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用戶已經(jīng)超過(guò)5.5億，家庭寬帶用戶超過(guò)2.5億戶，此外市場(chǎng)廣闊的集團(tuán)客戶專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)奈锢韺用浇椋滦凸饫w也能提升系統(tǒng)OSNR，滿足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，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，給工程施工和客戶應(yīng)用帶來(lái)便利。
