G.654.E光纖光纜的工程實(shí)踐

賀永濤，李經(jīng)章，黃勁松（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 G.654.E光纖簡(jiǎn)介

G.654 光纖具有有效面積大、衰減低和非線性系數(shù)低的特點(diǎn)，可有效改善光傳輸指標(biāo)，增大復(fù)用段長(zhǎng)度，避免干線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模改動(dòng)，從而降低陸地傳輸系統(tǒng)的建設(shè)成本。

從海洋到陸地，工作環(huán)境要求更嚴(yán)苛，甚至可能會(huì)影響干線光纜的結(jié)構(gòu)。中國(guó)聯(lián)通建設(shè)的哈密—巴里坤和濟(jì)南—青島2個(gè)試驗(yàn)段，探討了G.654.E光纖的相關(guān)指標(biāo)以及陸地應(yīng)用能力。

1.1 G.654的傳統(tǒng)應(yīng)用

越洋G.654海纜系統(tǒng)中，復(fù)用段最高可達(dá)14 000 km以上，可充分發(fā)揮其損耗低、傳輸距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。相比陸纜，海纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作環(huán)境的差別主要體現(xiàn)在以下幾方面。

a）越洋海纜通常為4～6 纖芯對(duì)，采用不銹鋼中心管式結(jié)構(gòu)，同時(shí)外護(hù)層仍有聚乙烯護(hù)套和鋼絲鎧裝等硬保護(hù)，在正常工作時(shí)海纖基本不受外部應(yīng)力影響。

b）海纜光纖一般采用數(shù)十公里大盤長(zhǎng)設(shè)計(jì)，盡量減少接頭，提升系統(tǒng)性能。

c）海纜的工作環(huán)境通常位于大洋底部，溫度恒定為-1℃～0℃，終年無(wú)變化；而陸地光纜受晝夜溫差（中國(guó)北方地區(qū)冬夏溫差可達(dá)70℃以上）、拉拽和側(cè)壓等機(jī)械應(yīng)力影響巨大。

考慮到海纜和陸纜的以上區(qū)別，在傳輸系統(tǒng)升級(jí)到400 Gbit/s 及以上的需求日益迫切的當(dāng)前，對(duì)G.654光纖進(jìn)行陸地環(huán)境論證，可保護(hù)工程投資，使光通信技術(shù)穩(wěn)健發(fā)展。

1.2 G.654.E的進(jìn)展和標(biāo)準(zhǔn)化

400 Gbit/s 技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是高頻譜效率和長(zhǎng)距離傳輸之間的平衡?？紤]到物理限制和實(shí)際傳輸距離，400G 的頻譜效率很難達(dá)到100G（2 bit/s/Hz）的4倍，但是顯著的提升還是必要的。高階QAM 調(diào)制是最簡(jiǎn)單的提高頻譜效率的方法，這需要更高的OSNR，對(duì)激光器的相位噪聲和光纖非線性效應(yīng)也更敏感（例如16QAM 對(duì)相位噪聲的敏感程度是QPSK 的4 倍），因此導(dǎo)致傳輸距離下降。

從系統(tǒng)接收OSNR 和光纖品質(zhì)等因素來(lái)看，降低衰減系數(shù)、增大有效面積是延長(zhǎng)傳輸距離的主要手段，這也是當(dāng)前新型光纖技術(shù)發(fā)展的2個(gè)主要方向。

目前提升400G 系統(tǒng)傳輸性能主要有以下3 種解決方案。

a）進(jìn)一步提升設(shè)備性能，包括降低背靠背OSNR容限，增強(qiáng)FEC 極限糾錯(cuò)能力，這存在技術(shù)難度，而且會(huì)增加成本。

b）在現(xiàn)有純EDFA 放大技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入新型的光放大技術(shù)，包括拉曼放大器以及拉曼/EDFA 的混合放大器，這也將帶來(lái)成本和安全性的問(wèn)題。

c）在現(xiàn)有G.652/G.655 干線光纖網(wǎng)絡(luò)中，引入更低衰減系數(shù)、更低非線性效應(yīng)的光纖。

方案c 目前是最簡(jiǎn)潔可行的。增大有效面積，可降低光纖中的能量密度，實(shí)現(xiàn)低非線性；同時(shí)超低損耗減少了光放引入的ASE 噪聲積累，這使傳統(tǒng)上用于海底通信的G.654光纖進(jìn)入了陸地應(yīng)用環(huán)境。

