（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

新一代高速率、大容量、長距離傳輸光纖技術展望

胡明

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

本文結合超低損耗+大有效面積光纖的特點、性能及不同光纖之間的指標對比，闡述未來超長跨距、超遠距離、超大容量陸地通信需要采用高品質因數(shù)（FoM）的光纖，且隨著100 Gbit/s和400 Gbit/s甚至1 Tbit/s波分光通信技術的發(fā)展，衰耗小和大有效面積的光纖具有應用優(yōu)勢。

光通信；超低損耗+大有效面積光纖；傳輸

胡明教授級高級工程

師。中國移動通信集團設計院有限公司資深專家，中國通信學會會員。長期從事有線光纜通信線路工程的規(guī)劃、咨詢和設計，是省際骨干光纜線路總體組負責人。先后參與并完成省際骨干傳送網(wǎng)光纜線路工程近50項，新建光纜線路全長約4萬公里，獲得國家級優(yōu)秀工程設計金質獎1項、省部級獎項13項。獲全國優(yōu)秀通信設計工作者等多項榮譽。

1 引言

隨著骨干網(wǎng)絡帶寬需求的不斷增加，未來骨干網(wǎng)上采用400 Gbit/s或超400 Gbit/s相干光傳輸技術已經(jīng)成為必然趨勢。從技術演進角度，下一代傳輸系統(tǒng)對鏈路OSNR以及非線性要求更為嚴格；而另一方面我國目前干線網(wǎng)主要以普通G.652.D光纖為主，從20世紀90年代鋪設到現(xiàn)在已經(jīng)達到預期20～25年的使用壽命，今后幾年將逐步面臨著對主干網(wǎng)絡進行升級換代的要求。考慮到干線網(wǎng)絡光纜部署后需要保證20年左右的使用時間，且在該壽命區(qū)間內需能滿足未來業(yè)務增長的需求，所以在進行下一代干線網(wǎng)絡光纖的選擇時，必須進行綜合考慮未來帶寬發(fā)展需求，兼容傳輸技術發(fā)展的方向，并且減少或降低運營和維護成本。

2 400 Gbit/s以及超400 Gbit/s傳輸對新型光纖的要求

基于目前現(xiàn)網(wǎng)部署和業(yè)務發(fā)展情況分析，業(yè)內預計在2017年前后將開始400 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的實際部署和在線測試，而在下一代400 Gbit/s波分系統(tǒng)設計中，需要考慮以下幾點：

光功率以及OSNR：主要涉及光纖鏈路損耗以及光放大技術的選型。

非線性：與系統(tǒng)入纖功率，色散以及光纖有效面積，碼型調制技術直接相關。

色散：主要由光纖色散引入，傳輸速率越高色散越大，但相干光傳輸技術的引入，使色散不再成為瓶頸。

偏振模色散：主要由光纖和色散補償模塊引入，但相干光傳輸技術的引入，使偏振模色散也不再成為瓶頸。

具體而言，以表1數(shù)據(jù)為例，在400 Gbit/s傳輸技術上，基于相干光傳輸技術，通過引入靈活格柵WDM技術和奈奎斯特濾波，可以進一步將頻譜寬度降低到50～100 GHz，頻譜效率是現(xiàn)有100 Gbit/s系統(tǒng)的2～3倍，但其對OSNR的要求也相對于現(xiàn)有100 Gbit/s WMD系統(tǒng)更高，至少需要6 dB的余量才能滿足400 Gbit/s傳輸技術的需要，這樣就對光纖鏈路的衰減提出了更高的要求。

而對于光傳輸介質，在光纖傳輸過程中，由于入射到光纖單位面積上光強度過高時會引起一系列對傳輸不利的非線性效應，如自相位調制SPM，交叉相位調制XPM及四波混頻FWM，從而引起脈沖畸變展寬或者產(chǎn)生新的頻率分量， 這些都會導致接收端誤碼率BER超高，不利于信號接收和恢復。在由100 Gbit/s向400 Gbit/s傳輸?shù)难葸M中，由于波道間隔，入纖功率，碼型等影響，光纖抗非線性的能力將直接影響系統(tǒng)傳輸質量，所以400 Gbit/s系統(tǒng)對光纖的非線性要求也更高。

所以如上所述，基于未來400 Gbit/s以及超400 Gbit/s傳輸技術的演進要求，在技術上未來干線光纖鏈路需要進一步降低鏈路OSNR，并提高鏈路抗非線性的能力，也就是說從光纖性能角度，需要下一代干線光纖進一步降低光纖衰減系數(shù)，并增加光纖有效面積。

