超低損耗光纖技術的研究現(xiàn)狀

李泳成，楊 昊，郭寧寧，沈一春，蔣新力,錢宜剛，曹珊珊，劉志忠，房紅蓮，由驍?shù)?，沈綱祥

(1.蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006； 2.中天科技精密材料有限公司，江蘇 南通 226009；3.中天科技光纖有限公司，江蘇 南通 226009； 4.中天寬帶技術有限公司，江蘇 南通 226463)

0 引 言

隨著以云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息化技術席卷全球，網(wǎng)絡帶寬需求呈爆炸式增長。根據(jù)思科預測，2017～2022年間，全球網(wǎng)際協(xié)議(Internet Protocol，IP)流量將以26%的年復合增長率快速增長[1]。受新冠疫情全世界蔓延的影響，大量居民的居家隔離加速了網(wǎng)絡流量的增長，YouTube等企業(yè)甚至一度采取了降低畫質等措施以緩解網(wǎng)絡帶寬壓力。因此，需要考慮如何進一步提升骨干光網(wǎng)絡的傳輸帶寬和效率。

另一方面，隨著光通道高階調制技術的日趨成熟，目前已出現(xiàn)了傳輸速率為400 Gbit/s甚至1 Tbit/s的光通道業(yè)務[2]。但在基于傳統(tǒng)標準單模光纖(即G.652光纖)的網(wǎng)絡中，由于高階調制格式所需要的光信噪比高，光通道無中繼傳輸距離會隨著傳輸速率的提升而變短，無法滿足未來超高速率和超長距離的光傳輸需求，需要鋪設或升級損耗更低、性能更好的新型光纖。超低損耗光纖由于損耗遠低于傳統(tǒng)的標準單模光纖，能極大地增加400 Gbit/s甚至1 Tbit/s高速光通道的傳輸距離，被認為是實現(xiàn)超高速率傳輸?shù)氖走x光纖，受到工業(yè)界與學術界的廣泛關注。同時，據(jù)英國商品研究所(Commodity Research Unit，CRU)預計，隨著新冠疫情在2021年得到控制，全球光纖光纜的需求將增長7%，而我國在上世紀90年代鋪設的老舊光纖壽命也即將到期，正面臨著退役或更換的需求，這為性能更優(yōu)的超低損耗光纖在光網(wǎng)絡中的實際使用提供了機會，并將成為一種必然趨勢。

目前，已存在大量關于超低損耗光纖技術的研究，但尚缺乏專門針對超低損耗光纖技術系統(tǒng)性和綜述性的論文。本文主要介紹超低損耗光纖的制備技術、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、應用研究以及未來技術方向等4個方面，希望給讀者提供一個比較系統(tǒng)全面的關于超低損耗光纖技術的現(xiàn)狀綜述。

1 超低損耗光纖的制備技術

1966年，高錕博士首次提出將石英玻璃纖維作為傳輸媒介，并預測當光纖損耗降低至20 dB/km以下時即可實現(xiàn)光纖通信[3]。如今，隨著光纖技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)標準單模光纖的損耗已降低至0.25 dB/km，光纖已成為人類最主要的通信媒介之一。然而，為滿足不斷增長的網(wǎng)絡業(yè)務流量需求，仍需進一步降低光纖的損耗以實現(xiàn)超高速率和超長距離光纖傳輸。

光纖的損耗主要來源于3個方面：吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗[4]。其中，吸收損耗分為本征吸收和雜質吸收，主要為紫外吸收、紅外吸收和氫氧根離子吸收等[5]。得益于光纖制造工藝的提升，目前光纖吸收損耗已降低至極低水平，接近理論極限。散射損耗是由石英光纖的密度因子和濃度因子波動而引起的瑞利散射所導致的，其在光纖損耗中占比達到50%～85%。因此，減少瑞利散射是降低光纖損耗最有效的途徑之一[6]。目前減少瑞麗散射的主要方法包括降低摻雜粒子濃度、改善粘度匹配和優(yōu)化拉絲張力等[5]。

