白新宇，高軍詩(shī)

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 海底光纜發(fā)展簡(jiǎn)介

國(guó)際海底光纜網(wǎng)絡(luò)是國(guó)際通信的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)的主要承載方式，具有大容量、長(zhǎng)距離、高可靠性等特點(diǎn)。自從20世紀(jì)80年代第一套海底光纜系統(tǒng)開(kāi)通以來(lái)，光傳輸技術(shù)的不斷革新一直驅(qū)動(dòng)著海底光纜及光纖技術(shù)的演進(jìn)。

最早的海纜系統(tǒng)采用SDH設(shè)備，海底光纜采用常規(guī)的G.652光纖，工作在1 310 nm窗口。隨后為了追求更低的線路損耗，人們將G.652光纖的工作波長(zhǎng)遷移到1 550 nm窗口，使光纖的衰減大為降低，海纜系統(tǒng)的中繼距離得以提升。

到了20世紀(jì)90年代中后期至本世紀(jì)初，隨著摻餌光纖放大器（EDFA）以及密集波分技術(shù)（DWDM）的相繼出現(xiàn)，N×10 Gbit/s DWDM傳輸技術(shù)逐漸成為主流，海纜系統(tǒng)的建設(shè)不再僅以降低衰耗為唯一目標(biāo)，而是從衰耗、色散和非線性3個(gè)方面綜合考慮。非零色散位移、大有效面積光纖逐步引入了海底光纜系統(tǒng)。通過(guò)在不同跨段分別配置使用正、負(fù)色散的光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)在線色散補(bǔ)償。

隨著光再生距離需求的不斷提升，在一些海纜系統(tǒng)中出現(xiàn)了混合光纖配置方式，即在一個(gè)跨段內(nèi)發(fā)端采用大有效面積的光纖，收端采用小有效面積的光纖，兩種光纖以一定比例組合，形成混合光纖光放段。這種配置方式能夠保持入射端的大有效面積，提升入纖光功率，光再生距離相比上一種方式可提升50%左右。

隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，海纜系統(tǒng)中又出現(xiàn)了一種特殊的混合光纖，即色散管理光纖（DMF，Dispersion Managed Fiber）。DMF光纖在跨段發(fā)端采用的大有效面積、正色散系數(shù)光纖，而在收端采用小有效面積、負(fù)色散系數(shù)光纖。通過(guò)跨段內(nèi)正、負(fù)色散值光纖的配置比例對(duì)光線路色散進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)色散及色散斜率的在線補(bǔ)償，可將整個(gè)跨段保持在一個(gè)低色散殘余的水平。采用DMF光纖可以使海纜系統(tǒng)的光再生距離達(dá)到上萬(wàn)公里。

近兩三年來(lái)，隨著全球互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)爆炸式的增長(zhǎng)，人們對(duì)帶寬需求不斷增加，100 Gbit/s傳輸速率的波分系統(tǒng)已逐漸成為電信運(yùn)營(yíng)商骨干光網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)。目前,籌建的新一代海纜系統(tǒng)基本考慮采用N×100 Gbit/s DWDM技術(shù)。隨著傳輸速率的提升，傳輸系統(tǒng)對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)的光信噪比(OSNR)，光纖色散(CD)，偏振模色散(PMD)和非線性等指標(biāo)要求越來(lái)越高。愈發(fā)苛刻的性能要求使得低損耗大有效面積光纖應(yīng)運(yùn)而生。

