超低损耗光纤技术的研究现状

李泳成，杨 昊，郭宁宁，沈一春，蒋新力,钱宜刚，曹珊珊，刘志忠，房红莲，由骁迪，沈纲祥

(1.苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006； 2.中天科技精密材料有限公司，江苏 南通 226009；3.中天科技光纤有限公司，江苏 南通 226009； 4.中天宽带技术有限公司，江苏 南通 226463)

0 引 言

随着以云计算、大数据和物联网为代表的信息化技术席卷全球，网络带宽需求呈爆炸式增长。根据思科预测，2017～2022年间，全球网际协议(Internet Protocol，IP)流量将以26%的年复合增长率快速增长[1]。受新冠疫情全世界蔓延的影响，大量居民的居家隔离加速了网络流量的增长，YouTube等企业甚至一度采取了降低画质等措施以缓解网络带宽压力。因此，需要考虑如何进一步提升骨干光网络的传输带宽和效率。

另一方面，随着光通道高阶调制技术的日趋成熟，目前已出现了传输速率为400 Gbit/s甚至1 Tbit/s的光通道业务[2]。但在基于传统标准单模光纤(即G.652光纤)的网络中，由于高阶调制格式所需要的光信噪比高，光通道无中继传输距离会随着传输速率的提升而变短，无法满足未来超高速率和超长距离的光传输需求，需要铺设或升级损耗更低、性能更好的新型光纤。超低损耗光纤由于损耗远低于传统的标准单模光纤，能极大地增加400 Gbit/s甚至1 Tbit/s高速光通道的传输距离，被认为是实现超高速率传输的首选光纤，受到工业界与学术界的广泛关注。同时，据英国商品研究所(Commodity Research Unit，CRU)预计，随着新冠疫情在2021年得到控制，全球光纤光缆的需求将增长7%，而我国在上世纪90年代铺设的老旧光纤寿命也即将到期，正面临着退役或更换的需求，这为性能更优的超低损耗光纤在光网络中的实际使用提供了机会，并将成为一种必然趋势。

目前，已存在大量关于超低损耗光纤技术的研究，但尚缺乏专门针对超低损耗光纤技术系统性和综述性的论文。本文主要介绍超低损耗光纤的制备技术、产业现状、应用研究以及未来技术方向等4个方面，希望给读者提供一个比较系统全面的关于超低损耗光纤技术的现状综述。

1 超低损耗光纤的制备技术

1966年，高锟博士首次提出将石英玻璃纤维作为传输媒介，并预测当光纤损耗降低至20 dB/km以下时即可实现光纤通信[3]。如今，随着光纤技术的不断发展，传统标准单模光纤的损耗已降低至0.25 dB/km，光纤已成为人类最主要的通信媒介之一。然而，为满足不断增长的网络业务流量需求，仍需进一步降低光纤的损耗以实现超高速率和超长距离光纤传输。

光纤的损耗主要来源于3个方面：吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗[4]。其中，吸收损耗分为本征吸收和杂质吸收，主要为紫外吸收、红外吸收和氢氧根离子吸收等[5]。得益于光纤制造工艺的提升，目前光纤吸收损耗已降低至极低水平，接近理论极限。散射损耗是由石英光纤的密度因子和浓度因子波动而引起的瑞利散射所导致的，其在光纤损耗中占比达到50%～85%。因此，减少瑞利散射是降低光纤损耗最有效的途径之一[6]。目前减少瑞丽散射的主要方法包括降低掺杂粒子浓度、改善粘度匹配和优化拉丝张力等[5]。

纯硅芯光纤由于在芯层中不掺杂二氧化锗(GeO2)，如图1所示，能有效降低掺杂粒子浓度，从而减少瑞利散射和降低光纤损耗，是制备超低损耗光纤的首选。常用的纯硅芯光纤制备技术包括改进型化学气相沉积(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)、等离子体化学气相沉积(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)和连续化学气相沉积(Combustion Chemical Vapor Deposition，CCVD)等[7]。中天科技主要采用了MCVD技术制备纯硅芯光纤，长飞光纤与烽火通信则采用了PCVD技术，而亨通光电采用了自主研发的CCVD技术。