目前各廠商的陸地用G.654 光纖模場(chǎng)直徑不同，相應(yīng)的有效面積范圍在110～130 μm2甚至150 μm2。光纖衰減系數(shù)也可以大致分為2類，一類在0.190 dB/km左右，與G.652.D 光纖相近；另一類則采用純硅纖芯達(dá)到0.170 dB/km以下。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，ITU-T 自2013 年7 月開(kāi)始討論適用于陸地傳輸系統(tǒng)的G.654.E 光纖。目前，由中國(guó)聯(lián)通牽頭組織編制的G.654 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《截止波長(zhǎng)位移單模光纖特性》已獲批準(zhǔn)，其中G.654.E 子類將主要用于干線長(zhǎng)距離傳輸，指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的G.654.E 具有相同的宏彎和偏振模色散指標(biāo)，有效面積增加了40%～60%，色散略大于G.652.D，但在相干傳送系統(tǒng)中并不會(huì)增加很大負(fù)擔(dān)。

表1 G.652.D與G.654.E關(guān)鍵指標(biāo)比較

寬泛的MFD 標(biāo)稱值和容差范圍可能會(huì)導(dǎo)致接續(xù)損耗較大，并不利于實(shí)踐推廣。后續(xù)在G.654.E 光纖逐步成熟完善后，應(yīng)進(jìn)一步縮嚴(yán)指標(biāo)。

2 外場(chǎng)試驗(yàn)概述

2016年開(kāi)始，中國(guó)聯(lián)通安排8家企業(yè)的G.654.E產(chǎn)品在同一條光纜中參與試點(diǎn)項(xiàng)目，分別進(jìn)行架空和管道敷設(shè)測(cè)試與驗(yàn)證，提出新型光纖的成纜工藝和施工規(guī)范，并開(kāi)展400G 及以上速率WDM 系統(tǒng)性能測(cè)試，驗(yàn)證傳輸距離和性能的實(shí)際提升能力。同時(shí)，構(gòu)建光纖性能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究溫濕度、機(jī)械受力等環(huán)境變化對(duì)性能的影響，分析G.654.E的工作環(huán)境普適性。

2.1 環(huán)境選擇

相對(duì)于海底，陸地敷設(shè)環(huán)境更為復(fù)雜，具有溫度范圍變化大、光纜周期性受力大、陸纜結(jié)構(gòu)脆弱、施工操作工藝差異大等影響因素，中國(guó)聯(lián)通主要考慮針對(duì)上述特殊性來(lái)選擇試點(diǎn)地域。

考慮到中國(guó)西部地區(qū)氣溫年較差、日較差大且風(fēng)力較大，為驗(yàn)證光纖的使用環(huán)境和機(jī)械性能，在新疆哈密—巴里坤二級(jí)干線光纜工程中引入G.654.E 光纖。架空敷設(shè)約150 km 光纜，運(yùn)行溫度為-40℃到70℃，最大風(fēng)力12級(jí)，海拔從800 m（哈密市區(qū)）上升到2 900 m（天山山口）再降低到1 500 m（巴里坤草原），由康寧、長(zhǎng)飛、住友、烽火、OFS、中天和亨通提供G.654光纖，西古光通負(fù)責(zé)光纜生產(chǎn)。

同時(shí)，在東部地區(qū)選擇濟(jì)南—青島一級(jí)干線，驗(yàn)證人工和氣流法管道敷設(shè)，對(duì)400G WDM 系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行測(cè)試比對(duì)。管道敷設(shè)約430 km 光纜，由康寧、長(zhǎng)飛、住友、烽火、OFS 提供G.654 光纖，亨通光電負(fù)責(zé)光纜生產(chǎn)。

上述2個(gè)典型應(yīng)用環(huán)境可以充分驗(yàn)證新型光纖的陸地適應(yīng)性，為“海纜登陸”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 哈密—巴里坤試驗(yàn)段和光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

哈密—巴里坤段屬于省內(nèi)干線，采用48芯G.652+16芯G.654.E光纖，地處高海拔、高寒地區(qū)，是全國(guó)第1條實(shí)際部署G.654.E 光纖的光纜線路。該項(xiàng)目穿越海拔4 000 m的天山南北，山口附近區(qū)域從10月到來(lái)年4月冰雪封路，積深超過(guò)1 m。施工人員克服高海拔、低含氧量、大風(fēng)等困難爭(zhēng)搶工期，在沒(méi)有大型施工機(jī)械輔助的情況下，完全用人力完成了100多km 的桿路施工。