2 新一代海纜系統(tǒng)對(duì)光纖的要求

光纖技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上就是對(duì)光纖損耗、色散、偏振模色散、非線性系數(shù)等參數(shù)指標(biāo)的不斷完善，使之與傳輸設(shè)備技術(shù)之間達(dá)到匹配與平衡。與傳統(tǒng)的N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)相比較，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)的OSNR指標(biāo)要求提高了10 dB、PMD容限減小12倍、CD容限減小64倍。為此N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)引入了相干接收、基于相位和極化調(diào)制的線路調(diào)制編碼（PDM-QPSK）以及數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、軟判決前向糾錯(cuò)（FEC）等先進(jìn)技術(shù)。在這些技術(shù)的支持下，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)具有色散補(bǔ)償和偏振模色散補(bǔ)償?shù)哪芰?，極大地克服了光纖鏈路色散導(dǎo)致的傳輸距離限制，在一定程度上降低了系統(tǒng)對(duì)光纖的要求。但即便如此，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)的OSNR要求仍然高于以往系統(tǒng)，而系統(tǒng)的OSNR直接決定了傳輸系統(tǒng)中信號(hào)的無(wú)電中繼傳輸距離，同時(shí)由于入纖光功率的提升，N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)對(duì)非線性效應(yīng)相比以往系統(tǒng)更加敏感。因此，新型光纖的研究重點(diǎn)放在了降低光纖損耗和抑制非線性效應(yīng)上。

光纖損耗主要來(lái)自于光纖材料的瑞利散射損耗和吸收損耗這兩個(gè)部分。目前廣泛使用的光纖基本上都是通過(guò)在纖芯中摻雜鍺（Ge）元素的方式來(lái)提高纖芯的折射率，從而和純二氧化硅（SiO2）的包層材料間形成折射率差，以保證入射光在單模光纖中以全反射的方式傳播。但纖芯中摻入的GeO2等金屬氧化物恰恰會(huì)導(dǎo)致瑞利散射損耗的增加，同時(shí)氧化物的摻入破壞了光纖在氫（H）元素和Y-射線輻射環(huán)境中的穩(wěn)定性，因此摻鍺光纖的衰耗系數(shù)在到達(dá)0.19 dB/km之后很難再進(jìn)一步降低。研究表明，使用純硅元素制作的纖芯去除了傳統(tǒng)纖芯中的雜質(zhì)，可以有效的減少瑞利散射導(dǎo)致的衰減。同時(shí)，為了保持纖芯和包層之間的折射率差，可以通過(guò)在包層中摻雜氟等元素降低包層的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種光纖就是純硅芯單模光纖（PSCF，Pure Silicon Core Fiber），目前純硅芯光纖的衰減可下降到0.16 dB/km左右。

對(duì)于降低非線性效應(yīng)方面，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，人們發(fā)現(xiàn)增大光纖有效面積可以提高光纖對(duì)非線性效應(yīng)的抑制能力。光纖的有效面積（Aeff）指的是光纖中承載光信號(hào)的圓柱形光柱的截面積，有效面積越大，入纖光功率的強(qiáng)度就會(huì)越低。大有效面積光纖的非線性系數(shù)可降低至常規(guī)單模光纖的25%～50%。但有效面積的增大會(huì)導(dǎo)致色散斜率的升高，而N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)所采用的相干檢測(cè)和電色散補(bǔ)償技術(shù)使得系統(tǒng)的色散容限很大，可以忽略有效面積增加所帶來(lái)的色散的影響。

因此，對(duì)于N×100 Gbit/s波分系統(tǒng)而言，最佳的選擇是低損耗和大有效面積的光纖，既降低了光纖的非線性效應(yīng)，又能有效提高系統(tǒng)的OSNR。

3 低損耗大有效面積光纖對(duì)海纜系統(tǒng)性能的提升

光纖對(duì)傳輸系統(tǒng)性能的影響可以直接體現(xiàn)在對(duì)光信噪比（OSNR）的改善上。根據(jù)ITU-T G.692給出的OSNR 計(jì)算公式 ：OSNRout=Pch/(S·Pph·NF·Nspans)。其中：OSNRout為光信噪比，Pch為入纖光功率，S是再生段的衰耗，Pph為放大器自發(fā)輻射（ASE）噪聲，NF為放大器的噪聲系數(shù)，Nspans為系統(tǒng)跨段數(shù)目。上述影響系統(tǒng)OSNR的系數(shù)中與光纖相關(guān)參數(shù)有2個(gè)，分別是Pch和S。其中，Pch∝Aeff/n2，Aeff表示光纖的有效面積、n2表示光纖的非線性系數(shù)；S∝Att，Att表示該段光纖的衰減系數(shù)。

