低損耗大有效面積光纖在新一代海纜系統(tǒng)中的應(yīng)用

白新宇，高軍詩

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 海底光纜發(fā)展簡介

國際海底光纜網(wǎng)絡(luò)是國際通信的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)的主要承載方式，具有大容量、長距離、高可靠性等特點(diǎn)。自從20世紀(jì)80年代第一套海底光纜系統(tǒng)開通以來，光傳輸技術(shù)的不斷革新一直驅(qū)動著海底光纜及光纖技術(shù)的演進(jìn)。

最早的海纜系統(tǒng)采用SDH設(shè)備，海底光纜采用常規(guī)的G.652光纖，工作在1 310 nm窗口。隨后為了追求更低的線路損耗，人們將G.652光纖的工作波長遷移到1 550 nm窗口，使光纖的衰減大為降低，海纜系統(tǒng)的中繼距離得以提升。

到了20世紀(jì)90年代中后期至本世紀(jì)初，隨著摻餌光纖放大器（EDFA）以及密集波分技術(shù)（DWDM）的相繼出現(xiàn)，N×10 Gbit/s DWDM傳輸技術(shù)逐漸成為主流，海纜系統(tǒng)的建設(shè)不再僅以降低衰耗為唯一目標(biāo)，而是從衰耗、色散和非線性3個方面綜合考慮。非零色散位移、大有效面積光纖逐步引入了海底光纜系統(tǒng)。通過在不同跨段分別配置使用正、負(fù)色散的光纖來實(shí)現(xiàn)在線色散補(bǔ)償。

隨著光再生距離需求的不斷提升，在一些海纜系統(tǒng)中出現(xiàn)了混合光纖配置方式，即在一個跨段內(nèi)發(fā)端采用大有效面積的光纖，收端采用小有效面積的光纖，兩種光纖以一定比例組合，形成混合光纖光放段。這種配置方式能夠保持入射端的大有效面積，提升入纖光功率，光再生距離相比上一種方式可提升50%左右。

隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，海纜系統(tǒng)中又出現(xiàn)了一種特殊的混合光纖，即色散管理光纖（DMF，Dispersion Managed Fiber）。DMF光纖在跨段發(fā)端采用的大有效面積、正色散系數(shù)光纖，而在收端采用小有效面積、負(fù)色散系數(shù)光纖。通過跨段內(nèi)正、負(fù)色散值光纖的配置比例對光線路色散進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)色散及色散斜率的在線補(bǔ)償，可將整個跨段保持在一個低色散殘余的水平。采用DMF光纖可以使海纜系統(tǒng)的光再生距離達(dá)到上萬公里。

近兩三年來，隨著全球互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)爆炸式的增長，人們對帶寬需求不斷增加，100 Gbit/s傳輸速率的波分系統(tǒng)已逐漸成為電信運(yùn)營商骨干光網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)。目前,籌建的新一代海纜系統(tǒng)基本考慮采用N×100 Gbit/s DWDM技術(shù)。隨著傳輸速率的提升，傳輸系統(tǒng)對光纖網(wǎng)絡(luò)的光信噪比(OSNR)，光纖色散(CD)，偏振模色散(PMD)和非線性等指標(biāo)要求越來越高。愈發(fā)苛刻的性能要求使得低損耗大有效面積光纖應(yīng)運(yùn)而生。

2 新一代海纜系統(tǒng)對光纖的要求

光纖技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上就是對光纖損耗、色散、偏振模色散、非線性系數(shù)等參數(shù)指標(biāo)的不斷完善，使之與傳輸設(shè)備技術(shù)之間達(dá)到匹配與平衡。與傳統(tǒng)的N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)相比較，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)的OSNR指標(biāo)要求提高了10 dB、PMD容限減小12倍、CD容限減小64倍。為此N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)引入了相干接收、基于相位和極化調(diào)制的線路調(diào)制編碼（PDM-QPSK）以及數(shù)字信號處理（DSP）、軟判決前向糾錯（FEC）等先進(jìn)技術(shù)。在這些技術(shù)的支持下，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)具有色散補(bǔ)償和偏振模色散補(bǔ)償?shù)哪芰?，極大地克服了光纖鏈路色散導(dǎo)致的傳輸距離限制，在一定程度上降低了系統(tǒng)對光纖的要求。但即便如此，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)的OSNR要求仍然高于以往系統(tǒng)，而系統(tǒng)的OSNR直接決定了傳輸系統(tǒng)中信號的無電中繼傳輸距離，同時由于入纖光功率的提升，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)對非線性效應(yīng)相比以往系統(tǒng)更加敏感。因此，新型光纖的研究重點(diǎn)放在了降低光纖損耗和抑制非線性效應(yīng)上。

光纖損耗主要來自于光纖材料的瑞利散射損耗和吸收損耗這兩個部分。目前廣泛使用的光纖基本上都是通過在纖芯中摻雜鍺（Ge）元素的方式來提高纖芯的折射率，從而和純二氧化硅（SiO2）的包層材料間形成折射率差，以保證入射光在單模光纖中以全反射的方式傳播。但纖芯中摻入的GeO2等金屬氧化物恰恰會導(dǎo)致瑞利散射損耗的增加，同時氧化物的摻入破壞了光纖在氫（H）元素和Y-射線輻射環(huán)境中的穩(wěn)定性，因此摻鍺光纖的衰耗系數(shù)在到達(dá)0.19 dB/km之后很難再進(jìn)一步降低。研究表明，使用純硅元素制作的纖芯去除了傳統(tǒng)纖芯中的雜質(zhì)，可以有效的減少瑞利散射導(dǎo)致的衰減。同時，為了保持纖芯和包層之間的折射率差，可以通過在包層中摻雜氟等元素降低包層的折射率來實(shí)現(xiàn)。這種光纖就是純硅芯單模光纖（PSCF，Pure Silicon Core Fiber），目前純硅芯光纖的衰減可下降到0.16 dB/km左右。