本項(xiàng)目從2016 年中光路打通后，截至2019 年，G.654.E 光纖經(jīng)歷了3 個(gè)冬夏季節(jié)的環(huán)境交替，通過(guò)同期建立的光纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，衰減指標(biāo)未發(fā)生明顯變化（不超過(guò)0.01 dB/km），可以認(rèn)為各廠商G.654.E 光纖在該段環(huán)境中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。目前光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在運(yùn)行中，以充分驗(yàn)證長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)能力。

2.3 濟(jì)南—青島試驗(yàn)段和高速傳輸測(cè)試系統(tǒng)

濟(jì)南—青島段利用高速公路硅芯管道敷設(shè)光纜，工程主要采用氣吹法敷設(shè)，對(duì)于匝道互通、收費(fèi)站等場(chǎng)區(qū)仍采用牽引法施工。項(xiàng)目在施工安裝方式上沒(méi)有特殊要求，以驗(yàn)證G.654.E 光纖在現(xiàn)有施工條件下的適用性。

施工完成后，華為、烽火、中興、上海貝爾、科銳安等5 種傳輸設(shè)備，在12 芯G.654.E 光纖（6 個(gè)型號(hào)）和2芯G.652.D 光纖上進(jìn)行400G 傳輸系統(tǒng)的循環(huán)測(cè)試，每種設(shè)備分別在7 種不同光纖上進(jìn)行，以充分對(duì)比新型光纖和新型傳輸系統(tǒng)的相互適應(yīng)能力。對(duì)于光纖技術(shù)，驗(yàn)證了G.652和G.654光纖的最佳入纖光功率以及不同G.654 光纖間的傳輸性能差異，指導(dǎo)了光纖指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化及歸一；對(duì)于400G技術(shù)，驗(yàn)證了不同400G技術(shù)在G.652 和G.654 光纖上的傳輸性能，指導(dǎo)后續(xù)400G線路設(shè)計(jì)和建設(shè)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)傳輸性能與光纖有效面積（非線性效應(yīng)）和光纖衰減系數(shù)（跨段衰減）密切相關(guān)。初步結(jié)論為，增加有效面積可以在一定程度上彌補(bǔ)衰減系數(shù)的劣勢(shì)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，400G 光傳輸技術(shù)波道間隔分別取37.5 GHz 與50 GHz 時(shí)，在傳輸性能上有差異，主要體現(xiàn)在Q 值和傳輸代價(jià)上，50 GHz 光譜的信號(hào)光譜較寬，性能上略優(yōu)于37.5 GHz 光譜的400G 信號(hào)。

G.654標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定光纜截止波長(zhǎng)小于1 530 nm，而拉曼泵浦光源波長(zhǎng)在1 425 nm 和1 455 nm 處，截止波長(zhǎng)過(guò)高可能會(huì)對(duì)泵浦激光器工作有一定的影響。G.654光纖的大有效面積降低了光纖內(nèi)功率密度，會(huì)在一定程度上降低拉曼放大器的增益效率。

3 光纜的制造與運(yùn)輸

本次試驗(yàn)中要求各廠家按照約定的色譜提供著色后的光纖，統(tǒng)一完成后續(xù)工序。因此本試驗(yàn)中著重探討套塑及成纜對(duì)光纖光學(xué)性能的影響。

新型光纖試點(diǎn)工作內(nèi)容如圖1 所示，主要包括光纖入廠測(cè)試、光纜生產(chǎn)制造、產(chǎn)品運(yùn)輸、敷設(shè)施工、系統(tǒng)測(cè)試和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等部分。

圖1 新型光纖試點(diǎn)工作流程及內(nèi)容

在光纜生產(chǎn)期間，需要有關(guān)人員進(jìn)行監(jiān)造和檢驗(yàn)，測(cè)試G.654.E光纖的方法如表2所示。

試驗(yàn)中主要對(duì)著色后的裸纖、套塑、成盤廠驗(yàn)測(cè)試和到廠數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而分析光纜生產(chǎn)工序?qū).654.E 光學(xué)性能的影響。各工序后的光纖衰減指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比分析，認(rèn)為G.654.E 光纖和G.652.D光纖在目前的生產(chǎn)工序中，光纖衰減指標(biāo)變化基本一致，因此認(rèn)為松套層絞式生產(chǎn)工藝亦適用于新型光纖；而且在考慮到運(yùn)輸震動(dòng)、溫度變化等外部因素影響后，G.654.E 光纖仍保持了對(duì)G.652.D 光纖的衰減優(yōu)勢(shì)。

受試驗(yàn)條件及工程進(jìn)度等影響，考慮到G.654.E光纖的折射率剖面設(shè)計(jì)和模場(chǎng)直徑特點(diǎn)，后續(xù)仍需對(duì)其進(jìn)行工藝適應(yīng)性研究，尤其是增加對(duì)光纖應(yīng)力變化較為敏感的參數(shù)如PMD 和彎曲損耗等的分析比對(duì)，以充分論證其在現(xiàn)有工藝條件下的適應(yīng)性。

