(tǒng)大規(guī)模部署。

近年來(lái)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、家庭寬帶、云計(jì)算、視頻等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商在光傳輸網(wǎng)上大力投資以滿足日益增加的帶寬需求。以中國(guó)移動(dòng)為例，骨干網(wǎng)流量將以每年30%～50%的速度增長(zhǎng)，特別是近幾年，骨干網(wǎng)傳輸帶寬將從2014年的81T增長(zhǎng)到2016年的約280T。

光傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展概況

為此，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)在骨干網(wǎng)上大規(guī)模部署100G波分系統(tǒng)，單對(duì)光纖滿配100G系統(tǒng)可以提供8T傳輸容量，280T的容量需要超過(guò)35對(duì)（70芯）光纖，鋪設(shè)的光纖很快就會(huì)消耗殆盡。而400G系統(tǒng)可以提供16T到20T的單纖傳輸容量，其頻譜效率是100G系統(tǒng)的2～2.6倍，可以有效緩解對(duì)光纖芯數(shù)的占用。

我國(guó)幅員遼闊、地理特征情況復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)商光傳輸網(wǎng)的光復(fù)用段的距離差異較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)約90%的光復(fù)用段在600公里以下，同時(shí)也有約7%的光復(fù)用段在600公里以上，一些復(fù)用段的距離在1000公里以上。從實(shí)際工程測(cè)試的傳輸結(jié)果看，普通G.652光纖可以滿足100G系統(tǒng)1000公里左右的傳輸，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)商的省際、省內(nèi)骨干網(wǎng)和城域核心層網(wǎng)絡(luò)上。100G采用PM-QPSK編碼方式、相干調(diào)制、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬、成本、功耗等性能得到了很大提高，同時(shí)也縮短了鏈路開(kāi)通時(shí)間。

隨著100G波分傳輸技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用，業(yè)界也逐步轉(zhuǎn)向400G甚至更高速率的研發(fā)以滿足網(wǎng)絡(luò)升級(jí)需求。目前400G光傳輸系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括四載波PM-QPSK、雙載波PM-16QAM等，其中雙載波PM-16QAM為業(yè)界的主流實(shí)現(xiàn)方式。PM-16QAM調(diào)制格式的系統(tǒng)比PM-QPSK調(diào)制格式的系統(tǒng)有更高的頻譜效率。在理論上PM-16QAM的背靠背OSNR容限比PMQPSK差約6.7dB，因此PM-16QAM的傳輸距離不到PMQPSK的四分之一，極大限制了400G系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中的部署和應(yīng)用。光傳輸系統(tǒng)需要保持系統(tǒng)容量和傳輸距離之間的平衡，在長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)中，一般會(huì)采用高階調(diào)制方式來(lái)提高頻譜利用率，同時(shí)通過(guò)低損耗、新型放大器等方法來(lái)保持所需的傳輸距離。

新型低損耗光纖技術(shù)指標(biāo)

400G傳輸系統(tǒng)較短的傳輸距離成為限制其在骨干網(wǎng)廣泛應(yīng)用的主要因素，因此產(chǎn)業(yè)界將很多目光投向了新型低損耗光纖，希望通過(guò)使用新型低損耗光纖助力400G系統(tǒng)應(yīng)用于骨干網(wǎng)。新型光纖包括低損光纖、超低損光纖和大有效面積光纖等，如圖所示。普通G.652光纖的纖芯材料為摻鍺二氧化硅，有效面積為85μm2，典型損耗為0.19～0.20dB/km。低損光纖的纖芯材料也是摻鍺二氧化硅，有效面積為85μm2，典型損耗為0.18dB/km。超低損光纖的纖芯材料為純二氧化硅，通過(guò)純二氧化硅來(lái)降低損耗，有效面積為90μm2，典型損耗為0.168dB/km。大有效面積光纖的有效面積為110～130μm2，典型損耗可以降低到0.158dB/km以下。

顯著提高400G系統(tǒng)傳輸距離

理論上，根據(jù)骨干網(wǎng)光纜現(xiàn)狀和目前400G PM-16QAM傳輸系統(tǒng)的性能，在400G系統(tǒng)傳輸距離達(dá)到1000公里的前提下，如果使用普通的EDFA放大器，則需要光纖的損耗達(dá)到0.14dB/km，目前的光纖技術(shù)達(dá)不到這樣的損耗。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面積光纖，則需要光纖的損耗達(dá)到0.153dB/km，目前的光纖技術(shù)也達(dá)不到這樣的損耗。如果使用拉曼放大器，則需要光纖的損耗達(dá)到0.17dB/km。如果使用拉曼放大器加上大有效面積光纖，則需要光纖的損耗達(dá)到0.183dB/km。

現(xiàn)網(wǎng)中大多數(shù)光復(fù)用段的距離在600公里以內(nèi)，在400G系統(tǒng)傳輸距離達(dá)到600公里的前提下，如果使用普通的EDFA放大器，則需要光纖的損耗達(dá)到0.165dB/km，超低損光纖基本能夠滿足性能要求。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面積光纖，則需要光纖的損耗達(dá)到0.178dB/km。如果使用拉曼放大器，則需要光纖的損耗達(dá)到0.195dB/km。由此可見(jiàn)，新型低損耗光纖和拉曼放大器對(duì)400G系統(tǒng)傳輸距離的幫助很大。