純硅芯光纖由于在芯層中不摻雜二氧化鍺(GeO2)，如圖1所示，能有效降低摻雜粒子濃度，從而減少瑞利散射和降低光纖損耗，是制備超低損耗光纖的首選。常用的純硅芯光纖制備技術包括改進型化學氣相沉積(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)、等離子體化學氣相沉積(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)和連續(xù)化學氣相沉積(Combustion Chemical Vapor Deposition，CCVD)等[7]。中天科技主要采用了MCVD技術制備純硅芯光纖，長飛光纖與烽火通信則采用了PCVD技術，而亨通光電采用了自主研發(fā)的CCVD技術。

圖1 普通光纖與純硅芯光纖對比

目前，已有大量工作研究了如何采用純硅芯制備超低損耗光纖，如圖2所示。1986年，Kanamori等人成功制備了在1 550 nm波長處損耗值為0.154 0 dB/km的純硅芯光纖[8]；2002年，Nagayama等人已能將純硅芯光纖的損耗值降低至0.150 0 dB/km[9]；2014年，Hirano等人進一步將純硅芯光纖的損耗值降低至0.149 0 dB/km[10]；而后，這一數(shù)值又被Makovejs等人刷新至0.146 0 dB/km[11]；2017年，日本住友制備了損耗低至0.141 9 dB/km的純硅芯光纖，創(chuàng)造了當時超低損耗光纖的世界紀錄[12]。

圖2 純硅芯光纖在1 550 nm波長處的損耗值變遷

除受到瑞利散射影響外，非線性效應也會影響光纖中信號的傳輸。為實現(xiàn)超長距離的光傳輸，需要在光纖中注入更高的光功率。然而，在不增加光纖有效面積的前提下，增加注入光功率會導致更強的非線性效應，進而影響光纖的傳輸性能。因此，在降低光纖損耗的同時，也需要考慮降低光纖非線性效應對傳輸性能的影響，而這就需要增大光纖的有效面積，即制備大有效面積光纖。

增大芯層部分的直徑是增大光纖有效面積的最有效方式之一[13]，然而，這會惡化光纖彎曲損耗性能。為了克服這一弊端，研究人員提出了下陷包層技術[14]。圖3所示為4種不同下陷包層技術方案。圖3(a)通過在纖芯旁添加一個略微下陷的包層來提升光纖的微曲性能[15-16]；圖3(b)在距離纖芯層一定距離的包層中添加一個低折射率的下陷溝槽，從而更有效地抑制光纖的宏彎損耗，并提升光纖的微曲性能[17-19],該設計可以幫助光纖在1 550 nm波長處實現(xiàn)120～160 μm2的有效面積[20]；圖3(c)所示為一種更為復雜的雙下陷包層結構設計，通過對光纖各纖芯層剖面的巧妙設計，可以有效降低光纖的彎曲損耗[21]；圖3(d)所示的新型下陷包層結構能有效降低光纖在大曲率下的彎曲損耗，模場直徑可達到12.0 μm以上[22]。

圖3 下陷包層技術

根據(jù)光纖有效面積的大小，可以把超低損耗光纖分為兩類。通常將具備超低損耗特性且有效面積與傳統(tǒng)標準單模光纖相兼容的光纖稱為超低損耗G.652光纖，而將既具有超低損耗特性又具有大有效面積的光纖稱為超低損耗大有效面積G.654光纖[23]。后者的模場直徑為11.5～12.5 μm，有效面積為110～130 μm2，因此與有效面積為80 μm2的傳統(tǒng)標準單模光纖無法兼容。早期的G.654光纖主要用于海底光纖傳輸，但隨著ITU-T G.654.E光纖標準化工作的推進，該類光纖也開始被應用于長距離和大容量的陸地干線網(wǎng)絡[24]。

