大有效面积超低损耗新型光纤及其应用

高雄

中国电信股份有限公司江苏分公司

0 引言

近年来，随着物联网、数据中心和移动互联网的快速发展，骨干网络上的流量保持了持续快速的发展态势。根据思科公司可视化网络指数预测：2016年度全球IP流量为1.2ZB，月均96EB；而到2021年，全球IP流量将达到每年3.3ZB，月均278EB。未来5年，全球IP流量将增长近三倍，即从2005年到2021年将增长127倍。整体上看，从2016年到2021年，IP流量会以24%的复合年均增长率（CAGR）增长。中国互联网络信息中心的调查显示：截止2016年7月，我国互联网国际出口带宽已达7，974，779Mbps，半年增长率为20.1%。随着第五代移动通信（5G）商用在即，预计将会进一步推进网络流量的持续迅猛增长，这将使得骨干网络的建设和升级迎来较大的挑战。以中国移动为例，其已将骨干网的传输带宽从2014年的81Tbps增长到2016年的280Tbps。面临网络流量迅猛增长的趋势，预计光传送网和光缆网快速发展的总趋势将会继续保持较长一段时间。

目前，以单信道100Gbps基础的波分传输系统已经在通信运营商中广泛应用，业界关注的重点已经开始转移至400Gbps甚至更高速率系统的研究，从而实现网络容量进一步的拓展。目前已经提出多种方法向400Gbps乃至更高速率光传输系统迈进，其中包括双载波PM-16QAM、四载波PM-QPSK等，其中主流方式是双载波PM-16QAM。学术界和工业界一般认为：在超长距离和超大容量光通信系统中，可以引入更高阶调制方式来提高频谱的利用率，并借助低损耗的放大器来实现想要的传输距离。因此，传输光纤的低损耗和大有效面积面积性能如何进一步改进已经成为新一代光网络中的关键技术。本论文结合当前光网络的发展趋势，对于超低损耗和大有效面积光纤的原理、技术及应用进行了讨论，并对其在现网中的部署和演进进行了分析。

1 新一代光纤通信系统中对光纤的需求

1.1 超大容量光纤通信系统

自1966年高锟与Hockham共同提出了光纤可以作为通信传输媒介的想法以来，光纤通信系统的发展在短短数十年中取得了多次技术革新，单根光纤所支持的通信容量也获得了极大地提升。步入21世纪后，随着系统扩容的需要及器件水平的发展，相干光通信技术再度成为研究的热点。采用高频谱效率的幅度-相位联合调制格式并结合相干检测和前向纠错等技术手段，可以进一步提高单信道通信速率，使其从10Gbps量级提高到100Gbps量级，业界普遍认为到2020年左右，光纤通信系统的单信道速率能提高到400Gbps甚至1Tbps。

如图1所示，2016年的OFC会议中报道了单根光纤中分别采用高斯型DP-64APSK和DP-32QAM调制方案，在6375km和6800km距离上分别实现了34.9Tbps和33.3Tbps的传输总容量，其频谱效率可达8.3bps/Hz，是目前单根光纤中所获得的最高的频谱效率，其传输链路中采用的就是corning公司的EX3000超低损耗大有效面积面积新型光纤。

1.2 影响系统性能的光纤参数

传统的强度调制-直接检测光纤通信系统中，制约系统性能的主要参数包括光纤损耗、色散及非线性。对于长距离大容量传输系统而言，普遍使用掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼放大器（FRA）来代替中继器，因此光纤色散和非线性带来的信号失真便成为了主要问题。而引入相干光通信系统之后，色散导致的信号失真可以通过高速数字信号处理（DSP）实现完全补偿，系统性能的影响要素转而又成为损耗和非线性。对于相位调制相干接收的光纤传输系统而言，系统光信噪比 （OSNR）可以用公式（1）表示:

