低损耗大有效面积光纤在新一代海缆系统中的应用

白新宇，高军诗

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 海底光缆发展简介

国际海底光缆网络是国际通信的重要基础，是实现全球互联的主要承载方式，具有大容量、长距离、高可靠性等特点。自从20世纪80年代第一套海底光缆系统开通以来，光传输技术的不断革新一直驱动着海底光缆及光纤技术的演进。

最早的海缆系统采用SDH设备，海底光缆采用常规的G.652光纤，工作在1 310 nm窗口。随后为了追求更低的线路损耗，人们将G.652光纤的工作波长迁移到1 550 nm窗口，使光纤的衰减大为降低，海缆系统的中继距离得以提升。

到了20世纪90年代中后期至本世纪初，随着掺饵光纤放大器（EDFA）以及密集波分技术（DWDM）的相继出现，N×10 Gbit/s DWDM传输技术逐渐成为主流，海缆系统的建设不再仅以降低衰耗为唯一目标，而是从衰耗、色散和非线性3个方面综合考虑。非零色散位移、大有效面积光纤逐步引入了海底光缆系统。通过在不同跨段分别配置使用正、负色散的光纤来实现在线色散补偿。

随着光再生距离需求的不断提升，在一些海缆系统中出现了混合光纤配置方式，即在一个跨段内发端采用大有效面积的光纤，收端采用小有效面积的光纤，两种光纤以一定比例组合，形成混合光纤光放段。这种配置方式能够保持入射端的大有效面积，提升入纤光功率，光再生距离相比上一种方式可提升50%左右。

随着光纤技术的不断发展，海缆系统中又出现了一种特殊的混合光纤，即色散管理光纤（DMF，Dispersion Managed Fiber）。DMF光纤在跨段发端采用的大有效面积、正色散系数光纤，而在收端采用小有效面积、负色散系数光纤。通过跨段内正、负色散值光纤的配置比例对光线路色散进行管理，实现色散及色散斜率的在线补偿，可将整个跨段保持在一个低色散残余的水平。采用DMF光纤可以使海缆系统的光再生距离达到上万公里。

近两三年来，随着全球互联网业务爆炸式的增长，人们对带宽需求不断增加，100 Gbit/s传输速率的波分系统已逐渐成为电信运营商骨干光网络的主导。目前,筹建的新一代海缆系统基本考虑采用N×100 Gbit/s DWDM技术。随着传输速率的提升，传输系统对光纤网络的光信噪比(OSNR)，光纤色散(CD)，偏振模色散(PMD)和非线性等指标要求越来越高。愈发苛刻的性能要求使得低损耗大有效面积光纤应运而生。

2 新一代海缆系统对光纤的要求

光纤技术的发展实际上就是对光纤损耗、色散、偏振模色散、非线性系数等参数指标的不断完善，使之与传输设备技术之间达到匹配与平衡。与传统的N×100 Gbit/s波分系统相比较，N×100 Gbit/s波分系统的OSNR指标要求提高了10 dB、PMD容限减小12倍、CD容限减小64倍。为此N×100 Gbit/s波分系统引入了相干接收、基于相位和极化调制的线路调制编码（PDM-QPSK）以及数字信号处理（DSP）、软判决前向纠错（FEC）等先进技术。在这些技术的支持下，N×100 Gbit/s波分系统具有色散补偿和偏振模色散补偿的能力，极大地克服了光纤链路色散导致的传输距离限制，在一定程度上降低了系统对光纤的要求。但即便如此，N×100 Gbit/s波分系统的OSNR要求仍然高于以往系统，而系统的OSNR直接决定了传输系统中信号的无电中继传输距离，同时由于入纤光功率的提升，N×100 Gbit/s波分系统对非线性效应相比以往系统更加敏感。因此，新型光纤的研究重点放在了降低光纤损耗和抑制非线性效应上。

光纤损耗主要来自于光纤材料的瑞利散射损耗和吸收损耗这两个部分。目前广泛使用的光纤基本上都是通过在纤芯中掺杂锗（Ge）元素的方式来提高纤芯的折射率，从而和纯二氧化硅（SiO2）的包层材料间形成折射率差，以保证入射光在单模光纤中以全反射的方式传播。但纤芯中掺入的GeO2等金属氧化物恰恰会导致瑞利散射损耗的增加，同时氧化物的掺入破坏了光纤在氢（H）元素和Y-射线辐射环境中的稳定性，因此掺锗光纤的衰耗系数在到达0.19 dB/km之后很难再进一步降低。研究表明，使用纯硅元素制作的纤芯去除了传统纤芯中的杂质，可以有效的减少瑞利散射导致的衰减。同时，为了保持纤芯和包层之间的折射率差，可以通过在包层中掺杂氟等元素降低包层的折射率来实现。这种光纤就是纯硅芯单模光纤（PSCF，Pure Silicon Core Fiber），目前纯硅芯光纤的衰减可下降到0.16 dB/km左右。

