浅谈下一代传输光纤

关键词：下一代传输光纤，低衰减光纤，超低衰减光纤，低衰减大有效面积光纤，超低衰减大有效面积光纤

一、引言
        随着我们国民经济的飞速发展，我国互联网流量基本上以每年40%的速度增加，远远超过目前我们光传输网络容量增加的速度，而单模光纤传输容量将逐步接近香农极限，预计在2020年前后单模光纤将达到传输极限。
        我国目前干线网主要以普通G.652.D光纤为主，从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，所以在进行干线网络光纤的选择时，必须进行综合考虑：首先要保证未来带宽的需求，其次干线光纤必须兼容未来传输技术发展的方向，可以减少或降低运营和维护成本。
        而随着近年来光纤制备技术的飞速发展，各个主流厂家纷纷推出了各自的新型光纤产品，概括而言，主要包括以下几种产品：
        1、其中低衰减光纤是在原有芯棒或拉丝工艺基础上通过工艺改进，降低传输窗口位置的衰减，即衰减≤0.32dB/km@1310nm，≤0.18dB/km@1550nm，基本上是一种由普通G.6542向超低衰减光纤发展的过渡类型光纤。
        2、超低衰减光纤：其兼容G.652.B标准，通过全新的工艺设计，极大的降低光纤的衰减，体现了未来光纤向更低衰减方向发展的趋势。
        3、低衰减大有效面积光纤：兼容G.654.B或D标准，有效面积达到110μm²或更高，其结合低衰减（≤0.18dB/km@1550nm）和大有效面积的特点，通过显著降低光纤非线性效应，可以有效的改善传输质量，提高传输容量和距离。
        4、超低衰减大有效面积光纤：兼容G.654.B或D标准，有效面积达到110m²或更高，衰减≤0.17dB/km@1550nm，其同时满足未来技术在有效面积和超低衰减方面要求，是未来光纤发展方向的最终目标。
长飞光纤光缆股份有限公司是一家国际领先的光纤光缆制造企业，并一直致力于开发支持下一代通信系统的光纤光缆新型产品和技术解决方案，目前长飞公司已经开发出了上述几种光纤（低衰减光纤：Fullband^® Plus；超低衰减光纤：Fullband^TM Ultra；低衰减大有效面积光纤：Farband^®；超低衰减大有效面积光纤：Farband^TMUltra），其典型参数如表1所示。结合目前长飞光纤的产品性能和特点，简要探讨一下未来干线网络传输光纤光缆的发展趋势，以及这几种光纤在下一代传输系统中的应用前景。

指标	波长	G.652.D光纤	低衰减光纤	超低衰减光纤	低衰减大有效面积光纤		超低衰减大有效面积光纤
模场直径典型值[µm]	1310nm	9.2	9.2	9.1	/	/	/
	1550nm	10.2	10.2	10.1	11.6	12.5	11.8
衰减[dB/km]	1310nm	≤0.34	≤0.32	≤0.30	≤0.32		≤0.30
	1550nm	≤0.2	≤0.18	≤0.17	≤0.18		≤0.17
色散@1550nm [ps/（nm*km）]	1550nm	≤18	≤18	≤18	≤21	≤22	≤21
典型有效面积[μm2]	1550nm	80	80	80	110	130	110

二、下一代传输网络的特点
        自2010年开始，100G速率传输技术使得接收端的相干通信的研究技术重新得到重视，发送端采用PDM-QPSK和相干接收及DSP信号处理的方式是100G技术普遍采用的方式，2013年长途骨干网已经正式进入商用，100G模块和器件发展也非常迅速，容量不断提升的需求使得传输速率需要不断提升，如今400G工作组也基本确定了400G速率的相关标准，更高传输速率的通信技术均在研究探讨中。下一代干线网络的特点是支持100G及超100G高速率、高容量及高频谱效率、长距离的传输。光纤作为底层支持光传输的物理介质，可以克服传输技术领域最根本的物理限制。