图1 2016年OFC会议中创纪录的实验系统图

上式中N为信道数，Pch为信道功率，PASE为ASE噪声等效功率，PNLI为非线性等效功率。由式（1）可见：影响系统OSNR的参数当中，既有与光纤的非线性特性相关的光纤参数，又有与系统相关的参数。引入光纤品质因数FOM（Figure of Merit）用以评价光纤性能，定义如下：

其中为非线性折射率，Leff是有效长度，Aeff是有效面积，α是损耗系数，下标中的ref代表参考光纤，L为光纤实际长度。由式（2）不难看出：光纤的有效面积与光纤品质因数（FOM）正相关，而的损耗系数以及非线性系数与FOM负相关。因此，增大光纤的有效面积和减小损耗能够提高系统的OSNR，从而改善系统的性能。考虑段长取75km为例，选用G.652光纤（有效面积80μm² 波长1550nm，损耗0.2dB/km@1550nm）作为参考光纤，可以从理论上计算出不同有效面积和损耗系数光纤的FOM值，见表1所示。

表1 不同光纤品质因数对比表

从上述结果能够看出，与传统的G.652光纤相比，超低损耗大有效面积光纤由于其FOM值的提高，可以给系统带来3～5dB左右的性能提升。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，图2给出了光纤的原始衰减和成缆后的衰减。相关的测试结果表明普通G.652光纤与超低损耗大有效面积G.654.E光纤有着非常好的兼容性，而且光纤的损耗与普通G.652.D光纤相比有着明显的优势，大约能够实现0.035dB/km的降低。使用该光纤能够大大降低非线性效应带来的影响，可以降低的跨段损耗约为3～4dB，这也为陆地超大容量和超长距离光纤通信系统给出了很好的选择。

2 大有效面积和超低损耗光纤关键技术

2.1 大有效面积光纤

（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纤，它使用OVD工艺制造，折射率分布如图3（a）所示。其有效面积大于80μm²，在1550nm波长处的损耗为0.21dB/km。从图3（b）可以看出在有效面积方面，LEAF与DSF的对比。并且该光纤与普通单模光纤SMF相比，其弯曲损耗只有SMF的一半。该光纤的零色散点略小于1550nm，它的色散斜率为0.1ps/（nm2.km），稍微大于SMF的0.07ps/（nm2.km）。在使用该光纤的时候，可以借助其大有效面积来改善非线性，从而能够使得入射功率提高约2dB。

图2 原始光纤衰减和成缆后光缆衰减对比图（光纤2100 km，1420 km光缆皮长）

图3 三角型LEAF光纤图

（2）基座型LEAF

日本富士通公司也推出了一款LEAF。如图4所示，它的芯径比较小，而且结构剖面也很简单。其模场直径可达到9.5μm，并且色散斜率小于0.l ps/（nm2.km）。其k值略大于0.94。

图4 基座型光纤的折射率剖面

（3）三包层型LEAF（梯型）

三包层型LEAF折射率剖面如图5所示。其中纤芯既可以是抛物线型，也能够是梯型。此光纤的有效面积逊色于环

（4）环型LEAF

环形光纤的剖面结构如图6（a）所示。从图6（b）可以看出，借助环形折射率剖面，LEAF的有效面积可以做到146μm²。它的色散斜率为0.09 ps/（nm2.km），并且弯曲直径为20mm的时候，弯曲损耗大约为6dBm，性能与普通的DSF相比要好很多。型光纤。但其优点是色散更加平坦一些，从而其在WDM传输系统里更显优势。

图5 三包层型LEAF光纤剖面

（5）双环型LEAF

如图7所示，双环型LEAF的有效面积可超出100μm²，并且其色散斜率为0.1 ps/（nm2.km），很有希望制造出色散更加平坦并且有效面积也十分大的光纤。

图6 环型LEAF光纤图

图7 双环型LEAF光纤剖面图

2.2 超低损耗光纤

超低损耗光纤可以基于G.652标准光纤制造，最大特点是使用了纯硅纤芯，在1550nm波长处的衰减值为0.17～0.18dB/km。这与普通G.652光纤的0.2dB/km指标相比，要低0.02～0.03dB/km，超低损耗G.652光纤的典型值为0.168dB/km。传统商用的超低损耗光纤多属于G.652B非低水峰光纤，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）的衰减很小。特别是在C波段的损耗系数几乎接近光纤理论衰减值，所以当前超低损耗光纤主要使用的是L波段和C波段以及拉曼放大常用的S波段等波长范围。在设备配置不变的前提下，超低损耗光纤比标准G.652光纤的传输距离更远，在接收端得到的信号强度更大和光信噪比更高。