對于降低非線性效應(yīng)方面，經(jīng)過長期的探索，人們發(fā)現(xiàn)增大光纖有效面積可以提高光纖對非線性效應(yīng)的抑制能力。光纖的有效面積（Aeff）指的是光纖中承載光信號的圓柱形光柱的截面積，有效面積越大，入纖光功率的強(qiáng)度就會越低。大有效面積光纖的非線性系數(shù)可降低至常規(guī)單模光纖的25%～50%。但有效面積的增大會導(dǎo)致色散斜率的升高，而N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)所采用的相干檢測和電色散補(bǔ)償技術(shù)使得系統(tǒng)的色散容限很大，可以忽略有效面積增加所帶來的色散的影響。

因此，對于N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)而言，最佳的選擇是低損耗和大有效面積的光纖，既降低了光纖的非線性效應(yīng)，又能有效提高系統(tǒng)的OSNR。

3 低損耗大有效面積光纖對海纜系統(tǒng)性能的提升

光纖對傳輸系統(tǒng)性能的影響可以直接體現(xiàn)在對光信噪比（OSNR）的改善上。根據(jù)ITU-T G.692給出的OSNR 計算公式 ：OSNRout=Pch/(S·Pph·NF·Nspans)。其中：OSNRout為光信噪比，Pch為入纖光功率，S是再生段的衰耗，Pph為放大器自發(fā)輻射（ASE）噪聲，NF為放大器的噪聲系數(shù)，Nspans為系統(tǒng)跨段數(shù)目。上述影響系統(tǒng)OSNR的系數(shù)中與光纖相關(guān)參數(shù)有2個，分別是Pch和S。其中，Pch∝Aeff/n2，Aeff表示光纖的有效面積、n2表示光纖的非線性系數(shù)；S∝Att，Att表示該段光纖的衰減系數(shù)。

通過分析上述公式，我們可以定性的看出光傳輸系統(tǒng)OSNR與光纖的有效面積成正比，與光纖的非線性系數(shù)以及衰減系數(shù)成反比。低損耗大有效面積光纖一方面增大了光纖的有效面積，另一方面降低了光纖的衰耗系數(shù)，這兩點(diǎn)改善均有利于提升光傳輸系統(tǒng)的OSNR，改善系統(tǒng)性能。

在實(shí)際工程中，我們常常使用光纖品質(zhì)因數(shù)（FoM，F(xiàn)igure of Merit）來比較不同類型的光纖對傳輸系統(tǒng)性能提升的能力高低。FoM的計算公式如下：

其中 ：Aeff、n2、Att、Leff分別表示測試光纖的有效面積、非線性系數(shù)、衰減系數(shù)以及光纖長度；而帶有ref角標(biāo)的參數(shù)表示參考光纖的相應(yīng)指標(biāo)。

從上述公式可以看出，F(xiàn)oM是一個相對數(shù)值。當(dāng)測試光纖與參考光纖的長度以及非線性系數(shù)一致時，上述公式可以簡化為如下形式：

此時，F(xiàn)oM數(shù)值只與光纖的有效面積、跨段衰耗相關(guān)。以傳統(tǒng)的G.652光纖為參考光纖，其有效面積按72μm2、衰減系數(shù)按0.20 dB/km的典型值計取，并分別以50 km、75 km和100 km作為單跨段距離測算。測試光纖選用第一代低損耗大有效面積光纖時，其有效面積約為110μm2、衰減系數(shù)約為0.18 dB/km，則FoM=10lg(110/72)-(0.18-0.20)×(50 or 75 or 100)=2.8/3.3/3.8 dB。這就說明第一代低損耗大有效面積光纖相比于傳統(tǒng)G.652光纖在單跨段為50/75/100 km時，對光傳輸系統(tǒng)的OSNR性能分別提升2.8/3.3/3.8 dB。

目前第二代低損耗大有效面積光纖已經(jīng)問世，有效面積可達(dá)到150μm2，衰減系數(shù)降低至0.16 dB/km，仍以50 km、75 km和100 km作為單跨段距離測算，第二代光纖相比第一代光纖的FoM=10lg(150/110)-(0.16-0.18)×(50 or 75 or 100)=2.3/2.8/3.3 dB。這一數(shù)據(jù)表明第二代低損耗大有效面積光纖相比第一代光纖對光傳輸?shù)南到y(tǒng)性能又提升了2～3 dB。而隨著未來光纖有效面積的增大以及衰耗系數(shù)的降低，光纖對傳輸系統(tǒng)性能的改善還會進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語

綜合上文分析，低損耗大有效面積光纖使得光纖品質(zhì)因數(shù)有了較大的提升，而這一指標(biāo)的不斷提升大大緩解了傳輸技術(shù)發(fā)展帶來的系統(tǒng)OSNR容限問題。可以說低損耗大有效面積光纖的出現(xiàn)很好的滿足了新技術(shù)發(fā)展的要求。目前在建的N×100 Gbit/s海底光纜系統(tǒng)中，低損耗大有效面積光纖已經(jīng)成為業(yè)界首選。未來出現(xiàn)單波更高速率的海纜系統(tǒng)時，進(jìn)一步降低損耗、增大有效面積仍然會成為光纖的主要發(fā)展方向。

[1]Neal S.Bergano and Alexei Pilipetskii.Fibers for Next Generation High Spectral Efficiency Undersea Cable Systems[R].SubOptic,2010.

[2]Sergey Ten.Submarine Optical Fibre and Cable: Foundation of Undersea Communication Networks[R].SubOptic,2013.