光纤损耗机理及优化策略

王 铮

（92429部队通信站，山东 青岛 266102）

0 引言

光纤通信作为当今发展最为迅猛的通信技术之一，以其优异的性能成为信息传播的主力军。随着通信需求急剧增加，系统设备井喷式更新，对传输载体提出了更高要求，光纤损耗问题作为制约光纤通信系统发展的重要因素，时刻影响着系统的稳定性和可靠性。因此，必须加强对光导纤维知识的学习和降损措施的研究，找寻最佳解决方案，将光纤通信的优势最大化。

1 光纤按照ITU-T建议分类

根据ITU-T规定，目前常用的单模光纤包括G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤、G.656光纤、G.657光纤等。

（1）G.652光纤。G.652光纤目前在我国的敷设率达到了70%，其零色散点位于1.3 μm窗口低损耗区，适用于1.31 μm和1.55 μm窗口工作。

（2）G.653光纤。G.653光纤最小衰减窗口为1.55 μm，在此窗口工作时，衰减和色散两个性能达到最佳。

（3）G.654光纤。G.654光纤采用纯SiO_2纤芯来降低损耗，在1.55 μm波长损耗最小，用于长距离的海底光缆系统。

（4）G.655光纤。由于G.653光纤在1.55 μm波长处色散为零，不同波长相互作用后产生四波混频，影响系统性能，不利于多波长传输的WDM系统。经研究表明，如果光纤中存在轻微色散，FWM干扰会减少，根据这一发现，研制出G.655光纤，将零色散点移至1570 nm以上，消减色散效应和四波混频效应。

（5）G.656光纤。G.656光纤在1460～1624 nm波长范围内具有大于非零值的正色散系数值，能有效抑制WDM系统的非线性效应。与G.652和G.655光纤相比，支持更小的色散系数和更宽的工作波长。

（6）G.657光纤。G.657光纤是为实现FTTH目标，特别研制的一种光纤，其曲率半径不足G.652光纤的一半。

2 光纤的损耗机理及衰减系数

2.1 光纤的损耗机理

光纤损耗是指因光纤中某些物质或因某种原因，导致光信号无法完全通过。当光穿过光纤时，强度发生弱化。光纤的损耗是制约光传输系统性能指标的关键参数，计算方法如下：

造成光纤传输损耗的因素很多，主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗三种。

（1）吸收损耗。光纤制造材料本身可吸收光能，属于石英光纤的固有属性，人为无法干预。吸收损耗分为以下三种。

①紫外吸收：光纤中传输的光子流将低能级电子激发到高能级，其中的能量将被电子吸收，造成了入射光的能量损耗。

②红外吸收：红外区材料分子震动，光波与光纤晶格互相作用，吸收能量，引起损耗。在波长等于1.55 μm时，红外吸收造成的损耗小于0.01 dB/km。

③杂质吸收：经研究表明，氢氧根作为石英光纤的吸收源之一，在0.95 μm、1.39 μm、1.24 μm处存在三个吸收峰。在石英玻璃中还含有铁离子、铜离子、锰离子、镍离子等金属杂质，在光照射下，这些杂质吸收光能，造成能量损耗。

（2）散射损耗。任何材料的内部结构都不是完全均匀的，在光纤成纤过程中，温度达到2000℃以上，分子结构进行无规则运动，当光纤离开拉丝炉时，温度急剧下降，导致光纤内部应力得不到有效释放，造成折射率不均。当不均匀级别达到分子级别，在光波经过时，就会造成瑞利散射。

（3）弯曲损耗。弯曲损耗根据光纤弯曲半径分为宏弯损耗和微弯损耗。微弯损耗不可避免，随着光导纤维制造技术日趋成熟，已经可以把微弯损耗计算在光纤出厂时给出的总衰减中。

2.2 衰减系数

作为衡量光纤损耗的重要指标，衰减系数决定了光纤通信的中继距离，表示方式为稳定状态中一根均匀光纤在单位长度上的衰减，单位是dB/km。图1为光纤在不同波段的衰减特性。

图1 光纤在不同波段的衰减特性

3 降低光纤损耗的优化策略

3.1 超低损耗光纤的应用

随着光传送系统容量越来越大，速率越来越高，对光信号的信噪比提出了更高要求，传统的G.652光纤需使用大量中继设备延长通信距离。使用超低损耗光纤进行连接，则可以轻易达到提高OSNR，减少中继设备数量，节约系统建设成本的目的。在跨洋海底光缆系统中，复用段最远距离可达14 000 km以上，传统光纤难以胜任。200 Gbps、400 Gbps以及Tbps超高速传输作为未来通信的必然方向，超低损耗光纤的研制成为行业最迫切的需求。以长飞光纤光缆股份公司G.654E光纤产品为例，在陕北-湖北±800 kV特高压直流工程中，单跨距467 km无中继远距离传输得以实现。根据实验表明，G.654E光纤相较于G.652D光纤，链路衰减平均改善约0.02 dB/km，光缆自身衰减平均改善约0.02 dB/km,承载同速率系统时，OSNR（光信噪比）余量提升1.82～2.78 dB，入纤功率提升约1 dB。G.654E与G.652D在同等环境下，G.654E试验结论如表1所示[1]。

