400Gbit/s骨干网用超低损耗超大有效面积光纤的开发

陈伟,袁健,贺作为,宋君

(江苏亨通光纤科技有限公司,江苏苏州 215200)



400Gbit/s骨干网用超低损耗超大有效面积光纤的开发

陈伟,袁健,贺作为,宋君

(江苏亨通光纤科技有限公司,江苏苏州 215200)

摘要:损耗和非线性是影响超100 Gbit/s高速光通信系统性能最为关键的因子。文章设计并研制了一种适合400 Gbit/s高速传输用的新型单模光纤,该光纤具备超低损耗与超大有效面积特性,在1550nm波长处衰减为0.165dB/km,在1625nm波长处衰减为0.179dB/km;在1550nm波长的模场直径为13.96μm,有效面积为153μm2。该光纤具备优良的抗弯曲性能,其关键技术指标优于当前国际技术水平,可为下一代高速光纤通信提供关键基础材料支撑。

关键词:400Gbit/s系统;高速光通信;超低损耗光纤;大有效面积光纤;大容量

0　引 言

随着大数据与云计算的迅速发展,人们对光纤通信的带宽与速率需求迅速提高。我国的光纤通信系统从10 Gbit/s跨过40 Gbit/s中间阶段直接构建100 Gbit/s,乃至400 Gbit/s高速光纤通信网络。而高速光纤通信的编码方式从传统的RZ(归零)码和NRZ(非归零)码发展到100 Gbit/s采用QPSK(正交相移键控)[1-2],400 Gbit/s采用QAM(正交幅度调制)或DP-QPSK(双偏振正交相移键控)的方式[3-4]。调制方式的变化对光纤的波长色散和偏振模色散冗余度较大,对光纤的损耗却要求极高。光纤的损耗和非线性成为限制高速大容量光纤通信系统OSNR(光信噪比)的关键因素。

国内外科学工作者开展了光纤的低损耗制作技术和有效面积提升技术的研究[5-12],但是未能很好地解决有效面积增大与弯曲损耗增加的矛盾,目前的低损耗大有效面积单模光纤在1 550 nm波长损耗为0.185 d B/km,有效面积为110μm2,难以满足400 Gbit/s高速光纤通信的技术需求。本文分析了400 Gbit/s通信系统对光纤的要求和实现途径,设计了一种新型超低损耗超大有效面积单模光纤的波导结构,并研制开发出该新型光纤,以满足我国高速大容量光纤通信系统对光纤的新需求。

1　400 Gbit/s通信系统对光纤的要求

100 Gbit/s光纤通信系统采用DP-QPSK编码调制格式[13-14],系统的背靠背OSNR要求在9.8～ 12.2 dB之间,光纤在1 550 nm波长的衰减系数小于0.21 dB/km;400 Gbit/s系统采用DP-QPSK、DP-16QAM和DP-256QAM调制技术[15-16],相对于100 Gbit/s系统,OSNR代价分别为6、10和20 dB以上,这些增加的OSNR代价需要从光端机的注入光功率或光纤链路损耗两个方面进行解决。因此, 400 Gbit/s通信系统对光纤的要求主要体现在两个方面:较低的衰减系数和非线性系数[17-18]。

可以看出,影响通信系统FOM的光纤参数有:光纤的有效面积Aeff、光纤的衰减系数αdB/km和光纤的非线性长度Leff。

我们以80 km长度的跨段进行通信链路FOM研究,重点研究αdB/km、Leff和Aeff对FOM的影响。图1所示为光纤衰减对链路FOM的影响。由图可知,当αdB/km分别为0.185、0.175和0.165 dB/km 时,链路FOM分别为1.2、2.0和2.8 d B,可见降低αdB/km对通信系统链路的FOM贡献非常显著。但光纤衰减的降低随之带来光纤的非线性效应增强, 而Leff增大对通信链路的FOM会产生负面贡献,如图2所示。当αdB/km为0.175 dB/km时,Leff为23.83 km,80 km的通信跨段将产生0.651 dB的负贡献;当αdB/km为0.165 dB/km时,Leff为25.06 km的通信跨段将产生0.661 dB的负贡献。

图1　光纤衰减对通信链路FOM的影响

图2　光纤非线性长度对通信链路FOM的影响

为了降低光纤非线性导致通信链路FOM值降低与OSNR的恶化,需要提升Aeff。图3所示为Aeff对链路FOM的影响。当Aeff增加20%达到96μm2时,通信系统入纤功率可增大0.792 d Bm,对链路FOM贡献0.792 dB,等效于降低光纤衰减0.009 9 dB/km;当Aeff增加40%达到110μm2时,通信系统入纤功率可增大1.461 dBm,等效于降低光纤衰减0.018 3 dB/km,链路FOM贡献1.46 dB; 当Aeff增加70%达到135μm2时,通信系统入纤功率可增大2.3 dBm,等效于降低光纤衰减0.028 8 d B/km,链路FOM贡献2.3 d B。