图1 普通光纤与纯硅芯光纤对比

目前，已有大量工作研究了如何采用纯硅芯制备超低损耗光纤，如图2所示。1986年，Kanamori等人成功制备了在1 550 nm波长处损耗值为0.154 0 dB/km的纯硅芯光纤[8]；2002年，Nagayama等人已能将纯硅芯光纤的损耗值降低至0.150 0 dB/km[9]；2014年，Hirano等人进一步将纯硅芯光纤的损耗值降低至0.149 0 dB/km[10]；而后，这一数值又被Makovejs等人刷新至0.146 0 dB/km[11]；2017年，日本住友制备了损耗低至0.141 9 dB/km的纯硅芯光纤，创造了当时超低损耗光纤的世界纪录[12]。

图2 纯硅芯光纤在1 550 nm波长处的损耗值变迁

除受到瑞利散射影响外，非线性效应也会影响光纤中信号的传输。为实现超长距离的光传输，需要在光纤中注入更高的光功率。然而，在不增加光纤有效面积的前提下，增加注入光功率会导致更强的非线性效应，进而影响光纤的传输性能。因此，在降低光纤损耗的同时，也需要考虑降低光纤非线性效应对传输性能的影响，而这就需要增大光纤的有效面积，即制备大有效面积光纤。

增大芯层部分的直径是增大光纤有效面积的最有效方式之一[13]，然而，这会恶化光纤弯曲损耗性能。为了克服这一弊端，研究人员提出了下陷包层技术[14]。图3所示为4种不同下陷包层技术方案。图3(a)通过在纤芯旁添加一个略微下陷的包层来提升光纤的微曲性能[15-16]；图3(b)在距离纤芯层一定距离的包层中添加一个低折射率的下陷沟槽，从而更有效地抑制光纤的宏弯损耗，并提升光纤的微曲性能[17-19],该设计可以帮助光纤在1 550 nm波长处实现120～160 μm2的有效面积[20]；图3(c)所示为一种更为复杂的双下陷包层结构设计，通过对光纤各纤芯层剖面的巧妙设计，可以有效降低光纤的弯曲损耗[21]；图3(d)所示的新型下陷包层结构能有效降低光纤在大曲率下的弯曲损耗，模场直径可达到12.0 μm以上[22]。

图3 下陷包层技术

根据光纤有效面积的大小，可以把超低损耗光纤分为两类。通常将具备超低损耗特性且有效面积与传统标准单模光纤相兼容的光纤称为超低损耗G.652光纤，而将既具有超低损耗特性又具有大有效面积的光纤称为超低损耗大有效面积G.654光纤[23]。后者的模场直径为11.5～12.5 μm，有效面积为110～130 μm2，因此与有效面积为80 μm2的传统标准单模光纤无法兼容。早期的G.654光纤主要用于海底光纤传输，但随着ITU-T G.654.E光纤标准化工作的推进，该类光纤也开始被应用于长距离和大容量的陆地干线网络[24]。

2 超低损耗光纤的产业现状

随着超低损耗光纤制备技术的成熟，目前全球多个公司已实现超低损耗光纤的规模化生产。如表1所示，美国康宁、日本住友、中国长飞光纤、亨通光电、烽火通信和中天科技等国内外知名企业纷纷推出了成熟的商用超低损耗G.652光纤与超低损耗大有效面积G.654光纤。康宁公司的超低损耗G.652光纤产品SMF-28的损耗值为0.168 dB/km，其超低损耗大有效面积G.654光纤产品Vascade-Ex3000的有效面积为150 μm2，损耗值低至0.146 dB/km[25]。住友公司的超低损耗大有效面积G.654光纤产品Z-PLUS的有效面积为130 μm2，损耗最低至0.152 dB/km[26]。国内的超低损耗光纤产品主要包括：长飞的全贝超低损耗G.652光纤与远贝超低损耗大有效面积G.654光纤[27]、亨通的BoneCom超低损耗大有效面积G.654光纤[28]、烽火的U3LA单模光纤[29]和中天的G.654光纤[30]等。

表1 商用超低损耗光纤产品

为评估不同超低损耗光纤产品的性能，本文采用光纤品质因素(Figure of Merit，FOM)来量化光纤有效面积和衰减系数对光纤性能的影响[31]。FOM是一个相对值，用于评估被测评光纤相对于参考光纤的性能差异，因此可以忽略放大器噪声系数和调制格式等的影响。光纤FOM的计算公式为[32]