三、下一代传输光纤的特点
        而为了应对系统传输速率不断提升，而对于运营商来说，开通和建设网络均要考虑以后网络升级和满足一次施工支持20年的使用。对网络设施变动小，保证100G和400G，并面向更高传输速率，如1T。并且由于相干传输技术的出现，色散和偏振模PMD将不是限制传输的主要问题，非线性效应和链路衰减成为长距离最主要的限制因素。
        1、降低光纤的衰减
        均匀跨段（N*LdB）WDM系统的OSNR计算公式为： ，其中NF是噪声指数。当光纤衰减从普通G.652.D光纤的0.2dB/km降低到超低衰减范围0.17dB/km，在入纤功率不变的情况下，当跨段损耗L减少3dB，等效 增加3dB，相当于跨段数变成2N+2，等效传输距离延长100%；若跨段数不变，单个跨段的损耗减少3dB，相当于跨段传输距离可延长3/0.17dB/km=17km，约17%。
        显然，当可以延长单跨段传输距离时，可以大大减小传输链路中中继站的数量，降低了建设和运营成本。
        2、增加光纤的有效面积
        当光纤传输过程中，光纤单位面积上入纤光功率超过一定的强度，就会造成非线性效，随着传输距离的增加，非线性效应也会不断累加而严重，增加光纤的有效面积是降低非线性效应的最根本方法。经实验和理论知，通过增大有效面积降低高速信号传输的非线性效应通过超低损耗减少了光放大器引非线性效应，通过超低损耗减少了光放大器引入的ASE噪声积累，相同距离链路的新型单模光纤带给系统增益6dB以上。
        3、目前下一代传输光纤的几个备选方案
        目前业内比较主流的方法是使用品质因素FOM（Figure of Merit）值作为评价光纤的一个非常重要的参数指标。光纤的FOM其计算公式如下（公式1、2、3）：        （2）                                  （3）
        以普通G.652光纤为参考光纤，当段长取100km时，FOM值计算情况如表2：

Fiber	ATT	Aeff	FOM
标准G.652光纤（Ref）	0.2	80
低衰减光纤	0.18	80	1.6
超低衰减光纤	0.17	80	2.3
低衰减大有效面积光纤	0.18	110	2.7
低衰减大有效面积光纤	0.18	130	3.3
超低衰减大有效面积光纤	0.16	110	5.7
超低衰减大有效面积光纤	0.17	110	4.9

        对于未来干线光缆必须同时兼顾超低衰减和大有效面积两方面特性的最终方向，业内的观点是比较统一的。但对于骨干网光纤全面升级到下一代时，前期业内主要讨论的是，如图1所示路线1和2的两条分两步走的演进路线，前者具有性能和兼容性优势，后者非线性容限大。但是对于干线光缆光纤，路线1和2必然面临中间的一次升级换代，无论是从施工和维护，还是光缆更新，都显然增加了整体成本。如果把两步走合并，直接从现有G.652光纤直接进化到超低衰减大有效面积光纤，减少了中间的一次过渡，无论从整体成本上，还是技术演进上来讲，显然都是最优方案。

四、结论
        目前光纤通信系统传输速率正从100G在向超100G速率演进，对于干线网络，一旦部署就必须保证20-25年的使用寿命，且在使用寿命周期中，必须满足系统传输容量和传输技术的升级，所以对于干线网络使用的光纤，必须同时考虑衰减和有效面积两方面因素，从这两个因素全面评估几种类型的光纤在未来干线传输网络的应用前景：
        第一，低衰减光纤在衰减性能上改进不大，有效面积未增加，在高速率传输系统中，高阶调制信号依然对非线性效应非常敏感，必然受到较大限制。
        第二，超低衰减光纤兼容现有网络光纤（G.652），且衰减有明显的降低，可以在一定程度上延长光传输距离，但其有效面积较现有G.652光纤没有增加，但需要考虑到干线光缆部署后20-25年的使用寿命期间，相关传输技术发展对有效面积提出更严更要求的问题。总体上来讲，其是100G和400G光传输技术的可选方案之一。
        第三，低衰减大有效面积较普通G.652及低损耗非线性在一定程度上得到了改善；据相关文献描述，奈奎斯特WDM1.2Tb/s系统中传输2000km后，大有效面积光纤与超低衰减光纤的传输性能相当，也代表着未来干线未来升级方向的一种选择。
        第四，超低衰减大有效面积光纤将有效面积增加到110μm²，有效面积的增加可以显著降低非线性效应，允许高发送功率并有效提高输出端光信噪比OSNR，并且对衰减也做了巨大的改进。以未来技术发展趋势来看，在衰减和有效面积两个方向选择上，都具有显著优势，超低衰减大有效面积光纤无疑是下一代干线传输光纤的最优选择。