新型光纤助力光网络迈入400G时代

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近年来，移动互联网、家庭宽带、云计算、视频、VR等业务快速发展，2016年我国4G用户已经超过5.5亿，家庭宽带用户超过2.5亿户，此外市场广阔的集团客户专线带宽需求不断增长，为此运营商需要在光传输网上加快建设以满足日益增加的带宽需求。

　　光纤是通信产业繁荣的基石，所有通信业务的承载都离不开这一最基础的物理媒介。业务的发展促进光传输网技术不断变革，光传输容量和距离也在不断刷新。目前超100G光传输系统受到传输距离的限制，新型光纤技术有望助力下一代光传输系统升级换代。

　　新型光纤有助于延长400G系统传输距离

　　光传输系统需要保持系统容量和传输距离之间的平衡，在长距离光传输系统中，普遍采用高阶调制方式提高频谱利用率，同时通过低损耗、新型放大器等方法来保持所需的传输距离。

　　目前400G光传输系统有多种实现方式，包括四载波PM-QPSK、双载波PM-16QAM等。其中双载波PM-16QAM为业界的主流实现方式，PM-16QAM调制格式系统和PM-QPSK调制格式系统相比，具有更高的频谱效率。理论上，PM-16QAM的背靠背OSNR容限比PM-QPSK差约6.7dB，因此PM-16QAM的传输距离不到PM-QPSK的四分之一。一方面设备厂家正在研究更高阶的FEC技术和新型放大技术(如拉曼放大器)提高系统OSNR，提升系统传输距离;另一方面，作为系统传输的物理层媒介，新型光纤也能提升系统OSNR，满足400G系统长距传输的需求。

　　在400G系统无电中继传输距离达到1000km的场景中，根据骨干网光缆现状和400G PM-16QAM传输系统的性能，如果使用普通的EDFA放大器，则需要光纤的损耗达到0.14dB/km，目前的光纤技术达不到这样的损耗。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面积光纤，则需要光纤的损耗达到0.153dB/km，目前的光纤技术也达不到这样的损耗。如果使用拉曼放大器，则需要光纤的损耗达到0.17dB/km。如果使用拉曼放大器加上大有效面积光纤，光纤的损耗可以放宽到0.183dB/km。

　　在400G系统无电中继传输距离为600km的场景中，如果使用普通的EDFA放大器，则需要光纤的损耗达到0.165dB/km，超低损光纤基本能够满足性能要求。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面积光纤，则需要光纤的损耗达到0.178dB/km。如果使用拉曼放大器，则需要光纤的损耗放宽到0.195dB/km。

　　为了评估100G和400G传输系统在新型光纤上的传输性能，早在2014年，中国移动便在国内率先开展了实验室测试和现网试点。实验室中，100G和400G信号分别在G.652、超低损光纤和大有效面积光纤上进行传输性能测试：超低损光纤熔接后的损耗为0.175dB/km，大有效面积光纤熔接后的损耗为0.165dB/km。

　　系统方面，100G系统采用PM-QPSK调制格式，400G系统采用双载波的PM-16QAM调制格式。根据实验结果结合理论分析，采用PM-QPSK调制格式的100G系统的背靠背OSNR容限约为10dB，能够在G.652光纤上传输约3000km(5dB OSNR余量);采用PM-16QAM调制格式的400G系统的背靠背OSNR容限约为18.5dB，能够在G.652光纤上传输约450km(5dB OSNR余量)，测试性能结果如表1所示。对于超低损光纤和大有效面积光纤，400G的传输距离可以被延长到约600km和900km(5dB OSNR余量)。因此超低损光纤和大有效面积光纤对于延长400G系统的传输距离帮助非常大。

表1 100G和400G传输性能比较

　　新型光纤技术发展现状

　　1970年光纤损耗做到了20dB/km，到今天，光纤损耗可以突破到0.146dB/km。近期对新型光纤技术的关注主要集中在低损光纤LL(low loss)、超低损光纤ULL(ultra low loss)和大有效面积光纤LEAF(large effective area fiber)3类，如图 所示。普通G.652光纤的纤芯材料为掺锗二氧化硅，有效面积为85μm2，典型损耗为0.19～0.20dB/km。低损光纤的纤芯材料也是掺锗二氧化硅，有效面积为85μm2，典型损耗为0.185dB/km。超低损光纤的纤芯材料为纯二氧化硅，通过纯二氧化硅来降低损耗，有效面积为85μm2，典型损耗为0.17dB/km。大有效面积光纤的有效面积为110～130μm2，典型损耗可以降低到0.16dB/km以下。