式中：L为放大器之间的跨段距离；A1、α1、n1和S1分别为被测评光纤的有效面积、衰减系数、非线性折射率和非线性长度；A2、α2、n2和S2分别为参考光纤的有效面积、衰减系数、非线性折射率和非线性长度。

本文以标准G.652D光纤为参考光纤，其有效面积、衰减系数、非线性折射率和非线性长度分别为80 μm2、0.20 dB/km、2.2×10-20m2/W和21.71 km。图4所示为5种超低损耗光纤的FOM值，包括康宁的Vascade-Ex3000、住友的Z-PLUS Fiber 130、中天的G.654、烽火的U3LA单模光纤和长飞的全贝低损耗光纤。由图可知，随着跨段距离的增加，5种光纤的FOM值随之增大。这是因为，在更长跨段距离下，被测评光纤由于具有更低的衰减系数，相对于参考光纤累计的损伤更低，因此性能优势更加明显，FOM值也更高。此外，由于G.654光纤相比于G.652光纤具有更大的有效面积和更低的衰减系数，因此前者比后者具有更高的FOM值。最后，比较国内外光纤产品性能，康宁和住友的产品在光纤性能上仍具有一定优势，具有更高的FOM值。

图4 5种不同超低损耗光纤FOM值的比较

3 超低损耗光纤的应用研究

随着超低损耗光纤制备技术的成熟，工业界和学术界也对该类光纤的应用展开了广泛的研究，主要分为以下3个方面：

(1) 超低损耗光纤链路性能的研究

目前，国内多家运营商都试点铺设了超低损耗光纤，并进行了性能测试。2011年，西北电力设计院在青藏直流联网工程中首次采用了康宁的超低损耗光纤[33]。实测数据表明，超低损耗光纤链路的衰减系数平均为0.177 dB/km。2015年，中国电信江苏分公司在徐州和睢宁之间铺设了一条长为105 km的超低损耗光纤链路，其实测的衰减系数在0.17 ～0.18 dB/km之间，且与传统标准单模光纤具有非常高的兼容性[34]；2018年，中国移动在北京和南京之间铺设了一条长为1 539 km的超低损耗光纤链路，实现了0.17 dB/km的实测平均衰减系数，创造了世界纪录[35]。超低损耗光纤链路的成功试点，不仅证明了其性能的优越性，也为将来大规模光纤的铺设积累了丰富经验。

(2) 超低损耗光纤混合组网性能的研究

在现网中铺设超低损耗光纤，会出现原有标准单模光纤与新铺设超低损耗光纤共存的局面。因此，需要对超低损耗光纤混合组网展开优化研究和性能分析。为此，针对超低损耗光纤混合组网，本文做了大量的研究，并获得了部分结果，如图5所示。具体地，针对超低损耗光纤混合组网拓扑优化问题，本文构建了基于混合光纤链路的光通道信号质量评估模型，提出了高效的链路升级策略，优化了网络最大使用频隙数和光通道业务阻塞性能，揭示了网络性能改善趋势随着超低损耗光纤衰减系数的降低而趋于饱和的重要现象[36-37]。针对多周期超低损耗光纤链路升级问题，本文定义了用以评估超低损耗光纤链路升级过程的量化指标，提出了高效的光纤链路升级策略，优化了光纤链路升级过程中网络整体资源的使用效率[38]。此外，针对混合光纤网络中光放大器的放置问题，也构建了超低损耗光纤链路的光放大器成本模型，提出了高效的光放大器放置策略，在不显著降低网络频谱资源利用率的前提下，实现了光放大器的优化放置[39]。

图5 针对超低损耗光纤混合组网的性能研究

(3) 超低损耗光纤经济效益的研究

超低损耗光纤由于支持更长的传输距离，可以有效减少价格昂贵的中继器数量，降低组网成本。目前，已有部分研究评估了超低损耗光纤在经济成本上的优势。江苏省邮电规划设计院分别针对100和400 Gbit/s波分系统在超低损耗光纤下进行了建模与成本分析[40]。研究表明，在100和400 Gbit/s波分系统中，超低损耗光纤可以分别减少57%和43%的中继站点数，节省高达3.07和18.72亿元的成本。此外，冯晓芳等人研究认为，当单跨传输距离>200 km时，采用超低损耗光纤组网能够在获得更优性能的同时，具有更高的经济效益[41]。刘源等人对超低损耗光纤的应用也做了类似的经济效益分析，他们发现虽然超低损耗光纤更为昂贵，但在超长站距的情况下，采用超低损耗光纤具有更高的经济效益[42]。相信在规模化生产下，超低损耗光纤的价格将不断走低，采用该类光纤组网的成本也将显著降低，从而有利于超低损耗光纤的大规模推广和铺设。