表1 不同容量、傳輸距離和碼型的OSNR要求

3 降低光纖衰減和提高有效面積的技術

如圖1所示，目前常規(guī)單模光纖的衰減由幾部分組成，其中最主要部分是由瑞利散射造成。所以降低單模光纖的衰減實質，就是如何降低光纖的瑞利散射，進一步也就是如何降低瑞利散射系數(shù)。瑞利散射系數(shù)主要包括兩部分，即濃度因子波動和密度因子波動，如圖2所示。

降低濃度因子的最主要方法就是減少光纖芯層位置的摻雜，即減少單模光纖芯層位置的鍺和氟摻雜，這也是目前超低衰減光纖核心制備技術“純硅芯層”的主要出發(fā)點。另一方面，密度因子主要由光纖的虛擬溫度決定，而虛擬溫度主要受到兩方面影響：退火速率主要受到光纖拉絲速度的影響，光纖拉絲速度越低，光纖退火時間越長，光纖衰減就越容易降低；光纖材料組分的匹配同樣會影響光纖的虛擬溫度，合理的材料粘度匹配和膨脹系數(shù)匹配可以降低光纖內部缺陷的產(chǎn)生，從而減少光纖衰減。需要注意的是，單純的減少光纖芯層的摻雜，雖然會減少濃度因子影響，但很容易造成光纖其他部分玻璃材料同芯層玻璃材料之間的組分失配，增加密度因子，從而整體上提高瑞利散射系數(shù)，影響光纖衰減。所以從技術上，在制備超低衰減光纖時一般同時考慮降低濃度和密度因子的影響，并更關注濃度因子的降低，而低衰減光纖一般只采用單一方法降低光纖衰減。

另一方面，在提高光纖的抗非線性能力上，主要是通過光學剖面設計實現(xiàn)光纖的芯層有效面積增加。圖3為常規(guī)單模G.652光纖剖面與幾種典型大有效面積光纖剖面對比的示意圖。相對于常規(guī)的單模G.652光纖剖面a，為了增加光纖的有效面積提高抗非線性能力，一般采取增加光纖芯層直徑，降低光纖芯層折射率的方法。但是相關技術手段也會導致大有效面積光纖的彎曲性能顯著惡化，所以在剖面設計中常會使用下陷內包層或匹配內包層來改進大有效面積光纖的彎曲性能。而如圖3的b和c所示，超低衰減大有效面積光纖在采用純硅芯設計的基礎上，采用同樣的方法增加光纖的有效面積，從而實現(xiàn)超低衰減與大有效面積兩個性能的結合。d、 e和f為 3種典型的低衰減大有效面積光纖的剖面示意圖，其中f為典型的低衰減大有效面積光纖設計，而d和e在芯層中心位置設計了一個下陷，這種結構使能量在芯層由高斯分布變?yōu)榉歉咚狗植?，更有利于光纖有效面積的增加。

a常規(guī)單模光纖； b和c超低衰減大有效面積光纖；d、e和f 3種不同的低衰減大有效面積光纖剖面設計。

圖1 單模光纖衰減譜分解

圖2 瑞利散射系數(shù)的組成和影響因素

圖3 集中不同光纖剖面設計比較

4 幾種干線光纖的光學參數(shù)及其性能比較

表2為現(xiàn)有以及未來干線光纖的參數(shù)指標對比。近年來，針對未來干線網(wǎng)絡的具體需求，各主流光纖廠商紛紛發(fā)布了多種新型光纖產(chǎn)品，但總體上都是沿著降低衰減和提高有效面積的方向前進。比如低衰減G.652.D和超低衰減G.652.B兩種光纖為低衰減方向產(chǎn)品；G.654光纖為大有效面積方向的典型產(chǎn)品。此外，目前針對未來陸地干線對超低衰減和大有效面積相結合的需求，ITU-T經(jīng)過討論，將在2016年底發(fā)布專門針對陸地干線應用的G.654.E光纖標準（如表3所示）。G.654.E標準針對陸地干線的特殊使用環(huán)境，相對于原有的G.654.B和D標準，新的G.654.E標準對光纖的彎曲性能提出了更嚴格的要求，并適當收緊MFD的范圍以便其能夠兼容現(xiàn)網(wǎng)干線G.652光纖。國際國內幾個主流光纖廠商也均發(fā)布了符合G.654.E標準的超低衰減大有效面積光纖產(chǎn)品，從而在產(chǎn)品標準和光纖光纜產(chǎn)業(yè)鏈方面掃清了大有效面積產(chǎn)品在陸地應用最后的障礙。

