新一代高速率、大容量、长距离传输光纤技术展望

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

新一代高速率、大容量、长距离传输光纤技术展望

胡明

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文结合超低损耗+大有效面积光纤的特点、性能及不同光纤之间的指标对比，阐述未来超长跨距、超远距离、超大容量陆地通信需要采用高品质因数（FoM）的光纤，且随着100 Gbit/s和400 Gbit/s甚至1 Tbit/s波分光通信技术的发展，衰耗小和大有效面积的光纤具有应用优势。

光通信；超低损耗+大有效面积光纤；传输

胡明教授级高级工程

师。中国移动通信集团设计院有限公司资深专家，中国通信学会会员。长期从事有线光缆通信线路工程的规划、咨询和设计，是省际骨干光缆线路总体组负责人。先后参与并完成省际骨干传送网光缆线路工程近50项，新建光缆线路全长约4万公里，获得国家级优秀工程设计金质奖1项、省部级奖项13项。获全国优秀通信设计工作者等多项荣誉。

1 引言

随着骨干网络带宽需求的不断增加，未来骨干网上采用400 Gbit/s或超400 Gbit/s相干光传输技术已经成为必然趋势。从技术演进角度，下一代传输系统对链路OSNR以及非线性要求更为严格；而另一方面我国目前干线网主要以普通G.652.D光纤为主，从20世纪90年代铺设到现在已经达到预期20～25年的使用寿命，今后几年将逐步面临着对主干网络进行升级换代的要求。考虑到干线网络光缆部署后需要保证20年左右的使用时间，且在该寿命区间内需能满足未来业务增长的需求，所以在进行下一代干线网络光纤的选择时，必须进行综合考虑未来带宽发展需求，兼容传输技术发展的方向，并且减少或降低运营和维护成本。

2 400 Gbit/s以及超400 Gbit/s传输对新型光纤的要求

基于目前现网部署和业务发展情况分析，业内预计在2017年前后将开始400 Gbit/s传输系统的实际部署和在线测试，而在下一代400 Gbit/s波分系统设计中，需要考虑以下几点：

光功率以及OSNR：主要涉及光纤链路损耗以及光放大技术的选型。

非线性：与系统入纤功率，色散以及光纤有效面积，码型调制技术直接相关。

色散：主要由光纤色散引入，传输速率越高色散越大，但相干光传输技术的引入，使色散不再成为瓶颈。

偏振模色散：主要由光纤和色散补偿模块引入，但相干光传输技术的引入，使偏振模色散也不再成为瓶颈。

具体而言，以表1数据为例，在400 Gbit/s传输技术上，基于相干光传输技术，通过引入灵活格栅WDM技术和奈奎斯特滤波，可以进一步将频谱宽度降低到50～100 GHz，频谱效率是现有100 Gbit/s系统的2～3倍，但其对OSNR的要求也相对于现有100 Gbit/s WMD系统更高，至少需要6 dB的余量才能满足400 Gbit/s传输技术的需要，这样就对光纤链路的衰减提出了更高的要求。

而对于光传输介质，在光纤传输过程中，由于入射到光纤单位面积上光强度过高时会引起一系列对传输不利的非线性效应，如自相位调制SPM，交叉相位调制XPM及四波混频FWM，从而引起脉冲畸变展宽或者产生新的频率分量， 这些都会导致接收端误码率BER超高，不利于信号接收和恢复。在由100 Gbit/s向400 Gbit/s传输的演进中，由于波道间隔，入纤功率，码型等影响，光纤抗非线性的能力将直接影响系统传输质量，所以400 Gbit/s系统对光纤的非线性要求也更高。

所以如上所述，基于未来400 Gbit/s以及超400 Gbit/s传输技术的演进要求，在技术上未来干线光纤链路需要进一步降低链路OSNR，并提高链路抗非线性的能力，也就是说从光纤性能角度，需要下一代干线光纤进一步降低光纤衰减系数，并增加光纤有效面积。

