新型光纖助力光網(wǎng)絡(luò)邁入400G時(shí)代

　　ICCSZ訊  近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、家庭寬帶、云計(jì)算、視頻、VR等業(yè)務(wù)快速發(fā)展，2016年我國(guó)4G用戶(hù)已經(jīng)超過(guò)5.5億，家庭寬帶用戶(hù)超過(guò)2.5億戶(hù)，此外市場(chǎng)廣闊的集團(tuán)客戶(hù)專(zhuān)線帶寬需求不斷增長(zhǎng)，為此運(yùn)營(yíng)商需要在光傳輸網(wǎng)上加快建設(shè)以滿(mǎn)足日益增加的帶寬需求。

　　光纖是通信產(chǎn)業(yè)繁榮的基石，所有通信業(yè)務(wù)的承載都離不開(kāi)這一最基礎(chǔ)的物理媒介。業(yè)務(wù)的發(fā)展促進(jìn)光傳輸網(wǎng)技術(shù)不斷變革，光傳輸容量和距離也在不斷刷新。目前超100G光傳輸系統(tǒng)受到傳輸距離的限制，新型光纖技術(shù)有望助力下一代光傳輸系統(tǒng)升級(jí)換代。

　　新型光纖有助于延長(zhǎng)400G系統(tǒng)傳輸距離

　　光傳輸系統(tǒng)需要保持系統(tǒng)容量和傳輸距離之間的平衡，在長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)中，普遍采用高階調(diào)制方式提高頻譜利用率，同時(shí)通過(guò)低損耗、新型放大器等方法來(lái)保持所需的傳輸距離。

　　目前400G光傳輸系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括四載波PM-QPSK、雙載波PM-16QAM等。其中雙載波PM-16QAM為業(yè)界的主流實(shí)現(xiàn)方式，PM-16QAM調(diào)制格式系統(tǒng)和PM-QPSK調(diào)制格式系統(tǒng)相比，具有更高的頻譜效率。理論上，PM-16QAM的背靠背OSNR容限比PM-QPSK差約6.7dB，因此PM-16QAM的傳輸距離不到PM-QPSK的四分之一。一方面設(shè)備廠家正在研究更高階的FEC技術(shù)和新型放大技術(shù)(如拉曼放大器)提高系統(tǒng)OSNR，提升系統(tǒng)傳輸距離;另一方面，作為系統(tǒng)傳輸?shù)奈锢韺用浇椋?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e6%96%b0%e5%9e%8b%e5%85%89%e7%ba%a4&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">新型光纖也能提升系統(tǒng)OSNR，滿(mǎn)足400G系統(tǒng)長(zhǎng)距傳輸?shù)男枨蟆?/p>

　　在400G系統(tǒng)無(wú)電中繼傳輸距離達(dá)到1000km的場(chǎng)景中，根據(jù)骨干網(wǎng)光纜現(xiàn)狀和400G PM-16QAM傳輸系統(tǒng)的性能，如果使用普通的EDFA放大器，則需要光纖的損耗達(dá)到0.14dB/km，目前的光纖技術(shù)達(dá)不到這樣的損耗。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面積光纖，則需要光纖的損耗達(dá)到0.153dB/km，目前的光纖技術(shù)也達(dá)不到這樣的損耗。如果使用拉曼放大器，則需要光纖的損耗達(dá)到0.17dB/km。如果使用拉曼放大器加上大有效面積光纖，光纖的損耗可以放寬到0.183dB/km。

　　在400G系統(tǒng)無(wú)電中繼傳輸距離為600km的場(chǎng)景中，如果使用普通的EDFA放大器，則需要光纖的損耗達(dá)到0.165dB/km，超低損光纖基本能夠滿(mǎn)足性能要求。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面積光纖，則需要光纖的損耗達(dá)到0.178dB/km。如果使用拉曼放大器，則需要光纖的損耗放寬到0.195dB/km。