表2 主要參數(shù)的測(cè)試方法

4 工程應(yīng)用問(wèn)題

4.1 光纜結(jié)構(gòu)和施工工藝

哈密—巴里坤和濟(jì)南—青島光纜均采用層絞式松套管結(jié)構(gòu)，經(jīng)走訪施工現(xiàn)場(chǎng)和審查監(jiān)理記錄，發(fā)現(xiàn)這2 個(gè)項(xiàng)目的安裝工藝比較規(guī)范，光纜并未受到諸如強(qiáng)拉硬拽、車軋沖擊之類的損傷，接續(xù)工作中，光纜開(kāi)剝、裸纖的清潔、盤纖、接頭盒的密封等工藝流程均為常規(guī)操作。

表3 各工序后光纖衰減指標(biāo)測(cè)試值（單位：dB/km）

上述2個(gè)項(xiàng)目施工后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與光纜出廠數(shù)據(jù)之間的對(duì)比分別如表4和表5所示。

表4 人工架空施工后哈密—巴里坤段的衰減指標(biāo)和廠驗(yàn)衰減指標(biāo)對(duì)比（單位：dB/km）

表5 氣流法施工后濟(jì)南—青島段的衰減指標(biāo)和廠驗(yàn)衰減指標(biāo)對(duì)比（單位：dB/km）

工程熔接中，施工單位不區(qū)分光纖類型都采用同一種光纖熔接設(shè)備，因G.654.E 光纖與常用的G.652.D光纖的有效面積不同，熔接的關(guān)鍵在于光纖端面的平滑，沒(méi)有毛刺或缺陷，熔接機(jī)能夠正常確認(rèn)。

本次試驗(yàn)在常規(guī)敷設(shè)手段下經(jīng)歷了倒盤、牽引、掛纜、氣吹、拖曳等操作，敷設(shè)后初期的傳輸特性變化與G.652.D 光纖相似。上述事實(shí)可以說(shuō)明傳統(tǒng)光纜結(jié)構(gòu)和常規(guī)敷設(shè)方式仍適用于大有效面積、低損耗新型光纖。

同時(shí)，因?yàn)檫@2個(gè)項(xiàng)目均為長(zhǎng)途傳輸干線，受到高度重視，光纜結(jié)構(gòu)比普通本地網(wǎng)級(jí)別的光纜有所加強(qiáng)，施工單位素質(zhì)優(yōu)良，因此并未經(jīng)歷極端條件下的野蠻施工，沒(méi)有驗(yàn)證其在不規(guī)范的安裝操作環(huán)境下的健壯性。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

4.2 熔接探討

熔接是G.654.E 光纖走向陸纜工程應(yīng)用不可避免的一項(xiàng)操作，相比海纜工程中大盤長(zhǎng)、接頭少等特點(diǎn)，陸纜工程中考慮到光纜裝盤、運(yùn)輸、施工等環(huán)節(jié)的便利性，一般設(shè)置2～4 km 的光纜盤長(zhǎng)，這使陸纜光纖鏈路中存在大量熔接接頭，控制熔接損耗成為G.654.E陸纜應(yīng)用的重要問(wèn)題。

4.2.1 自熔接

在成纜前，首先在西古公司和亨通公司對(duì)G.654.E裸纖進(jìn)行了熔接試驗(yàn)，每種光纖產(chǎn)品進(jìn)行了6 次熔接試驗(yàn)。

熔接儀表均采用藤倉(cāng)60S熔接機(jī)在Auto模式下自動(dòng)完成熔接，未手動(dòng)設(shè)置熔接參數(shù)，測(cè)試儀表采用EXFO FTB-400。由于受到操作水平（切割斷面是否整齊等）、熔接工具等影響，不計(jì)測(cè)試誤差和人工因素，6 次熔接損耗的平均值為0.01～0.04 dB，G.654.E 光纖和G.652.D熔接特性基本相同。

針對(duì)亨通和西古工廠測(cè)試中，成纜后光纖的318個(gè)熔接點(diǎn)，采用不同的熔接機(jī)，不同人員操作的條件下，雙向衰減平均值如圖2所示。