表1 不同容量、传输距离和码型的OSNR要求

3 降低光纤衰减和提高有效面积的技术

如图1所示，目前常规单模光纤的衰减由几部分组成，其中最主要部分是由瑞利散射造成。所以降低单模光纤的衰减实质，就是如何降低光纤的瑞利散射，进一步也就是如何降低瑞利散射系数。瑞利散射系数主要包括两部分，即浓度因子波动和密度因子波动，如图2所示。

降低浓度因子的最主要方法就是减少光纤芯层位置的掺杂，即减少单模光纤芯层位置的锗和氟掺杂，这也是目前超低衰减光纤核心制备技术“纯硅芯层”的主要出发点。另一方面，密度因子主要由光纤的虚拟温度决定，而虚拟温度主要受到两方面影响：退火速率主要受到光纤拉丝速度的影响，光纤拉丝速度越低，光纤退火时间越长，光纤衰减就越容易降低；光纤材料组分的匹配同样会影响光纤的虚拟温度，合理的材料粘度匹配和膨胀系数匹配可以降低光纤内部缺陷的产生，从而减少光纤衰减。需要注意的是，单纯的减少光纤芯层的掺杂，虽然会减少浓度因子影响，但很容易造成光纤其他部分玻璃材料同芯层玻璃材料之间的组分失配，增加密度因子，从而整体上提高瑞利散射系数，影响光纤衰减。所以从技术上，在制备超低衰减光纤时一般同时考虑降低浓度和密度因子的影响，并更关注浓度因子的降低，而低衰减光纤一般只采用单一方法降低光纤衰减。

另一方面，在提高光纤的抗非线性能力上，主要是通过光学剖面设计实现光纤的芯层有效面积增加。图3为常规单模G.652光纤剖面与几种典型大有效面积光纤剖面对比的示意图。相对于常规的单模G.652光纤剖面a，为了增加光纤的有效面积提高抗非线性能力，一般采取增加光纤芯层直径，降低光纤芯层折射率的方法。但是相关技术手段也会导致大有效面积光纤的弯曲性能显著恶化，所以在剖面设计中常会使用下陷内包层或匹配内包层来改进大有效面积光纤的弯曲性能。而如图3的b和c所示，超低衰减大有效面积光纤在采用纯硅芯设计的基础上，采用同样的方法增加光纤的有效面积，从而实现超低衰减与大有效面积两个性能的结合。d、 e和f为 3种典型的低衰减大有效面积光纤的剖面示意图，其中f为典型的低衰减大有效面积光纤设计，而d和e在芯层中心位置设计了一个下陷，这种结构使能量在芯层由高斯分布变为非高斯分布，更有利于光纤有效面积的增加。

a常规单模光纤； b和c超低衰减大有效面积光纤；d、e和f 3种不同的低衰减大有效面积光纤剖面设计。

图1 单模光纤衰减谱分解

图2 瑞利散射系数的组成和影响因素

图3 集中不同光纤剖面设计比较

4 几种干线光纤的光学参数及其性能比较

表2为现有以及未来干线光纤的参数指标对比。近年来，针对未来干线网络的具体需求，各主流光纤厂商纷纷发布了多种新型光纤产品，但总体上都是沿着降低衰减和提高有效面积的方向前进。比如低衰减G.652.D和超低衰减G.652.B两种光纤为低衰减方向产品；G.654光纤为大有效面积方向的典型产品。此外，目前针对未来陆地干线对超低衰减和大有效面积相结合的需求，ITU-T经过讨论，将在2016年底发布专门针对陆地干线应用的G.654.E光纤标准（如表3所示）。G.654.E标准针对陆地干线的特殊使用环境，相对于原有的G.654.B和D标准，新的G.654.E标准对光纤的弯曲性能提出了更严格的要求，并适当收紧MFD的范围以便其能够兼容现网干线G.652光纤。国际国内几个主流光纤厂商也均发布了符合G.654.E标准的超低衰减大有效面积光纤产品，从而在产品标准和光纤光缆产业链方面扫清了大有效面积产品在陆地应用最后的障碍。