2 超低損耗光纖的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

隨著超低損耗光纖制備技術的成熟，目前全球多個公司已實現(xiàn)超低損耗光纖的規(guī)模化生產(chǎn)。如表1所示，美國康寧、日本住友、中國長飛光纖、亨通光電、烽火通信和中天科技等國內外知名企業(yè)紛紛推出了成熟的商用超低損耗G.652光纖與超低損耗大有效面積G.654光纖?？祵幑镜某蛽p耗G.652光纖產(chǎn)品SMF-28的損耗值為0.168 dB/km，其超低損耗大有效面積G.654光纖產(chǎn)品Vascade-Ex3000的有效面積為150 μm2，損耗值低至0.146 dB/km[25]。住友公司的超低損耗大有效面積G.654光纖產(chǎn)品Z-PLUS的有效面積為130 μm2，損耗最低至0.152 dB/km[26]。國內的超低損耗光纖產(chǎn)品主要包括：長飛的全貝超低損耗G.652光纖與遠貝超低損耗大有效面積G.654光纖[27]、亨通的BoneCom超低損耗大有效面積G.654光纖[28]、烽火的U3LA單模光纖[29]和中天的G.654光纖[30]等。

表1 商用超低損耗光纖產(chǎn)品

為評估不同超低損耗光纖產(chǎn)品的性能，本文采用光纖品質因素(Figure of Merit，F(xiàn)OM)來量化光纖有效面積和衰減系數(shù)對光纖性能的影響[31]。FOM是一個相對值，用于評估被測評光纖相對于參考光纖的性能差異，因此可以忽略放大器噪聲系數(shù)和調制格式等的影響。光纖FOM的計算公式為[32]

式中：L為放大器之間的跨段距離；A1、α1、n1和S1分別為被測評光纖的有效面積、衰減系數(shù)、非線性折射率和非線性長度；A2、α2、n2和S2分別為參考光纖的有效面積、衰減系數(shù)、非線性折射率和非線性長度。

本文以標準G.652D光纖為參考光纖，其有效面積、衰減系數(shù)、非線性折射率和非線性長度分別為80 μm2、0.20 dB/km、2.2×10-20m2/W和21.71 km。圖4所示為5種超低損耗光纖的FOM值，包括康寧的Vascade-Ex3000、住友的Z-PLUS Fiber 130、中天的G.654、烽火的U3LA單模光纖和長飛的全貝低損耗光纖。由圖可知，隨著跨段距離的增加，5種光纖的FOM值隨之增大。這是因為，在更長跨段距離下，被測評光纖由于具有更低的衰減系數(shù)，相對于參考光纖累計的損傷更低，因此性能優(yōu)勢更加明顯，F(xiàn)OM值也更高。此外，由于G.654光纖相比于G.652光纖具有更大的有效面積和更低的衰減系數(shù)，因此前者比后者具有更高的FOM值。最后，比較國內外光纖產(chǎn)品性能，康寧和住友的產(chǎn)品在光纖性能上仍具有一定優(yōu)勢，具有更高的FOM值。

圖4 5種不同超低損耗光纖FOM值的比較

3 超低損耗光纖的應用研究

隨著超低損耗光纖制備技術的成熟，工業(yè)界和學術界也對該類光纖的應用展開了廣泛的研究，主要分為以下3個方面：

(1) 超低損耗光纖鏈路性能的研究

目前，國內多家運營商都試點鋪設了超低損耗光纖，并進行了性能測試。2011年，西北電力設計院在青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程中首次采用了康寧的超低損耗光纖[33]。實測數(shù)據(jù)表明，超低損耗光纖鏈路的衰減系數(shù)平均為0.177 dB/km。2015年，中國電信江蘇分公司在徐州和睢寧之間鋪設了一條長為105 km的超低損耗光纖鏈路，其實測的衰減系數(shù)在0.17 ～0.18 dB/km之間，且與傳統(tǒng)標準單模光纖具有非常高的兼容性[34]；2018年，中國移動在北京和南京之間鋪設了一條長為1 539 km的超低損耗光纖鏈路，實現(xiàn)了0.17 dB/km的實測平均衰減系數(shù)，創(chuàng)造了世界紀錄[35]。超低損耗光纖鏈路的成功試點，不僅證明了其性能的優(yōu)越性，也為將來大規(guī)模光纖的鋪設積累了豐富經(jīng)驗。