通過(guò)分析上述公式，我們可以定性的看出光傳輸系統(tǒng)OSNR與光纖的有效面積成正比，與光纖的非線性系數(shù)以及衰減系數(shù)成反比。低損耗大有效面積光纖一方面增大了光纖的有效面積，另一方面降低了光纖的衰耗系數(shù)，這兩點(diǎn)改善均有利于提升光傳輸系統(tǒng)的OSNR，改善系統(tǒng)性能。

在實(shí)際工程中，我們常常使用光纖品質(zhì)因數(shù)（FoM，F(xiàn)igure of Merit）來(lái)比較不同類(lèi)型的光纖對(duì)傳輸系統(tǒng)性能提升的能力高低。FoM的計(jì)算公式如下：

其中 ：Aeff、n2、Att、Leff分別表示測(cè)試光纖的有效面積、非線性系數(shù)、衰減系數(shù)以及光纖長(zhǎng)度；而帶有ref角標(biāo)的參數(shù)表示參考光纖的相應(yīng)指標(biāo)。

從上述公式可以看出，F(xiàn)oM是一個(gè)相對(duì)數(shù)值。當(dāng)測(cè)試光纖與參考光纖的長(zhǎng)度以及非線性系數(shù)一致時(shí)，上述公式可以簡(jiǎn)化為如下形式：

此時(shí)，F(xiàn)oM數(shù)值只與光纖的有效面積、跨段衰耗相關(guān)。以傳統(tǒng)的G.652光纖為參考光纖，其有效面積按72μm2、衰減系數(shù)按0.20 dB/km的典型值計(jì)取，并分別以50 km、75 km和100 km作為單跨段距離測(cè)算。測(cè)試光纖選用第一代低損耗大有效面積光纖時(shí)，其有效面積約為110μm2、衰減系數(shù)約為0.18 dB/km，則FoM=10lg(110/72)-(0.18-0.20)×(50 or 75 or 100)=2.8/3.3/3.8 dB。這就說(shuō)明第一代低損耗大有效面積光纖相比于傳統(tǒng)G.652光纖在單跨段為50/75/100 km時(shí)，對(duì)光傳輸系統(tǒng)的OSNR性能分別提升2.8/3.3/3.8 dB。

目前第二代低損耗大有效面積光纖已經(jīng)問(wèn)世，有效面積可達(dá)到150μm2，衰減系數(shù)降低至0.16 dB/km，仍以50 km、75 km和100 km作為單跨段距離測(cè)算，第二代光纖相比第一代光纖的FoM=10lg(150/110)-(0.16-0.18)×(50 or 75 or 100)=2.3/2.8/3.3 dB。這一數(shù)據(jù)表明第二代低損耗大有效面積光纖相比第一代光纖對(duì)光傳輸?shù)南到y(tǒng)性能又提升了2～3 dB。而隨著未來(lái)光纖有效面積的增大以及衰耗系數(shù)的降低，光纖對(duì)傳輸系統(tǒng)性能的改善還會(huì)進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合上文分析，低損耗大有效面積光纖使得光纖品質(zhì)因數(shù)有了較大的提升，而這一指標(biāo)的不斷提升大大緩解了傳輸技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的系統(tǒng)OSNR容限問(wèn)題?？梢哉f(shuō)低損耗大有效面積光纖的出現(xiàn)很好的滿足了新技術(shù)發(fā)展的要求。目前在建的N×100 Gbit/s海底光纜系統(tǒng)中，低損耗大有效面積光纖已經(jīng)成為業(yè)界首選。未來(lái)出現(xiàn)單波更高速率的海纜系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)一步降低損耗、增大有效面積仍然會(huì)成為光纖的主要發(fā)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.