表1 G.654E光纤外场试验主要结论

3.2 光放大技术

传统光中继器对光信号采取O/E/O转换，导致网络臃肿，建设成本提高。光放大技术的飞速发展，使得光信号的中继放大有了更好的选择。光放大器主要有EDFA、PDFA、TDFA，SOA和FRA以及FBA布里渊放大器。目前EDFA和FRA已实用化。

在光纤制作中将铒离子掺入光纤芯中，采用泵浦光对光信号进行直接放大，提供光增益，是EDFA的工作方式。具体有同向泵浦、反向泵浦以及双向泵浦三种方式，如图2所示。三种泵浦方式性能比较如表2所示。

图2 EDFA三种泵浦方式连接示意图

表2 三种泵浦方式性能比较

EDFA的主要优点表现在高增益、低噪声、宽频带、低损耗。同时，EDFA也存在一些缺点：制造成本较高、饱和输出功率有限，如果要使输出功率进一步提升，需要使用铒镱共掺双包层光纤放大器来解决。

拉曼光纤放大器分为分立式RFA和分布式RFA。主要有以下3个优点：一是增益响应依赖泵浦光波长及其带宽，选用适合的泵浦光，就能实现任意波长的光信号放大；二是大量铺设的G.652和G.655光纤可作为增益介质，对光信号实行分布式放大；三是放大作用时间短，可对超短脉冲进行放大。在DWDM系统中使用分布式RFA，可在降低信号入射功率的同时维持适当的OSNR[2]。

光迅科技公司提出的拉曼增益锁定的方法及其拉曼光纤放大器的发明斩获了第21届中国专利奖银奖，成果指标达到国际领先水平。

3.3 色散补偿技术

光纤色散包括模式色散、材料色散、波导色散和偏振膜色散。本文重点介绍4种色散补偿方案。

3.3.1 偏振膜色散（PDM）补偿

在理想状态下，光信号沿光纤以相同速度传播，同时到达接收端，不存在正交偏振态速度差异产生群时延，导致极化色散的现象。由于工艺原因，纤芯截面不可避免地形成一定的椭圆度，加之成纤时残存的内部应力，导致光纤表现出双折射性，使得两个垂直分量之间产生传播延迟，引起信号脉冲展宽。经实践证明，偏振模色散的影响在10 Gbps以上码率传输时变得尤为突出，目前用于PDM补偿的方法概括起来分为电补偿、光补偿和光电补偿三种方法。华为公司在WDM 100Gbps传输系统中，采用偏振复用正交四进制相位调制结合相干接收和数字处理技术，在波分系统设计时，不再单独使用色散补偿模块（DCM），在电域进行偏振模色散补偿，来消除对色散补偿器和低PDM光纤的依赖。

3.3.2 色散补偿光纤DFC应用

作为针对现在广泛使用的G.652光纤而设计研制的单模光纤，G.652光纤在1550 nm波长处色散非零，并且具有正色散斜率，为达成传输目的，抑制色散效应，可在该波长区域加接具有负色散系数的光纤进行补偿。在制造DFC光纤时，光纤内径较小，提高相对折射率Δ，在1.55 μm处得到较大负色散，当两者级联时，正负色散被抵消。色散补偿条件如下，连接关系如图3所示。

图3 DCF应用图

式中，Dt（λ）为传输光纤在波长处的色散系数；Lt为传输光纤长度；Dc（λ）为色散补偿光纤在波长入处的色散系数；Lc为色散补偿光纤的长度

3.3.3 预啁啾技术PCH

光信号所含高频成分与低频成分传播速度不同，导致脉冲前沿与脉冲后端的高低频成分时延差越来越大，脉冲展宽也就越来越宽。在发送端引入和光纤本身因色散产生的相反啁啾，抵消光纤色散引起的啁啾。

3.3.4 光相位共轭（OPC）色散补偿

光学相位共轭主要是利用四波混频效应实现对光波阵面或位相的反转，获取信号光的共轭光，即相位共轭脉冲，在光纤链路后半段传输，用于补偿前半段的非线性损伤。常用的方案有前置补偿、后置补偿和对称补偿三种，经实验表明，采用对称补偿与OPC补偿方案相结合，可有效减小光纤非线性效应影响，获取最佳补偿效果[3]。

4 结束语

随着光纤通信技术的不断发展，光纤制造技术及功率降损成为不可忽视的重要问题，为了保证光纤通信系统稳定运行，有效降低光纤在传输中由于各种原因造成的损耗，本文深入分析了损耗成因以及降损策略，希望在设备选择、系统搭建、网络维护和故障排除中对相关专业人员有所启发。