表2 现有以及未来干线光纤的参数指标对比

如上所述，新一代干线光纤性能沿着更低衰减和更大有效面积两个方向同步发展，目前有多种产品可以进行选择，但如何定性和定量的衡量衰减和有效面积对系统的贡献？针对这个问题，业内提出FoM（Figure of Merit，光纤品质因数）这个参数。总的说来，FoM值越大越好，值越大，表明光纤指标越好，在链路中对传输的贡献越大。

表3 ITU-T G.654最新标准与超低衰减大有效面积光纤参数对比

对于相位调制相干接收的光纤传输系统，光信噪比（OSNR）可用公式1表示：

其中：OSNR为光信噪比，N表示跨段数，Pc波道入纤光功率，PASE为放大器自发辐射（ASE功率，PNLI为非线性干扰噪声功率。

上述影响系统OSNR的参数中，既有与传输系统设备有关的参数，又有与光纤非线性特性相关的光纤的参数。通过一系列公式推导，并以dB为单位表达，可确定系统OSNR由两部分构成：一是光纤品质因数，二是WDM传输设备相关的变量。那么，当终端设备参数相同的情况下，系统性能取决于光纤的FoM。

FoM定义解释及简化计算公式：

其中：所有参数值均在1 550 nm波长处，n2为非线性折射率，γ是非线性系数，Aeff是有效面积，Feff是有效长度，α(dB/km)是衰减系数，α是只与长度相关的衰减。

通过公式（2），我们可以定性地看出光纤品质因子（FoM）与光纤的有效面积正相关，与光纤的非线性系数以及衰减系数负相关。所以，改善光纤有效面积和衰减可以提升光传输系统的OSNR，改善系统性能。

目前不少光纤厂家，普遍采用FoM值的简化计算公量化有效面积及衰减对系统链路的贡献。

以段长75 km为例，常规G.652光纤（0.2 dB/km @1 550 nm，有效面积80μm2@1 550 nm）为参考光纤，理论上计算出不同衰减系数和不同有效面积的几类光纤的FoM值见表4。

从上述理论计算结果可以看出，超低衰减大有效面积光纤具有更大的有效面积、更低的衰耗系数，相比传统G.652光纤的FoM值更优，在75 km的跨段内可为传输系统带来大约3～5 dB的性能提升。

5 超低衰减大有效面积光纤的现网应用实验

2016年，中国移动首次在省际骨干京津济宁光缆线路上使用超低衰减大有效面积G.654.E光纤，新建光缆线路总长度约1 417 km。图4为光纤原始衰减以及成缆后衰减，相关测试结果表明超低损耗+大有效面积G.654光纤与普通G.652光纤有非常好的兼容性，其成缆以及熔接等施工工艺和常规G.652光纤一致，而光纤损耗比普通G.652.D光纤有0.035 dB/km以上的大幅降低。该光纤使用可以大大降低非线性效应影响，降低跨段损耗3～4 dB，为超长跨距、超长距离、超大容量陆地通信光缆提供解决方案。

表4 不同参数光纤品质因数比较表

图4 原始光纤衰减和成缆后光缆衰减对比(光纤2 100 Fkm，1 420 km光缆皮长)

6 结束语

随着下一代骨干传送网络朝着超大容量、超高速率方向的发展，目前n×100 Gbit/s波分系统已经大规模商用，400 Gbit/s波分系统也已开始现网试点测试，预计未来几年将出现的400 Gbit/s甚至1T商用波分系统，将需要采用更为复杂调制方式(16QAM)来提高频谱效率和降低单位比特成本，因此，系统对光缆的性能有更高的要求；新型的超低损耗+大有效面积光纤正好提供了相应的解决方案，对系统整体的传输性能带来巨大的改进。

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