(2) 超低損耗光纖混合組網(wǎng)性能的研究

在現(xiàn)網(wǎng)中鋪設超低損耗光纖，會出現(xiàn)原有標準單模光纖與新鋪設超低損耗光纖共存的局面。因此，需要對超低損耗光纖混合組網(wǎng)展開優(yōu)化研究和性能分析。為此，針對超低損耗光纖混合組網(wǎng)，本文做了大量的研究，并獲得了部分結果，如圖5所示。具體地，針對超低損耗光纖混合組網(wǎng)拓撲優(yōu)化問題，本文構建了基于混合光纖鏈路的光通道信號質量評估模型，提出了高效的鏈路升級策略，優(yōu)化了網(wǎng)絡最大使用頻隙數(shù)和光通道業(yè)務阻塞性能，揭示了網(wǎng)絡性能改善趨勢隨著超低損耗光纖衰減系數(shù)的降低而趨于飽和的重要現(xiàn)象[36-37]。針對多周期超低損耗光纖鏈路升級問題，本文定義了用以評估超低損耗光纖鏈路升級過程的量化指標，提出了高效的光纖鏈路升級策略，優(yōu)化了光纖鏈路升級過程中網(wǎng)絡整體資源的使用效率[38]。此外，針對混合光纖網(wǎng)絡中光放大器的放置問題，也構建了超低損耗光纖鏈路的光放大器成本模型，提出了高效的光放大器放置策略，在不顯著降低網(wǎng)絡頻譜資源利用率的前提下，實現(xiàn)了光放大器的優(yōu)化放置[39]。

圖5 針對超低損耗光纖混合組網(wǎng)的性能研究

(3) 超低損耗光纖經(jīng)濟效益的研究

超低損耗光纖由于支持更長的傳輸距離，可以有效減少價格昂貴的中繼器數(shù)量，降低組網(wǎng)成本。目前，已有部分研究評估了超低損耗光纖在經(jīng)濟成本上的優(yōu)勢。江蘇省郵電規(guī)劃設計院分別針對100和400 Gbit/s波分系統(tǒng)在超低損耗光纖下進行了建模與成本分析[40]。研究表明，在100和400 Gbit/s波分系統(tǒng)中，超低損耗光纖可以分別減少57%和43%的中繼站點數(shù)，節(jié)省高達3.07和18.72億元的成本。此外，馮曉芳等人研究認為，當單跨傳輸距離>200 km時，采用超低損耗光纖組網(wǎng)能夠在獲得更優(yōu)性能的同時，具有更高的經(jīng)濟效益[41]。劉源等人對超低損耗光纖的應用也做了類似的經(jīng)濟效益分析，他們發(fā)現(xiàn)雖然超低損耗光纖更為昂貴，但在超長站距的情況下，采用超低損耗光纖具有更高的經(jīng)濟效益[42]。相信在規(guī)?；a(chǎn)下，超低損耗光纖的價格將不斷走低，采用該類光纖組網(wǎng)的成本也將顯著降低，從而有利于超低損耗光纖的大規(guī)模推廣和鋪設。