图 新型光纤截面图

　　低损耗G.652光纤(low loss fiber,LL)和普通G.652光纤区别不大，纤芯由掺锗的二氧化硅制成。低损耗单模光纤不改变现有G.652D光纤的波导结构，其工艺主要是通过改善光纤内部的应力,从而优化瑞利散射来降低损耗。超低损耗、纯硅芯单模光纤是通过改进光纤的折射率和制造工艺，在芯层中没有掺杂锗元素，减小了瑞利散射损耗，进一步降低了光纤损耗;大有效面积单模光纤在低损、超低损光纤的技术上，再通过增加光纤的模场直径、调整折射率差来实现较大的有效面积，兼有低损耗并能抑制光纤非线性效应的优点。

　　掺锗纤芯的标准单模光纤和纯SiO2纤芯单模光纤在折射率分布上有明显的区别。为了保持纤芯和包层直接的折射率差，需要降低包层的折射率，这主要通过在包层中掺杂氟等元素来实现。通过纯硅纤芯的技术，石英光纤的衰减可以进一步降低到理论的最低值0.15dB/km。应用于陆上长途传输的超低损光纤，在降低衰减的同时还需要考虑和现有大量铺设的G.652光纤兼容，采用与传统G.652光纤一致的有效面积和模场直径，给工程施工和客户应用带来便利。

　　超低损光纤呈现两大发展趋势

　　超低损耗光纤的传输性能已经在实验室和现网测试得到了验证，并且在国家电网及国外运营商规模使用，产品的可靠性和优异的衰减特性得到充分验证。为了更好地满足运营商大规模应用，助力400G系统的部署。超低损光纤主要有两个发展趋势。

　　● 光纤衰减进一步降低：随着预制棒制造技术和拉丝技术的不断进步，ULL光纤的衰减可以从现在的0.17dB/km继续降低到0.16dB/km。光纤衰减越低，跨段损耗越小，可以提升更多的OSNR，帮助系统传输更远的距离。

　　● 光纤成本进一步优化：目前超低损耗光纤由于采用纯硅纤芯技术，光纤价格较高，是普通G.652光纤的3～4倍，是G.655光纤的1.5倍左右。随着工艺的改进，供应商的增加和生产规模的扩大，超低损耗光纤的成本和价格也会不断降低。

　　另外，光缆工程的投资大部分是施工、管道租赁等费用，光纤在整个光缆工程中的投资占比较小，但对于提升传输系统意义重大。采用性能优异的光纤，可以延长光复用段的传输距离，减少系统设备的投资。

　　对于大有效面积光纤，能够有效降低非线性效应带来的系统损伤，可以提高400G系统的OSNR，延长传输距离，但考虑到工程中使用大有效面积光纤与常规光纤的对接，存在成缆和熔接，以及工程施工带来的附加损耗，实际传输效果需要通过实际工程进行进一步验证。

　　超低损光纤的应用主要和其延伸传输距离的功效密不可分，近期可以在以下场景中使用:

　　● 400G在一些场景传输距离不足，新型超低损光纤可以增加400G的传输距离。

　　● 新型超低损光纤还有望用于长距离直达链路。以从北京到广州为例，如果铺设超低损光纤，则有望用100G光传输系统实现3000km的直达链路而不需要电再生。

　　● 此外，远期还可以用于光电混合交叉场景。由于光交叉不能进行信号电再生，所以需要通过新型低损耗光纤延长信号的传输距离。

　　小结

　　升级光纤、光放大器等基础资源是增加400G系统传输距离的有效手段。其中骨干光缆敷设成本巨大，需要提前2～3年统一规划。虽然超低损光纤自身成本较高，但是随之带来传输距离的增加和中继节点的减少，能够使系统总成本大幅降低。超低损耗光纤是未来干线传输系统演进的根基，可提前做好布局和准备，随着超低损耗光纤应用的扩大和更多厂家对研发的投入，超低损耗光纤的产业链日趋强大，规模应用指日可待。