超低损耗、纯硅芯单模光纤通过改进光纤预制棒的制造工艺和折射率，使得芯层中没有掺杂，减弱由于瑞利散射等损耗，从而可以进一步降低光纤的损耗。借助纯硅纤芯的技术，可以进一步将石英光纤的衰减降低至接近理论的最低值0.15dB/km。要想应用于陆上长途传输，光纤在具备低损耗的同时还需要与现有的G.652光纤兼容，因此已经商用的陆地传输超低损耗光纤采用的模场直径和有效面积均与传统G.652光纤一致，这给客户应用和工程施工都带来很多便利。

2.3 新型大有效面积和超低损耗光纤

国外一些制造商如日本住友和美国OFS、康宁都制造出了自己的低损耗大有效面积单模光纤。住友Z-Plus Fiber ULL光纤在1550nm处的有效面积为112μm²，Z-Plus Fiber 130 ULL的有效面积达到130μm²。康宁和OFS公司的产品甚至在1550 nm处的有效面积可以达到150μm²。国内亨通、烽火和长飞等企业也都制造出了各自的低损耗大有效面积单模光纤，亨通在国内首创开发出了UUA ULL大有效面积单模光纤和NGFCorn ULL单模光纤。从表2中可以看出，在损耗系数和有效面积方面，我国商用化的低损耗大有效面积单模光纤与国际企业商用化产品还是有一定差距的。

表2 国内外低损耗大有效面积单模光纤的关键指标对比表

针对未来陆地干线对大有效面积和超低衰减相结合的需求，经过ITU-T的讨论，2016年底发布了特地针对陆地干线的G.654.E光纤标准（如表3和4所示）。针对陆地干线特殊的使用环境，G.654.E标准相对于原有的G.654.B和D标准，它对光纤弯曲性能的要求更为严格，并且将MFD的范围适当收紧以便其可以兼容现有网络干线G.652光纤。国内外几个主流光纤制造商也都推出了符合G.654.E标准的超低衰减大有效面积光纤产品，使得大有效面积产品在光纤光缆产业链和产品标准方面扫清了在陆地上应用的最后障碍。

表3 现有及未来的干线光纤的参数指标表

表4 ITU-T G.654最新标准与超低衰减大有效面积光纤参数对比表

针对已经完成标准化的大有效面积与超低损耗特性结合起来的G.654.E光纤，各大光纤生产制造商都纷纷推出了新的产品，表5中给出了目前几种代表性的G.654E光纤。不难看出，多数新型光纤在1550nm处的损耗已经降到很低了，最低可至0.149dB/km，并且有效面积最大能做到150μm2（近乎普通单模光纤的两倍），对G.654.E光纤的未来发展提供了很好的支持。

表5 G.654.E新型光纤表

3 结束语

物联网、大数据和云计算等的应用推进了网络带宽需求的持续快速增长，光纤通信系统的传输容量需要不断进行提升以适应这些需求。目前主流的光纤通信系统正在从100Gbps向400Gbps乃至更高速率接口演进，广泛采用的相干光接收和软判决纠错码等技术方案都需要光纤链路具有较小的损耗和非线性系数。因此，开发和使用超低损耗和大有效面积光纤成为业界关注的热点。G.654E光纤同时具有极低的损耗和大有效面积，已经成为超大容量光纤通信系统首选的光纤型号。但其是否具有和G.652光纤一样的可靠性、稳定性以及较长的寿命，还需要进一步考察。