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新型光纤助力光网络迈入400G时代

2016-08-24 09:22
雷本祖
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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。

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