　　為了評(píng)估100G和400G傳輸系統(tǒng)在新型光纖上的傳輸性能，早在2014年，中國(guó)移動(dòng)便在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室中，100G和400G信號(hào)分別在G.652、超低損光纖和大有效面積光纖上進(jìn)行傳輸性能測(cè)試：超低損光纖熔接后的損耗為0.175dB/km，大有效面積光纖熔接后的損耗為0.165dB/km。

　　系統(tǒng)方面，100G系統(tǒng)采用PM-QPSK調(diào)制格式，400G系統(tǒng)采用雙載波的PM-16QAM調(diào)制格式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論分析，采用PM-QPSK調(diào)制格式的100G系統(tǒng)的背靠背OSNR容限約為10dB，能夠在G.652光纖上傳輸約3000km(5dB OSNR余量);采用PM-16QAM調(diào)制格式的400G系統(tǒng)的背靠背OSNR容限約為18.5dB，能夠在G.652光纖上傳輸約450km(5dB OSNR余量)，測(cè)試性能結(jié)果如表1所示。對(duì)于超低損光纖和大有效面積光纖，400G的傳輸距離可以被延長(zhǎng)到約600km和900km(5dB OSNR余量)。因此超低損光纖和大有效面積光纖對(duì)于延長(zhǎng)400G系統(tǒng)的傳輸距離幫助非常大。

表1 100G和400G傳輸性能比較

　　新型光纖技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1970年光纖損耗做到了20dB/km，到今天，光纖損耗可以突破到0.146dB/km。近期對(duì)新型光纖技術(shù)的關(guān)注主要集中在低損光纖LL(low loss)、超低損光纖ULL(ultra low loss)和大有效面積光纖LEAF(large effective area fiber)3類(lèi)，如圖 所示。普通G.652光纖的纖芯材料為摻鍺二氧化硅，有效面積為85μm2，典型損耗為0.19～0.20dB/km。低損光纖的纖芯材料也是摻鍺二氧化硅，有效面積為85μm2，典型損耗為0.185dB/km。超低損光纖的纖芯材料為純二氧化硅，通過(guò)純二氧化硅來(lái)降低損耗，有效面積為85μm2，典型損耗為0.17dB/km。大有效面積光纖的有效面積為110～130μm2，典型損耗可以降低到0.16dB/km以下。

圖 新型光纖截面圖

　　低損耗G.652光纖(low loss fiber,LL)和普通G.652光纖區(qū)別不大，纖芯由摻鍺的二氧化硅制成。低損耗單模光纖不改變現(xiàn)有G.652D光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其工藝主要是通過(guò)改善光纖內(nèi)部的應(yīng)力,從而優(yōu)化瑞利散射來(lái)降低損耗。超低損耗、純硅芯單模光纖是通過(guò)改進(jìn)光纖的折射率和制造工藝，在芯層中沒(méi)有摻雜鍺元素，減小了瑞利散射損耗，進(jìn)一步降低了光纖損耗;大有效面積單模光纖在低損、超低損光纖的技術(shù)上，再通過(guò)增加光纖的模場(chǎng)直徑、調(diào)整折射率差來(lái)實(shí)現(xiàn)較大的有效面積，兼有低損耗并能抑制光纖非線性效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

　　摻鍺纖芯的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和純SiO2纖芯單模光纖在折射率分布上有明顯的區(qū)別。為了保持纖芯和包層直接的折射率差，需要降低包層的折射率，這主要通過(guò)在包層中摻雜氟等元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)純硅纖芯的技術(shù)，石英光纖的衰減可以進(jìn)一步降低到理論的最低值0.15dB/km。應(yīng)用于陸上長(zhǎng)途傳輸?shù)某蛽p光纖，在降低衰減的同時(shí)還需要考慮和現(xiàn)有大量鋪設(shè)的G.652光纖兼容，采用與傳統(tǒng)G.652光纖一致的有效面積和模場(chǎng)直徑，給工程施工和客戶(hù)應(yīng)用帶來(lái)便利。