圖2 成纜后的光纖熔接測(cè)試結(jié)果分布（同型號(hào)光纖熔接）

雖然各G.654.E 光纖廠家均表示熔接時(shí)不需對(duì)熔接機(jī)專門進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，但由于光纖折射率剖面的設(shè)計(jì)不一致，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，某些型號(hào)的光纖熔接機(jī)采用Auto 模式時(shí)，對(duì)少數(shù)G.654.E 光纖無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別其纖芯和包層，需要設(shè)為包層對(duì)準(zhǔn)甚至多模模式才能熔接，對(duì)熔接損耗有潛在影響。

在G.654.E 光纖大規(guī)模應(yīng)用之前，各光纖廠家應(yīng)針對(duì)自己的G.654.E 產(chǎn)品提出完整的熔接解決方案，或者在熔接機(jī)內(nèi)增加針對(duì)大有效截面積G.654.E 光纖的選項(xiàng)。

4.2.2 互熔接

由于G.654.E 光纖標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中，產(chǎn)品規(guī)格還未統(tǒng)一，目前各廠家對(duì)G.654 光纖在陸纜中的應(yīng)用以及支持400G技術(shù)的發(fā)展有不同的理解。

在本次研究中，對(duì)G.654 光纖互熔（含同廠家不同顏色纖芯）實(shí)際測(cè)試了78 個(gè)熔接點(diǎn)，熔接損耗平均值0.039 dB；對(duì)G.654+G.652 熔接實(shí)際測(cè)試了24 個(gè)熔接點(diǎn)，熔接損耗平均值0.119 dB。作為對(duì)比，也測(cè)試了亨通G.652光纖之間的自熔接的3個(gè)熔接點(diǎn)，熔接損耗平均值0.037 dB。

互熔測(cè)試結(jié)果表明，110 μm2和130 μm2之間的熔接損耗有些達(dá)到0.2 dB 左右，目前難以推廣不同廠家G.654.E 光纖的互熔應(yīng)用。同樣由于G.652.D 光纖和G.654.E 光纖在折射率剖面設(shè)計(jì)和模場(chǎng)直徑等方面存在明顯差異，G.652.D 光纖和G.654.E 光纖互熔也存在熔接損耗過(guò)大、反射明顯等問(wèn)題，不建議工程中互熔應(yīng)用。

4.3 產(chǎn)業(yè)成熟

中國(guó)聯(lián)通作為業(yè)內(nèi)的先行者率先部署了哈密—巴里坤、濟(jì)南—青島傳輸鏈路。與此同時(shí)，其他先進(jìn)國(guó)家的同類項(xiàng)目也大量出現(xiàn)，截至目前，G.654 陸地應(yīng)用光纜已經(jīng)建成萬(wàn)余公里，還有更多的項(xiàng)目正處于建設(shè)進(jìn)程中。除傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商外，對(duì)于高速大容量傳輸有突出要求的云計(jì)算和IDC服務(wù)商也紛紛主導(dǎo)了新型光纖光纜的建設(shè)實(shí)施。這些項(xiàng)目和中國(guó)聯(lián)通的先行工程一樣，均采用G.654.E+G.652.D 的混纜產(chǎn)品，在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)性。

綜合考察這些項(xiàng)目，可以認(rèn)為G.654.E 光纖已經(jīng)基本成熟，目前國(guó)內(nèi)外主流光纖廠商均可提供適用的產(chǎn)品。

5 結(jié)論和展望

針對(duì)400G 及Tbit/s 級(jí)的WDM 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)聯(lián)通攜手國(guó)內(nèi)外主流光纖光纜供應(yīng)商開(kāi)展了G.654.E光纖的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了通信業(yè)界的全力支持，展現(xiàn)了中國(guó)光纖光纜行業(yè)的進(jìn)取意志和卓越水平。

G.654.E 可采用與G.652.D 光纖相同的成纜工藝和生產(chǎn)工序、相同的敷設(shè)及熔接方法，同時(shí)無(wú)需改進(jìn)和新增相應(yīng)設(shè)備，在引入新型光纖光纜后不會(huì)增加運(yùn)營(yíng)商的維護(hù)成本。而相對(duì)G.652.D 光纖而言，G.654.E光纖具備優(yōu)異的光學(xué)性能。

本次研究和外場(chǎng)試驗(yàn)的主要結(jié)論如表6所示。

表6 G.654.E研究和外場(chǎng)試驗(yàn)主要結(jié)論

新疆和山東的G.654.E 工程實(shí)踐可指導(dǎo)新型光纖和超100G WDM 技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用部署，支撐了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)界如ITU等的G.654.E光纖關(guān)鍵參數(shù)確定，將繼續(xù)推進(jìn)高速傳輸系統(tǒng)的進(jìn)步，引領(lǐng)先進(jìn)通信技術(shù)的發(fā)展。