4 未來技術方向

隨著超低損耗光纖技術的不斷發(fā)展，目前基于純硅芯光纖的損耗已經(jīng)接近于理論極限值(0.14 dB/km)。為此，學術界也對一種全新的光纖，即空芯光纖展開了研究[43]?？招竟饫w的纖芯為中空或其他填充材料，傳播光信號依靠包層材料對光的約束[44]，通過設計特殊的包層結構，能將光限制在氣體或真空纖芯中。根據(jù)包層結構的不同，空芯光纖主要分為：光子帶隙光纖、Kagome光纖、Bragg包層光纖、負曲率光纖和嵌套抗諧振無節(jié)點光纖(Nested Anti-resonant Nodeless Fiber，NANF)等。

近年來，學術界就如何降低此類空芯光纖的損耗展開了大量工作，并獲得了突破性的進展，如圖6所示。2012年，Yu等人通過采用負曲率光纖技術，將空芯光纖在3.05 μm波長處的損耗值降低至34 dB/km[45]；2016年，Debord等人進一步制備出了在750 nm波長處損耗值為7.7 dB/km的負曲率空芯光纖[46]。然而，這與傳統(tǒng)的標準單模光纖的損耗性能仍存在巨大差距。近兩年，得益于NANF技術的發(fā)展，研究人員進一步突破了空芯光纖在損耗方面的瓶頸。2018年，Gao等人基于NANF技術制備了長度為330 m，損耗值為2 dB/km的空芯光纖[47]；同年，Bradley等人提出一種雙琉璃管NANF技術，如圖7所示，并拉制出了一條長為505 m的空芯光纖，其平均損耗值低至1.3 dB/km[48]；2019年，該團隊進一步降低空芯光纖在C+L波段上傳輸?shù)膿p耗值至0.65 dB/km[49]；2020年，Jasion等人將空芯光纖在1 510～1 600 nm波段的損耗值降低至0.28 dB/km，已非常接近于傳統(tǒng)標準單模光纖的損耗值[50]。

圖6 空芯光纖損耗值逐年降低

圖7 雙琉璃管嵌套抗諧振無節(jié)點光纖結構

此外，也有大量研究聚焦于如何采用空芯光纖進行低時延傳輸。早在20年前，Mangan等人就已提出采用空芯光纖承載低時延業(yè)務[51]。2019年，Nespola等人使用一條長4.8 km的空芯光纖，在四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)調制格式下實現(xiàn)了340 km的傳輸，比傳統(tǒng)光纖的時延低1.54 μs/km[52]。2020年，美國OFS公司也使用空芯光纖實現(xiàn)了3 km的超低時延光傳輸，其傳輸時延比傳統(tǒng)光纖降低了31%[53]。

空芯光纖的超低非線性也被廣泛驗證。2019年，Liu等人評估了空芯光纖與傳統(tǒng)超低損耗光纖的非線性性能差異[54]。研究表明，空芯光纖的色散為超低損耗光纖的1/10，且具有更低的非線性效應。2020年，Nespola等人利用空芯光纖的超低非線性優(yōu)勢，實現(xiàn)了618 km的長距離傳輸[55]。

目前，針對空芯光纖的研究仍處于起步階段，其規(guī)?；苽涔に嚿胁怀墒臁５?，空芯光纖憑借其超低損耗、超低時延和超低非線性等潛在優(yōu)勢，是未來突破傳統(tǒng)光纖損耗理論極限的重要選擇之一。

5 結束語

在未來超高速率、超大容量和超長距離的光纖傳輸系統(tǒng)中，超低損耗光纖將發(fā)揮不可或缺的作用。本文從制備技術、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、應用研究以及未來技術方向等4個方面，對超低損耗光纖技術的研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)全面地介紹。首先，介紹了基于純硅芯的超低損耗光纖和采用下陷包層技術的超低損耗大有效面積光纖的制備技術；然后，比較了多款商用超低損耗光纖的FOM性能，也總結了目前對超低損耗光纖的一些應用研究，包括超低損耗光纖鏈路性能、混合組網(wǎng)性能優(yōu)化和經(jīng)濟效益評估等的研究；最后，介紹了一種具有超低損耗、超低時延和超低非線性優(yōu)勢的空芯光纖。