图3　有效面积Aeff对通信链路FOM的影响

光纤的光学衰减系数、非线性效应和有效面积这3个关键参数对光纤等效衰减的影响如图4所示。当αdB/km为0.165 d B/km、Aeff为110μm2时,光纤的等效衰减系数为0.155 dB/km;当αdB/km为0.165 dB/km、Aeff为135μm2时,光纤的等效衰减系数为0.144 d B/km。因此,超100 Gbit/s及400 Gbit/s高速大容量通信系统要求光纤具备较低的衰减和较大的有效面积。

图4　光纤参数对等效衰减的影响

2　超低损耗超大有效面积单模光纤的设计与制备

光纤的波导结构不仅决定光纤的损耗特性,而且直接决定其有效面积Aeff,因此光纤波导结构的设计对于超低损耗超大有效面积光纤的综合性能至关重要。光纤属于圆形对称波导,在弱导近似下, Ψ(R)满足标量波动方程[21]:

和边界条件:

式中,k0为真空波数,R=r/a为光纤归一化半径,r为径向坐标,a为纤芯半径,n(R)为径向折射率分布,β为轴向传播常数,Ψcore(R)为光纤芯区的基模场分布,Ψcl(R)为包层的基模场分布。对于任意折射率剖面光纤,只要计算出Ψ(R),便可代入式(2)计算出Aeff[21]:

本项目设计的超低损耗超大有效面积单模光纤的折射率剖面结构如图5所示。图6所示为Aeff随波长变化关系曲线图。该折射率结构不仅可以获得超大有效面积,其在1 550 nm波长的Aeff为150μm2,而且该结构还可以降低光纤的二氧化锗含量,优化界面材料的粘度匹配,大幅度降低光纤的光损耗。同时在芯周边引入折射率下凹的结构可以有效调节基模模场分布,大大提高了大有效面积光纤的抗弯曲损耗。

图5　超低损耗超大有效面积光纤的折射率剖面设计

图6　有效面积Aeff随波长变化关系曲线

3　光纤性能测试与试验结果分析

按照上述波导结构,我们采用CCVD(连续化学气相沉积)工艺完成了光纤预制棒的制造,在2 120℃的高温拉丝塔上,将光纤预制棒拉制成石英包层直径为125μm、涂层直径为245μm的石英玻璃光纤。该光纤的测试数据如表1所示。该光纤不仅损耗低于国际水平,而且Aeff大于当前国际商用水平的130μm2。同时,该光纤具备良好的抗弯曲能力,将光纤绕在弯曲半径为30 mm的芯轴上,弯曲100圈,测得光纤在1 550 nm的弯曲附加损耗为0.032 d B,在1 625 nm的弯曲附加损耗为0.093 dB,二者均优于当前国际技术水平。

表1　研制的光纤样品关键性能指标测试值

4　结束语

本文分析了400 Gbit/s通信系统调制格式及其对光纤的要求,得出损耗和非线性是影响未来高速光通信系统最为关键的因素的结论,然后设计了具备低损耗和大有效面积的光纤折射率剖面结构。采用CCVD工艺技术研制了超低损耗超大有效面积光纤,该光纤在1 550 nm波长的模场直径为13.96μm,有效面积为153μm2,1 550 nm波长的衰减为0.165 d B/km,1 625 nm波长的衰减为0.179 dB/km,并且具备优良的抗弯曲性能,关键技术指标优于当前国际技术水平。该新型光纤技术可望满足“宽带中国战略”基础设施建设对光纤的需求,为我国下一代高速光通信“提网速、降网费”提供关键的基础材料。

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光纤光缆技术与应用

Development of the Ultra-Low-Loss Super-Large-Area Optical Fibers for 400 Gbit/s Backbone Networks

CHEN Wei,YUAN Jian,HE Zuo-wei,Song Jun (Jiangsu Heng Tong Optical Fiber Technologies Co.Ltd.,Suzhou 215200,China)

Abstract:Loss and nonlinearity are the most critical factors affecting the performances of 100 Gbit/s optical communication systems.This letter designs and develops a novel single-mode fiber for 400 Gbit/s high-rate transmissions.With ultra-low-loss and super-large effective area characteristics,its attenuation coefficients are reduced to 0.165 dB/km at 1 550 nm and 0.179 dB/km at 1 625 nm respectively.The mode-field-diameter is 13.96μm at 1 550 nm,and the effective area is 153μm2. Moreover,this fiber has outstanding anti-bending performance and its key technological specifications are superior to the current international technological level and can provide the key fundamental material support to the next generation high-rate fiber-optic communications.

Key words:400 Gbit/s system;high-rate communication;ultra-low-loss optical fiber;large effective area fiber;large capacity

中图分类号:TN818

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0025-04

收稿日期:2015-10-13

基金项目:江苏省重点研发基金资助项目(BE2015078);姑苏创新基金资助项目(ZXL2014107)

作者简介:陈伟(1976-),男,湖北大悟人。教授级高工,博士,主要研究方向为光纤通信及光电子材料的研究与开发。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.008