对于降低非线性效应方面，经过长期的探索，人们发现增大光纤有效面积可以提高光纤对非线性效应的抑制能力。光纤的有效面积（Aeff）指的是光纤中承载光信号的圆柱形光柱的截面积，有效面积越大，入纤光功率的强度就会越低。大有效面积光纤的非线性系数可降低至常规单模光纤的25%～50%。但有效面积的增大会导致色散斜率的升高，而N×100 Gbit/s波分系统所采用的相干检测和电色散补偿技术使得系统的色散容限很大，可以忽略有效面积增加所带来的色散的影响。

因此，对于N×100 Gbit/s波分系统而言，最佳的选择是低损耗和大有效面积的光纤，既降低了光纤的非线性效应，又能有效提高系统的OSNR。

3 低损耗大有效面积光纤对海缆系统性能的提升

光纤对传输系统性能的影响可以直接体现在对光信噪比（OSNR）的改善上。根据ITU-T G.692给出的OSNR 计算公式 ：OSNRout=Pch/(S·Pph·NF·Nspans)。其中：OSNRout为光信噪比，Pch为入纤光功率，S是再生段的衰耗，Pph为放大器自发辐射（ASE）噪声，NF为放大器的噪声系数，Nspans为系统跨段数目。上述影响系统OSNR的系数中与光纤相关参数有2个，分别是Pch和S。其中，Pch∝Aeff/n2，Aeff表示光纤的有效面积、n2表示光纤的非线性系数；S∝Att，Att表示该段光纤的衰减系数。

通过分析上述公式，我们可以定性的看出光传输系统OSNR与光纤的有效面积成正比，与光纤的非线性系数以及衰减系数成反比。低损耗大有效面积光纤一方面增大了光纤的有效面积，另一方面降低了光纤的衰耗系数，这两点改善均有利于提升光传输系统的OSNR，改善系统性能。

在实际工程中，我们常常使用光纤品质因数（FoM，Figure of Merit）来比较不同类型的光纤对传输系统性能提升的能力高低。FoM的计算公式如下：

其中 ：Aeff、n2、Att、Leff分别表示测试光纤的有效面积、非线性系数、衰减系数以及光纤长度；而带有ref角标的参数表示参考光纤的相应指标。

从上述公式可以看出，FoM是一个相对数值。当测试光纤与参考光纤的长度以及非线性系数一致时，上述公式可以简化为如下形式：

此时，FoM数值只与光纤的有效面积、跨段衰耗相关。以传统的G.652光纤为参考光纤，其有效面积按72μm2、衰减系数按0.20 dB/km的典型值计取，并分别以50 km、75 km和100 km作为单跨段距离测算。测试光纤选用第一代低损耗大有效面积光纤时，其有效面积约为110μm2、衰减系数约为0.18 dB/km，则FoM=10lg(110/72)-(0.18-0.20)×(50 or 75 or 100)=2.8/3.3/3.8 dB。这就说明第一代低损耗大有效面积光纤相比于传统G.652光纤在单跨段为50/75/100 km时，对光传输系统的OSNR性能分别提升2.8/3.3/3.8 dB。

目前第二代低损耗大有效面积光纤已经问世，有效面积可达到150μm2，衰减系数降低至0.16 dB/km，仍以50 km、75 km和100 km作为单跨段距离测算，第二代光纤相比第一代光纤的FoM=10lg(150/110)-(0.16-0.18)×(50 or 75 or 100)=2.3/2.8/3.3 dB。这一数据表明第二代低损耗大有效面积光纤相比第一代光纤对光传输的系统性能又提升了2～3 dB。而随着未来光纤有效面积的增大以及衰耗系数的降低，光纤对传输系统性能的改善还会进一步提升。

4 结束语

综合上文分析，低损耗大有效面积光纤使得光纤品质因数有了较大的提升，而这一指标的不断提升大大缓解了传输技术发展带来的系统OSNR容限问题。可以说低损耗大有效面积光纤的出现很好的满足了新技术发展的要求。目前在建的N×100 Gbit/s海底光缆系统中，低损耗大有效面积光纤已经成为业界首选。未来出现单波更高速率的海缆系统时，进一步降低损耗、增大有效面积仍然会成为光纤的主要发展方向。

[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.