4 未来技术方向

随着超低损耗光纤技术的不断发展，目前基于纯硅芯光纤的损耗已经接近于理论极限值(0.14 dB/km)。为此，学术界也对一种全新的光纤，即空芯光纤展开了研究[43]。空芯光纤的纤芯为中空或其他填充材料，传播光信号依靠包层材料对光的约束[44]，通过设计特殊的包层结构，能将光限制在气体或真空纤芯中。根据包层结构的不同，空芯光纤主要分为：光子带隙光纤、Kagome光纤、Bragg包层光纤、负曲率光纤和嵌套抗谐振无节点光纤(Nested Anti-resonant Nodeless Fiber，NANF)等。

近年来，学术界就如何降低此类空芯光纤的损耗展开了大量工作，并获得了突破性的进展，如图6所示。2012年，Yu等人通过采用负曲率光纤技术，将空芯光纤在3.05 μm波长处的损耗值降低至34 dB/km[45]；2016年，Debord等人进一步制备出了在750 nm波长处损耗值为7.7 dB/km的负曲率空芯光纤[46]。然而，这与传统的标准单模光纤的损耗性能仍存在巨大差距。近两年，得益于NANF技术的发展，研究人员进一步突破了空芯光纤在损耗方面的瓶颈。2018年，Gao等人基于NANF技术制备了长度为330 m，损耗值为2 dB/km的空芯光纤[47]；同年，Bradley等人提出一种双琉璃管NANF技术，如图7所示，并拉制出了一条长为505 m的空芯光纤，其平均损耗值低至1.3 dB/km[48]；2019年，该团队进一步降低空芯光纤在C+L波段上传输的损耗值至0.65 dB/km[49]；2020年，Jasion等人将空芯光纤在1 510～1 600 nm波段的损耗值降低至0.28 dB/km，已非常接近于传统标准单模光纤的损耗值[50]。

图6 空芯光纤损耗值逐年降低

图7 双琉璃管嵌套抗谐振无节点光纤结构

此外，也有大量研究聚焦于如何采用空芯光纤进行低时延传输。早在20年前，Mangan等人就已提出采用空芯光纤承载低时延业务[51]。2019年，Nespola等人使用一条长4.8 km的空芯光纤，在四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)调制格式下实现了340 km的传输，比传统光纤的时延低1.54 μs/km[52]。2020年，美国OFS公司也使用空芯光纤实现了3 km的超低时延光传输，其传输时延比传统光纤降低了31%[53]。

空芯光纤的超低非线性也被广泛验证。2019年，Liu等人评估了空芯光纤与传统超低损耗光纤的非线性性能差异[54]。研究表明，空芯光纤的色散为超低损耗光纤的1/10，且具有更低的非线性效应。2020年，Nespola等人利用空芯光纤的超低非线性优势，实现了618 km的长距离传输[55]。

目前，针对空芯光纤的研究仍处于起步阶段，其规模化制备工艺尚不成熟。但是，空芯光纤凭借其超低损耗、超低时延和超低非线性等潜在优势，是未来突破传统光纤损耗理论极限的重要选择之一。

5 结束语

在未来超高速率、超大容量和超长距离的光纤传输系统中，超低损耗光纤将发挥不可或缺的作用。本文从制备技术、产业现状、应用研究以及未来技术方向等4个方面，对超低损耗光纤技术的研究现状进行了系统全面地介绍。首先，介绍了基于纯硅芯的超低损耗光纤和采用下陷包层技术的超低损耗大有效面积光纤的制备技术；然后，比较了多款商用超低损耗光纤的FOM性能，也总结了目前对超低损耗光纤的一些应用研究，包括超低损耗光纤链路性能、混合组网性能优化和经济效益评估等的研究；最后，介绍了一种具有超低损耗、超低时延和超低非线性优势的空芯光纤。