　　超低損光纖呈現(xiàn)兩大發(fā)展趨勢(shì)

　　超低損耗光纖的傳輸性能已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試得到了驗(yàn)證，并且在國(guó)家電網(wǎng)及國(guó)外運(yùn)營(yíng)商規(guī)模使用，產(chǎn)品的可靠性和優(yōu)異的衰減特性得到充分驗(yàn)證。為了更好地滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模應(yīng)用，助力400G系統(tǒng)的部署。超低損光纖主要有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

　　● 光纖衰減進(jìn)一步降低：隨著預(yù)制棒制造技術(shù)和拉絲技術(shù)的不斷進(jìn)步，ULL光纖的衰減可以從現(xiàn)在的0.17dB/km繼續(xù)降低到0.16dB/km。光纖衰減越低，跨段損耗越小，可以提升更多的OSNR，幫助系統(tǒng)傳輸更遠(yuǎn)的距離。

　　● 光纖成本進(jìn)一步優(yōu)化：目前超低損耗光纖由于采用純硅纖芯技術(shù)，光纖價(jià)格較高，是普通G.652光纖的3～4倍，是G.655光纖的1.5倍左右。隨著工藝的改進(jìn)，供應(yīng)商的增加和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，超低損耗光纖的成本和價(jià)格也會(huì)不斷降低。

　　另外，光纜工程的投資大部分是施工、管道租賃等費(fèi)用，光纖在整個(gè)光纜工程中的投資占比較小，但對(duì)于提升傳輸系統(tǒng)意義重大。采用性能優(yōu)異的光纖，可以延長(zhǎng)光復(fù)用段的傳輸距離，減少系統(tǒng)設(shè)備的投資。

　　對(duì)于大有效面積光纖，能夠有效降低非線性效應(yīng)帶來(lái)的系統(tǒng)損傷，可以提高400G系統(tǒng)的OSNR，延長(zhǎng)傳輸距離，但考慮到工程中使用大有效面積光纖與常規(guī)光纖的對(duì)接，存在成纜和熔接，以及工程施工帶來(lái)的附加損耗，實(shí)際傳輸效果需要通過(guò)實(shí)際工程進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

　　超低損光纖的應(yīng)用主要和其延伸傳輸距離的功效密不可分，近期可以在以下場(chǎng)景中使用:

　　● 400G在一些場(chǎng)景傳輸距離不足，新型超低損光纖可以增加400G的傳輸距離。

　　● 新型超低損光纖還有望用于長(zhǎng)距離直達(dá)鏈路。以從北京到廣州為例，如果鋪設(shè)超低損光纖，則有望用100G光傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3000km的直達(dá)鏈路而不需要電再生。

　　● 此外，遠(yuǎn)期還可以用于光電混合交叉場(chǎng)景。由于光交叉不能進(jìn)行信號(hào)電再生，所以需要通過(guò)新型低損耗光纖延長(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離。

　　小結(jié)

　　升級(jí)光纖、光放大器等基礎(chǔ)資源是增加400G系統(tǒng)傳輸距離的有效手段。其中骨干光纜敷設(shè)成本巨大，需要提前2～3年統(tǒng)一規(guī)劃。雖然超低損光纖自身成本較高，但是隨之帶來(lái)傳輸距離的增加和中繼節(jié)點(diǎn)的減少，能夠使系統(tǒng)總成本大幅降低。超低損耗光纖是未來(lái)干線傳輸系統(tǒng)演進(jìn)的根基，可提前做好布局和準(zhǔn)備，隨著超低損耗光纖應(yīng)用的擴(kuò)大和更多廠家對(duì)研發(fā)的投入，超低損耗光纖的產(chǎn)業(yè)鏈日趨強(qiáng)大，規(guī)模應(yīng)用指日可待。