表2 現(xiàn)有以及未來干線光纖的參數(shù)指標對比

如上所述，新一代干線光纖性能沿著更低衰減和更大有效面積兩個方向同步發(fā)展，目前有多種產(chǎn)品可以進行選擇，但如何定性和定量的衡量衰減和有效面積對系統(tǒng)的貢獻？針對這個問題，業(yè)內提出FoM（Figure of Merit，光纖品質因數(shù)）這個參數(shù)?？偟恼f來，F(xiàn)oM值越大越好，值越大，表明光纖指標越好，在鏈路中對傳輸?shù)呢暙I越大。

表3 ITU-T G.654最新標準與超低衰減大有效面積光纖參數(shù)對比

對于相位調制相干接收的光纖傳輸系統(tǒng)，光信噪比（OSNR）可用公式1表示：

其中：OSNR為光信噪比，N表示跨段數(shù)，Pc波道入纖光功率，PASE為放大器自發(fā)輻射（ASE功率，PNLI為非線性干擾噪聲功率。

上述影響系統(tǒng)OSNR的參數(shù)中，既有與傳輸系統(tǒng)設備有關的參數(shù)，又有與光纖非線性特性相關的光纖的參數(shù)。通過一系列公式推導，并以dB為單位表達，可確定系統(tǒng)OSNR由兩部分構成：一是光纖品質因數(shù)，二是WDM傳輸設備相關的變量。那么，當終端設備參數(shù)相同的情況下，系統(tǒng)性能取決于光纖的FoM。

FoM定義解釋及簡化計算公式：

其中：所有參數(shù)值均在1 550 nm波長處，n2為非線性折射率，γ是非線性系數(shù)，Aeff是有效面積，F(xiàn)eff是有效長度，α(dB/km)是衰減系數(shù)，α是只與長度相關的衰減。

通過公式（2），我們可以定性地看出光纖品質因子（FoM）與光纖的有效面積正相關，與光纖的非線性系數(shù)以及衰減系數(shù)負相關。所以，改善光纖有效面積和衰減可以提升光傳輸系統(tǒng)的OSNR，改善系統(tǒng)性能。

目前不少光纖廠家，普遍采用FoM值的簡化計算公量化有效面積及衰減對系統(tǒng)鏈路的貢獻。

以段長75 km為例，常規(guī)G.652光纖（0.2 dB/km @1 550 nm，有效面積80μm2@1 550 nm）為參考光纖，理論上計算出不同衰減系數(shù)和不同有效面積的幾類光纖的FoM值見表4。

從上述理論計算結果可以看出，超低衰減大有效面積光纖具有更大的有效面積、更低的衰耗系數(shù)，相比傳統(tǒng)G.652光纖的FoM值更優(yōu)，在75 km的跨段內可為傳輸系統(tǒng)帶來大約3～5 dB的性能提升。

5 超低衰減大有效面積光纖的現(xiàn)網(wǎng)應用實驗

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，新建光纜線路總長度約1 417 km。圖4為光纖原始衰減以及成纜后衰減，相關測試結果表明超低損耗+大有效面積G.654光纖與普通G.652光纖有非常好的兼容性，其成纜以及熔接等施工工藝和常規(guī)G.652光纖一致，而光纖損耗比普通G.652.D光纖有0.035 dB/km以上的大幅降低。該光纖使用可以大大降低非線性效應影響，降低跨段損耗3～4 dB，為超長跨距、超長距離、超大容量陸地通信光纜提供解決方案。

表4 不同參數(shù)光纖品質因數(shù)比較表

圖4 原始光纖衰減和成纜后光纜衰減對比(光纖2 100 Fkm，1 420 km光纜皮長)

6 結束語

隨著下一代骨干傳送網(wǎng)絡朝著超大容量、超高速率方向的發(fā)展，目前n×100 Gbit/s波分系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模商用，400 Gbit/s波分系統(tǒng)也已開始現(xiàn)網(wǎng)試點測試，預計未來幾年將出現(xiàn)的400 Gbit/s甚至1T商用波分系統(tǒng)，將需要采用更為復雜調制方式(16QAM)來提高頻譜效率和降低單位比特成本，因此，系統(tǒng)對光纜的性能有更高的要求；新型的超低損耗+大有效面積光纖正好提供了相應的解決方案，對系統(tǒng)整體的傳輸性能帶來巨大的改進。

A new generation of high speed, large capacity, long distance transmission optical fiber technology

HU Ming
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In this paper, combining the characteristics of the ultra-low loss + large effective area fiber, performance and index comparison between different optical fiber, expounds the future super long span, extreme distance, large capacity of terrestrial communications need to use high quality factor (FoM) fiber, and with 100 Gbit/s & 400Gbit/s even 1 Tbit/s wavelength division of optical communication technology development, small and large effective area fiber attenuation with application advantages.

optical communication; ultra-low loss + large effective area fiber; transmission

TN915

A

1008-5599（2017）03-0001-05

2017-01-13