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陈皓祁劭峰周晓栋康宁通信大中华区 1 引言固网宽带和移动宽带的爆炸式增长，使得人们对带宽需求不断增加，100 Gb/s传输速率的波分系统预计在今后几年内将成为运营商骨干光网络的主导。随着传输速率的提升，系统对光纤网络的光信噪比（OSNR），光纤色散，偏振模色散（PMD）和非线性的要求越来越高。为此100 Gb / s系统引入了相干检测，高效频谱调制和数字信号处理（DSP）等技术。在这些技术的支持下，100 Gb/s系统具有色散补偿（CD）和偏振模色散补偿的能力，从而降低了系统对光纤的要求。目前研究人员把重点放在如何提高系统OSNR上，系统的OSNR决定了有光放大器的传输系统中信号的无电中继传输距离，理论上100 Gb/s 系统的OSNR要求比10 Gb/s系统高出10 dB。解决这个问题可以采用新型的编码和频谱调制方式来提高OSNR，但即便如此，100 Gb/s的OSNR要求仍然高于以往系统。另外也可以从光通信介质本身——光纤角度来考虑，提高传输距离和容量的探索回到了光纤发明之初的几十年里，人们所追求的不断降低光纤损耗的道路上。 2 光纤衰减的演进 在光纤发明之前，人们主要研究利用大气传输光信号，尽管光波有着极大的带宽，但大气由于受到气候环境的严重影响，无法实现正常的通信。用石英玻璃材料制成的光导纤维即光纤来传输光信号成为研究的重点。但是当时普通石英玻璃材料的损耗高达1000 dB/km，传输距离很有限。 1966年高锟博士根据介质波导理论指出：光纤的高损耗并不是其本身固有的，而是由材料中所含的杂质引起的。并预言如果降低材料中的杂质含量，可使得光纤的损耗降至20 dB/km甚至更小。1970年，美国康宁(Corning)公司成功地研制了损耗为17 dB/km的低损耗石英光纤，把光纤通信由理论变成了现实。1972年康宁又把光纤的损耗降到7 dB/km，1973年贝尔实验室发明的MCVD法制造光纤，光纤的损耗又降到2.5 dB/km。1973－1977年世界各大光纤制造商开发了各种先进的预制棒生产工艺。康宁开发出OVD技术；日本的NTT、住友、古河、藤仓等联合开发出VAD技术；朗讯改善了MCVD技术；荷兰飞利浦开发了PCVD技术。各大光纤制造商制造技术的重大进步，为常规单模光纤的广泛应用创造了更好的条件。1985年G.652光纤1310 nm可以实现最低损耗0.35 dB/km，1550 nm损耗最低已达0.19 dB/km，图1详细展示了光纤衰减演进过程。
3 超低损耗光纤材料 人们追求不断降低光纤损耗的努力一刻也未停止，但在以后的十多年里，降低衰减在技术上似乎碰到了瓶颈。光纤的衰减降低到0.18 dB/km后很难进一步降低。究其原因，主要是因为目前广泛使用的标准G.652光纤都是通过在纤芯中掺杂稀土元素锗的方式来提高纤芯的折射率，从而和纯二氧化硅的包层材料间形成折射率差，以保证入射光在单模光纤中的传播。但由于芯层中掺入GeO2等金属氧化物，而使瑞利散射损耗增加。理论和实验表明，光纤中的损耗主要来自于光纤材料的瑞利散射损耗和吸收损耗两个部分。同时氧化物的掺入破坏了光纤在氢元素和Y-射线辐射环境中的稳定性，因此掺锗光纤的衰减无法进一步降低。后来科学家们发明了纯硅光纤，纯硅芯单模光纤由于在芯层中没有掺杂，减小了由于瑞利散射导致的衰减，实现了光纤损耗的进一步降低。
下面讨论一下纯硅光纤是如何提高系统的OSNR的。根据ITU-T G.692给出的OSNR(1550 nm 测量带宽0.1 nm)计算公式： OSNRout=58+Pch-S-NF-LogN 其中：Pch 为入为纤光功率(dB)，S是再生段的衰耗(dB)，NF为放大器的噪声系数(dB)，N为系统跨段数目，OSNRout为光信噪比(dB)。和光纤相关的两个参数是Pch和S，其中Pch∝Aeff /n2，Aeff是光纤的有效面积，n2表示光纤的非线性系数。普通掺锗光纤n2 =2.3×10-20m2/W，纯硅光纤=2.1×10-20m2/ W。S是光纤段的衰耗，它正比于光纤的衰减系数。 由上面公式可以看出系统光纤信噪比和光纤有效面积成正比，和光纤的非线性系数以及衰减系数成反比。图3列出了长度为75 km的纯硅光纤和普通单模光纤相比在OSNR上的优势。和衰减为0.20 dB/km的标准G652D光纤相比，具有同样有效面积但衰减更低的SMF28 ULL光纤可以提升OSNR2~2.5 dB，而相比衰减低而且有效面积大的Vascade EX3000光纤，OSNR则提高了5~5.5 dB。
4 超低损耗光纤的应用
超低损耗光纤的低损耗特性，非常适用于超长距离和大容量，高速率网络传输的应用，并由此产生一系列创纪录的应用成果。2010 年中国电信、华为和康宁公司所完成的100 G 超长距离波分复用传输实验中，使用超低损耗光纤实现了超过3000 km 的超长传输距离，创造了全球陆地传输系统100 G WDM 传输距离的最新纪录(见图4)。
超低损耗光纤不仅为运营商广为使用，考虑到低衰减特性，国家电网公司在2011 年投产的青藏交直流联网工程配套通信工程中使用了超低损耗光纤，用以完成沱沱河—安多的300 km 的超长无电中继光传输。 该工程是有着“电力天路”之称的青藏直流联网工程的配套光纤通信工程，起于格尔木换流站，止于西藏林周县以西的拉萨换流站，光缆线路全长1038 km，共设有6个中继站，其中最长中继段为翻越唐古拉山口沱沱河至安多段，工程应用超低损耗光纤避免了在海拔5000 m高原上设置中继站。该系统是目前国内高海拔、高寒环境下最长的无中继光纤通信系统。一方面降低了运行、维护的困难和费用，提高了通信系统的可靠性。另一方面也能应对未来网络技术的升级需要，为电力超长站距传输技术提供新思路。 5 结束语 为适应通信技术的迅速发展对超大带宽，超高容量通信的要求，除了研制出更好的设备和算法优化外，还需要开发具有超低损耗特性光纤材料，以及更合理的光纤结构。以纯二氧化硅材料为纤芯的超低损耗光纤可有效降低由于瑞利散射引起的损耗，已经在海底和陆地超长距离传输中体现出优势，相信在未来的通信领域会得到更广泛的应用。 |
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