除了400G系統(tǒng)的應(yīng)用外，超低損光纖還有望用于長(zhǎng)距離直達(dá)鏈路、光電混合交叉等場(chǎng)景。以從北京到廣州為例，如果鋪設(shè)超低損光纖，則有望用100G光傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3000公里的直達(dá)鏈路而不需要電再生。

圖 普通光纖和新型光纖剖面圖

測(cè)試/試點(diǎn)火熱開(kāi)展

為了評(píng)估100G和400G傳輸系統(tǒng)在新型光纖上的傳輸性能，中國(guó)移動(dòng)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)。100G和400G信號(hào)分別在G.652、超低損耗光纖和大有效面積光纖上進(jìn)行傳輸性能測(cè)試。超低損光纖熔接后的損耗為0.175dB/km，大有效面積光纖熔接后的損耗為0.165dB/km。

系統(tǒng)方面，100G系統(tǒng)采用PM-QPSK調(diào)制格式，400G系統(tǒng)采用雙載波的PM-16QAM調(diào)制格式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論分析，采用PM-QPSK調(diào)制格式的100G系統(tǒng)的背靠背OSNR容限約為10dB，能夠在G.652光纖上傳輸約3000公里（5dB OSNR余量），采用PM-16QAM調(diào)制格式的400G系統(tǒng)的背靠背OSNR容限約為18.5db，能夠在G.652光纖上傳輸約450公里（5dB OSNR余量）。對(duì)于超低損光纖和大有效面積光纖，400G的傳輸距離可以被延長(zhǎng)到約600公里和900公里（5dB OSNR余量）。結(jié)果表明，超低損光纖和大有效面積光纖對(duì)于延長(zhǎng)400G系統(tǒng)的傳輸距離幫助非常大。

在現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)中，中國(guó)移動(dòng)于遂寧至內(nèi)江（共151公里，其中遂寧（OTM站）—安岳（OA站）91公里，安岳（OA站）—內(nèi)江（OTM站）60公里）開(kāi)展超低損光纖試點(diǎn)，施工中每段光纜長(zhǎng)度2公里。測(cè)試的光纖類型為康寧超低損耗G.652光纖（SMF-28超低損）。工程后的超低損耗光纖衰耗是約0.19dB/km，工程后的低損光纖衰耗是約0.22dB/km，一般工程要求為0.23dB/km～0.24dB/km，接頭熔接損耗一般小于0.05dB,法蘭盤連接損耗一般小于0.5dB。工程后的超低損光纖衰耗是約0.19dB/km，而普通光纖是約0.21～0.22dB/km，這意味100公里的跨段，超低損耗光纖損耗將比普通G.652光纖少2dB，就可以增加60%的跨段數(shù)?，F(xiàn)網(wǎng)測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)，超低損光纜間的熔接質(zhì)量也對(duì)整個(gè)鏈路效果至關(guān)重要，較差的熔接質(zhì)量會(huì)抵消掉超低損耗光纖的性能優(yōu)越性。

超低損耗光纖產(chǎn)業(yè)鏈正走向成熟

對(duì)于超低損光纖，目前國(guó)外在海底光纖技術(shù)方面積累了較長(zhǎng)時(shí)間，因此超低損耗光纖技術(shù)較為領(lǐng)先，康寧、住友等相繼推出了滿足G.652規(guī)范的超低損耗光纖。國(guó)內(nèi)企業(yè)在超低損耗純硅芯光纖方面的研發(fā)雖然起步較晚，但當(dāng)前長(zhǎng)飛、富通、烽火等國(guó)內(nèi)大的光纖企業(yè)，正積極從事這方面的研究。隨著超低損耗光纖部署規(guī)模的擴(kuò)大和更多廠家對(duì)研發(fā)的投入，超低損耗光纖的產(chǎn)業(yè)鏈正走向成熟。

應(yīng)用于陸地傳輸?shù)拇笥行娣e光纖，國(guó)內(nèi)外均有廠家可提供相關(guān)產(chǎn)品。其中OFS、長(zhǎng)飛和烽火可提供有效面積110～130μm2、衰減不大于0.180dB/km的低損耗大有效面積光纖，康寧、住友、長(zhǎng)飛等可提供有效面積112～125μm2的超低損耗大有效面積光纖。目前大有效面積光纖主要應(yīng)用于海底傳輸，陸地傳輸?shù)拇笥行娣e光纖的實(shí)際應(yīng)用案例較少，隨著ITU-T的G.654E標(biāo)準(zhǔn)的逐步規(guī)范，相繼會(huì)有運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行更多現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證陸地用大有效面積光纖的工程可行性。

對(duì)新型光纖的規(guī)模部署，仍有以下一些問(wèn)題需要解決：首先超低損光纖的成本需要進(jìn)一步優(yōu)化。超低損耗光纖由于采用純硅纖芯技術(shù)，目前光纖價(jià)格較高，是普通G.652光纖的3～4倍，是G.655光纖的1.5倍左右。隨著工藝的改進(jìn)、供應(yīng)商的增加和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，超低損耗光纖的成本和價(jià)格預(yù)計(jì)會(huì)不斷降低。其次，超低損和大有效面積光纖的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚未完成，現(xiàn)有的G.652規(guī)范和正在討論的G.654E規(guī)范對(duì)光纖衰減的規(guī)范定義都非常寬泛，對(duì)超低損耗等光纖無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，無(wú)法滿足行業(yè)采購(gòu)、管理、檢測(cè)、應(yīng)用等需求。因此，新型光纖的應(yīng)用還需整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上所有參與方的共同努力。

編輯｜刁興玲 diaoxingling@bixintong.com.cn